FUNDAMENTOS - Campus de la UPC a Vilanova i la Geltrú - UPC

Diseño Industrial
FUNDAMENTOS
MIPO
Máster en Interacción Persona Ordenador
Pere Ponsa
Antoni Granollers

Diseño Industrial. Pere Ponsa, Toni Granollers.
Fundamentos
1 Fundamentos
1.1 Objetivos
1.2 Evolución histórica del concepto de diseño
1.3 Diseño de sistemas interactivos centrados en el usuario
1.4 Interacción persona-ordenador y automatización industrial
1.5 Estándares y guías metodológicas
1.6 Principios de diseño
1.7 Ejercicio
1.8 Referencias
1.1 Objetivos
En este capítulo de Fundamentos los objetivos principales son:
introducción de conceptos básicos
relación entre disciplinas
principios básicos de diseño
A lo largo del capítulo el estudiante aprende como concretar los principios básicos de
diseño en el ámbito de la automatización industrial
1.2 Evolución histórica del concepto de diseño
Uno de las principales referencias en telerrobótica, automatización y control supervisor
es Thomas B. Sheridan, quién ha influido en profesionales de las áreas de ingeniería de
sistemas y factores humanos a lo largo de dos décadas (Sheridan, 1992). Una de las
principales ideas de este autor es que los progresos en robótica dependen no solo de los
cambios en la tecnología, sino también en los avances en la comprensión de la relación
entre personas y máquinas.
Esta idea introduce un concepto interesante. Si bien es necesario estudiar cada factor por
separado, persona (perfil del usuario, aspectos cognitivos, tipo de discapacidad, tipo de
dependencia) y la máquina (estructura cinemática, tipo de pinza prensora, control de la
trayectoria), Sheridan enfoca la atención en la relación entre ellos, por tanto en la parte
de interacción:
reparto del control de la tarea entre persona y máquina: la tarea la ejecuta la
persona con el soporte del robot, la tarea la ejecuta el robot, etc.
interacción entre persona y máquina: tipo de interfaz física adaptada al tipo de
discapacidad como joystick, pedal, teclado especial, etc.
A esta idea conviene añadir que el sistema persona-máquina no puede considerarse de
forma aislada, hay que valorar que la persona y la máquina se encuentran en un entorno,
por ejemplo el ámbito doméstico o el ámbito industrial, y por tanto el “sistema” pasa a
ser la persona, la máquina y el entorno y lo que conviene analizar son las múltiples
interacciones entre ellos cuando se lleva a cabo una tarea (Cañas, 2004).
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La ergonomía cognitiva ya engloba esta última idea dentro del marco conceptual actual
denominada sistema cognitivo conjunto, en el que se describe cómo debe arroparse el
concepto de diseño centrado en el usuario desde la perspectiva del diseño contextual.
1.3 Diseño de sistemas interactivos centrados en el usuario
A mediados de los años ochenta se observa un cambio en la forma de concebir el
diseño, pasando de ser visto como un proceso lineal a la idea actual de ciclo en la que se
centra la idea en el carácter iterativo del proceso y en las necesidades y capacidades de
los usuarios. Dentro del ciclo de diseño se enmarca el concepto de usabilidad, es decir, a
como el usuario puede usar el sistema que está siendo diseñado. Para ello es necesario
llegar al concepto de evaluación de la usabilidad:
deben existir unas especificaciones de usabilidad
la opinión del usuario debe tenerse en cuenta
el diseño debe ser poco costoso
Corresponde a los expertos en ingeniería de la usabilidad definir como se evalúan las
especificaciones, como recoger la opinión del usuario y tenerla en cuenta dentro del
ciclo de diseño, y finalmente como concretar el número mínimo de prototipos a partir
del cual, la iteración del ciclo se considera ya suficiente para dar por finalizado el
diseño.
Como ejemplo de marco metodológico se dispone del Modelo de Proceso de la
Ingeniería de la Usabilidad y la Accesibilidad MPIu+a desarrollado por Toni Granollers
que recoge cada una de las fases del ciclo (poner aquí el nombre) (Granollers et.al.,
2005). Y para la medida de la usabilidad es necesario contar con la aportación de los
estudios experimentales llevados a cabo en los laboratorios de usabilidad.
1.4 Interacción persona-ordenador y automatización industrial
A continuación se exponen dos ejemplos ubicados en la docencia universitaria, en la
que se pone de manifiesto la integración de la interacción persona-ordenador dentro del
ámbito de la automatización industrial. El objetivo es que el futuro ingeniero/a tenga en
cuenta aspectos de diseño interactivo en el desarrollo de proyectos industriales.
En la Universitat Politècnica de Catalunya se han puesto en marcha en el curso
2006/2007 dos nuevas asignaturas. La primera es ‘Sistemas de Teleoperación’ (seis
créditos, optativa) en el Plan de Estudios de la titulación Ingeniería Técnica Industrial
especialidad electrónica industrial. El programa está formado por los siguientes temas:
Fundamentos, Telerrobótica, Interacción, Interfaces persona-máquina, Control remoto
de procesos.
