Komputerowa wizualizacja relacji człowiek – maszyna

Komputerowa wizualizacja relacji człowiek – maszyna

Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach
I Konferencja Naukowa BEZPIECZEŃSTWO PRACY- EDUKACJA - ŚRODOWISKO
Teodor Winkler
Politechnika Śląska, Gliwice
Komputerowa wizualizacja relacji człowiek – maszyna – środowisko pracy
jako metoda wspomagająca nauczanie bezpieczeństwa i higieny pracy
Wprowadzenie
Metody wizualizacji w nauczaniu służą do ilustracji wykładanego materiału i pomagają w jego
zrozumieniu. Są także pomocą w samodzielnej pracy ucznia (studenta) powtarzania i utrwalania
materiału. Referat ma wskazać możliwości zastosowania metod wizualizacji komputerowej w
nauczaniu bezpieczeństwa i higieny pracy. Przedmiotem zainteresowania bezpieczeństwa i
higieny pracy jest kształtowanie właściwych relacji pomiędzy człowiekiem, a otaczającymi go
środkami technicznymi, które wraz z otoczeniem tworzą przestrzeń pracy.
W procesie użytkowania tworzą się więzi pomiędzy środkiem technicznym a człowiekiem, dzięki
którym powstaje system antropotechniczny [8]. Sposób oddziaływania człowieka na środek
techniczny powinien odpowiadać jego naturalnym właściwościom. Wynika stąd celowość ich
oceny w świetle kryteriów ergonomicznych. Oddziaływania środka technicznego na człowieka
mogą w sposób trwały szkodliwie wpływać na jego zdrowie lub zagrażać jego życiu. Zwraca to
uwagę na potrzebę oceny według kryteriów bezpieczeństwa pracy.
Wizualizacja układów antropotechnicznych polega na przedstawianiu obrazów modeli
komputerowych środków technicznych i ludzi. Modele cech konstrukcyjnych maszyn powstają w
środowisku programów CAD (ang. Computer Aided Design) stosowanych powszechnie w
projektowaniu technicznym. Modelowanie cech antropometrycznych ludzi odbywa się w
programach zintegrowanych z programami CAD. Obydwa rodzaje modeli przenoszone są do
specjalnych programów, w których następuje ich wizualizacja.
W programach wizualizacji mogą być opisane takie czynniki niebezpieczne jak:
- poruszające się maszyny i mechanizmy,
- ruchome elementy urządzeń technicznych,
- naruszenie konstrukcji maszyn.
W programach modelowania cech antropometrycznych uwzględniane są:
- odległości bezpieczeństwa,
- wymiary dostępu podczas obsługi oraz prac remontowych i konserwacyjnych,
- pola widzenia operatorów.
Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach
I Konferencja Naukowa BEZPIECZEŃSTWO PRACY- EDUKACJA - ŚRODOWISKO
Modelowanie cech konstrukcyjnych maszyn
Modele geometryczne środków technicznych znajdujących się w środowisku pracy człowieka
tworzone są w programach CAD. Modele te powinny zawierać możliwie największą liczbę cech
opisujących obiekty rzeczywiste. Postulat ten w największym stopniu spełniają modele bryłowe
[7].
Rys.1. Model przestrzenny kompleksu ścianowego
Na rys.1 pokazano model kompleksu ścianowego.
Modelowanie cech antropometrycznych człowieka
Omówiony zostanie sposób tworzenia modeli antropometrycznych w programie ANTHROPOS 4
[1]. Program ten jest zintegrowany z systemem CAD i wykorzystuje jego sposób komunikacji z
użytkownikiem. Geometryczne modele sylwetek ludzkich tworzone są na podstawie danych
antropometrycznych zgromadzonych w bazie danych rys.2.
Dane te obejmują: narodowość, płeć, wiek, typ somatyczny i proporcje budowy ciała. Do
odwzorowania skóry zastosowano 3200 punktów rozmieszczonych na powierzchni modelu.
Cechy biomechaniczne opisano przy pomocy 90 przegubów, najczęściej 5-osiowych tworzących
łańcuchy kinematyczne odpowiadające naturalnym organom ruchu. Ponadto do modelu jest
przypisany tzw. punkt bazowy usytuowany w okolicach stawu biodrowego. Model kręgosłupa
składa się z 24 kręgów. Orientacja przestrzenna modeli sylwetek ludzkich odbywa się za pomocą
punktów i płaszczyzn odniesienia. Są one zlokalizowane na głowie, dłoniach, stopach oraz w
punkcie bazowym. Jednocześnie takie same elementy geometryczne są rozmieszczone na
modelach analizowanych środków technicznych. Poprzez animację modele sylwetek ludzkich
przyjmują postawy charakterystyczne dla obsługi środka technicznego. Wyróżnić przy tym można
animację automatyczną i manualną. W animacji automatycznej po wskazaniu punktów lub
płaszczyzn odniesienia dla rąk, palców u rąk, palców u nóg, pięt lub punktu bazowego, cała
sylwetka przechodzi do nowej pozycji stojącej lub siedzącej. Animację manualną stosuje się
najczęściej do korygowania postawy osiągniętej w animacji automatycznej. Dotyczy to ułożenia
dłoni, palców u dłoni, dokładnego ustawienia stóp itd. W każdej postawie można zbadać stopień
Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach
I Konferencja Naukowa BEZPIECZEŃSTWO PRACY- EDUKACJA - ŚRODOWISKO
wykorzystania ruchliwości stawów, oraz określić obciążenia występujące w układzie kostnym.
