Ergowear: development of a smart garment for postural monitoring and biofeedback
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2022 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | https://hdl.handle.net/1822/82523 |
Resumo: | Dissertação de mestrado em Engenharia Biomédica (especialização em Eletrónica Médica) |
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Ergowear: development of a smart garment for postural monitoring and biofeedbackErgowear: desenvolvimento de um vestuário inteligente para monitorização postural e biofeedbackUnidades de medição inercialSistemas vestíveisMonitorização da posturaUsabilidade do sistemaVestibilidade do sistemaLMERTBiofeedbackInertial measurement unitsWearable systemsPosture monitoringSystem’s usabilitySystem’s wearabilityWRMSDEngenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaDissertação de mestrado em Engenharia Biomédica (especialização em Eletrónica Médica)Atualmente, as Lesões Musculoesqueléticas Relacionadas com o Trabalho (LMERT) são considera das o ”problema relacionado com o trabalho mais prevalente”na União Europeia, levando a um custo estimado de cerca de 240 biliões de euros. Em casos mais severos, estes distúrbios podem causar danos vitalícios à saúde do trabalhador, reduzindo a sua qualidade de vida. De facto, LMERTs são con sideradas a principal causa da reforma precoce dos trabalhadores. Foi reportado que os segmentos da parte superior do corpo são mais suceptíveis ao desenvolvimento de LMERTs. Para mitigar a prevalência de LMERTs, ergonomistas maioritariamente aplicam métodos de avaliação observacionais, que são alta mente dependentes da experiência do analista, e apresentam baixa objetividade e repetibilidade. Desta maneira, esforços têm sido feitos para desenvolver ferramentas de avaliação ergonómica baseadas na instrumentação, para compensar essas limitações. Além disso, com a ascensão do conceito da indústria 5.0, o trabalhador humano volta a ser o foco principal na indústria, juntamente com o robô colaborativo. No entanto, para alcançar uma relação verdadeiramente colaborativa e simbiótica entre o trabalhador e o robô, este último precisa de reconhecer as intenções do trabalhador. Para superar este obstáculo, sis temas de captura de movimento podem ser integrados nesta estrutura, fornecendo dados de movimento ao robô colaborativo. Esta dissertação visa a melhoria de um sistema de captura de movimento autónomo, da parte supe rior do corpo, de abordagem inercial que servirá, não apenas para monitorizar a postura do trabalhador, mas também avaliar a ergonomia do usuário e fornecer consciencialização postural ao usuário, por meio de motores de biofeedback. Além disso, o sistema foi já idealizado tendo em mente a sua integração numa estrutura colaborativa humano-robô. Para atingir estes objetivos, foi aplicada uma metodologia de design centrado no utilizador, começando pela análise do Estado da Arte, a avaliação das limitações do sistema anterior, a definição dos requisitos do sistema, o desenvolvimento da peça de vestuário, arquite tura do hardware e arquitetura do software do sistema. Por fim, o sistema foi validado para verificar se estava em conformidade com os requisitos especificados. O sistema é composto por 9 Unidades de Medição Inercial (UMI), posicionados na parte inferior e superior das costas, cabeça, braços, antebraços e mãos. Também foi integrado um sistema de atuação, para biofeedback postural, composto por 6 motores vibrotáteis, localizados na região lombar e próximo do pescoço, cotovelos e pulsos. O sistema é alimentado por uma powerbank e todos os dados adquiridos são enviados para uma estação de processamento, via WiFi (User Datagram Protocol (UDP)), garantindo autonomia. O sistema tem integrado um filtro de fusão Complementar Extendido e uma sequência de calibração Sensor-para-Segmento estática, de maneira a aumentar a precisão da estimativa dos ângulos das articulações. Além disso, o sistema é capaz de amostrar os dados angulares a 240 Hz, enquanto que o sistema anterior era capaz de amostrar no máximo a 100 Hz, melhorando a resolução da aquisição dos dados. O sistema foi validado em termos de hardware e usabilidade. Os testes de hardware abordaram a caracterização da autonomia, frequência de amostragem, robustez mecânica e desempenho da comuni cação sem fio do sistema, em diversos contextos, e também para verificar se estes estão em conformidade com os requisitos técnicos previamente definidos, que foi o caso. Adicionalmente, as especificações da nova versão do sistema foram comparadas com a anterior, onde se observou uma melhoria direta signifi cativa, como por exemplo, maior frequência de amostragem, menor perda de pacote, menor