El tema Fundamentos presenta las definiciones de los principales conceptos. El tema
Telerrobótica comenta la evolución histórica de los sistemas bilaterales basados en
robots manipuladores. El tema Interacción comenta los principales paradigmas de
interacción (realidad virtual, realidad aumentada y computación ubicua) siguiendo las
directrices de la Asociación AIPO. El tema 4 muestra el diseño de interfaces personamáquina
y dispone de un apartado para el diseño de interfaces para personas con
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necesidades especiales. El tema Control remoto de procesos muestra diversos ejemplos
de monitorización remota de procesos.
La asignatura se desarrolla mediante la metodología docente denominada aprendizaje
colaborativo. A parte de las clases magistrales, y de un primer portafolio, los estudiantes
se dividen en grupos e inician la búsqueda de información relativa a los diversos temas.
Después de algunas semanas de feedback con el profesor, el método se ha mejorado de
forma que los grupos aprenden a encontrar la información relevante. A mitad de curso,
los grupos defienden ante el resto de compañeros, el tipo de trabajo que están realizando
(objetivos, desarrollos, problemas a resolver). El intercambio de opiniones entre grupos
favorece la mejora de los trabajos. A lo largo de las semanas se observa una evolución
en el trabajo que confluye en la presentación oral final, siguiendo las pautas de defensa
de un proyecto final de carrera. En la presente edición se dispone de grupos reducidos, y
uso de las tecnologías de la información y comunicación en el ámbito de un laboratorio
de sistemas de producción equipado con sensores, actuadotes, robot industrial, sistema
de fabricación académico, panel de mando para intervención del usuario, programa
comercial SCADA (Supervisory control and data acquisition), entre otros. Los
estudiantes han llevado a cabo interesantes aportaciones en los siguientes aspectos:
Búsqueda de componentes para condicionar el uso de un robot manipulador en
el ámbito de la telerrobótica asistencial
Análisis de la interacción de personas ciegas con teclados adaptados y
programas lectores de pantalla
Diseño de pantalla gráfica para aplicaciones domóticas
Valoración de funcionalidad del programa Ratón Facial sobre webcam
La segunda asignatura es ‘Teleoperación e interfaces persona-máquina’ (cuatro créditos
y medio) en el Plan de Estudios del Master de Automática y Robótica (investigación) de
reciente creación y dirigido por el departamento de Ingeniería de Sistemas, Automática
e Informática Industrial de la Universitat Politécnica de Catalunya. El programa está
formado por los siguientes temas: Fundamentos, Diseño de interfaz de supervisión,
Interacción e interfaces persona-máquina y Telerrobótica.
La asignatura se desarrolla de forma no presencial, y bajo la metodología denominada
aprendizaje por descubrimiento. Los estudiantes proceden en su mayor parte de
Latinoamérica, en concreto de países como México, Chile, Perú o Colombia. El
intercambio de opiniones a través de la plataforma digital mediadora en forma de
campus virtual permite valorar los diversos matices que tienen los conceptos de
automatización e interacción en función de los aspectos culturales. Los estudiantes
trabajan de forma individual. En el campus digital se dispone de documentación de
soporte sobre cada uno de los temas. A partir de la reflexión con el profesor, el
estudiante escoge un área de investigación y empieza a elaborar tres bocetos sucesivos
de trabajos de investigación. Los bocetos son comentados por el profesor a lo largo del
curso, de forma que el feedback sirve para que el estudiante prepare un trabajo final
extenso que sirva de base para la continuación de la investigación fuera de la asignatura
en el marco de la obtención de la tesis doctoral.
Las áreas que han tenido aceptación en esta edición de la asignatura han sido:
telerrobótica asistencial en el ámbito doméstico para personas con dependencia
tecnologías al alcance de las personas con discapacidad
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metodologías de diseño centrado en el usuario en el ámbito de la telerrobótica
aplicada a la medicina
Los trabajos han intentado acercar disciplinas científicas afines con el fin de proponer
una visión compartida de los problemas a tratar. Para la siguiente edición de la
asignatura, se prevé introducir algunos aspectos en el programa que hagan hincapié en
los problemas cuotidianos de personas con algún tipo de discapacidad, de manera que
los estudiantes puedan planificar un proyecto de ayuda robótica orientado a la tarea a
realizar por la persona.
1.5 Estándares y guías metodológicas
Durante años se han elaborado procedimientos para garantizar la seguridad de los
sistemas persona-máquina en diversos ámbitos. En esta sección destacamos aquellas
guías que tratan la problemática de la interacción compleja entre personas y máquinas y
que pueden aportar rasgos a considerar en la supervisión humana industrial.
1.5.1 ISO 11064
El estándar ISO 11064 establece unos principios, recomendaciones y requerimientos
para ser aplicados en el diseño de centros de control. El estándar ISO 11064 propone
aspectos de propósito general y en el caso particular de aplicación en sala de control
industrial, la ergonomía aparece prioritariamente en forma de ergonomía física (ISO,
2004).
