[論文レビュー] Development of an end-to-end hardware and software pipeline for affordable and feasible ergonomics assessment in the automotive industry

Javier González-Alonso, Cristina Simón-Martínez+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2026

Musculoskeletal pain and rehabilitation被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、オートモーティブ職場での人間工学評価のモジュラーなエンドツーエンドのハードウェア-ソフトウェアパイプラインを、カスタムIMUセンサーとオープンツールを用いて極めて低コストで金標準システムに匹敵させるものです。

ABSTRACT

An end-to-end hardware-software pipeline is introduced to automatize ergonomics assessment in industrial workplaces. The proposed modular solution can interoperate with commercial systems throughout the ergonomics assessment phases involved in the process. The pipeline includes custom-designed Inertial Measurement Unit (IMU) sensors, two real-time worker movement acquisition tools, inverse kinematics processing and Rapid Upper Limb Assessment (RULA) report generation. It is based on free tools such as Unity3D and OpenSim to avoid the problems derived from using proprietary technologies, such as security decisions being made under "black box" conditions. Experiments were conducted in an automotive factory in a workplace with WMSDs risk among workers. The proposed solution obtained comparable results to a gold standard solution, reaching measured joint angles a 0.95 cross-correlation and a Root Mean Square Error (RMSE) lower than 10 for elbows and 12 for shoulders between both systems. In addition, the global RULA score difference is lower than 5% between both systems. This work provides a low-cost solution for WMSDs risk assessment in the workplace to reduce musculoskeletal disorders and associated sick leave in industry, impacting the health of workers in the long term. Our study can ease further research and popularize the use of wearable systems for ergonomics analysis allowing these workplace prevention systems to reach different industrial environments.

研究の動機と目的

• 産業現場での作業関連筋骨格系障害を低減するための手頃な人間工学評価を動機付ける。
• 人間工学評価の各段階で既存システムと連携可能なモジュラーなハードウェア-ソフトウェアパイプラインを開発する。
• アクセスしやすいツールを用いて、リアルタイムの動作取得・処理・RULA報告を実現する。
• セキュリティと透明性のためにオープンソースプラットフォームを活用してブラックボックスの制限を回避する。

提案手法

• カスタム慣性計測単位(IMU)センサーを設計・展開する。
• 2つのリアルタイム作業者動作取得ツールを提供する。
• 逆運動学処理を適用して関節角度を算出する。
• Rapid Upper Limb Assessment (RULA)レポートを生成する。
• Unity3DとOpenSimを活用してオープンで非独自の処理を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コストを抑えたオープンソースのハードウェア-ソフトウェアパイプラインは、金標準ソリューションと同等の人間工学評価結果を達成できるか。
• RQ2 提案システムと従来の方法との間で得られる合意の程度（例：関節角度精度、RMSE）はどの程度か。
• RQ3 パイプラインは産業現場の既存の商用人間工学システムと拡張性・相互運用性を持つか。
• RQ4 オープンソースツールは精度を損なうことなく、透明かつ安全な人間工学分析を提供できるか。

主な発見

• 提案システムによる関節角度は金標準システムと0.95の相互相関を示す。
• 肘のRMSEは10度未満、肩のRMSEは12度未満。
• 提案システムと金標準のグローバルRULAスコア差は5%未満。
• パイプラインは低コストのまま、同等の人間工学評価性能を達成する。
• WMSDリスクを伴う自動車工場での実験により実用的な実現可能性を示した。