dostosowanie numerycznego modelu ciała człowieka do
Transkrypt
dostosowanie numerycznego modelu ciała człowieka do
MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 52, ISSN 1896-771X DOSTOSOWANIE NUMERYCZNEGO MODELU CIAŁA CZŁOWIEKA DO REKONSTRUKCJI UPADKÓW Z WYSOKOŚCI Marcin Milanowicz1a 1 Centralny Instytut Ochrony Pracy – Państwowy Instytut Badawczy, ul. Czerniakowska 16, Warszawa a [email protected] Streszczenie Z uwagi na dużą liczbę wypadków przy pracy, w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy – Państwowym Instytucie Badawczym (CIOP-PIB), podjęto działania nad wykorzystaniem symulacji numerycznej do ich rekonstrukcji. Pierwsze prace z zakresu tej tematyki wykazały, że wykorzystywany przez CIOP-PIB numeryczny model ciała człowieka należy dostosować do specyfiki konkretnych wypadków, m.in. upadków z wysokości. Dostosowanie polegało na wprowadzeniu do modelu funkcji, które umożliwiałyby uwzględnienie ruchów, jakie wykonuje człowiek w momencie utraty równowagi. W tym celu przeprowadzono badania określające te ruchy. W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano dane wejściowe do modelu w formie zestawów funkcji opisujących zmianę kątów w poszczególnych stawach człowieka. Funkcje zaimplementowano do numerycznego modelu ciała człowieka. Słowa kluczowe: metoda układów wieloczłonowych, madymo, numeryczny model ciała człowieka, upadek z wysokości ADJUSTMENT OF NUMERICAL MODEL OF THE HUMAN BODY FOR RECONSTRUCTION FALLS FROM HEIGHT Summary Due to a high number of accidents at work at the Central Institute for Labour Protection - National Research Institute (CIOP-PIB) actions have been undertaken to apply numerical simulation for their reconstruction. First works on this issue have shown that model of the numerical human body used by CIOP-PIB should be adapted to the specificities of accidents include falls from height. Adaptation involved supplementing to the model functions allowing taking into account movements of the human at the time of losing balance. In order to do this, a study to determine these movements has been carried out. The study resulted in obtaining inputs to the model in the form of sets of functions describing the human movement. Functions has been implemented into the numerical model of the human body. Keywords: multibody systems, madymo, numerical human body model, fall from height 1. WSTĘP Rokrocznie liczba poszkodowanych w wypadkach przy pracy wg danych Głównego Urzędu Statystycznego utrzymuje się na poziomie ok. 90 000. Najliczniejszą grupą tych zdarzeń są poślizgnięcia, przewrócenia oraz upadki z wysokości. Stanowią one średnio 25-30% wszystkich wypadków przy pracy. Najczęstszymi zdarzeniami powodującymi upadek z wysokości jest utrata równowagi spowodowana: niestatecznością czynnika materialnego (np. drabiny), poślizgnięciem, potknięciem, wchodzeniem na słupy, rusztowania i inne konstrukcje oraz utrata równowagi podczas prac na skraju dachu [1]. W związku z dużą liczbą wypadków przy pracy od kilku lat w Centralnym Instytucie Ochrony Pracy – Państwowym Instytucie Badawczym (CIOP-PIB) prowadzone są prace nad wykorzystaniem metod numerycznych do rekonstrukcji wypadków związanych 126 Marcin Milanowicz z zagrożeniami mechanicznymi [2]. Podstawowym założeniem wykorzystania metod numerycznych do rekonstrukcji wypadków jest dążenie do odtworzenia rzeczywistej sytuacji wypadkowej za pomocą symulacji numerycznej. Dzięki numerycznemu modelowaniu zjawisk fizycznych możliwe jest odtworzenie rzeczywistego lub zbliżonego do rzeczywistego biegu wydarzeń, jego skutków oraz przyczyn, opierając się na prawach fizyki. Do symulacji wypadków w CIOP-PIB wykorzystywany jest