1.5.2 Human Factors Design Standards (HFDS)
La HFDS es una guía de requisitos sobre factores humanos aplicable a los sistemas
adquiridos y/o desarrollados para la Administración Federal de Aviación FAA de los
EE.UU. Se hace hincapié en la relevancia del rol del operario y en la aplicación de la
automatización centrada en el humano (human centered automation), (FAA 1996).
1.5.3 Human Interface Design Review Guidelines (NUREG 0700)
El estándar NUREG 0700 desarrollado por la Comisión de Regulación Nuclear de los
EE.UU. para revisar el diseño desde el punto de vista de factores humanos de las
interfaces persona-sistema (Human System Interfaces, HSI) en general. La guía NUREG
establece unos requisitos de diseño para todos los tipos de interfaz persona-sistema de
una sala de control de planta nuclear (NUREG 2002).
1.5.4 Safety Automation System NORSOK
El estándar SAS (Safety Automation System) forma parte de los estándares NORSOK I-
002 desarrollados por la industria petrolífera de Noruega para asegurar una adecuada
seguridad, valor añadido y un coste efectivo para todas las partes implicadas en el
desarrollo de sistemas petrolíferos El estándar define requerimientos sobre diversas
áreas cubriendo los requerimientos funcionales y técnicos y estableciendo una base para
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la ingeniería de sistemas relacionados con la seguridad y automatización de sistemas en
plataformas petrolíferas en Noruega (Norsok 2006).
1.5.5 Man System Integration Standard (NASA-STD-3000)
Este documento generado por la agencia NASA proporciona información específica
para asegurar la integración apropiada de los requerimientos de interfaces personamáquina
con los de otras disciplinas aeroespaciales. Estos requerimientos se aplican a
los programas espaciales tripulados de los EE.UU. (lanzamiento, entrada, en órbita, y
extraterrestres), (NASA, 1995).
1.5.6 GEDIS
La guía ergonómica de diseño de interfaz de supervisión GEDIS ofrece un método de
diseño especializado en sistemas de control supervisor industrial basado en niveles
donde se van concretando los diseños de los distintos tipos de pantalla y contenidos. La
guía GEDIS puede convertirse en complemento para aquellos ingenieros técnicos que
desarrollan interfaces de supervisión mediante los sistemas comerciales denominados de
adquisición de datos y control supervisor SCADA.
1.6 Principios de diseño
En esta sección se describen algunos principios de diseño universal útiles para el diseño
industrial (Lidwell et. al., 2005). Los principios recogidos son:
Jerarquía de necesidades de Maslow
La ley de Hick
Equilibrio entre flexibilidad y eficacia
La limitación
Error humano
Control supervisado
1.6.1 Jerarquía de necesidades. (ej: diseño de un programa V+ para robot RX-90
de Stáubli)
Este concepto proviene de la jerarquía de necesidades de Maslow (Maslow, 1991).
Maslow aplica esta jerarquía en aspectos de motivación y personalidad. La propuesta
original puede aplicarse al diseño, modificando ligeramente algunas de las ideas que
intervienen inicialmente. El principio de la jerarquía de las necesidades especifica que
un diseño debe satisfacer un conjunto de necesidades de forma ordenada.
La jerarquía de necesidades se expresa en forma de pirámide de 5 niveles. La idea
elemental es que un diseño debe satisfacer las necesidades básicas (niveles inferiores)
antes de intentar conseguir necesidades más elevadas (niveles superiores). A
continuación se detalla cada nivel tomando como ejemplo de diseño la creación de un
programa de control de los movimientos y tareas de un robot industrial.
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Funcionalidad. El diseño creado debe permitir que la máquina o el artefacto funcione.
Cuando se programa un robot industrial, dicha máquina debe funcionar en el sentido de
realizar tareas básicas. En el ejemplo del robot: posicionarse en el espacio, coger una
pieza, desplazarse en el espacio, y dejar la pieza. Tareas que vienen dadas por la propia
definición de lo que es un robot industrial.
Fiabilidad. El aspecto se refiere a la obtención de resultados estables y consistentes. En
el ejemplo del robot, se trata de que el robot coja eficazmente la pieza, sin problemas de
adherencia, y no pierda la pieza a lo largo del desplazamiento. El agarre debe efectuarse
sin dañar la pieza. Si no se pueden garantizar estos aspectos, el robot no puede aplicarse
en el entorno industrial con éxito.
Utilidad. El concepto se refiere a la facilidad en el uso de un diseño. En el ejemplo del
robot, se trata de que el programa creado sea flexible para permitir cambios y aceptar
nuevas instrucciones que mejoren el programa básico a medida que se requieran: incluir
instrucciones sobre la precisión de los movimientos, la velocidad del movimiento, el
tipo de trayectoria a seguir en el espacio.
Competencia. Se trata de otorgar a los usuarios la posibilidad de hacer las cosas mejor.
