D. RUGHI*, F. NAPPI*, A. PATRIZI**, E. PENNESTRÌ**, P. P. VALENTINI**
* Inail - Direzione Generale - Consulenza Tecnica Accertamento Rischi e Prevenzione.
** Università di Roma “Tor Vergata” - Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa.
1 Norme tecniche della serie UNI ISO 11228 parti 1, 2 e 3.
2 Si consideri la condizione per la quale, non essendo sempre possibile eseguire fotografie secondo a uno dei piani di simmetria principali, gli angoli rilevabili da questa tipologia di supporto sono quasi diversi dall’ango-lo reale (angodall’ango-lo apparente).
ca e cinematica che vanno a integrare le informazioni dimensionali acquisite con tecniche proprie dell’analisi fotogrammetrica. In tal modo è possibile eseguire in modo oggettivo e automatico l’analisi del gesto lavorativo in tutte le sue fasi ed elaborare, con i dati acquisiti, gli indici utili ai fini della valutazione del rischio. Tra gli inconvenienti e gli svantaggi che si registrano nell’uso di tradizionali strumenti di motion capture si ricordano:
• l’invasività, dovuta all’installazione sul soggetto di sensori o markers sui punti di repere anatomici;
• la necessità di ampi spazi di ripresa;
• le possibili limitazioni o modifiche del movimento imposte dalla presenza dei markers sul soggetto per evitare collisioni tra gli stessi;
• le problematiche connesse alla messa a punto del sistema di analisi in un ambiente di lavoro;
• gli elevati tempi di setup;
• i costi elevati di acquisto e manutenzione e, non ultima in ordine di importanza, la rapida obsolescenza delle attrezzature.
1.2 Primi risultati
Al fine di sviluppare e studiare tecniche di rilevazione innovative, basate sull’impiego di attrezzature a basso costo e a ridotta invasività, è attiva da vari anni una collaborazione tra la Contarp centrale dell’Inail e alcuni membri del Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa dell’Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”. Una delle attività messe a punto nel-l’ambito della citata collaborazione ha riguardato la possibilità di impiegare un dispositivo commercializzato dalla Microsoft, il Kinect V1, per acquisire dati essenziali della cinemati-ca del lavoratore durante il gesto lavorativo. Si tratta di un dispositivo in grado di ricono-scere i diversi segmenti del corpo umano e ricostruirne, con un grado di sufficiente accura-tezza, la posizione e l’orientamento spaziale. Inizialmente progettato per un uso esclusiva-mente ludico in ambienti di tipo per lo più domestico, quale interfaccia tra utente e compu-ter, il Kinect si è presto affermato anche per usi professionali grazie al costo estremamente contenuto, alla rapidità di impiego (il setup richiede qualche minuto) e all’assenza di qual-siasi tipo di marker.
Il presente articolo vuole riferire sulle esperienze acquisite dal gruppo di lavoro nell’impie-go del Kinect ai fini della valutazione del sovraccarico biomeccanico, da impiegare sia in laboratorio sia nei luoghi di lavoro. In particolare, utilizzando il Kinect come unica teleca-mera, è stata svolta un’indagine per analizzare la gestualità di alcuni lavoratori dell’industria della ceramica.
Allo scopo, è stato sviluppato dal Dipartimento di ingegneria dell’Università di Roma “Tor Vergata” un apposito software con il quale calcolare, sulla base dei dati acquisiti, l’indice RWL (Recommended Weight Limit) del NIOSH, sul cui modello è basata la Norma UNI ISO 11228-1. Il software sviluppato (Patrizi, 2012) è stato sperimentato inizialmente per rilevare misure di distanze e monitorare gli angoli assunti dai segmenti anatomici come, ad esempio, l’angolo di inclinazione del tronco di un soggetto che stava eseguendo delle operazioni con un trapano.
Per valutarne l’affidabilità della procedura di acquisizione dati, i risultati dei rilievi sono stati confrontati con quelli ottenuti in parallelo con il sistema di analisi del movimento installato presso il Laboratorio di Analisi del Movimento della Contarp.
I risultati fin qui raggiunti hanno confermato la validità dello strumento e del software, soprattutto per quanto riguarda la straordinaria versatilità nelle indagini eseguite sul campo.
