Protocollo sperimentale per la valutazione della performance durante un task di Pouring

The following thesis has been developed through a collaboration between Tetra Pak Packaging Solutions S.p.A and the department of Bioengineering of Politecnico di Milano. The goal of the study is to create a protocol to evaluate the performance of a subject and of a paper based container for liquid food during a pouring task. In particular the analysis focuses on acquiring quantitative information to characterize kinematic and muscular activity of upper limbs and the kinematic activity of the container, in order to highlight variation in the motor strategy caused by physical properties. Collected data could be used during the design phase to make decisions on the physical property (design, stiffness, cap). The initial phase of the work involved the need to conduct a bibliographic search to identify the most suitable tools for this type of analysis.The study was entirely done at the Modena company, where a motion analysis laboratory was installed, equipped with an optoelectronic system for motion reconstruction and a surface electromyography. Then, the placement of the markers for the movement was defined, 24 markers were applied, 20 of which will be placed on the subject, to define a 8-segment biomechanical model, while the remaining 4 will be used to identify the container and the glass. In addition, it was decided to acquire the electromyographic signal of 8 muscles in the dominant limb that perform the gesture, namely: posteriori deltoid, anterior deltoid, brachial biceps, brachial triceps, flexor carpo radialis, extensor carpo radialis, pronator theres and flexor of the thumb. In order to compare the behavior of the subjects, the calculation and measurement of a set of parameters were established: • Parameters related to the container, they text the pouring of the pack (Pouring start angle, Pouring time, plateau time) • Parameters related to the subject, they evaluate the kinematic of the pre contact (on-the-fly, adjusting time), the distribution of finger placement (% height tip and thumb), joint angles (angle of flexion-extension of the hand , abduction of the shoulder and wrist ROM rotation) and muscle activity (MAIA and % muscle activation time). 4 different containers were tested, applying the protocol to 12 subjects during execution of a pouring task with contour conditions and standardized starting position. The results showed the ability of the chosen tools and the created protocol, of characterizing the subject's motor function and the movement of the container. Moreover variations within the established parameters dictated by the change in the physical properties of the container (shape and cap) have been identified, except in the case of flexion-extension angle, shoulder abduction and distribution of finger placement. In conclusion it is necessary to state that this thesis is to be understood as a preliminary study, part of a bigger project aiming to carry out a complete ergonomic analysis of these containers, thus extending the evaluated parameters and the tasks examined (eg. drinking, opening, etc.). In this respect, the experimental protocol has proved to be valid, since in certain aspects for some parameters, it provides an ergonomic judgment.

Il seguente elaborato di tesi è nato in seguito ad una richiesta avanzata dall’azienda Tetra Pak Packaging Solutions S.p.A al dipartimento di Biongegneria del Politecnico di Milano, questo ha permesso una collaborazione tra queste due realtà. L’obiettivo di questo studio è fornire un protocollo standard di misura per valutare la performance del soggetto e di un contenitore per cibi liquidi a base di carta durante un task di pouring, l’analisi in particolare è concentrata sulla raccolta di informazioni quantitative che permettano di caratterizzare la cinematica e l’attività muscolare degli arti superiori e il movimento del contenitore, al fine di identificare la presenza di variazioni nella strategia motoria indotte dalle proprietà fisiche del contenitore. I dati collezionati potranno poi essere utili in fase di progettazione, per guidare la scelta delle specifiche (design, rigidezza, tappo) di un contenitore. La fase iniziale del lavoro ha comportato la necessità di condurre una ricerca bibliografica per individuare la strumentazione più idonea per questa tipologia di analisi. Lo studio è stato interamente compiuto in azienda, presso lo stabilimento di Modena, dove è stato installato un laboratorio di analisi del movimento, dotato di un sistema optoelettronico per la ricostruzione del movimento e di un elettromiografo di superficie. In seguito si è passati alla definizione del posizionamento dei marcatori necessari ad acquisire il movimento, sono stati applicati 24 marcatori, di cui 20 saranno posti sul soggetto, per definire un modello biomeccanico a 8 segmenti, mentre i restanti 4 serviranno per individuare il contenitore e il bicchiere Inoltre è stato stabilito di acquisire il segnale elettromiografico di 8 muscoli nell’arto dominante che esegue il gesto, nello specifico sono: deltoide posteriore, deltoide anteriore, bicipite brachiale, tricipite brachiale, flessore carpo radiale, estensore carpo radiale, pronator teres e flessore lungo del pollice. Per poter confrontare il comportamento dei soggetti, è stato stabilito il calcolo e la misura di una serie di parametri: • Parametri relativi al contenitore, esaminano la versata del pacchetto (Pouring start angle, tempo di versata, tempo di plateau) • Parametri relativi al soggetto, valutano la cinematica del pre-contatto (movement on-the-fly, tempo di adjusting presa), la distribuzione dei punti di contatto (%Height tip e thumb), gli angoli articolari (angolo di flesso-estensione, abduzione della spalla e ROM di rotazione del polso) e l’attività muscolare (MAIA e %tempo di attivazione muscoli) Sono stati dunque testati 4 contenitori differenti, applicando il protocollo su 12 soggetti durante l’esecuzione di un task di versata con condizioni al contorno e posizione di partenza standardizzate. I risultati hanno mostrato la capacità, della strumentazione scelta e del protocollo creato, di caratterizzare il gesto motorio del soggetto e il movimento del contenitore, sono state inoltre evidenziate variazioni nei parametri stabiliti, indotte dal mutamento delle proprietà fisiche del contenitore (forma e tappo), tranne nel caso dell’angolo di flesso-estensione, dell’abduzione della spalla e della distribuzione dei punti di contatto. In conclusione è necessario precisare che questa tesi è da intendere come uno studio preliminare, facente parte di un progetto che ha come scopo la realizzazione di un’analisi ergonomica completa di questi contenitori, estendendo perciò i parametri valutati ed i task esaminati (ad esempio gesto di bevuta, apertura, etc..). A tal proposito il protocollo sperimentale realizzato si è dimostrato valido, in quanto, in determinati aspetti del gesto di versata, consente di fornire già un giudizio ergonomico