Un experto en ingeniería robótica, puede obtener el programa de robot generado por el
diseñador e introducir mejoras. Este detalles es útil cuando el robot se programa en un
entorno industrial repleto de otras máquinas, y cuando hay que prever la interacción
entre las tareas del robot y del operario. Dichos cambios se realizan a lo largo de
diversas fases en la puesta en marcha del robot, por lo que es necesario dicha necesidad.
Creatividad. Una vez satisfechas todas las necesidades anteriores, los usuarios pueden
interactuar con el diseño de un modo innovador. En el ejemplo del robot, el experto en
ingeniería robótica puede mejorar los tiempos de ciclo para mejorar la productividad del
robot en su tarea industrial, y contribuir así a la mejora del rendimiento del sistema
productivo.
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.PROGRAM moure.parts()
;DESCRIPCION: Este programa permite que el robot coga ;piezas en la localización
"pick"
; i las deja en "place"
parts = 100 ; nº de piezas a procesar
height1 = 25.4 ; altura de "approach/depart" en "pick"
height2 = 50.8 ; altura de "approach/depart" en "place"
parameter HAND.TIME = 0.16 ; configuración para movimiento ;lento del brazo
mecánico
OPEN ; apertura de la pinza
RIGHTY ; seleccionamos configuración de brazo derecho
MOVE start ; movimiento del robot a la localización segura de ;inicio
FOR i = 1 TO parts ; procesar las piezas
APPRO pick, height1 ; ir a "pick-up"
MOVES pick ; mover a la pieza
CLOSEI ; cerrar la pinza
DEPARTS height1 ; volver a la posición anterior
APPRO place, height2 ; ir a "put-down"
MOVES place ; mover a la localización de destino
OPENI ; abrir la pinza
DEPARTS height2 ; volver a la posición anterior
END
TYPE "Fin de la tarea. ", /IO, parts, " piezas procesadas."
RETURN ; fin del programa
.END
La jerarquía de necesidades es claramente útil en la formación de futuros ingenieros. En
la automatización de procesos industriales, el ingeniero debe programar de forma eficaz
para que la máquina/proceso funcione y lo haga de una forma fiable, evitando en todo lo
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posible los paros de la máquina por situaciones derivadas de una mala programación. A
nivel industrial no se puede asegurar una fiabilidad del 100% ya que todo proceso
automatizado requiere de un mantenimiento preventivo y debido al hecho de la
presencia de situaciones imprevistas que pueden afectar al rendimiento y a la seguridad.
Suponiendo que la fiabilidad está en unos márgenes aceptables, es el momento de
intentar depurar las necesidades más elevadas. El cumplimiento de las necesidades
elevadas muestra, en el ejemplo del robot industrial, que el sistema productivo mejora
su rendimiento y eficacia.
1.6.2 La ley de Hick
La ley de Hick expresa que el tiempo necesario para tomar una decisión es una función
del número de opciones disponibles (Hick 1952), (Hyman 1953). La ley permite
calcular el tiempo que se tarda en tomar una decisión cuando se presentan varias
posibilidades. Así por ejemplo, cuando un piloto dispone de un conjunto de botones y
debe accionar uno ante un imprevisto anunciado por una alarma, la ley de Hick indica
que cuanto mayor sea el número de botones, más se tardará en tomar la decisión.
La ley de Hick se enmarca en la solución de problemas. En esta metodología se
describen cuatro pasos: identificar el problema, valorar las opciones disponibles, elegir
una de las opciones, y realizar la opción escogida. La ley de Hick se aplica al tercer
paso. Hay que indicar que la ley de Hick se aplica en la toma de decisiones sencilla
(habitualmente se asocia un evento con una posible acción correctiva).
La ley de Hick se expresa
RT a b * log
2
n
Siendo:
- RT: tiempo de respuesta
- a: tiempo total que no está implicado en la toma de decisión
- b: constante empírica basada en el tiempo de procesado cognitivo para cada
opción (0,155 s para los seres humanos)
- n: número de alternativas posibles
Por ejemplo, imaginemos que un operario tarda 2 s en detectar una alarma y reconocer
su significado. Imaginemos también que al pulsar uno de los 5 botones se solucionará el
problema. El tiempo en responder según la ley de Hick indica un cierto retardo, con lo
que RT tiene un valor de 2,36 s.
log
5 2, s
RT 2 (0,155) *
2
36
¿Como aplicar la ley de Hick en el diseño de sistemas La ley de Hick puede aplicarse
en el diseño de sistemas que impliquen decisiones basadas en diversas opciones. Si se
diseñan tareas en las que el tiempo de respuesta ante eventos es decisivo, se recomienda
minimizar el número de opciones implicadas. Cuando el diseño requiere interacciones
complejas, la ley de Hick no puede aplicarse y es conveniente realizar estudios
etnográficos con usuarios y situaciones reales. Sería el caso, por ejemplo, de la tarea de
un controlador aéreo en el seguimiento de aviones, el cual ante una situación de alarma
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debe realizar tareas más elaboradas como la discusión del caso con los compañeros de la
sala de control, y la consulta de los procedimientos a seguir en caso de emergencia (en
forma de menú de ayuda en pantalla, o bien mediante manual de consulta).
