An Augmented Reality and Head-Up Display

Interface for E-Maintenance with Motivational

Aspects Using interfaces and Gamification to motivate workers in procedural tasks

Allan Oliveira, Regina Borges de

Araujo

Departamento de Computação

Universidade Federal de São Carlos

São Carlos, São Paulo, Brasil

{allan_oliveira,

regina}@dc.ufscar.br

Leonardo Botega

Computing and Information Systems

Research Lab (COMPSI)

Centro Universitário Eurípides de

Marília (UNIVEM)

Marília, São Paulo, Brasil

botega@univem.edu.br

Nahana Caetano

Departamento de Planejamento

Estratégico

Coca-Cola FEMSA

São Paulo, São Paulo, Brasil

nahana.caetano@kof.com.mx

Abstract—A current challenge in industrial systems, such as

E-maintenance, responsible for gathering all maintenance-

related data in a single system, is how to display information to

users. This same challenge is present when considering new

devices for visualization, such as Head Mounted Displays -HDM

(e.g. Google Glass). Advanced interfaces such as Augmented

Reality (AR) and Head-Up Display (HUD) provide a means to

display these information for users. However, there is still a lack

of theoretical design studies (studies that do not consider current

technologies limitations) of Augmented Reality and HUD.

Another problem in industrial scenarios is motivation, especially

considering repetitive procedural works. Therefore, this paper

present and discuss a high fidelity theoretical prototype of an

interface for maintenance, that uses Gamification techniques to

motivate the user, and AR and HUD to display information in a HMD device.

Keywords—Augmented Reality; HUD; Gamification;

Maintenance

I. INTRODUÇÃO

Um dos maiores desafios na manutenção de plantas industriais é a obtenção e utilização do conhecimento. E-Manutenção (Manutenção Eletrônica) é um novo campo emergente na indústria, que surgiu da junção dos campos de engenharia de manutenção e operação, engenharia de software, sistemas de informação, gerenciamento do negócio e administração de empresas [1]. A mesma é definida como o encontro de duas tendências da indústria [2]: a crescente importância da manutenção e o desenvolvimento acelerado da tecnologia de informação e comunicação.

A informação do sistema de E-Manutenção deve ser usada para extração de regras e aprendizado do comportamento do equipamento, ou seja, gerar conhecimento. Esse conhecimento deve ser capitalizado visando criar um conjunto de memórias corporativas da empresa. Porém, soluções de visualização dessas informações são escassas. Indo além, estudos mostram que 45% do turno de um operador é gasto procurando e lendo procedimentos e informações relacionadas [3].

Bagemann et al. [4] reforçam a necessidade de soluções de visualização no projeto PROTEUS de E-Manutenção, ao

definir uma de suas três funções centrais a apresentação e síntese completa dos dados, ou seja a entrega dos dados para os atores da operação em nível tático e estratégico.

Complementando essas informações, vários estudos na literatura foram conduzidos sobre acidentes industriais, e a manipulação incorreta do processo pelo operador foi apontado como a principal causa dos acidentes [5].

Esses estudos mostram que a visualização de dados na manutenção, tanto no nível procedural de execução da tarefa, quanto no nível de inteligência, são de suma importância. Por outro lado, do ponto de vista do design de interfaces, Sá e Carriço mostram que estudos de design ou de uma perspectiva centrada no usuário são escassos [6].

A RA é uma tecnologia em potencial para a visualização de dados da E-Manutenção, já que ela traz conhecimento para o mundo físico, auxiliando o técnico a realizar seu trabalho sem a necessidade de interromper para consulta a manuais de informações. Diversas soluções de RA na manutenção existem hoje em dia, e elas são analisadas em Oliveira et al. [7].