consumo de corrente, entre outras, e com sistemas comerciais de referência (XSens Link). Testes de usabilidade foram realizados com 9 participantes que realizaram vários movimentos uniarticulares e complexos. Após os testes, os usuários responderam a um questionário baseado na Escala de Usabilidade do Sistema (EUS). O sistema foi bem aceite pelos os usuários, em termos de estética e conforto, em geral, comprovando um elevado nível de vestibilidade.Nowadays, Work-Related Musculoskeletal Disorders (WRMSDs) are considered the ”most prevalent work-related problem” in the European Union (EU), leading to an estimated cost of about 240 billion EUR. In more severe cases, these disorders can cause life-long impairments to the workers’ health, reducing their quality of life. In fact, WRMSDs are the main cause for the workers’ early retirement. It was reported that the upper body segments of the worker are more susceptible to the development of WRMSDs. To mitigate the prevalence of WRMSD, ergonomists mostly apply observational assessment methods, which are highly dependant on the analyst’s expertise, have low objectivity and repeatability. Therefore, efforts have been made to develop instrumented-based ergonomic assessment tools, to compensate for these limitations. Moreover, with the rise of the 5.0 industry concept, the human worker is once again the main focus in the industry, along with the Collaborative Robot (cobot). However, to achieve a truly collaborative relation between the worker and the cobot, the latter needs to know the worker’s intentions. To surpass this obstacle, Motion Capture (MoCap) systems can be integrated in this framework, providing motion data to the cobot. This dissertation aims at the improvement of a stand-alone, upper-body, inertial, MoCap system, that will serve to not only monitor the worker’s posture, but also to assess the user’s ergonomics and provide posture awareness to the user, through biofeedback motors. Furthermore, it was also designed to integrate a human-robot collaborative framework. To achieve this, a user-centred design methodology was applied, starting with analyzing the State of Art (SOA), assessing the limitations of the previous system, defining the system’s requirements, developing the garment, hardware architecture and software architecture of the system. Lastly, the system was validated to ascertain if it is in conformity with the specified requirements. The developed system is composed of 9 Inertial Measurement Units (IMUs), placed on the lower and upper back, head, upper arms, forearms and hands. An actuation system was also integrated, for postural biofeedback, and it is comprised of 6 vibrotactile motors, located in the lower back, and in close proximity to the neck, elbows and wrists. The system is powered by a powerbank and all of the acquired data is sent to a main station, via WiFi (UDP), granting a standalone characteristic. The system integrates an Extended Complementary Filter (ECF) and a static Sensor-to-Segment (STS) calibration sequence to increase the joint angle estimation accuracy. Furthermore, the system is able to sample the angular data at 240 Hz, while the previous system was able to sample it at a maximum 100 Hz, improving the resolution of the data acquisition. The system was validated in terms of hardware and usability. The hardware tests addressed the char acterization of the system’s autonomy, sampling frequency, mechanical robustness and wireless commu nication performance in different contexts, and ascertain if they comply with the technical requirements, which was the case. Moreover, the specifications of the new version were compared with the previous one, where a significant direct improvement was observed, such as, higher sampling frequency, lower packet loss, lower current consumption, among others, and with a commercial system of reference (XSens Link). Usability tests were carried out with 9 participants who performed several uni-joint and complex motions. After testing, users answered a questionnaire based on the System Usability Scale (SUS). The system was very well accepted by the participants, regarding aesthetics and overall comfort, proving to have a high level of wearability.Ferreira da Silva, AlexandreUniversidade do MinhoResende, André Fernandes de Sá2022-07-282022-07-28T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/82523eng203075510info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-07-21T12:25:31Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/82523Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T19:19:46.016505Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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