Enhancing excavator haptic-based control coordination HMI: evaluation of muscle fatigue, performance, and user preferences

This master's thesis aims to evaluate a promising coordinated control system currently in the experimental stage. It has not yet been implemented on a physical excavator, and consequently, it was virtually simulated on a platform using a haptic device and a joystick. The study focused on the ergonomic assessment of the system by employing a surface electromyography (sEMG) acquisition board to evaluate specific test scenarios related to horizontal and vertical coordination during the excavator operating tasks. The evaluation includes muscle fatigue data collection, objective performance indicators and subjective feedback, providing a basis for subsequent optimisation work. The JASA (Joint Spectrum and Amplitude Analysis) method was used to analyse muscle fatigue during the experiment, supplemented by subjective user surveys and NASA-TLX questionnaires to collect participants' preferences and satisfaction feedback on the coordinated control system. The findings suggest that vertical control coordinates may cause more pronounced muscle fatigue but are favoured for intuitive usability. In contrast, horizontal control coordinates exhibited higher psychological demands but provided superior overall performance. The choice between the two control modes seems to be personal preference. This study fills a gap in existing research, focusing primarily on excavator efficiency and power consumption while neglecting operator experience. Research methods include virtual simulation, surface electromyography data analysis and subjective evaluation to comprehensively assess the coordinated control system's performance, user experience and potential occupational health risks for drivers. Future research should explore alternative methods for analysing EMG data related to muscle fatigue, consider customising participants' physical attributes, and optimise signal acquisition procedures to reduce sensitivity to external interference. In addition, extensive training of participants and the inclusion of alternative physiological data sources can enhance data analysis, and all acquired physiological data will be used to guide a new round of optimization of HMI design. In summary, this study contributes to a deeper understanding of coordination methods in excavator control and their impact on operator performance, providing valuable insights into human-machine interface design and the development of future excavator control systems.

Lo scopo di questo lavoro di tesi è valutare un promettente sistema di controllo coordinato attualmente in fase sperimentale. Esso non è stato ancora implementato su un escavatore fisico e, di conseguenza, è stato simulato virtualmente su simulatore utilizzando un dispositivo aptico e un joystick. Lo studio si è concentrato sull'ergonomia, utilizzando un sistema di acquisizione dell'elettromiografia di superficie (sEMG) per valutare scenari di test specifici relativi al controllo coordinato orizzontale e verticale durante le attività operative dell'escavatore. La valutazione completa comprende la raccolta dei dati sull'affaticamento muscolare, gli indicatori oggettivi delle prestazioni e il feedback soggettivo, fornendo una base per il successivo lavoro di ottimizzazione. Per analizzare l'affaticamento muscolare durante l'esperimento è stato utilizzato il metodo JASA (Joint Spectrum and Amplitude Analysis), integrato da sondaggi soggettivi sugli utenti e questionari NASA-TLX per raccogliere le preferenze dei partecipanti e il feedback di soddisfazione sul sistema di controllo coordinato. I risultati suggeriscono che il controllo verticale può causare un affaticamento muscolare più pronunciato ma è più intuitivo. Al contrario, le il controllo orizzontale ha richiesto un maggior carico cognitivo fornendo prestazioni complessive superiori. La scelta tra le due modalità di controllo sembra quindi dipendere dalle preferenze personali. Questo studio colma una lacuna nella ricerca esistente, che si concentra principalmente sull’efficienza dell’escavatore e sul consumo energetico, trascurando l’esperienza dell’operatore. I metodi di ricerca includono la simulazione virtuale, l'analisi dei dati dell'elettromiografia di superficie e la valutazione soggettiva per condurre una valutazione completa delle prestazioni del sistema di controllo coordinato, dell'esperienza dell'utente e dei potenziali rischi per la salute professionale dei conducenti. I futuri sforzi di ricerca dovrebbero esplorare metodi alternativi per analizzare i dati EMG relativi all'affaticamento muscolare, considerare la personalizzazione in base agli attributi fisici dei partecipanti e ottimizzare le procedure di acquisizione del segnale per ridurre la sensibilità alle interferenze esterne. Inoltre, una formazione approfondita dei partecipanti e l’inclusione di ulteriori dati fisiologici potranno migliorare l’analisi portando ad una ottimizzazione sistema di controllo proposto. In sintesi, questo studio contribuisce a una comprensione più approfondita dei metodi di controllo coordinato degli escavatori e del loro impatto sulle prestazioni dell'operatore, fornendo preziose informazioni sulla progettazione dell'interfaccia uomo-macchina e sullo sviluppo dei futuri sistemi di controllo degli escavatori.