The wearable co-design domino: A user-centered methodology to co-design and co-evaluate wearables

This paper presents a user-centered methodology to co-design and co-evaluate wearables that has been developed following a research-through design methodology. It has been based on the principles of human–computer interaction and on an empirical case entitled “Design and Development of a Low-Cost Wearable Glove to Track Forces Exerted by Workers in Car Assembly Lines” published in Sensors. Insights from both studies have been used to develop the wearable co-design domino presented in this study. The methodology consists of different design stages composed of an ideation stage, digital service development and test stages, hardware development and test stage, and a final test stage. The main conclusions state that it is necessary to maintain a close relationship between human factors and technical factors when designing wearable. Additionally, through the several studies, it has been concluded that there is need of different field experts that should co-design and co-evaluate wearable iteratively and involving users from the beginning of the process

Wearable design requirements identification and evaluation

: Wearable electronics make it possible to monitor human activity and behavior. Most of these devices have not taken into account human factors and they have instead focused on technological issues. This fact could not only affect human–computer interaction and user experience but also the devices’ use cycle. Firstly, this paper presents a classification of wearable design requirements that have been carried out by combining a quantitative and a qualitative methodology. Secondly, we present some evaluation procedures based on design methodologies and human–computer interaction measurement tools. Thus, this contribution aims to provide a roadmap for wearable designers and researchers in order to help them to find more efficient processes by providing a classification of the design requirements and evaluation tools. These resources represent time and resource-saving contributions. Therefore designers and researchers do not have to review the literature. It will no be necessary to carry out exploratory studies for the purposes of identifying requirements or evaluation tools either

Comparison of additive manufacturing technologies for injection molding

The objective of this project is to determine which Additive Manufacturing family between Material Jetting (Polyjet technology) and Vat Photopolymerisation (Stereolithography -SLAtechnology) is the best for the creation of injection molds for the plastic injection process. The comparison was made by analyzing the technological parameters of each technology and the post-injection results regarding the mold and injected parts. The injection process was carried out in the Department of Mechanical Engineering and Materials of TECNUN using the MTT 100 KSA injection molding machine. Specifically, the impression material of each technology (Rigid 10K for SLA and Digital Plus ABS for Polyjet) was compared using heat and tensile tests to analyze the thermal conductivity of each mold. On the other hand, the injected parts were analyzed using a roughness meter and the HandyScan 300 scanner along with the VXinspect software to measure the dimensional and geometric tolerances. It was concluded that Polyjet technology is better for the production of injection molds since with this technology more durable and smooth molds were obtained in less time. Precisely, the results showed that Polyjet technology has a better print quality, and an exceptional surface finish is obtained both in the parts and in the mold. As this technology does not require post-processing processes, it is faster in terms of production. Plus, the printing material ABS Digital Plus does not crack with heat like the mold printed with Rigid 10K for SLA. However, if high precision and tight tolerances are crucial, SLA technology is preferred, as long as production speed and mold durability are not critical parameters

Evaluación del daño en el cuello del pasajero infantil de autobús provocado por el citurón de seguridad durante un choque frontal.