Caso o dispositivo considerado seja um Head-Mounted Display (HMD), outro modelo de interface é o Head-Up Display (HUD). Nesse artigo, o termo HUD é usado com base no seu uso na área de Jogos Computacionais, no qual ele é considerado uma forma de apresentação de informações, ou seja, um modo de interface do usuário. Portanto um HUD não é considerado como um dispositivo físico, como geralmente é feito na sua área de origem, a aviação. Dessa forma, uma interface HUD é referente a informações 2D projetadas no visor do usuário sobre o ambiente ao seu redor.

A interface de Realidade Aumentada e HUD em um HMD deve:

Ser minimalista para não atrapalhar o trabalho;

Prover a informação necessária no tempo adequado;

Permitir acesso fácil aos dados e prover uma apresentação otimizada da informação.

Além da necessidade de visualização, outra necessidade nas indústrias hoje é a da motivação. Existe um relacionamento direto entre habilidade e motivação, pois embora alta habilidade (expertise no problema) indique possível alta produtividade, a motivação é a alavanca que controla o resultado final da eficiência.

Uma das formas de motivação discutida hoje no cenário de trabalho é a Gamificação, no qual técnicas de design de jogos são aplicadas aos problemas de trabalho [8]. Estudos mostram que as técnicas de motivação clássicas de design de jogos podem ser aplicadas no trabalho para motivar o usuário, mesmo em tarefas procedurais [9].

Portanto, o objetivo deste artigo é mostrar um protótipo teórico de alta fidelidade de interface gamificada de Realidade Aumentada e HUD para HMDs, que usa e acessa sistemas de E-Manutenção para obter dados. Por considerar o aspecto teórico da interface, o presente trabalho não aborda limitações tecnológicas atuais.

O artigo está dividido em: (II) Recompensa e motivação; (III) O procedimento; (IV) O protótipo da interface de RA e HUD com Gamificação; (V) Discussão e conclusão.

II. RECOMPENSA E MOTIVAÇÃO

Umstot et al. [10] foram os primeiros a sugerir combinar as estratégias de enriquecimento do trabalho, tornando-o mais interessante, desafiador e significativo, através da adição de dimensões como variedade de habilidades, identidade da tarefa, significância da tarefa, autonomia e feedback. Esses fatores, juntamente com o contato com outras pessoas são essenciais para garantir motivação e satisfação.

Para obter esse enriquecimento, os mesmos usaram a abordagem de engenharia do trabalho, que tenta direcionar o trabalho a objetivos aprimorando métodos, equipamentos, ferramentas e a aplicação de engenharia da produção e fatores humanos ou ergonômicos.

Dessa forma, o modelo de design do trabalho proveu, ao mesmo tempo, um alto nível de produtividade do trabalho e um alto grau de satisfação do trabalhador, o que o torna a base ideal para a interface apresentada neste artigo. Em outras palavras, esta proposta é focada em aumentar a produtividade e segurança do trabalho, com ênfase no aumento da satisfação/motivação do trabalhador, que será demonstrada nesta seção. Conforme estudado por Kiassat [11], motivação e tédio são dois dos maiores fatores responsáveis por erros em alguns cenários industriais.

Trabalhadores que enfrentam rotinas muito especializadas ou altamente simplificadas, além de se sentirem insatisfeitos com suas atividades, acabam enfrentando consequências fisiológicas negativas, como a LER (Lesão por Esforço Repetitivo). Exemplos dessa situação costumam ser os trabalhos em linhas de montagem ou aqueles em que uma máquina força o ritmo que o trabalhador deve seguir.

A manutenção, domínio deste artigo, é um trabalho predominantemente procedimental, embora com imprevisibilidades. Por isso, além de ser repetitivo, dá pouca margem para que o trabalhador possa tomar decisões de alto

nível, o que tira a percepção de que é um trabalho significativo, reduzindo o nível de satisfação do setor.

Tarefas procedurais são similares em sua execução repetitiva a MMORPGs (Jogos de RPG online com milhares de jogadores), devido a natureza de ambos de repetição extrema das ações. A grande diferença entre a “diversão” de um MMORPG e o “tédio” em uma tarefa procedural, como a manutenção, é a recompensa imediata.