numeryczny model ciała człowieka [3], który wiernie odwzorowuje kinematykę człowieka oraz umożliwia ocenę urazów. Prace nad rekonstrukcją wykazały jednak pewne ograniczenia istniejącego modelu uniemożliwiające pełną i wiarygodną analizę niektórych typów wypadków, m.in. związanych z upadkami [4]. Obecnie do numerycznego rekonstruowania oraz symulacji wypadków związanych z upadkiem wykorzystywane są pasywne numeryczne modele ciała ludzkiego, tzn. takie, które zachowują ogólną kinematykę człowieka, ale nie uwzględniają ruchów ciała wynikających z napięcia mięśni. Oznacza to, że podczas symulacji upadku numeryczny model opisuje bezwładny upadek ciała człowieka na podłoże. Jednak istotnym czynnikiem mającym wpływ na trajektorię upadku jest reakcja człowieka w momencie utraty równowagi. Wówczas podlegający upadkowi człowiek określa warunki początkowe, które są danymi wejściowymi do rozpoczęcia numerycznej symulacji upadku. Aby w procesie rekonstrukcji upadku z wysokości uwzględnić reakcję człowieka, należy wprowadzić do modelu numerycznego funkcje opisujące ruch początkowy ciała człowieka w momencie utraty równowagi, np. funkcje zawierające informację o wartościach kątów w danej chwili czasowej mierzonych w poszczególnych stawach człowieka. Innymi słowy, należy zapisać w modelu numerycznym człowieka sposób, w jaki ciało ma się poruszać w momencie utraty równowagi i upadku. Dzięki temu symulacja upadku będzie znacznie bliżej rzeczywistości. Korzyści, jakie płyną z zastosowania takiego modelu, to przede wszystkim: • • warunkach byłoby bardzo trudne. W związku z tym badania należy przeprowadzić w ograniczonym zakresie, tj. w warunkach laboratoryjnych na poziomie podłoża lub na bardzo małej wysokości nad ziemią. Tu pojawia się problem polegający na tym, że laboratorium nie przypomina warunków panujących przy wykonywaniu pracy na wysokości, więc zainicjowanie utraty równowagi w takich warunkach mogłoby dać wyniki niezgodne z rzeczywistością. Zatem, w jaki sposób przeprowadzić takie badanie w laboratorium tak, aby badany odczuwał, że znajduje się na dużej wysokości nad ziemią, a jednocześnie był bezpieczny przez cały czas trwania badania? Rozwiązaniem tego problemu jest nowoczesna technika zanurzeniowej rzeczywistości wirtualnej (VR). Technika VR polega na odizolowaniu badanego od bodźców wzrokowych i dźwiękowych rzeczywistego środowiska, zamiast których prezentowany jest obraz i dźwięk symulowanego świata. Zadanie to spełnia urządzenie zwane HMD (Head Mounted Display) o konstrukcji przypominającej gogle, w których przed każdym z oczu zamocowany jest wyświetlacz. Reszta pola widzenia jest zasłonięta, odcinając człowieka od wrażeń wizualnych rzeczywistego świata. Dodatkowo czujniki śledzenia ruchów głowy i rąk zainstalowane w HMD oraz trzymane w rękach umożliwiają rozglądanie się oraz przemieszczanie po wirtualnym środowisku w sposób naturalny, realizowany poprzez ruchy ciała człowieka. Dzięki zastosowaniu tej techniki możliwe jest wykreowanie wirtualnego placu budowy i „przeniesienie” badanego na rusztowanie tak, aby miał wrażenie, że znajduje się na dużej wysokości nad ziemią. To, czy badany ma wrażenie, że rzeczywiście znajduje się na pewnej wysokości, potwierdzają wyniki badań naukowców z Kanady [5]. Przeprowadzili oni eksperyment, w którym porównano odczucia badanych ustawionych na pewnej wysokości nad ziemią, a następnie powtórzono badanie z tą różnicą, że stali oni na ziemi z założonym na głowie HMD, w którym wyświetlany był obraz z perspektywy kilku metrów nad ziemią. Uzyskane na podstawie badania wyniki wykazały, że poziom lęku i poczucia obecności przestrzennej podczas symulacji przebywania na pewnej