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Analysis of postural stability of the human body during the execution of standing industrial hand tasks

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Latour, Fabrice (2020). Analysis of postural stability of the human body during the execution of standing industrial hand tasks. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Introduction: Foot positioning has a significant impact on human body stability control when completing a manufacturing task. In current Digital Human Models (DHM), the use of stepping strategies to generate stable postures relies on simplistic models, which generally locate the DHM center of mass (COM) at half distance between feet contact or limit the zero moment point (ZMP) projection within the base of support (BOS). Experimental data providing human movement coordination during manufacturing tasks, which can be used to simulate and validate these DHM models, are very scarce.

Objective: The objective of this study is to develop an experimental test bench representing industrial conditions and to carry out experiments to provide these DHM models with parameters of postural stability.

Material and Methods: A pilot subject performed four different one-handed standing working conditions namely: reaching a target, pushing and pulling a handle, as well as using a screwdriver. Each condition was performed in two different target positions. A transverse obstacle was used to impose spatial constraints for one of the target positions. The 3D kinematics of fifty reflective markers affixed on the anatomic human body with three additional markers on the screwdriver was recorded at 200 Hz using a motion capture system (VICON). Ground reaction forces and moments beneath each foot and at the targets was measured by three force plates (AMTI) simultaneously at 1000 Hz. The assessed postural stability parameters in this study were the support length which is a variation of the step length, and the ZMP position with respect to the BOS.

Results: Experiments showed that task requirements vary the position and orientation of feet placement when an obstacle is present or not, which was consistent over all trials of moving the contralateral leg backward when the transverse obstacle was present. The mean support length magnitude appeared smaller for the handle location with a transverse offset which indicates hand-target reach might have been favored over stability.

Conclusion: It is noted that the sample size is limited, hence the conclusions remain partial. In future works, it is intended to carry out the presented experimental protocol on a larger population size to develop a more precise regression model able of predicting the support length with respect to the ZMP position and its orientation about the target and the hand load direction requirements.

Titre traduit

Analyse de la stabilité posturale du corps humain lors d'exécution de tâches industrielles debout avec les mains

Résumé traduit

Introduction: Le positionnement des pieds a un impact significatif sur le contrôle de la stabilité du corps humain lors de la réalisation d'une tâche industrielle. Dans les modèles de simulation de la posture humaine actuels (DHM: Digital Human Model), l'utilisation de stratégies de pas pour générer des postures stables repose sur des modèles simplistes, qui localisent généralement le centre de masse (COM) du DHM à mi distance entre le contact des pieds ou limitent seulement la projection d'un point nommé ZMP (Zero Moment Point) dans le polygone de sustentation nommé couramment BOS (Base of Support). Les données expérimentales assurant la coordination des mouvements humains pendant des tâches industrielles, qui peuvent être utilisées pour simuler et valider ces modèles DHM, sont rares.

Objectif: L'objectif de cette étude est de développer un banc d'essai expérimental représentant des conditions industrielles et de réaliser des expériences pour fournir à ces modèles DHM des paramètres de stabilité posturale.

Méthodologie: Un sujet pilote a effectué quatre conditions de travail debout à une main, c'est-à-dire: atteindre une cible, pousser et tirer une poignée, ainsi qu'utiliser un tournevis. Chaque condition fut réalisée dans deux positions différentes de cibles. Un obstacle transversal a été utilisé pour une des positions afin d'imposer des contraintes spatiales. La cinématique 3D de cinquante marqueurs réfléchissants, apposés sur des repères anatomiques, avec trois marqueurs auxiliaires sur le tournevis a été acquise à 200 Hz avec un système de capture de mouvement (VICON). Les forces et moments de réaction au sol sous chaque pied et à la cible ont été mesurés simultanément par trois plateformes de force (AMTI) à 1000 Hz. Les paramètres de stabilité posturale évalués pour cette étude étaient la longueur de support, qui est une variation de la longueur de pas, et la position du ZMP par rapport au BOS.

Résultats: Les expériences ont montré que les exigences de la tâche varient le placement et l'orientation des pieds lorsqu'un obstacle est présent ou non, ce qui était conséquent pour tous les essais avec l'obstacle transversal, où la jambe controlatérale se déplaçait vers l'arrière. La moyenne de la longueur de support semblait plus petite pour les essais avec l'obstacle transversalement, ce qui indique que l'atteinte de la cible aurait pu être préférée à la stabilité.

Conclusion: La taille de l'échantillon est limitée ce qui restreint les conclusions. Les travaux futurs prévoient réaliser le protocole expérimental complet sur un échantillon de sujet plus grand afin de développer un modèle de régression plus précis permettant de prédire la longueur de support selon le ZMP et son orientation selon la cible et les exigences à la main.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in healthcare technology engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 139-148).
Mots-clés libres: posture, stabilité, faire un pas, Zero Moment Point
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Aissaoui, Rachid
Codirecteur:
Codirecteur
Hagemeister, Nicola
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt: 29 janv. 2021 19:18
Dernière modification: 29 janv. 2021 19:18
URI: https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2640

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