Safety analysis using a Smart Safety Helmet embedded with IMU and EEG sensors applied in industrial facility

摘要

Some mental states, such as fatigue, or sleepiness, are known to increase the potential of accidents in industry, and thus could decrease productivity, even increase cost for healthcare. The highest rate of industrial accidents is usually found among shift workers due to fatigue or extended work hours. When using machine tool or interacting with robotic system, the risk of injury increases due to disturbance, lapse in concentration, vigilance decline, and neglect of the risk during prolonged use.udUsually, to guarantee safety of worker, the conventional means is to stop the machine when human presence is detected in the safeguarding area of machine tool or robot workspace. The popular human detection technologies exploit laser scanner, camera (or motion tracker), infrared sensor, open-door sensor, static pressure sensitive floor as described in CSA Z434 standard. Of course, in the field of robotic, human and robot are not allowed to work together in the same workspace. However, new industrial needs lead research to develop flexible and reactive chain production for enabling small quantity production or fast modification in product characteristics. Consequently, more efficient human-machine or human-robot collaboration under a safety condition could improve this flexibility.udOur research project aims at detecting and analyzing human safety in industry in order to protect workers. Comparing to the conventional human protection methods, our research exploits Artificial Intelligence approach to track and monitor human head motion and mental state using an instrumented safety helmet, labelled as Smart Safety Helmet (SSH) in the following. The contribution of this thesis consists in the design of data fusion algorithm for the recognition of head motion and mental state, which can be used to analyze the potential risky states of workers. A Smart Safety Helmet embedded with Inertial Measurement Unit (IMU) and EEG sensors will be used to detect and decode the human’s mental state and intention. The acquired information will be used to estimate the accident risk level in order to stop machine and then prevent accident or injury. In human-robot interaction (HRI) paradigm, the human’s intention could be used to predict the worker trajectory in order to control the robot moving trajectory and then to avoid fatal collision.ududCertains états mentaux, comme la fatigue ou la somnolence, sont connus pour augmenter le potentieludd'accidents dans l'industrie, et pourrait donc réduire la productivité, même augmenter les coûts des soins de santé. Le taux le plus élevé d'accidents au travail est habituellement trouvé parmi les travailleurs en rotation (travail posté) dues à la fatigue ou les heures de travail prolongées. Lors de l'utilisation d’uneudmachine-outil ou lors d’une interaction avec un système robotique, le risque de lésion peut augmenter dû à une perturbation, un manque de concentration, une baisse de vigilance et la négligence du travailleur face au risque présent lors d'une utilisation prolongée (accoutumance au risque).udHabituellement, pour garantir la sécurité des travailleurs, des moyens classiques sont l'arrêt complet de la machine lorsque la présence humaine est détectée dans une zone non sécuritaire, par exemple dansudl’espace de travail d’un robot. Les technologies industrielles communes de détection humaine exploitentudle scanner au laser, la caméra (par la capture de mouvement), le capteur infrarouge, l’interrupteur deudporte ouverte, le tapis de capture de la pression statique ; tous ces capteurs sont décrits dans la normeudCSA Z434. Jusqu’à tout récemment, dans le domaine de la robotique industrielle, les humains et les robots n’étaient pas autorisés à travailler ensemble dans le même espace. Toutefois, des besoins industriels émergents ont dirigé les recherches pour développer une production flexible et réactive pour favoriser la production de petites quantités ou modifier rapidement des caractéristiques du produit. Par conséquent, une collaboration plus efficace entre l'humain et le robot ou, de manière plus générale entre l'humain et la machine, sous des contraintes de sécurité, pourrait améliorer cette flexibilité et cette réactivité.udNotre projet de recherche vise à détecter et à analyser la sécurité humaine dans l'industrie afin de protéger les travailleurs. En comparant les méthodes classiques de protection humaine, notre approche exploite l'intelligence artificielle pour identifier les mouvements de la tête et identifier l'état mental enudutilisant un casque de sécurité instrumenté, nommé le Smart Safety Helmet (SSH) dans ce qui suit. La contribution de ce mémoire réside dans la conception de la fusion des données provenant de la reconnaissance de mouvement de la tête et de l'état mental, qui peut être utilisée pour analyser le potentiel de risque encouru par un travailleur. Dans le SSH, une unité de mesure inertielle (IMU) et capteurs EEG ont été intégrés. Ces deux capteurs seront utilisés pour détecter l'état mental de l’humain et décoder son intention. Les informations recueillies seront utilisées pour estimer le risque d'accidents afin d'arrêter la machine et d'empêcher un accident. Dans le paradigme de l’interaction humain-robot, l'intention de l'humain pourrait être utilisée modifier le comportement du robot (réduire sa rigidité ouudmodifier sa trajectoire).