wysokości nad ziemią z wykorzystaniem technik VR jest co prawda nieco niższy niż przy rzeczywistym przebywaniu na wysokości, ale wyraźnie wzrasta w stosunku do stania na ziemi bez założonego HMD. Skuteczność stosowania tego rozwiązania potwierdzają także liczne badania ukierunkowane na leczenie lęku wysokości [6-9] oraz na potrzeby neurologii [10-12]. możliwość ustalenia dokładniejszej (niż w przypadku modelu pasywnego) trajektorii ciała w trakcie upadku, bardziej wiarygodna ocena urazów będących wynikiem upadku. Aby uzyskać funkcje opisujące ten ruch, niezbędne jest przeprowadzenie badań z udziałem ochotników, które pozwolą zarejestrować ruchy, jakie wykonuje człowiek w momencie utraty równowagi. Przeprowadzenie tego typu badań w warunkach rzeczywistych, tzn. zainicjowanie upadku badanego znajdującego się na dużej wysokości, jest niemożliwe z dwóch powodów: po pierwsze, ze względu na narażenie badanego na realne niebezpieczeństwo utraty zdrowia lub życia, po drugie, ze względu na fakt, że przebieg badania należy zarejestrować specjalną aparaturą, której zainstalowanie w takich 2. NUMERYCZNY MODEL CIAŁA CZŁOWIEKA Obecnie do rekonstrukcji wypadków przy pracy stosowany jest w CIOP-PIB numeryczny model ciała człowieka firmy TASS-International wchodzący w skład 127 DOSTOSOWANIE NUMERYCZNEGO MODELU CIAŁA CZŁOWIEKA DO REKONSTRUKCJI… pakietu oprogramowania do rekonstrukcji i symulacji wypadków Madymo. Opracowany jest on z wykorzystaniem metody układów wieloczłonowych i dostępny jest w 5 wersjach: dziecka 3- i 6-letniego, 5-centylowej kobiety, 50- i 95- centylowego mężczyzny. Model ten można dodatkowo skalować do żądanych wymiarów ciała konkretnej modelowanej osoby. Składa się on z członów symulujących poszczególne części ciała człowieka. Każdy człon modelu ma zadane wymiary, masę, momenty bezwładności oraz położenie środka ciężkości zgodne z danymi antropometrycznymi człowieka. Człony połączone są ze sobą za pomocą tzw. par kinematycznych symulujących stawy człowieka. Pary kinematyczne mają zadane parametry, takie jak sztywność, współczynnik tarcia oraz ograniczenia ruchów opisane funkcjami matematycznymi, dzięki którym działają one w przybliżeniu tak jak rzeczywiste stawy człowieka. Tak połączone ze sobą człony tworzą numeryczny model ciała człowieka, którego obraz pokazano na rys.1. Rys. 1. Pierwsze modyfikacje opracowano na potrzeby rekonstrukcji wypadków związanych z zagrożeniami mechanicznymi. Opisane w artykule prace dotyczą kolejnego dostosowania modelu, tym razem na potrzeby rekonstrukcji i symulacji upadków z wysokości. Jak wspomniano we wstępie, prace te wymagały przeprowadzenia badań z udziałem ochotników. 3. OPIS BADAŃ Celem badań było uzyskanie danych, które po wprowadzeniu do modelu umożliwiły uwzględnienie ruchów wynikających z napięcia mięśni człowieka spowodowanych utratą równowagi. Badania przeprowadzono w Centralnym Laboratorium Badawczym Akademii Wychowania Fizycznego w Warszawie. W badaniach wzięło udział 30 osób w wieku 21-28 lat bez doświadczenia w pracach na wysokości, gdyż właśnie wśród młodych i niedoświadczonych osób zdarza się najwięcej wypadków. W celu przeprowadzenia badań zaprojektowano i wykonano stanowisko badawcze, które umożliwiło symulację pracy na wysokości. Podstawowym elementem stanowiska była aplikacja przypominającą grę komputerową przedstawiająca plac budowy wraz z rusztowaniami i osprzętem budowlanym. Aplikację wyświetlano na ekranach HMD, dzięki temu po ubraniu się w sprzęt VR badany miał wrażenie, że znajduje się na rusztowaniu 20 m nad ziemią. Aplikacja została tak zaprogramowana, aby możliwe było wykonywanie różnych prac budowlanych. Zadaniem badanego było sterowanie