Un detalle que conviene resaltar es la presencia de presión temporal en la decisión. Si a
ello se añade que el operario maneja un sistema complejo, la presencia de error humano
ante un gran número de alternativas a escoger puede ser elevada, de ahí que la reducción
del número de opciones por parte del diseñador es una idea a considerar.
1.6.3 Equilibrio entre flexibilidad y eficacia
Dos conceptos contradictorios que conviene manejar con habilidad para encontrar un
equilibrio adecuado. La idea parte de los trabajos de (Norman, 2000) y en los que se
comenta que los diseños flexibles pueden desempeñar más funciones que los diseños
especializados pero lo hacen de una forma menos eficaz. Debe conseguirse el equilibrio
entre flexibilidad y eficacia ya que no se puede prescindir de ninguno de los dos
conceptos; la incorporación de la flexibilidad permite satisfacer un mayor número de
exigencias de diseño, pero ello repercute en un aumento de la complejidad.
El equilibrio entre flexibilidad y utilidad presenta implicaciones a la hora de sopesar la
importancia relativa de la flexibilidad frente a la eficacia en un diseño. Siempre que los
usuarios conozcan bien sus necesidades, se recomienda diseños especializados que
atiendan a esas necesidades de la manera más eficaz posible. En el caso de usuarios que
no conozcan bien sus necesidades, se recomienda diseños flexibles con el fin de
posibilitar el mayor número posible de futuras aplicaciones. Cuando se diseña
generaciones múltiples de productos, hay que tener en cuenta el cambio general hacia la
especialización a medida que las necesidades de los usuarios se definan.
El equilibrio entre flexibilidad y eficacia se aprecia en el diseño de panel de mando a
modo de interfaz entre un operario y un artefacto (controlador lógico programable,
máquina) (Ponsa y Vilanova, 2005). El panel más sencillo es el más fácil de utilizar,
pero no resulta flexible y es necesario añadir funcionalidades bien definidas
(dispositivos de información visual, selector de servicio). El segundo panel muestra las
mejoras añadidas; se puede observar que los dispositivos de información visual
(indicadores luminosos) y los elementos controladores (selectores, pulsadores) se han
agrupado por su función (Servicio, Marcha/Paro de la máquina, Seguridad). El tercer
panel es muy flexible ya que incorpora todas las funcionalidades anteriores, y además
añade la posibilidad de que el operario realice tareas de verificación manual, ello
repercute en que se trata de un panel mucho más complejo, y su manejo requiere
entrenamiento del operario.
Es habitual encontrar paneles de mando muy sencillos en entornos industriales,
construidos con un mínimo de pulsadores para permitir que el operario realice la tarea
básica de marcha y paro de una máquina. El segundo panel se ha diseñado para aquellos
operarios que deseen introducir la guía GEMMA en el algoritmo del controlador lógico
(PLC) que gobierna la máquina. Finalmente, el tercer panel muestra que el segundo
panel puede ampliarse para tener en cuenta el accionamiento de algunos actuadores de
la máquina. En el caso de una máquina compleja, el número de dispositivos y
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controladores puede aumentar tanto que puede hacer inviable el diseño de un panel
fácilmente utilizable por el operario.
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1.6.4 La limitación.
El concepto de limitación procede de los estudios de Norman (Norman, 1998).
Las limitaciones permiten reducir las acciones que se pueden realizar sobre un sistema.
Un ejemplo de limitación es la ocultación de opciones, por ejemplo, que se produce al
desplegar la barra de menú principal en un editor de texto, aparecen en primer término
las opciones más utilizadas en lugar del conjunto de ellas, mucho más extenso. La
aplicación de las limitaciones facilita la utilización de los diseños.
Existen dos tipos de limitaciones, físicas y psicológicas. Las limitaciones físicas
reducen las acciones a condicionar el movimiento según trayecto, eje o barrera.
Un ejemplo de limitación de tipo Trayecto es el elemento slider. Se observa como
mediante el ratón convencional, el usuario puede deslizar el cursor a lo largo de una
trayectoria vertical en este ejemplo, en una escala de 0 a 100.
Un ejemplo de limitación de tipo Eje se aprecia en el uso de un dispositivo controlador.
La fuerza que ejerce un usuario sobre el selector, se traduce en un movimiento de
rotación sobre el controlador que permite activar o desactivar el dispositivo.
Las limitaciones de tipo Barrera ejercen como detención o ralentización. El ejemplo
más común es al mover el ratón convencional y encontrar los límites de la pantalla del
ordenador. En el caso de un joystick con realimentación de fuerzas que se utiliza en
videojuegos, cuando el usuario ejerce una acción límite sobre el dispositivo, se percibe
de forma táctil la realimentación que actua como freno o barrera.
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Las limitaciones psicológicas se refieren a aspectos de percepción de la información y a
los modelos mentales del mundo. Las limitaciones psicológicas se clasifican en
símbolo, convención y dirección.
Los símbolos influyen en el comportamiento al comunicar un significado a través del
lenguaje, como el texto y el icono en una señal de advertencia.
