Minimizing human postural discomfort and physiological stress in human-robot collaboration : an adaptive scheduling strategy

Recently, in the framework of collaborative robotics, there has been an increasing interest in the creation of strategies that are able to consider not only the worker's productivity, but also his/her workspace well-being. One of the most studied aspects related to this topic is stress. Although a number of scientific studies have shown that small doses of stress can have a positive impact on people's productivity, it can lead to an increase in the discomfort felt by the worker and in the risk of injury, thus producing a decrease in performance. In this thesis, we present an adaptive scheduling strategy that aims to decrease both the discomfort felt by the worker, while performing an assembly task in collaboration with a cobot, and the risk of developing work-related diseases. We will consider the discomfort through two different perspectives: ergonomics and physiological stress. To assess the operator's postural discomfort, we considered a real time ergonomic evaluation of the activities performed by the worker through the RULA method, while to estimate his/her physiological stress, we performed a frequency domain analysis of the user's heart rate variability (HRV). The first analysis is performed based on a real-time fusion of the information coming from both a mixed-reality headset, Microsoft HoloLens, and an RGB-D camera, Microsoft Kinect. The second one is achieved based on the operator's electrocardiographic data retrieved through a Polar T31 Coded chest band. Then, we solved an optimization problem to find the activity that maximized both operator's postural discomfort and psychological stress. This activity is assigned to the robot. The same optimization problem is solved in order to obtain the task that causes the least discomfort to the operator. This activity is then suggested to the worker through a holographic interface, provided by the HoloLens. The worker is then free to choose whether to perform the suggested activity or not.

Di recente, nell'ambito della robotica collaborativa, si è sviluppato un interesse crescente per la creazione di strategie volte a tenere in considerazione sia la produttività del lavoratore, che il suo benessere. Una delle tematiche più studiate legate a questo ambito è lo stress. Nonostante svariati studi abbiano evidenziato che lo stress può avere un impatto positivo sulla produttività, esso può anche portare ad un aumento del disagio percepito dal lavoratore e del rischio di infortuni, portando quindi ad una riduzione delle prestazioni lavorative. In questa tesi viene presentata una strategia che consente di schedulare in maniera adattiva le attività previste durante la collaborazione con il robot al fine di diminuire sia il disagio percepito dall'operatore durante un'attività di assemblaggio collaborativo, che il rischio di sviluppare malattie legate al lavoro. Il disagio viene studiato da due diversi punti di vista: posturale e fisiologico. Per valutare il disagio posturale dell'operatore viene effettuata in tempo reale una valutazione ergonomica delle attività svolte mediante l’applicazione del metodo RULA, mentre per valutare il suo stress fisiologico viene effettuata un'analisi nel dominio delle frequenze della variabilità del suo battito cardiaco (HRV). La prima analisi viene eseguita combinando in tempo reale le informazioni provenienti da un visore di realtà mista, Microsoft HoloLens, e da un dispositivo di visione RGB-D, Microsoft Kinect. La seconda è effettuata a partire dai dati elettrocardiografici dell'utente ottenuti mediante l’impiego di un sensore Polar T31 Coded in grado di monitorare il battito cardiaco. Viene quindi risolto un problema di ottimizzazione che consente di determinare l'attività che massimizza sia il disagio posturale dell'operatore che il suo stress fisiologico. La suddetta attività viene quindi assegnata al robot. Il medesimo problema di ottimizzazione viene risolto per determinare l'attività che minimizza il suo disagio. Quest'ultima viene quindi proposta all'operatore mediante un'interfaccia olografica. L'operatore è in ogni caso libero di scegliere se eseguire l'attività consigliata o meno.