wciągarką linową. Ochotnik, stojąc na krawędzi rusztowania, spoglądał w dół i sterował obiektem umieszczonym na końcu liny. Elementem sterowniczym był niewielki joystick trzymany w ręku, który stanowił jednocześnie czujnik rejestrujący położenie ręki w przestrzeni. Dzięki tak zaprojektowanemu zadaniu każdy z uczestników badań w chwili początkowej stał w podobny sposób i w tym samym miejscu. Jednocześnie zadanie to wymagało skupienia, więc uczestnik nie spodziewał się, że za chwilę może nastąpić zdarzenie prowadzące do upadku z wysokości. Aby pracującego na wirtualnym rusztowaniu badanego wytrącić z położenia równowagi, opracowano i zastosowano uchylną platformę, na której stał. Stanowisko badawcze oraz stojącego na platformie badanego przedstawiono na rys. 2. Obraz numerycznego modelu ciała człowieka stosowanego do rekonstrukcji wypadków przy pracy Ponadto numeryczny model ciała człowieka wyposażony jest w tzw. „wirtualne czujniki”. Są to punkty rozmieszczone w członach ciała w miejscach ważnych z punktu widzenia biomechaniki i umożliwiające rejestrację różnych wielkości fizycznych, m.in. prędkości, przyśpieszenia, położenia danego członu oraz sił i momentów sił działających na ten człon. Dzięki tym wielkościom możliwe jest wyznaczenie trajektorii poruszającego się ciała, jego prędkości oraz oszacowanie urazów powstałych pod działaniem sił. Oceny urazów dokonuje się, wykorzystując kryteria odporności biomechanicznej, które pozwalają na powiązanie zarejestrowanych wielkości fizycznych z prawdopodobieństwem wystąpienia urazów części ciała poddanej takim samym obciążeniom [13]. Opisywany model został zmodyfikowany w CIOPPIB poprzez opracowanie ulepszonych modeli kończyn górnych umożliwiających symulację ich złamań [14], a także modelu przemysłowego hełmu ochronnego [15]. 128 Marcin Milanowicz Rys. 2. Ustawienie badanego podczas symulacji pracy na wysokości. 1 – uchylna platforma; 2 – urządzenie HMD; 3 – joystick do sterowania wciągarką; 4 – znaczniki systemu analizy ruchu; 5 – lina asekuracyjna; 6 – widok wirtualnego środowiska pracy cy wyświetlany w urządzeniu HMD Rys. 3. Przykładowy przebieg wartości kątów dla stawów biodrowych kończyny lewej i prawej w funkcji funkc czasu dla jednego z badanych Początkowo platforma rma była zablokowana i stanowiła stabilny podest dla badanego. Podest znajdował się 35 cm nad podłogą laboratorium. W pewnym niespodzieniespodzi wanym dla badanego momencie inicjowane było zdarzezdarz nie polegające na osunięciu się podestu rusztowania zwalniano blokadę platformy, a jej podest przechylał się o kąt blisko 90 stopni. W tym momencie badany tracił równowagę i spadał na rozłożony materac. W celu ochrony przed przewróceniem każdy badany miał załozał żoną uprząż do prac wysokościowych przypiętą do liny asekuracyjnej [16]. Ruchy, jakie w momencie utraty równowagi wykowyk nywali badani, rejestrowano za pomocą systemu analizy ruchu VICON rejestrującego ruchy każdej części ciała z częstotliwością 100 Hz. System ten składa się z zestazest wu kamer, które obserwują naklejone w wielu wie miejscach na ciele badanego lekkie odblaskowe znaczniki. Kamery rejestrują ruch tych znaczników, a system komputerowy oblicza ich położenie w przestrzeni oraz zmiany kątów w poszczególnych stawach człowieka. Na podstawie zarejezarej strowanych trajektorii obliczono iczono następujące następując parametry: Na wykresach przedstawiono wynik obliczeń zmiany kąta dla stawów biodrowych lewej i prawej kończyny dolnej. Ponieważ kość udowa poruszająca się w stawie biodrowym człowieka ma możliwość obrotu wokół trzech osi (ma 3 stopnie swobody), dlatego wynikiem są 3 wykresy dla każdego ażdego ze stopni odpowiednio