Las convenciones influyen en el comportamiento y se basan en las tradiciones y
prácticas adquiridas. Así por ejemplo, el color rojo está asociado con la detención en un
semáforo, mientras que el verde está asociado con seguir adelante. Otros claros
ejemplos son los símbolos gráficos que se utilizan para las funciones de reproducción de
un equipo de audio o video (play, rew, stop, record).
Las direcciones influyen en el comportamiento al basarse en las relaciones percibidas
entre elementos. Por ejemplo, al considerar la disposición física de interruptores en los
diversos espacios habitables de una vivienda: el interruptor de luz que se encuentra en
un recibidor se percibe relacionado con la iluminación de ese espacio, en otros
interruptores más alejados físicamente no se percibe esta relación.
Las limitaciones en el diseño permiten simplificar la utilización de los dispositivos
controladores. Las limitaciones físicas se emplean para reducir la sensibilidad de los
controladores, al minimizar las entradas involuntarias (fuerzas bruscas ejercidas por el
usuario) y evitar o ralentizar las acciones peligrosas. Las limitaciones psicológicas se
emplean para mejorar la claridad de un diseño y facilitar el reconocimiento de la
situación por parte del usuario, así como facilitar la entrada de acciones.
1.6.5 Error Humano
Una de las causas más frecuentes de los accidentes se debe al error humano. Es
frecuente también, encontrar explicaciones detalladas que relacionan el error humano
producido junto a problemas del diseño de los sistemas (procesamiento de la
información inadecuada debido a la dificultad en el reconocimiento de la situación).
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Como primera aproximación los errores pueden clasificarse en errores de ejecución y en
errores de planificación (Norman, 1981), (Reason, 1990).
Los errores de ejecución, o errores de acción, se corresponden con equivocaciones por
parte del usuario que tienen lugar en el inconsciente. El usuario tenía intención de
apretar un botón, y debido a la equivocación, ha acabado presionando un botón no
deseado, por ejemplo.
¿Cómo minimizar estas equivocaciones En primer lugar hay que ofrecer información
previa clara sobre las acciones. Los mensajes de error deben anunciarse con claridad,
siendo necesario incluir las consecuencias del error y acciones correctivas que permitan
“deshacer” la acción. Los dispositivos controladores deben situarse de forma que se
evite su activación accidental, y si ello no es posible, es necesario utilizar
confirmaciones para verificar la acción.
En el ejemplo del diseño de un panel de control sencillo se observa como por accidente,
el operario podría poner la máquina en un estado de funcionamiento automático (AUT)
al dar un golpe involuntario sobre el selector. Añadiendo, un pulsador para validar la
acción, tan solo se produce ese modo de funcionamiento de forma voluntaria, evitando
así una posible equivocación que podría derivar en accidente.
Los errores de planificación se producen cuando la tarea de toma de decisiones y
solución de problemas resulta inadecuada para corregir el mal funcionamiento de un
proceso o una máquina. En sistemas complejos, como la toma de decisiones en sala de
control de planta nuclear, la interpretación inadecuada de la presencia de una alarma y
el reconocimiento de la situación, puede conducir a un error de planificación que afecta
gravemente al funcionamiento de la planta (como en el accidente ocurrido en Three
Mile Island en 1979).
Los diseños deben ayudar a las personas a evitar errores y, en caso de producirse, a
minimizar las consecuencias negativas (Lidwell et. al. 2005). En este sentido se define
el diseño indulgente que incluye:
- Adecuaciónes: carácterísticas físicas del diseño que influyen en su correcta
utilización (por ejemplo, la forma física de conexión entre el ordenador y los
equipos periféricos)
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- Acciones reversibles: acciones que pueden deshacerse si se produce un error o si
la persona cambia de intención (típico de editores de texto convencionales, en
los que aparece la función de deshacer escritura)
- Redes de seguridad: instrumento o proceso que minimiza las consecuencias
negativas de un error catastrófico (por ejemplo, intentar abrir la salida de
emergencia de un avión en pleno vuelo, sin necesidad)
- Confirmación: verificación de las intenciones antes de realizar acciones
arriesgadas (por ejemplo, la necesidad de conectar mediante llave, antes de
activar un sistema)
- Advertencias: señales, mensajes o alarmas empleadas para avisar de un peligro
inminente
- Ayuda: información de soporte al operario en operaciones básicas o conflictivas
para la superación de la situación.
Si en el diseño se tienen en cuenta las adecuaciones, acciones reversibles y las redes de
seguridad, entonces la confirmación, la advertencia y la ayuda no son tan necesarios.
Cuando se utilizan confirmaciones, advertencias o ayudas, deben evitarse los mensajes
crípticos. El exceso de confirmaciones o advertencias dificulta la interacción y aumenta
las probabilidades de que la confirmación o las advertencias sean ignoradas.