A teoria de Token Economy [12] explica por que o condicionamento de jogadores em MMORPGs é possível. Esta teoria prova que é possível projetar um sistema de modificação de comportamento baseado no reforço sistemático do comportamento desejado, ou seja, dar a recompensa imediata pelo “trabalho”. Portanto ao estimular e satisfazer os usuários com recompensas instantâneas, MMORPGs se tornam engajadores, enquanto que tarefas procedurais “na vida real” são consideradas entediantes e não motivadoras.

Essa teoria é levada ao máximo por algumas empresas de jogos, fazendo jogos que ficam no limiar entre um simples jogo virtual e um jogo azar e apostas, causando vício compulsivo em jogadores. Vários estudos foram realizados para entender a natureza do vício em jogos onlines [13], ou para identificar se esses jogos passam da barreira do legal/ilegal [14].

Uma das tecnologias usadas hoje para melhoria da satisfação das pessoas em suas tarefas é a Gamificação, que é a aplicação de elementos de jogos e técnicas de design de jogos para problemas não relacionados a jogos, como negócios e desafios sociais. Ela é aplicada para melhorar a experiência do usuário e o engajamento do usuário com uma determinada tarefa [15], geralmente através da teoria de Token Economy. Até onde é de conhecimento dos autores desse trabalho, a Gamificação ainda não foi usada como motivadora dos técnicos no processo de manutenção.

Várias estratégias de Gamificação podem ser usadas para melhorar a motivação ou amenizar o tédio na manutenção, por exemplo, no nível mais simples, interfaces podem ser similares a jogos para dar a idéia aos operadores de que estão em um contexto de jogo. No nível médio, interfaces demonstram em tempo real qual a recompensa do trabalhador por ter executado aquele trabalho, tanto em níveis salariais normais (valor homem-hora), como o bônus anual calculado em cima de seu desempenho. No nível mais completo a Gamificação ditaria cada tarefa do empregado, por exemplo, colocando o trabalho dentro de um jogo real.

O foco deste artigo é no nível médio de Gamificação, no qual será integrada a recompensa salarial do trabalhador em tempo real ao seu trabalho, para que ele se sinta motivado a executar o seu trabalho. Além disso, indicadores de empresas serão usados para aumentar ainda mais a sensação de recompensa imediata do trabalhador. Indicadores são índices usados pelas empresas para definir e medir o desempenho dos seus empregados, e o bônus salarial anual/semestral é calculado com base no resultado dos indicadores de cada empregado.

Neste trabalho, os quatro pontos de avaliação serão: assiduidade, segurança, missões e recorde. A assiduidade é avaliada por pontualidade e absenteísmo. A segurança é

avaliada pelo cumprimento dos procedimentos e políticas da empresa. As missões são avaliadas pelo fechamento de uma tarefa, sendo que cada tarefa exige um nível diferente de esforço (e portanto tem pontuação diferente). Por fim o recorde é avaliado comparando o desempenho do usuário à média do desempenho da tarefa no período de todos os colaboradores, ou seja, comparando o quão acima da média foi o desempenho do usuário na tarefa.

III. O PROCEDIMENTO

O exemplo adotado neste artigo usa dados fictícios e o passo a passo do processo e os valores apresentados a seguir são ilustrativos:

Usuário chega ao trabalho e efetua login no sistema;

Recebe a tarefa e aceita fazê-la;

Solicita informações sobre o equipamento e estatísticas de confiabilidade e sensores;

Equipa os equipamentos de proteção individual (EPI);

Desloca-se até a aeronave em um automóvel;

Realiza um teste preditivo na turbina, visualizando sua execução;

Abre a turbina e identifica o problema;

Conserta e troca uma peça específica;

Recebe uma pontuação pela tarefa.