L’attività di ricerca è tuttora in corso e sta riguardando anche la nuova versione del Kinect, nonché le possibilità associate all’uso dei segnali acustici acquisiti attraverso il microfono, presente su tale hardware.
1.3 Simulazione di operazioni di sollevamento e trasporto
La sperimentazione è stata incentrata sull’analisi dei movimenti richiesti da un’attività di movimentazione manuale dei carichi simulata per 60 minuti complessivi, nell’arco dei quali la frequenza è stata impostata su un valore di 10 operazioni al minuto, considerando una buona qualità della presa.
Reti, sinergie, appropriatezza, innovazione: professioni tecniche verso il futuro della salute e sicurezza sul lavoro
Figura 1 - Schematizzazione della metodologia proposta e sperimentata.
Figura 2 - Rilevamento dei parametri posturali su lavoratore: andamento dell'angolo d’inclinazione del tronco (Patrizi, 2012).
Figura 3 - Simulazione del calcolo del fattore di rischio hMprevisto dalla UNI ISO 11228-1 (Patrizi, 2012).
Il gesto è stato quindi ripreso attraverso la telecamera Kinect V 1.0 e, sfruttando le poten-zialità del software dedicato, sono stati generati dei report analitici di sintesi contenenti i dati cinematici e dimensionali utili al calcolo dell’indice di rischio (Figura 3).
2. EVOLUZIONE DELL’HARDWARE
Di recente è stata introdotta sul mercato una nuova versione del Kinect che, rispetto alla precedente, detiene un campo visivo più
ampio (70° in orizzontale e 60° in vertica-le); tale condizione permette di inquadrare un’area maggiore e analizzare i movimen-ti dei soggetmovimen-ti che operano in prossimità del sensore. Ciò permette di ampliare lo spazio di ripresa e di eliminare l’uso del motore preposto alla regolazione dell’in-clinazione verticale, del quale era dotato il Kinect di prima generazione.
Nel nuovo modello, inoltre, è stato poten-ziato il flusso dei dati RGB3(Color Stream), portando la risoluzione dagli iniziali
Figura 4 - Giunti rilevati dal Kinect v2 3 Il modello di colore RGB [Red-Green-Blue] si
uti-lizza per il rilevamento, la rappresentazione e la visualizzazione di immagini in sistemi elettronici, come televisori e computer.
640×480 pixel agli attuali 1920×1080 pixel, acquisiti con frequenza di 30 fps (frame per secondo), consentendo di migliorare anche la qualità di acquisizione in condizioni di bassa illuminazione.
In aggiunta, la capacità di misurare la profondità degli oggetti (depth stream), dagli origina-li 320×240 pixel, è passata a 512×424 pixel, conferendo al sensore la possibiorigina-lità di rilevare oggetti più piccoli migliorando al contempo la precisione nella determinazione delle distan-ze. Per quanto riguarda il sistema di tracciamento dello scheletro (body tracking) le nuove funzionalità di cui è dotata la versione attuale del Kinect consentono di acquisire informa-zioni provenienti dal movimento di soggetti di bassa statura (anche alti un metro) o relativi a soggetti sia seduti che in piedi. È possibile inoltre acquisire dati utili all’analisi del gesto di un soggetto con le mani aperte o chiuse o anche in presenza di rotazione delle varie arti-colazioni.
La nuova periferica è in grado di memorizzare un dataset completo di informazioni relative al movimento di un massimo di sei soggetti contemporaneamente presenti sulla scena, anche se questi hanno il gomito nascosto da una mano o adottano una postura con gambe accaval-late tra loro.
In considerazione delle nuove potenzialità del Kinect V2, è stato sviluppato un nuovo soft-ware per analisi di tipo ergonomico (Trovato, 2014; Ferrante, 2014) che, oltre a restituire le coordinate dei centri delle articolazioni, è in grado di ricostruire l’orientamento spaziale di ciascun segmento monitorato sotto forma di quaternioni4, grazie ai quali è possibile ottene-re le matrici della posa dei suddetti segmenti.
Lo sviluppo e il miglioramento del software originario hanno riguardato in particolare l’in-serimento di algoritmi numerici per il calcolo delle velocità angolari dei segmenti monitora-ti (Trovato, 2014) e l’aggiornamento delle funzioni del software sviluppate appositamente per analisi di tipo ergonomico (Ferrante, 2014).