1.6.6 Control supervisado.
El operario interactúa con el proceso controlado y puede ejercer tareas rutinarias de
vigilancia sin intervención, tareas de inicio o paro del ciclo, o interrupciones para
modificar los parámetros del algoritmo de control, por citar algunas actividades, de
manera que si se considera el operario como parte integrante del sistema se obtiene una
cooperación entre operario y proceso regulado por el controlador. No se trata, pues, de
una arquitectura totalmente automatizada; más bien es una arquitectura híbrida de
interacción entre el operario humano, la interfaz y el controlador. En el manejo del
ordenador en el control de procesos, la interacción entre operario y ordenador se amplía
enormemente al poder manejar bases de datos, entornos de programación de alto nivel y
conectividad con otros ordenadores en un entorno de control distribuido. Resulta
singular destacar que desde el ordenador no sólo se pueden modificar los parámetros del
algoritmo de control, sino que se pueden diseñar simulaciones del proceso con mayor o
menor realismo respecto al proceso industrial. Así pues, desde el ordenador el operario
tiene una mejor comprensión del proceso controlado mediante herramientas de
programación orientadas a los procesos industriales, mediante los cuales se pueden
generar aplicaciones a medida del proceso a estudio.
Una vez establecidos de forma clara el rol de la automatización y el tipo de interacción
entre el elemento de control y el operario, conviene definir el concepto de supervisión.
Una posible definición de supervisión de un proceso indica el conjunto de acciones
desempeñadas con el propósito de asegurar el funcionamiento correcto del proceso
incluso en situaciones anómalas.
Cuando en este contexto se habla de funcionamiento correcto frente a anómalo se
entiende que el funcionamiento correcto es el que se produce mediante un algoritmo de
control testeado por un operario experto y verificado de forma periódica/cíclica hasta
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obtener los resultados deseados de calidad del producto y satisfacción del control
efectuado.
En el entorno industrial, y ante la presencia de perturbaciones, el proceso controlado
puede desviarse de la consigna fijada a priori, de forma que se produce un
deterioramiento del funcionamiento correcto. De forma rápida, observamos, pues, que la
supervisión engloba la automatización, el seguimiento y la vigilancia del proceso
controlado. En el contexto que presentamos en estas líneas, entendemos que la
automatización y la supervisión son fases consecutivas a aplicar sobre el proceso.
De forma básica, el sistema de supervisión es el encargado de llevar a cabo las
actividades siguientes:
- Adquisición y almacenamiento de datos
- Monitorización o vigilancia (surveillance) de las variables del proceso
- Control supervisor (supervisory control) sobre autómatas y reguladores
industriales
- Detección de fallos
- Diagnóstico de fallos
- Reconfiguración
Algunas de estas actividades se realizan mediante sensores, actuadotes, controladores, y
redes de comunicaciones. Es relevante destacar las tareas que debe llevar a cabo el
operario al disponer de capacidades de toma de decisiones por encima del nivel de
automatización (Barrientos et. al. 2007). Las principales tareas del operario son:
- Planificación de la tarea a realizar y cómo realizarla. Debe definirse un objetivo
alcanzable y formular una estratégica que de forma efectiva conduzca al objetivo
- Automatizar las tareas sobre ordenador para que puedan ejecutarse de forma
automática
- Monitorizar la ejecución automática. En este sentido el operario vigila el proceso
controlado y por tanto analiza la posibilidad de tomar medidas correctivas.
- Intervención humana. En el caso de complementar el control automático, o
tomando de forma entera el control en forma manual, o en caso de emergencia,
el operario interviene de forma activa.
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Fundamentos
Tal como se ha comentado al principio de este tema, una de las principales referencias
en telerrobótica, automatización y control supervisor es Thomas B. Sheridan, quién ha
influido en profesionales de las áreas de ingeniería de sistemas y factores humanos a lo
largo de dos décadas (Sheridan, 1992). Sheridan contempla todos los modos de
operación que pasan por un control cien por cien humano, a un control cien por cien
automatizado, y en medio las divesas combinaciones de control entre el operario y el
automatismo.
Es necesario definir un esquema en el que el concepto de control supervisado se aprecie
de forma nítida en el marco de la interacción persona-ordenador.
Mediante la interfaz (monitor de ordenador, panel de mano con indicadores
informativos) o bién por visualización directa del proceso, el operario vigila el proceso
controlado por el automatismo, y vigila también el funcionamiento adecuado del
algoritmo programado en el interior del automatismo. En este esquema, proceso indica
un proceso continuo o proceso discontinuo industrial; en casos concretos se puede
sustituir proceso por máquina, manteniendo la forma del resto de elementos del
esquema.
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La intervención del operario se produce a través de órdenes sobre el automatismo,
ordenes sobre la interfaz, o bien de forma directa sobre los actuadores presentes en el
proceso (human in the loop).
La realimentación está proporcionada por un conjunto de sensores e indicadores que
visualizan situaciones de funcionamiento del proceso/máquina.
El control supervisado, aunque presenta una gran complejidad, es especialmente útil en
el manejo de sistemas persona-máquina complejos, tanto en el ámbito industrial, como
en el ámbito de los sistemas de teleoperación (espacio, mar, medicina). Combina las
ventajas de fiabilidad del automatismo junto a las capacidades de solución de problemas
y toma de decisiones de las personas. Y en este sentido, las limitaciones senso-motrices
del ser humano no suponen un inconveniente en la aplicación del control supervisado.