IV. PROTÓTIPO DE INTERFACE DE RA E HUD COM

GAMIFICAÇÃO

A tecnologia de E-Manutenção tem o objetivo de facilitar o acesso a qualquer dado da manutenção pelo usuário. Entretanto, poucos estudos focam em como seria a interface desse sistema para o usuário, e nenhum o faz com vista no usuário do trabalho técnico. Portanto nessa seção é apresentado um protótipo de interface que tem como objetivo mostrar ao usuário dados já presentes em sistemas de E-Manutenção, mas inacessíveis atualmente em tarefas de natureza técnica.

O primeiro conjunto de interfaces é sobre a introdução do sistema, a rotina e a tarefa ao usuário, vistos na Figura 1. A interface “A” serve para introdução ao sistema. Em sua parte funcional, o usuário consegue iniciar suas tarefas, ver um calendário geral de atividades e acessar relatórios e notícias da empresa. A primeira inclusão de Gamificação já é feita nessa interface, pois nela o usuário consegue visualizar um ranking pessoal e da sua equipe. Esse ranking é montado a partir do resultado de cada missão (mostrado no final da tarefa). O objetivo do ranking é que o usuário possa se motivar ao ver seu desempenho sendo mostrado em tempo real e se comparar com seus colegas de equipe para ter uma base se está desempenhando bem suas tarefas.

A interface “B” da Figura 1 foi projetada para introduzir o usuário em sua programação para o dia. Além disso, esta interface introduz a avaliação do desempenho do trabalhador, ao dar uma nota por sua pontualidade e absenteísmo, ou seja, avaliar sua assiduidade.

A interface “C” é de inicio de uma tarefa nova, mostrando o número de atividades necessárias (no caso 15) e o tempo total esperado de execução da tarefa.

Figura 1: (A) Interface inicial do sistema; (B) Interface da rotina diária; (C) Interface de início de uma tarefa específica.

A segunda interface, vista na Figura 2, tem o foco de apresentar detalhes do equipamento ao usuário. A interface “A” apresenta o equipamento e alguns fatos sobre ele. A interface “B” mostra dados estatísticos sobre o equipamento, como por exemplo, a confiabilidade calculada sobre o tempo de vida, e os dados dos sensores coletados durante a última operação do equipamento.

Figura 2: (A) Interface de visualização dos detalhes do

equipamento; (B) Interface de gráficos sobre o equipamento (confiabilidade e sensores disponíveis).

A interface da Figura 3 é uma combinação de Realidade Aumentada e HUD. No canto superior esquerdo, tem-se na forma de HUD uma lista dos equipamentos que o usuário deve adquirir, e uma marcação de quais já foram pegos. Adicionalmente é projetada uma luz verde diretamente no equipamento a ser pego (os óculos), com o intuito de guiar o usuário a pegar os equipamentos necessários e corretos. Por fim, no canto direito em cima da tela, localiza-se a interface de funções adicionais do sistema. Neste canto existe a interface para tirar fotos ou filmar em tempo real as atividades, a interface para iniciar uma conversa por VOIP caso o usuário esteja precisando de ajuda, a interface (‘i’) de visualização da

documentação/ajuda do sistema, e a interface para visualizar o mapa do local.

Figura 3: Interface da coleta de equipamentos de proteção, com

um HUD da lista de equipamentos a serem equipados e a RA

(através da luz verde) indicando o próximo equipamento a ser

pego.

A interface da Figura 4 auxilia o usuário enquanto ele está dirigindo na forma de RA e HUD. A interface do caminho é projetada no chão (em cor azul e com uma linha tracejada no centro) para mostrar ao usuário qual o caminho até seu destino. Ao mesmo tempo a interface identifica a aproximação de qualquer veículo e avisa o usuário, através do HUD de alerta.

Figura 4: Interface durante a direção do carro, que mostra

através da RA a direção a ser seguida projetada no chão (em azul) e pelo HUD a aproximação de veículos (em amarelo).

