Wspomaganie analizy obcie posturalnych w projektowaniu stanowisk pracy w technologii CAD. Jerzy Grobelny Instytut Organizacji i Zarzdzania Politechniki Wrocławskiej Wprowadzenie. Obcienia układu ruchu pracujcego człowieka w duej mierze s konsekwencj ukształtowania miejsca pracy (stanowiska) i organizacji procesów na tym miejscu realizowanych. Niewtpliwie najwiksze moliwoci kształtowania stanowiska pracy wystpuj na etapie projektowania wtedy ograniczenia s stosunkowo najmniejsze. Znacznie trudniej dokona korekt istniejcych rozwiza, zwłaszcza gdy przedmiotem analiz s materialne obiekty o znacznych wymiarach (np. maszyny). Dostarczenie odpowiedniej wiedzy i narzdzi umoliwiajcych jej zastosowanie przez projektanta jest istotnym zadaniem nauk o człowieku a w szczególnoci ergonomii. Moliwoci graficzne komputerów skłoniły wiele orodków i wielu badaczy do podjcia pracy nad ich wykorzystaniem w projektowaniu ju w latach siedemdziesitych. Parametry współczesnych maszyn zmieniaj nawet tradycyjne procedury projektowania w wielu dziedzinach zastpujc szkicowanie i rysowanie modelowaniem trójwymiarowym. Oczywiste jest w tej sytuacji denie do tworzenia metodologii wspomagajcych takie, wirtualne modelowanie take o rónorodne oceny funkcjonowania budowanych projektów oraz mechanizmy pozwalajce znajdowa optymalne rozwizania wielu szczegółowych zagadnie zwizanych z realizowanym zadaniem. Ju w latach 70 pojawiły si próby reprezentowania w komputerze ciała człowieka i jego cech istotnych w projektowaniu. Burzliwy rozwój komputerów osobistych w latach 80 pozwolił szeroko udostpni idee CAD (komputerowo wspomagane projektowanie computer aided design) i modelowania w tej konwencji. Wiele współczesnych koncepcji komputerowych modeli ciała ludzkiego omówiono m.in. w pracach Case i in.(1990) oraz McDaniela (1990). Wikszo znanych i dostpnych na rynku systemów ergonomicznych (SAMMIE, BOEMAN, COMBIMAN, MANNEQUIN, TADAPS i in.) ma form pakietu CAD o mniej lub bardziej rozwinitych funkcjach projektowych, skoncentrowanych na reprezentacji ciała ludzkiego. Najczciej ciało ma form modelu geometrycznego - połczonych, stałych segmentów, poruszanych interakcyjnie przez projektanta. Wyniki uzyskiwane w takich systemach musz by nastpnie przesyłane do systemów CAD o "pełnych" moliwociach w celu wykonania całkowitej dokumentacji lub/i technicznych bada projektu. W tej pracy przedstawiono system APOLINEX zbudowany dla rodowiska AutoCada, jednego z najbardziej rozpowszechnionych systemów CAD dla komputerów sterowanych przez Windows/DOS. Trójwymiarowy model ciała człowieka jest dostpny wewntrz AutoCada i posługiwanie si nim moe mie miejsce w kadym momencie procesu projektowego realizowanego w tym systemie. Koncepcja modelu jest rozwiniciem wczeniejszych propozycji autora i współpracowników (Grobelny i Karwowski, 1994). Idea systemu Na rys.1 pokazano symbolicznie struktur systemu APOLINEX. Zasadniczym elementem jest baza danych projektu, w której umieszcza si odpowiednie modele (manekiny) budowane w oparciu o zbiory dyskowe zawierajce dane o segmentach modeli ciała dostpnych w systemie. Baza jest zbiorem elementów graficznych AutoCada zapamitanych w jego formacie ".dwg". Program sterujcy wykorzystuje oferowane przez AutoCad moliwoci programowania w jzyku
AutoLisp i tworzenia własnych zestawów menu z pomoc makroinstrukcji. Moliwo współpracy z innymi programami wykorzystano do realizacji kalkulatora momentów, który został napisany w jzyku Delphi i jest wywoływany w dowolnej chwili bez wychodzenia z systemu. Program GENERATOR MANEKINÓW pozwala budowa wirtualne reprezentacje ciała o segmentach dowolnie definiowanych przez uytkownika Dodatkowym elementem jest program zewntrzny LINKS realizujcy wspomaganie procesu projektowania optymalnego rozmieszczenia elementów stanowiska pracy (facility layout). Program realizuje procedur poszukiwania szkiców rozproszonych (scatter plots) metod symulacyjn zaproponowan w pracy autora (Grobelny, 1999) oraz algorytm Dreznera (1987). Rys.1. Struktura systemu Apolinex. Antropometria W obecnej wersji przyjto załoenie, e system powinien automatycznie