En el año 2003, la Unión Europea aprobó la directiva 2003/20/CE. Su objetivo es la mejora de la seguridad de los pasajeros de autobús mediante la incorporación de cinturones de seguridad en todos sus asientos y la obligación de utilizarlos de todos sus pasajeros adultos. Asimismo, para los pasajeros infantiles se requirió la presencia de un Sistema de Retención Infantil (SRI) adecuado a su estatura y peso. A pesar de que los SRI han mostrado ya su eficacia en los automóviles, el 25% de los niños viaja suelto en autobús y el 75% restante no siempre utiliza el SRI adecuado a su estatura y peso. El principal objetivo de esta tesis es analizar los daños causados en el cuello de un pasajero infantil de 6 años de edad en un choque frontal de autobús como consecuencia de usar un cinturón de seguridad de adulto en vez del SRI adecuado durante un impacto frontal. Para la consecución de este objetivo, se crea y valida un modelo biomecánico del conjunto cuello-cabeza de un infante de 6 años de edad. Este modelo se obtiene mediante el escalado geométrico y dinámico de un modelo biomecánico del conjunto cuello-cabeza de un adulto. A este modelo infantil se le ensambla un modelo de tejido blando que modela la carne, el tejido muscular y la piel. El conjunto resultante se utiliza para crear el denominado “Modelo Híbrido” que está compuesto por el modelo biomecánico cuello-cabeza con tejido blando y por el cuerpo del modelo de dummy Hybrid III 6-year-old de MADYMO®. Con este “Modelo Híbrido” y mediante técnicas de Elementos Finitos se han obtenido las tensiones de Von Mises en el tejido blando de cuello infantil como consecuencia del uso del cinturón de seguridad de adulto. Finalmente se crea un modelo tridimensional de tejido blando de cuello infantil en el entorno MATLAB® mediante técnicas “Mass-Spring Model” que, utilizando las mismas propiedades mecánicas del tejido muscular empleado en las simulaciones de MADYMO®, sirve para estudiar de las laceraciones y cortes que se producen en el cuello. Los resultados obtenidos muestran como el pasajero infantil puede sufrir lesiones graves en el cuello como consecuencia del cinturón de seguridad de adulto. De ahí que la nueva directiva presente un gran paso adelante y deba ser aplicada estrictamente

Desarrollo de un wearable mediante fabricación aditiva de materiales conductores para la medición de fuerzas.

El presente proyecto es la tercera fase de una serie de proyectos realizados con anterioridad en el departamento de diseño de Tecnun – Universidad de Navarra. Dichos proyectos consisten en el análisis, diseño y fabricación de un guante para la medición de impactos sobre los tres principales dedos de actuación y parte de la palma de la mano humana. El proyecto inicial surgió como respuesta a una necesidad planteada por Volkswagen Navarra S.A., sobre el impacto del montaje de piezas en la salud de los trabajadores. A partir de ahí, se planteó un wearable que fuera capaz de medir la magnitud de dicho impacto, a fin de determinar cómo de perjudiciales eran las acciones llevadas a cabo por los empleados de la fábrica de montaje. Las primeras fases se realizaron entre 2016 y 2018, constituyéndose en la primera el prototipo funcional inicial, y en la segunda una mejora de la ergonomía y del sistema de conducción de electricidad. Así mismo, en esta segunda fase, se obviaron las restricciones iniciales de Volkswagen con el fin de realizar un modelo más genérico que fuera usable en diversos ámbitos. La finalidad de este proyecto concreto pretende ir más allá, centrándose en la sustitución de los circuitos por pistas conductoras impresas en 3D. Como resultado, se obtiene una mejora sustancial en el sistema eléctrico del wearable, cuyos circuitos impresos serán más ergonómicos, así como un diseño más atractivo y con una fabricación más sencilla. Este nuevo reto, abre aún más la posibilidad de extender el uso de los wearables con sistemas de medición, facilitando la creación de futuros wearables para otros usos distintos a los de este proyecto. De esta manera, seremos capaces de llevar la tecnología y sus beneficios a más personas

Comparison of additive manufacturing technologies for injection molding

The objective of this project is to determine which Additive Manufacturing family between Material Jetting (Polyjet technology) and Vat Photopolymerisation (Stereolithography -SLAtechnology) is the best for the creation of injection molds for the plastic injection process. The comparison was made by analyzing the technological parameters of each technology and the post-injection results regarding the mold and injected parts. The injection process was carried out in the Department of Mechanical Engineering and Materials of TECNUN using the MTT 100 KSA injection molding machine. Specifically, the impression material of each technology (Rigid 10K for SLA and Digital Plus ABS for Polyjet) was compared using heat and tensile tests to analyze the thermal conductivity of each mold. On the other hand, the injected parts were analyzed using a roughness meter and the HandyScan 300 scanner along with the VXinspect software to measure the dimensional and geometric tolerances. It was concluded that Polyjet technology is better for the production of injection molds since with this technology more durable and smooth molds were obtained in less time. Precisely, the results showed that Polyjet technology has a better print quality, and an exceptional surface finish is obtained both in the parts and in the mold. As this technology does not require post-processing processes, it is faster in terms of production. Plus, the printing material ABS Digital Plus does not crack with heat like the mold printed with Rigid 10K for SLA. However, if high precision and tight tolerances are crucial, SLA technology is preferred, as long as production speed and mold durability are not critical parameters

Development of a low cost wearable prevention system for MSDs using IMU systems and electrically conductive materials via additive manufacturiing.