A interface da Figura 5 é ativada quando um teste forçado é executado no equipamento, que também é chamado de manutenção preditiva. Durante esse teste, um elemento de HUD é mostrado com informações em tempo real, na forma de gráficos, dos sensores do equipamento. Complementando o

HUD, diretamente no equipamento são projetadas as três informações de interesse do usuário, com base nas leituras dos sensores. A temperatura é projetada na turbina através de um mapa de cor. A rotação é projetada através da seta circular verde, que consegue demonstrar para o usuário a velocidade de rotação da turbina. Por fim a vibração é projetada através das setas amarelas localizadas acima, abaixo e ao lado da turbina, que se movimentam de acordo com a vibração.

Figura 5: Interface para teste forçado no equipamento.

A interface da Figura 6 avisa o usuário sobre os riscos identificados no equipamento. Para isso são projetadas mensagens no equipamento de quais peças oferecem riscos, e o tipo de risco. A interface na figura foi ampliada para melhor visualização no artigo. Além disso, para evitar o cluttering da interface, os riscos serão mostrados por categoria ou periculosidade.

Figura 6: Interface que apresenta riscos do equipamento.

A interface da Figura 7 guia o usuário por uma atividade. Na forma de HUD a interface mostra a quantidade de passos da atividade, e em qual passo o usuário está atualmente. Na forma de RA a interface mostra qual procedimento ele deve realizar e onde. O procedimento imediato é mostrado em destaque, enquanto que os dois próximos procedimentos são mostrados descoloridos e em tamanho reduzido. Uma interface mais

sofisticada de orientação a procedimentos pode ser vista em Henderson e Feiner [16].

Figura 7: Interface com instruções do procedimento.

A interface da Figura 8 mostra para o usuário o resultado da atividade. Na interface “A”, o usuário consegue ver o tempo gasto na atividade, e sua pontuação pela atividade, dividida em assiduidade, segurança (“cumprimento de procedimentos”), missões “(troca de peça de turbina”) e recorde, porém nesse último o usuário não obteve pontuação. Na interface “B” é mostrada a pontuação para o usuário comparada ao de seus colegas. Essas interfaces têm como único objetivo motivar o usuário, mostrando informações sobre seu desempenho para dar um feedback, e o desempenho de seus colegas para promover uma competitividade no ambiente de trabalho.

Figura 8: (A) Intefarce de resultado da tarefa; (B) Interface do

desempenho do usuário comparado a membros da mesma

equipe.

Por fim, a interface da Figura 9 foi adicionada ao artigo, embora essa etapa não esteja presente no procedimento, para ilustrar uma interface de um trabalho em equipe (a interface foi ampliada na figura para facilitar sua visualização no artigo). Nesta interface, o aviso de ESPERE foi planejado para capturar

a atenção do usuário e ajudar a sincronizar atividades com dependências de outras pessoas no trabalho em equipe.

Ao mesmo tempo, a interface informa o que dois outros companheiros de equipe estão fazendo, sendo que companheiros próximos recebem um aviso na forma de RA projetadas no local do procedimento, como o aviso “Moreira está trocando parafuso C2212”. Já o aviso de trabalho de companheiros distantes é mostrado na forma de HUD no canto da interface, como em “Eliana iniciou a manutenção dos pneus”.

Finalmente, a atividade do próprio usuário é projetada no local exato do procedimento, com o equipamento e o alvo sendo descritos, e um aviso para auxiliar a sua execução.

Figura 9: Interface para o trabalho em equipe.

V. DISCUSSÃO E CONCLUSÃO

Neste artigo é proposto um protótipo de interface de alta fidelidade para atividades de manutenção, que usa RA e HUD em HMDs como tecnologia de visualização, e Gamificação como resposta ao problema da motivação em tarefas procedurais.

O protótipo foi projetado com o foco em vários objetivos. Um dos objetivos é mostrar uma proposta de como a Gamificação seria usada no contexto da manutenção, tanto em matéria de dados para entrada quanto na forma de apresentação ao usuário.

Existem diferentes formas de explorar a Gamificação no contexto de trabalho, e neste protótipo de interface foram explorados os indicadores de desempenho do usuário (Key Performance Indicator - KPI). Tais indicadores são definidos por cada empresa, e neste caso foi assumido que os indicadores seriam assiduidade, segurança, missões e recorde.

