A Model for a real-time ergonomics assessment using a 3D motion tracking sensor suit: model development and evaluation in electronic manufacturing

Abstract

Sickness and workplace injuries caused by overexertion or Work-Related Musculoskeletal Disorders (WMSDs) related incidents, especially in manufacturing industries, are common. As work-related injuries and illnesses could result in long-term musculoskeletal conditions,which can cause days away from work, restricted work activity or even death, they should be avoided at all costs. In this study, possible injuries of a worker are analyzed using an on-body sensor suit that obtains and delivers movement data of the worker while performing certain tasks of an assembly process. Furthermore, a model to assess ergonomics in a manufacturing process is presented. It serves as a proof of concept of a real-time ergonomics assessment with an objective to identify whether or not it could contribute in preventing work related injuries. Relying on Hevner’s design science as a research method, an artifact, presented in the form of an ergonomics assessment software application in this study, is built and evaluated. The artifact is evaluated against a specific case by assessing ergonomics and identifying health risks faced by 3D printer assembly lines workers. These workers use body parts that are most prone to injuries, such as the arms, hands, upper limb, shoulder, neck and head. To avoid downtime on actual assembly lines, the experiment was conducted off-premise, in a controlled environment, involving a small number of participants.This study attempts to address two main research questions in particular. First, to identify “safe” threshold ranges that could lead to a positive ergonomic assessment measurement result. Second, to identify to what extent can real-time ergonomic measurement activities decrease the risk of injuries or illness in 3D printer assembly lines.With the help of a 3D motion tracking technology [1], combined with a self-developed assessment application that uses the Key Indicator Method (KIM) [2] as the main risk assessment methodology, data are gathered and ergonomics assessment safety thresholdsare defined. Participants were asked to assemble a 3D printer in two runs of experiments. Ergonomics scores are measured on both of the experiments, where the second round resulted in a better ergonomics scores. This is due to the audio and visual warnings given by the application when ergonomics violations are identified. It is highly expected that the model produced from this study will contribute in improving the ergonomics safety in assembly lines.

Krankheiten und Verletzungen am Arbeitsplatz, die durch Überanstrengung oder arbeitsbedingte Muskel- und Skeletterkrankungen (WMSDs) verursacht werden, sind vor allem in der Fertigungsindustrie sehr häufig. Da arbeitsbedingte Verletzungen und Erkrankungen zu langfristigen Muskel-Skelett-Erkrankungen führen können, Arbeitsunfähigkeitstage, eingeschränkte Arbeitstätigkeit oder sogar den Tod zur Folge haben können, sollten sie unbedingt vermieden werden. In dieser Studie werden mögliche Verletzungen eines Arbeiters mit Hilfe eines am Körper getragenen Sensoranzugs analysiert. Bei einer Durchführung bestimmter Aufgaben in einem Montageprozess, werden Bewegungsdaten des Arbeiters erfasst und zurückgeliefert. Außerdem wird ein Modell zur Bewertung der Ergonomie in einem Fertigungsprozess vorgestellt. Dieses dient als Konzeptnachweis (Proof-of-Concept) für eine Echtzeitauswertung der Ergonomie um festzustellen, ob es dazu beitragen kann, arbeitsbedingte Verletzungen zu verhindern. Basierend auf der Hevner’schen Design Science Forschungsmethode wird ein Artefakt erstellt und bewertet, das in dieser Studie in Form einer Softwareanwendung zur Bewertung der Ergonomie realisiert wird. Das Artefakt wird anhand eines konkreten Falles evaluiert. Ergonomie und Gesundheitsrisiken von Fließbandarbeitern in der Montage von 3D-Druckern werden identifiziert und bewertet. Diese Menschen setzen Körperteile ein, die besonders verletzungsanfällig sind, nämlich die Arme, die Hände, die oberen Gliedmaßen,die Schultern, den Nacken und den Kopf. Um Ausfallzeiten an realen Fließbändern zu vermeiden, wurde das Experiment in einer kontrollierten Umgebung und mit einer kleinen Anzahl von Teilnehmern durchgeführt. Mit dieser Studie sollen insbesondere zwei Hauptforschungsfragen beantwortet werden. Erstens sollen “sichere” Schwellenwerte, die zu einem positiven Ergebnis bei der Ergonomie Auswertung führen können, identifiziert werden. Zweitens soll ermittelt werden, inwieweit ergonomische Auswertungen in Echtzeit das Verletzungs- oder Krankheitsrisiko in einer 3D-Drucker-Montagelinien verringern können. Mit Hilfe einer 3D-Bewegungsverfolgungstechnologie in Kombination mit einer selbst entwickelten Bewertungsanwendung, die die Leitmerkmalmethode zur Beurteilung und Gestaltung von Belastungen (LMM) als Hauptmethode zur Risikobewertung verwendet, werden Daten gesammelt und Sicherheitsschwellenwerte für die Ergonomie-auswertung definiert. Die Teilnehmerinnen wurden gebeten, in zwei Versuchsreihen einen 3D-Drucker zusammen zubauen. Die ergonomischen Werte wurden bei beiden Versuchen gemessen, wobei der zweite Durchgang zu einer Verbesserung der ergonomischen Werten führte. Dies ist auf die akustischen und visuellen Warnungen zurückzuführen, die welche die entwickelte Anwendung ausgibt, wenn ergonomische Fehlverhalten festgestellt werden. Es wird erwartet, dass das aus dieser Studie hervorgegangene Modell dazu beitragen wird, die ergonomische Sicherheit an Montagelinien zu verbessern.