Musculoskeletal disorders (MSDs) are chronic occupational injuries that are common in lean production due to excessive work or repetition. They are considered to be the main cause of disability and absenteeism, reduced production and increased costs. A large number of studies have shown that most of the discomforts are located in the upper body area, but few studies have focused on assessing the degree of exposure in the hand area. The main objective of this thesis is to develop a low-cost wearable device in order to prevent and assess the potential exposure risks of MSDs in the hand. To that end, this thesis includes an evaluation of ergonomic assessment methods, a prototype development of a low-cost wearable, and experimental research in order to implement functional additive manufactured materials to that prototype. In the evaluation study, seven ergonomic assessing measurements were selected for comparison and analysis through an optimised questionnaire and expert interview. It has been concluded that the Inertial Measurement Units (IMU) method is currently the most suitable measurement technology for hand MSDs risk assessment. For the prototype development, Arduino-based hardware modules were selected, and a functional prototype for tracking index finger and thumb movements in real-time is built with the quaternion-based core algorithm. Finally, a prototype of the wearable is developed using electrically conductive materials deposited via Additive manufacturing. Several conductive filaments are tested, and an optimised method is employed to avoid cross-contamination effects.Los trastornos musculo esqueléticos son lesiones crónicas comunes en las líneas de producción debido a movimientos repetitivos. Se consideran como la principal causa de absentismo por bajas, reducción de la producción y aumento de costes. Un gran número de estudios ha mostrado que la mayor parte de las molestias están localizadas en las extremidades superiores, pero pocos estudios se han centrado en la evaluación del grado de exposición de la mano a estas lesiones. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un wearable de bajo-coste para prevenir y evaluar los riesgos de exposición potenciales a estas lesiones musculoesqueléticas en la mano. A tal fin, esta tesis incluye una evaluación de los métodos de valoración ergonómica, el desarrollo de un prototipo de wearable de bajo-coste y una investigación experimental para implementar materiales funcionales en el prototipo mediante Fabricación Aditiva. En la parte de evaluación, se seleccionaron siete metodologías ergonómicas para compararlas mediante un cuestionario y entrevistas con expertos. Se concluyó que los sistemas inerciales (IMU) son la tecnología más adecuada para evaluar las lesiones musculo esqueléticas en la mano. Para el desarrollo, se seleccionaron elementos de hardware basados en Arduino para desarrollar un prototipo que capturaba el movimiento de los dedos índice y pulgar usando el sistema de cuaterniones. Finalmente, se fabricó un prototipo que incorporaba un material conductor eléctrico depositado mediante Fabricación Aditiva para conectar el hardware. Varios filamentos conductores fueron probados previamente, y se desarrolló una metodología optimizada para evitar los efectos de la contaminación cruzada

Influence of the Local Curvature on the Abdominal Aortic Aneurysm Wall Stress and New Methodologies for Manufacturing Realistic Phantoms.

