[논문 리뷰] 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-Martínez외 4명|arXiv (Cornell University)|2026. 01. 24.

Musculoskeletal pain and rehabilitation인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 자동차 제조 현장의 인체공학 평가를 위한 모듈식 엔드투엔드 하드웨어-소프트웨어 파이프라인을 custom IMU 센서와 오픈 도구를 사용하여 금표준 시스템에 비견하는 성능을 더 저렴한 비용으로 제시합니다.

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.

연구 동기 및 목표

• 산업 현장에서 작업 관련 근골격계 질환을 줄이기 위해 저비용 인체공학 평가를 촉진한다.
• 인체공학 평가의 모든 단계에서 기존 시스템과 상호운용 가능한 모듈식 하드웨어-소프트웨어 파이프라인을 개발한다.
• 접근 가능한 도구를 사용하여 실시간 움직임 수집, 처리 및 RULA 보고를 가능하게 한다.
• 보안성과 투명성을 위해 오픈 소스 플랫폼을 활용하여 블랙박스 한계를 피한다.

제안 방법

• 맞춤형 관성 측정 장치(IMU) 센서를 설계하고 배치한다.
• 실시간 작업자 움직임 수집 도구를 두 가지 제공한다.
• 관절 각도를 계산하기 위해 역운동학 처리를 적용한다.
• Rapid Upper Limb Assessment (RULA) 보고서를 생성한다.
• Unity3D 및 OpenSim을 활용하여 개방형 비독점적 처리를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용의 오픈 소스 하드웨어-소프트웨어 파이프라인이 금표준 솔루션에 비견되는 인체공학 평가 결과를 얻을 수 있는가?
• RQ2 제안된 시스템과 전통적 방법 간에 달성 가능한 일치 수준은 어느 정도인가(예: 관절 각도 정확도, RMSE)?
• RQ3 이 파이프라인은 산업 현장의 기존 상용 인체공학 시스템과 확장 가능하고 상호 운용 가능한가?
• RQ4 오픈 소스 도구가 정확도를 해치지 않으면서 투명하고 안전한 인체공학 분석을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 시스템의 관절 각도는 금표준 시스템과의 교차상관계수가 0.95를 보인다.
• 팔꿈치의 RMSE는 10도 미만이고 어깨의 RMSE는 12도 미만이다.
• 글로벌 RULA 점수 차이는 제안된 시스템과 금표준 간에 5% 미만이다.
• 이 파이프라인은 저비용으로 유지되면서도 비교 가능한 인체공학 평가 성능을 달성한다.
• WMSDs 위험이 있는 자동차 공장에서 수행된 실험은 실용적 가능성을 보여준다.