Rys.2. Modele sylwetek ludzkich
Badanie przejść minimalnych
Model z rys.2 został przekształcony do postaci wymaganej podczas badania przejść
minimalnych dla osób przemieszczających się wzdłuż kompleksu ścianowego [2]. Rozważany
jest przypadek niskich wyrobisk ścianowych, w których obsługa przemieszcza się na kolanach.
Na modelu tym, na poziomie podłoża umieszczone zostały linie pomocnicze przecinające się w
punktach odniesienia, rys.3. Punkty pr1, pr2 i pr3 odnoszą się do prawej ręki, natomiast punkty
lr1, lr2, lr3 dotyczą ręki lewej. Do punktów pn1 i ln1 odnoszone są palce u nóg. Na tle modelu
widoczna jest wstępna animacja sylwetki w pozycji klęczącej. Poprzez przyporządkowanie
punktów odniesienia na modelu do odpowiednich punktów odniesienia kończyn górnych i
dolnych sylwetka przyjmuje postawę jak na rysunku.
W tej pozycji badane są przejścia minimalne podczas nadążania operatora za kombajnem
przesuwającym się wzdłuż ściany.
Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach
I Konferencja Naukowa BEZPIECZEŃSTWO PRACY- EDUKACJA - ŚRODOWISKO
Rys.3. Badanie przejść minimalnych
5. Uwagi końcowe
Przedstawione przykłady pokazują przydatność metod wizualizacji komputerowej w nauczaniu
bezpieczeństwa i higieny pracy. Zwraca to jednocześnie uwagę na potrzebę uwzględnienia w
programach nauczania również zajęć związanych z modelowaniem komputerowym. Dotychczas
wiadomości z tego zakresu były przekazywane na kierunkach studiów poświęconych
projektowaniu: maszyn, urządzeń, budynków. Zakres wiedzy na temat posługiwania się
modelami podczas wizualizacji zagadnień związanych z bezpieczeństwem i higieną pracy nie
musi być tak obszerny jak w wypadku projektantów. Wymagane są:
- znajomość zasad obsługi programów wizualizacyjnych,
- umiejętność pozyskiwania modeli geometrycznych z innych programów i przenoszenia ich do
środowiska programów wizualizacyjnych,
- znajomość tworzenia scenariuszy sytuacji niebezpiecznych na podstawie okoliczności
wypadków zaistniałych w przyszłości.
Modelowanie łańcuchów kinematycznych ciała ludzkiego, a w szczególności określenie
ruchliwości stawów oraz sił i momentów występujących w układzie kostnym pozwalają w porę
zidentyfikować postawy uciążliwe, prowadzące do chorób zawodowych.
Abstract
Computer visualization of the man - machine relations as an adding tool for teaching
in safety and occupational healthy
An computer based method for the modeling and visualization of the man-machine relations
is described. The applications inside the CAD and visualization programs are explained. The
are showed examples from the area of the coal mining machines.
Wyższa Szkoła Zarządzania Ochroną Pracy w Katowicach
I Konferencja Naukowa BEZPIECZEŃSTWO PRACY- EDUKACJA - ŚRODOWISKO
Literatura
1. ANTHROPOS IV. 3D Ergonomic system for analysis and design of technical
environments. Manual. IST GmbH Januar 1996.
2. CMG KOMAG Gliwice. SPR1. Zadanie badawcze III.13.5.:Opracowanie metod
komputerowo wspomaganego projektowania z uwzględnieniem kryteriów bezpieczeństwa
pracy i ergonomii dla wybranych typów maszyn górniczych. Gliwice 1997.
3. Dietrych J.: System i konstrukcja. WNT Warszawa 1985.
4. PN-80/Z-08052. Ochrona pracy. Niebezpieczne i szkodliwe czynniki występujące
w procesie pracy. Klasyfikacja.
5. PN-94/G-50041. Ochrona pracy. Obudowy ścianowe zmechanizowane.
Wymagania bezpieczeństwa i ergonomii.
6. PN-EN 292. Bezpieczeństwo maszyn. Pojęcia podstawowe, ogólne zasady projektowania.
Część 1: Podstawowa terminologia, metodologia.
Część 2: Zasady i wymagania techniczne.
7. Winkler, T. : Komputerowy zapis konstrukcji. WNT Warszawa 1997.
8. Winkler T.: Metody komputerowo wspomaganego projektowania układów
antropotechnicznych, na przykładzie maszyn górniczych. Zeszyty Głównego Instytutu
Górnictwa nr 847. Katowice 2001.