Evaluation of a haptic coordinated control system for excavators through sEMG signals

Market demands concerning earth-moving machines and excavators are oriented towards higher productivity and reduced risks for human-beings. The automation of these vehicles and a possible enabling of remote control could answer to these demands. Despite the current control systems (typically two joysticks) have been improved over the years, an alternative is still necessary to overcome their limitations in terms of usability and control feedback. Haptic coordinated control systems are particularly promising in this field, since they provide force feedback to the operators and facilitate the learning process. However, the use of these devices requires the evaluation of possible physical fatigue due to the increased force demands and to the posture the operators take on during the execution of specific tasks. Among the different assessment methods, surface Electromyography (sEMG) provides measurements that can objectively describe the physical conditions of a subject, so it could be effectively used for the ergonomic assessment of these devices. The aim of this thesis is the development of a test protocol based on sEMG signals to evaluate ergonomic aspects of a haptic coordinated control system for excavators. The protocol is based on the virtual simulation of digging task implemented on a platform able to replicate the cab of an excavator. The dynamic model of the excavator has been developed in Simulink and then integrated in the virtual simulation to improve its realism. The test protocol has been developed for the evaluation of two different configuration of the proposed control system. sEMG signals have been acquired from specific muscles, chosen through a bio-mechanical analysis of the movements carried out by the users. Performance indexes have been also extracted from the simulation to weight the sEMG data according to the task accomplishment. Self-evaluation questionnaires complete the protocol to collect user's preferences about the control system and the simulation. Feasibility and effectiveness of the protocol have been proved through pilot tests involving some subjects.

Le richieste del mercato relative alle macchine di movimentazione del terreno e agli escavatori sono orientate verso una maggiore produttività e un minor rischio per l'uomo. L'automazione di questi veicoli e un'eventuale abilitazione del controllo da remoto potrebbe rispondere a queste esigenze. Nonostante gli attuali sistemi di controllo (tipicamente due joystick) siano stati migliorati nel corso degli anni, è ancora necessaria un'alternativa per superare i loro limiti in termini di usabilità e feedback nel controllo. I sistemi di controllo aptico sono particolarmente promettenti in questo campo, poiché forniscono un feedback in forza agli operatori e facilitano il processo di apprendimento. Tuttavia l'uso di questi dispositivi richiede la valutazione di un possibile affaticamento fisico dovuto all'aumento della forza richiesta e alla postura dell'operatore durante l'esecuzione di specifici compiti. Tra i diversi metodi di valutazione l'Elettromiografia di superficie (sEMG) fornisce misurazioni in grado di descrivere in modo oggettivo le condizioni fisiche di un soggetto, quindi potrebbe essere efficacemente utilizzata per la valutazione ergonomica di questi dispositivi. Lo scopo di questa tesi è lo sviluppo di un protocollo di test basato su segnali sEMG per valutare gli aspetti ergonomici di un sistema di controllo aptico coordinato per escavatori. Il protocollo si basa sulla simulazione virtuale di una attività di scavo implementata su una piattaforma in grado di replicare la cabina di un escavatore. Il modello dinamico dell'escavatore è stato sviluppato in Simulink e quindi integrato nella simulazione virtuale per migliorarne il realismo. Il protocollo di test è stato sviluppato per la valutazione di due diverse configurazione del sistema di controllo proposto. I segnali sEMG sono stati acquisiti da specifici muscoli, scelti attraverso un'analisi bio-meccanica dei movimenti effettuati dagli utenti. Gli indici delle prestazioni sono stati estratti dalla simulazione in modo da soppesare i dati sEMG in base alla realizzazione della attività. I questionari di autovalutazione completano il protocollo per raccogliere le preferenze dell'utente sul sistema di controllo e sulla simulazione. La fattibilità e l'efficacia del protocollo sono state dimostrate attraverso test pilota che hanno coinvolto alcuni soggetti.