Y a modo de posibles inconvenientes, hay que destacar la presencia de incertidumbre y
el error humano. Es clara la dificultad de obtener un control supervisado robusto cuando
el proceso presenta incertidumbre. Es decir, al realizar un modelo físico-matemático del
funcionamiento del proceso, cuanto mejor sea este modelo menor será la incertidumbre,
pero no se puede conseguir una fiabilidad perfecta en el uso del modelo. En el caso de la
aplicación del control supervisado en entornos no estructurados como en la
teleoperación espacial, la incertidumbre en el conocimiento del entorno conduce a una
obtención de información incompleta que dificulta las tareas de supervisión del
operario.
Otra gran dificultad, es que pese a la presencia de niveles de automatización entre el
operario y el proceso, se debe tener en cuenta la carga de trabajo, tanto física como
mental, del operario, de forma que se reduzca con la finalidad de evitar el error humano
en las tareas de supervisión.
1.7 Ejercicio
¿Cómo definir las tareas de un diseñador En el enlace web de Alberto La Calle sobre
“Diseño de procesos, operaciones de negocio”, pueden observarse algunas reflexiones
sobre el concepto de diseño y las tareas a desarrollar por un diseñador. Los artículos allí
presentados pueden servir como debate.
http://albertolacalle.com/diseno-procesos.htm
Y, por la calidad de las reflexiones sobre el diseño de objetos cotidianos, es
imprescindible citar la página web de Don Norman, que refleja todo un compendio de
ensayos, ejemplos y debate sobre diseño.
http://www.jnd.org/
Si el lector está interesado en la formación universitaria en Ingeniería del Diseño y
desarrollo del producto, es fácil encontrar diversos centros estatales, como por ejemplo
la ingeniería impartida por la Universidad de Nebrija.
http://www.nebrija.com/carreras-universitarias/ingenieria-diseno-industrial/index.htm
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Fundamentos
1.8 Referencias
Barrientos, A., Peñin, L.F., Balaguer, C. y Aracil, R. “Fundamentos de Robótica”.
Editorial McGrawHill, Segunda Edición, Madrid, 2007
Cañas, J.J.” Personas y máquinas”. Ediciones Pirámide, Colección Psicología, 2004
Federal Aviation Administration: Human factors design guide for acquisition of
commercial-off-the-shelf subsystems, non-developmental items, and developmental
systems (DOT/FAA/CT-96/01). Atlantic City International Airport, DOT/FAA
Technical Center, 1996
Granollers, T., Lorés, J. y Cañas, J.J. “ Diseño de sistemas interactivos centrados en el
usuario”. Editorial UOC, Colección Informática, 2005
Hick, W.E. On the rate of gain of information”. Quarterly Journal of Experimental
Psychology, Vol 4, pp. 11-26, 1952
Hyman, R. Stimulus information as a determinant of reaction time”. Journal of
Experimental Psychology, Vol 45, pp. 188-196, 1953
ISO International Organization for Standarization: Ergonomic design of control centres,
parts I, II, III, IV. En URL: http://www.iso.org, 2004
Lidwell, W., Holden, K y Butler, J. “Principios universales de diseño”. Editorial Blume,
2005
Maslow, A. “ Motivación y personalidad”. Ediciones Díaz de Santos, 2001
NASA. ”Man system integration standards, NASA-STD-3000”.
En URL: http://msis.jsc.nasa.gov/, 1995
Norman, D.A. ” Categorization of action slips” Psychological Review, Vol 88, pp. 1-15,
1981.
Norman, D.A. ” La psicología de los objetos cotidianos”. Editorial Nerea, San
Sebastián, 1998
Norman, D.A. ” El ordenador invisible”. Editorial Paidós, Barcelona, 2000
Norwegian Technology Centre. “Norsok Standard: I-002 Safety automation system”.
Norwegian Technology Centre Oscarsgt. 20, Postbox 7072 Majorstua N-0306 Oslo. En
URL: http://www.olf.no y http://trends.risoe.dk/detail-organisation.phpid=52#corpus ,
2006
Ponsa, P. y Vilanova, R. “Automatización de procesos mediante la guía GEMMA”.
Edicions UPC, Aula Politècnica/Computación y Control, nº 102, Barcelona, 2005.
Reason, J. “Human error”. Cambrigde University Press, 1990
Sheridan, T. “Telerobotics, automation and human supervisory control”. MIT Press,
1992
U.S. Nuclear Rgulatory Commission: NUREG-0700, Human-system interface design
review guidelines. Office of Nuclear Regulatory Research, Washington DC 20555-
0001. En URL: http://www.nrc.gov/reading-rm/doccollections/nuregs/staff/sr0700/nureg700.pdf,
2002
Wickens, C.D., Gordon, S.E. y Liu Y. “An introduction to human factors engineering”.
Addison Wesley Longman, 1997
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