generowa modele ciała ludzkiego w formie najpowszechniej stosowanej tzn. centyli odnoszonych do wzrostu ciała. Potrzebny manekin jest definiowany przez uytkownika w oknie dialogowym, w którym ustala : 1) Narodowo 2) Płe 3) Centyl (od 2.5 do 97.5) 4) Typ graficzny (patykowy, normalny) 5) Pozycj przy pracy (siedzc lub stojc) 6) Typ ciała (5 50 i 95 centyl obwodu kadego segmentu). Jeeli uytkownik chce bada projekt dla reprezentanta populacji nie objtego automatycznym generowaniem wówczas moe zdefiniowa poszczególne segmenty manekina i zakresy ruchomoci jego stawów w zewntrznym programie GENERATOR MANEKINÓW. Wtedy w omawianym oknie odszuka zbiór parametrów zdefiniowanych przez siebie pod odpowiedni nazw. Po zdefiniowaniu manekina uytkownik wskazuje punkt wstawienia na scenie projektowej widzianej 'z góry' a system buduje odpowiedniego reprezentanta w oparciu o skalowanie 2
podstawowych segmentów graficznych zawartych w odpowiednich zbiorach danych. Podstaw okrelenia parametrów wymiarowych manekinów budowanych automatycznie były dane populacyjne zawarte w pracy Pheasanta (1991). Rys 2. Okno dialogowe definiowania manekina centylowego Testowanie projektu Uruchomienie systemu, po zainstalowaniu go w odpowiednich kartotekach AutoCada, polega na przywołaniu odpowiedniego, zestawu opcji w formie zestawów ikon ułoonych na panelach lub zintegrowanych z paskami systemowymi na obrzeach ekranu ułoonych równolegle mona korzysta z menu ekranowego (tzn. paska po prawej stronie ekranu AutoCada z zestawem opcji nazwanych 8 literowymi skrótami). Wybór poszczególnych opcji polega na wskazaniu (za pomoc myszy) odpowiedniej ikony (lub pola z nazw w menu) i wcinicie klucza potwierdzenia. Zasadnicze funkcje sterujce ruchem manekina pozwalaj porusza dowolnym segmentem modelu lub całym manekinem. Segmenty poruszane s w trybie obrotu wokół odpowiednich osi w lokalnych układach współrzdnych kadego widocznego na ekranie lub dostpnego z listy w menu elementu. Podstawowy tryb poruszania polega na wykonaniu jednego lub dwóch klikni. Pierwsze - w menu ustala o obrotu (up-down, left-right, around), drugie za pomoc kursora wskazuje element manekina i pozwala tym elementem porusza. Rysunek 3 prezentuje menu w formie paneli w wersji 2000 programu AutoCad. 3
Rys. 3 Panele z ikonami sterujcymi manekinem w trakcie wybierania opcji poruszania GÓRA- DÓŁ (podpowied na ółtym pasku) Podstawowe cechy systemu pozwalaj na wykonanie szybkich analiz relacji przestrzennych na wirtualnej scenie projektowej. Jeli na przykład projektuje si stanowisko pracy 'siedzcej' to wywołanie dwóch progowych (5 i 95 centyla) manekinów pozwoli okreli zakres regulacji siedziska wymagany dla wybranej populacji (rys. 4). Jeli wymagane czynnoci robocze obejmuj obsług urzdze wymagajcych manipulacji wówczas mona okreli minimalne odległoci tych urzdze wybierajc osobnika 5 centylowego i odpowiednio pozycjonujc segmenty ciała symulujc proces obsługi urzdze. Pokazano to na rysunku 5. W kadej chwili projektant moe wywietli podstawowe pole widzenia manekina. Moe take wygenerowa siatk któw bryłowych pod jakimi wida elementy pola widzenia. Podstawowe ustawienie linii wzroku załoono jako kierunek równoległy do poziomu. Jednake linia wzroku jest w modelu elementem poruszanym, tak jak kady segment ciała. Posiada take własny ktomierz z wyznaczonym zakresem poruszania. 4
Rys. 4. Manekiny progowe wywołane do analizy zakresu regulacji siedziska. Rys. 5. Analiza zasigu oraz pola widzenia manekina 5 centylowego w przykładowym projekcie. 5