El aneurisma de aorta abdominal (AAA) es una dilatación focalizada de la aorta abdominal de al menos 1.5 veces su diámetro habitual. La rotura de AAA causa alrededor de 1.3% de muertes en países desarrollados en hombres con una edad comprendida entre 65 y 85 años. En la práctica todavía existe incertidumbre con respecto al momento correcto de llevar a cabo la operación, sin embargo, el criterio de diámetro máximo es aceptado habitualmente como el factor de predicción de rotura; generalmente a aquellos pacientes cuyo diámetro del AAA supera los 5 cm se les recomienda reparar el AAA siempre y cuando estén en condiciones para ello. No obstante, el porcentaje de fallo de este criterio es considerable y falla en torno al 10% y 25% de los casos: 13% de los aneurismas con diámetros inferiores a 50 mm rompieron, mientras que el 60% de aneurismas con diámetros superiores a 50 mm permanecieron intactos. Varios estudios numéricos han intentado encontrar nuevos parámetros que puedan ayudar a los médicos a la hora de estimar el riesgo de rotura del AAA. Por el contrario, se han realizado pocos estudios experimentales debido al alto coste y tiempo que lleva la fabricación de réplicas de AAAs de pacientes. Esta tesis abarca tanto el estudio numérico como el experimental. Por un lado se ha estudiado la influencia de nuevos parámetros geométricos en la distribución de esfuerzos en la pared del AAA. Por otro lado se han investigado nuevas metodologías para la fabricación de réplicas de AAA. Con lo referido a los estudios numéricos, después de analizar 30 geometrías de AAAs de pacientes, se ha descubierto que la curvatura local afecta de forma considerable a la distribución de esfuerzos en la pared, y consecuentemente al riesgo de rotura del AAA. Los resultados sugieren que considerar este parámetro en un futuro para estimar la rotura de AAA puede ayudar a las decisiones clínicas. Con respecto al apartado experimental, se ha definido una nueva metodología para fabricar réplicas de AAA más realistas mediante la técnica de inyección al vacío. Esta metodología nueva tiene en cuenta el espesor variable de la pared y el comportamiento anisótropo del AAA. Asimismo, la tecnología de fabricación aditiva multi-material se ha utilizado para fabricar réplicas de AAA ideales con propiedades anisótropas. Los resultados de los ensayos uniaxiales y biaxiales certifican la idoneidad de las dos metodologías para la fabricación de réplicas de AAA con propiedades similares a las del tejido del AAA. Por último, se ha realizado un estudio experimental con las réplicas de AAA fabricadas y se ha verificado la distribución de esfuerzos en la pared del AAA. Este último estudio se llevó a cabo en la Universidad de Texas en San Antonio (UTSA) gracias a la colaboración con el Dr. Ender Finol.An abdominal aortic aneurysm (AAA) is a focal dilation of the abdominal aorta that is at least 1.5 times its normal diameter. AAA rupture causes around 1.3% of deaths in developed countries among men aged 65-85. In clinical practice, uncertainty still remains about the correct time to operate, but the criterion of maximum diameter is commonly accepted as a rupture prediction factor. The general consensus is that patients with AAA diameters bigger than 5 cm warrant elective repair if they are reasonable operative candidates. However, the failure rate of this criterion is high, ranging from 10% to 25% of cases: 13% of aneurysms with a maximum diameter under 50 mm ruptured, while 60% of aneurysms with diameters over 50 mm remained intact. Several numerical studies have attempted to find new parameters that can help physicians estimate AAA rupture risk. In contrast, few experimental studies have been carried out due to the cost and time-consuming nature of manufacturing patient-specific AAA replicas. This thesis comprises both numerical and experimental studies. The numerical approach investigates new geometric parameters that influence AAA wall stress distribution, while the experimental approach studies new methodologies for manufacturing AAA replicas. In the numerical studies, 30 patient-specific AAA geometries were analyzed, and it was found that the local curvature significantly affects the wall stress distribution, which in turn affects the risk of AAA rupture. The results suggest that considering this parameter in future AAA rupture estimations can assist in clinical decision-making. In terms of the experimental studies, a new methodology for manufacturing more realistic AAA phantoms was developed via vacuum casting technique. This new methodology considers the regionally varying wall thickness and the anisotropic behavior of the AAA. Additionally, the multi-material additive manufacturing technology has been used to fabricate idealized AAA phantoms with anisotropic properties. The results of uniaxial and biaxial tests verify the suitability of both methodologies in manufacturing AAA replicas with properties similar to AAA tissue. Finally, an experimental study was run on the fabricated AAA phantoms and the AAA wall stress distribution was verified. This study was carried out at the University of Texas at San Antonio (UTSA) in collaboration with Dr. Ender Finol

Development of a low cost wearable prevention system for MSDs using IMU systems and electrically conductive materials via additive manufacturiing.