3. CONFRONTI CON ALTRI SISTEMI DI MOTION CAPTURE
Per poter valutare le azioni dinamiche richieste per eseguire determinati movimenti (Mari et al., 2012) ai fini di un’analisi di tipo biomeccanico, è necessario conoscere l’affidabilità dello strumento utilizzato per il rilievo dei dati. A tale scopo è stato eseguito un confronto tra il dataset rilevato dal Kinect nel monitoraggio della cinematica posizionale del corpo umano e quello acquisito con un tradizionale sistema di human motion tracking BTS SMART (Patrizi et al., 2015) utilizzato come benchmark. Limitatamente alle esperienze maturate nel corso della presente ricerca, la comparazione tra i due set di valori ha mostrato uno scarto mediamente inferiore al 15%. Il segnale del Kinect, tuttavia, è ancora affetto da rumore e per questo motivo sarà necessario approntare degli specifici algoritmi per filtrare il segnale al fine di migliorare la qualità del dato (vedi Figura 5).
Reti, sinergie, appropriatezza, innovazione: professioni tecniche verso il futuro della salute e sicurezza sul lavoro
4 Estensioni dei numeri complessi, i quaternioni trovano un’importante applicazione nella modellizzazione delle rotazioni degli oggetti nello spazio; sono ampiamente utilizzati nella grafica tridimensionale al computer e nella robotica per ricostruire la posizione spaziale di elementi di sistemi meccanici di tipo complesso.
4. CONCLUSIONI
Sono state descritte alcune esperienze condotte utilizzando il Kinect commercializzato dalla Microsoft per l’analisi del gesto lavorativo finalizzata alla valutazione del rischio da sovrac-carico biomeccanico. L’impiego di tale dispositivo ha consentito di rilevare in maniera affi-dabile le grandezze cinematiche di interesse, anche se la ricostruzione completa della postu-ra in condizioni di maschepostu-ramento degli arti postu-rappresenta al momento un problema non del tutto risolto.
Tuttavia, pur con le limitazioni descritte, i risultati ottenuti sono soddisfacenti, soprattutto se si tiene conto del costo ridotto del dispositivo, della sua flessibi-lità a essere utilizzato in contesti lavora-tivi reali e, non ultima in ordine di impor-tanza, della sua rapidità di impiego.
Una volta completata la fase di speri-mentazione, che riguarderà tra le altre cose la possibilità di impiegare contem-poraneamente più unità hardware, e valu-tate pienamente le potenzialità dell’inte-ro pdell’inte-rocesso di acquisizione dati, tale dis-positivo potrebbe trovare un’utile appli-cazione nell’analisi del rischio di sovrac-carico biomeccanico anche in contesti lavorativi in cui, per diversi motivi,
risul-ta particolarmente complicato allestire e utilizzare i tradizionali sistemi di motion capture.
In un’ottica di sviluppo ulteriore della sperimentazione sinora condotta, si potrebbero ampliare le potenzialità del software, mettendo a punto una apposita sezione database, even-tualmente accessibile via Web, che funga da supporto alla valutazione di merito dei casi di patologie muscoloscheletriche.
BIBLIOGRAFIA
Ferrante, S. Analisi Cinematica del Gesto Lavorativo Mediante Kinect, Università di Roma
“Tor Vergata”, A.A. 2013-2014.
Mari, S., Nappi, F., Pennestrì, E., Trebbi, M., Rughi, D. A comparison between inverse dynamics skeletal and muscular models, International Journal of Experimental and Computational Biomechanics, vol.2, 2012, pp.74-95.
Patrizi, A. Sviluppo di una metodologia per l’analisi del movimento con sistemi markerless, Tesi di Laurea, Università di Roma “Tor Vergata”, A.A. 2011-2012.
Patrizi, A., Pennestrì, E., Valentini, P.P. Comparison between low-cost marker-less and high-end marker-based motion capture systems for the computer-aided assessment of working ergonomics, Ergonomics, 2015.
Trovato, G. Studio cinematico delle articolazioni del corpo umano mediante dati acquisiti con Kinect V.2, Università di Roma “Tor Vergata”, A.A. 2013-2014.
Figura 5 - Confronto della cinematica acquisita con Microsoft Kinect e BTS SMART (Patrizi et al. 2015)