Na rys. 6 pokazano okno kalkulatora momentów dostpnego w systemie Apolinex. Kalkulator umoliwia szybkie obliczenie momentów sił działajcych w stawach manekinów w trakcie utrzymywania przedmiotów o okrelonych wagach w symulowanych pozycjach ciała. Jednoczenie generowane s wykresy dla dwóch wybranych ze sceny manekinów. Taka moliwo pozwala porównywa róne rozwizania projektowe ze wzgldu na potencjalne obcienia biomechaniczne przyszłego uytkownika projektowanego produktu. Rys. 6 Wykres momentów w stawach dla dwóch jednakowych manekinów (Mczyzna 50 centylowy z USA) podnoszcych 14 kilogramowy monitor dwoma sposobami. Górny wykres dotyczy manekina po lewej stronie. Dodatkowy program zewntrzny LINKS umoliwia wspomaganie procesu rozmieszczania elementów istotnych z punktu widzenia zada realizowanych na projektowanym stanowisku pracy. Program realizuje koncepcj szkiców rozproszonych zaproponowan przez Dreznera (1980, 1987) metod symulacji fizycznej przedstawion w pracy Grobelnego (1999). Generalna idea proponowanego podejcia polega na optymalizacji rozmieszczenia obiektów tworzcych stanowisko pracy człowieka. Kryterium jakoci rozmieszczenia moe by łczna droga przemieszczania si pracujcego człowieka w trakcie wykonywania cyklu roboczego, ale take suma koniecznych do wykonania przemieszcze wzroku (fiksacji). Elementy stanowiska pracy s reprezentowane poprzez graficzne modele ich obwiedni w formie prostoktów (rys. 7). Powizania obiektów wynikajce z analizy zada danego stanowiska pracy reprezentowane s przez odcinki z liczbami okrelajcymi sił tych relacji (na przykład ilo przej). Algorytmy zawarte w programie pozwalaj znale struktur przestrzenn minimalizujc wspomniane kryterium. Projekt z programu LINKS moe by przeniesiony do AutoCada w formie graficznej i stanowi podstaw do decyzji projektanta. Uzyskane rozwizania mog oczywicie podlega dalszej analizie i weryfikacji z wykorzystaniem manekinów. 6
Rys. 7. Przykładowy projekt struktury rozmieszczenia obiektów w programie LINKS. Uwagi kocowe Uywajc wirtualnych manekinów projektant moe zatem sprawdza swoje koncepcje pod wzgldem poprawnoci wymiarowej. Moe to analizowa dla populacji okrelonej poprzez progowych reprezentantów ale take dla indywidualnych osobników zdefiniowanych poprzez podanie wymiarów poszczególnych segmentów. Symulujc postaw ciała podczas planowanych czynnoci moe take dokona analizy obcie biomechanicznych zarówno analizujc relacje ktowe poszczególnych segmentów ciała jak i obliczajc momenty sił w poszczególnych stawach - w szczególnoci działajce w czci ldwiowej krgosłupa. Optymalizujc rozmieszczenia obsługiwanych przez człowieka elementów stanowiska pracy mona dodatkowo poprawi jako projektu przez fakt minimalizowania obcie wynikajcych z przenoszenia przedmiotów, ruchów rk albo przeszukiwania pola widzenia. Literatura Case, K.,Porter, J. M. and Bonney, M. C.,1990. Sammie a man and workplace modelling system. W: Karwowski, W.,Genaidy, A. M. and Asfour, S. (Eds) Computer Aided Ergonomics, Taylor and Francis, London. Drezner Z., 1980, DISCON A new Method for the Layout Problem, Oper.Res., 28, 1375-1384. 7
Drezner Z., 1987, A Heuristic Procedure for the Layout of a Large Number of Facilities, Management Sci., 33, 907-915. Grobelny J., 1999, Some remarks on scatter plots generation procedures for facility layout. Int. J. Prod. Res., 37, 1119-1135 Grobelny J. Karwowski W, 1994, A computer aided system for ergonomic design and analysis for AutoCad user. In: Occupational health and safety. Vol.2. IEA 94 McDaniel, J. W., 1990. Models for ergonomic analysis and design: COMBIMAN and CREW CHIEF.W: Karwowski, W.,Genaidy, A. M. and Asfour, S. (Eds) Computer Aided Ergonomics, Taylor and Francis, London. Pheasant S., 1991, Bodyspace, Taylor and Francis, London. ABSTRACT This paper describes ergonomics modeling and design capabilities of the APOLINEX TM system in the open CAD environment. The system s structure, anthropometric models, vision capabilities, and external programs (including workspace layout design and moments analysis) are discussed, and examples of design scenarios are provided. Streszczenie W artykule omówiono moliwoci systemu APOLINEX wspomagajcego projektowanie przestrzeni pracy człowieka. Oferowane w systemie wirtualne manekiny umoliwiaj racjonaln analiz dopasowania projektowanej przestrzeni do wymiarów populacji. Zilustrowano te moliwoci na przykładach. Pokazano take moliwoci oblicze momentów siły działajcych w stawach dla rónych metod podnoszenia cikich przedmiotów. Omówiono moduł analizy rozmieszczenia obiektów stanowiska pracy umoliwiajcy optymalizowanie struktury przestrzennej stanowiska poprzez dopasowanie jej do wykonywanych zada. 8