Musculoskeletal disorders (MSDs) are chronic occupational injuries that are common in lean production due to excessive work or repetition. They are considered to be the main cause of disability and absenteeism, reduced production and increased costs. A large number of studies have shown that most of the discomforts are located in the upper body area, but few studies have focused on assessing the degree of exposure in the hand area. The main objective of this thesis is to develop a low-cost wearable device in order to prevent and assess the potential exposure risks of MSDs in the hand. To that end, this thesis includes an evaluation of ergonomic assessment methods, a prototype development of a low-cost wearable, and experimental research in order to implement functional additive manufactured materials to that prototype. In the evaluation study, seven ergonomic assessing measurements were selected for comparison and analysis through an optimised questionnaire and expert interview. It has been concluded that the Inertial Measurement Units (IMU) method is currently the most suitable measurement technology for hand MSDs risk assessment. For the prototype development, Arduino-based hardware modules were selected, and a functional prototype for tracking index finger and thumb movements in real-time is built with the quaternion-based core algorithm. Finally, a prototype of the wearable is developed using electrically conductive materials deposited via Additive manufacturing. Several conductive filaments are tested, and an optimised method is employed to avoid cross-contamination effects.Los trastornos musculo esqueléticos son lesiones crónicas comunes en las líneas de producción debido a movimientos repetitivos. Se consideran como la principal causa de absentismo por bajas, reducción de la producción y aumento de costes. Un gran número de estudios ha mostrado que la mayor parte de las molestias están localizadas en las extremidades superiores, pero pocos estudios se han centrado en la evaluación del grado de exposición de la mano a estas lesiones. El principal objetivo de esta tesis es desarrollar un wearable de bajo-coste para prevenir y evaluar los riesgos de exposición potenciales a estas lesiones musculoesqueléticas en la mano. A tal fin, esta tesis incluye una evaluación de los métodos de valoración ergonómica, el desarrollo de un prototipo de wearable de bajo-coste y una investigación experimental para implementar materiales funcionales en el prototipo mediante Fabricación Aditiva. En la parte de evaluación, se seleccionaron siete metodologías ergonómicas para compararlas mediante un cuestionario y entrevistas con expertos. Se concluyó que los sistemas inerciales (IMU) son la tecnología más adecuada para evaluar las lesiones musculo esqueléticas en la mano. Para el desarrollo, se seleccionaron elementos de hardware basados en Arduino para desarrollar un prototipo que capturaba el movimiento de los dedos índice y pulgar usando el sistema de cuaterniones. Finalmente, se fabricó un prototipo que incorporaba un material conductor eléctrico depositado mediante Fabricación Aditiva para conectar el hardware. Varios filamentos conductores fueron probados previamente, y se desarrolló una metodología optimizada para evitar los efectos de la contaminación cruzada

Design and development of a low-cost wearable glove to track forces exerted by workers in car assembly lines

Wearables are gaining widespread use and technologies are making it possible to monitor human physical activity and behaviour as part of connected infrastructures. Many companies see wearables as an opportunity to enhance worker safety since they can monitor their workers’ activity in real life scenarios. One of the goals of this technology is to integrate existing electronic components, such as sensors or conductors, in order to create fully wearable systems. This integration is constrained not only by technical factors but also by user requirements and internal company standards. This paper considers such constraints and presents preliminary research for the design of a wearable glove as a new tool to track forces exerted by workers in car assembly lines. The objective of the glove is to measure forces and compare these to maximum forces already identified by the company. Thus, the main objectives are to: (1) integrate the components based on the requirements of the users and the context of application, and (2) provide a new tool that can be used “in situ” to track workers. This study was carried out in close collaboration with Volkswagen through a human-centred iterative design process. Thus, this paper presents the development of a wearable device glove based on a specific design methodology where both the human and technological aspects are considered