A partir desses indicadores várias decisões podem ser tomadas em uma empresa, como promoções verticais e horizontais, ou bônus pago no fim do ano. Em uma proposta livre de tecnologia, espera-se que seja possível no futuro medir em tempo real o desempenho do usuário, seja automaticamente ou por um sensor humano (o supervisor). Considerando que o usuário estará totalmente integrado a Internet e com vários

sensores graças ao HMD, a tendência é que essa medida possa ser feita de forma automática.

Outro objetivo foi explorar uma interface de HUD para acesso a dados e informações complexas na manutenção, considerando o sistema de E-Manutenção. Nas figuras 1 e 2, a interface HUD seria controlada por voz, e portanto as possíveis interações tem que estar muito claras ao usuário.

Um terceiro objetivo foi explorar diferentes formas de uso da RA na manutenção, considerando tecnologias que serão agregadas pelo sistema de E-Manutenção. Um exemplo é a Internet das Coisas (IoT), que vai implantar sensores nos objetos do ambiente de trabalho e permitir acessá-los para fazer uma leitura do ambiente. Perante essa possível riqueza de informações, prototipamos nas figuras 3, 4, 5, 6, 7 e 9 o uso da RA com informações em tempo real de sensores.

Prosseguindo, outro objetivo foi explorar uma interface que foca tanto em riscos quanto na tarefa. Diversas interfaces de RA na manutenção foram propostas, mas com foco na tarefa. O protótipo de interface desse artigo foca também no risco, como pode ser visto na Figura 6.

O último objetivo é explorar uma interface para o trabalho em equipe. A melhoria da consciência da situação da equipe é uma importante proposta no cenário industrial para evitar acidentes, e as interfaces podem auxiliar nessa proposta, como visto na Figura 9.

Finalizando a discussão, uma opção futura é integrar a interface no nível completo de Gamificação. Essa integração implicaria na conexão da aplicação a um mundo virtual, de forma que ações no mundo real (a execução correta e eficiente das tarefas) deem benefícios para o trabalhador em um mundo virtual. Por exemplo, o fato de executar uma tarefa no mundo real poderia dar um item ou dinheiro em um jogo virtual para o usuário (como um jogo de Facebook, ou um MMORPG estilo World of Warcraft). Dessa forma o mundo real estaria ligado ao virtual, e transformando a recompensa real em virtual, o que motivaria o trabalhador da mesma forma que o mundo virtual. De acordo com Reeves e Read Error! Reference source not found., essa prática é inevitável, e será aplicada a todos os empregos no futuro para estimular uma maior produtividade dos funcionários.

Além da Gamificação, existem outras estratégias que podem ser usadas como motivacionais e serão adotadas futuramente, como as mensagens a seguir (mostradas aos usuários):

Lembrando que hoje o São Paulo (time do usuário) joga contra o Cruzeiro as 22:00, e em dias que você realiza mais de 5 Missões, o São Paulo tem 75% de chance de ganhar o jogo. Continue com o bom trabalho!

Esse é sua última Missão do dia e por isso vou te acompanhar mais de perto. Ah, o seu filho acabou de postar que chegou em casa .

Essa Missão vai ser longa, serão 8 horas de duração. Porém ao final dela você terá cumprido sua meta de desempenho do mês!

Concluindo, neste artigo foi transmitida a idéia de como seria uma interface sem limitações tecnológicas para atividades de manutenção na indústria, considerando tecnologias de visualização e interfaces, como RA e HUD, e propostas de design para melhoria da motivação do usuário, como a Gamificação. No futuro essa interface será melhor avaliada com testes de usabilidade teóricos (heurísticas de usabilidade) e testes com usuário simulados em um ambiente virtual.

AGRADECIMENTOS

Agradecemos ao CNPq e FAPESP pelo financiamento ao INCT-SEC, processos 573963/2008-8 e 08/57870-9.

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