dla zginania, odwodzenia i rotacji kończyny dolnej. Na wykresach bardzo wyraźnie widoczny jest moment utraty równorówn wagi. Jest to punkt w okolicach 350 ms, gdzie gwałtowgwałto nie zmieniają się kąty w stawach. To właśnie ta zmiana kąta jest szczególnie istotna z punktu widzenia symulacji przebiegu w czasie procesu upadku. Ponadto eksperyment rejestrowany był za pomocą dwóch kamer umożliwiających odtwarzanie filmu w zwolnionym tempie (120 klatek na sekundę). PrzykłaPrzykł dowy przebieg badania przedstawiono rzedstawiono na rys.4. rys • położenie, prędkości i przyspieszenia środka ciężcię kości ciała w trzech wymiarach, • wartości kątów, prędkości i przyspieszenia kątowe dla wybranych części ciała oraz większości stast wów człowieka. Rys. 4. W ramach badań zarejestrowano 30 reakcji r (ruchów ciała) osób badanych w momencie utraty równowagi. Przykładowy wynik przedstawiono na rys.3. rys Przebieg badania utraty równowagi r dla jednego z badanych 4. IMPLEMENTACJA FUNKCJI DO MODELU Uzyskane w ramach opisanych badań funkcje przeprz konwertowano do takiej formy, aby możliwe było ich bezpośrednie wykorzystanie w profesjonalnym programie Madymo zawierającym numeryczny model ciała człowieczłowi ka. Funkcje zaimplementowano tak, aby sterowały one wybranymi parami kinematycznymi symulującymi stawy staw człowieka. W wyniku tych prac uzyskano 29 numerycznumeryc nych modeli człowieka. Dla każdego modelu przeprowaprzeprow 129 DOSTOSOWANIE NUMERYCZNEGO MODELU CIAŁA CZŁOWIEKA DO REKONSTRUKCJI… REKONSTRUKCJI dzono szereg próbnych symulacji mających na celu sprawdzenie poprawności działania modeli. Na rys.5 rys przedstawiono krótką sekwencję początkowej fazy symusym lacji acji upadku z wykorzystaniem jednego z opracowanych modeli. Wykazano, że reakcja badanych w momencie utraty równowagi znacząco wpływała na dalszy przebieg wypadku. Przy symulacji upadku z wysokości 3 m nad podłożem wszystkie modele człowieka obracały się wokół płaszczyzny strzałkowej człowieka, człowieka z czego 79% przypadków skutkowało upadkiem na plecy. Ponadto 17% przypadków dodatkowo wykonywało obrót wokół płaszczyzny poprzecznej, co skutkowało upadkiem na bok (10%) i przednią część tułowia (7%). Rys. 5. badaniach z udziałem ochotników. W wyniku przeproprzepr wadzonej symulacji model upadał na wyprostowane nogi, nieznacznie odchylając się do tyłu (nieznaczny obrót wokół płaszczyzny strzałkowej). 5. PODSUMOWANIE Pierwsze symulacje próbne wykazały, że modele uwzględniające reakcję akcję początkową człowieka upadają w inny sposób niż model pasywny. Wykazano, że uwzględnienie ruchów, jakie wykonuje człowiek podczas utraty równowagi ma wpływ na trajektorię upadku. Opracowane modele w kolejnym etapie prac będą pop równanie ze sobą w celu wyselekcjonowania różnych rodzajów upadków z wysokości. Z praktycznego punktu widzenia oznacza to, że opracowanych zostanie kilka numerycznych modeli człowieka uwzględniających m.in. masę i wysokość ciała. Wówczas, w zależności od rodzarodz ju rekonstruowanego upadku, wykorzystywany będzie odpowiedni model ciała człowieka. W dalszej perspektyperspekt wie planowane jest także przeprowadzenie walidacji modeli polegającej na porównaniu wyników symulacji z rzeczywistym upadkiem z wysokości. Jednakże jest to zadanie dość trudne ne z uwagi na konieczność uzyskania bardzo szczegółowej dokumentacji lub nagrania wideo z rzeczywistego wypadku związanego z upadkiem z wysokości. Początkowa faza symulacji upadku z uwzględnieniem reakcji człowieka eka w momencie utraty równowagi Podobną symulację przeprowadzono także z wykorzywykorz staniem pasywnego modelu człowieka. Model pasywny ustawiono w taki sam sposób, jak miało to miejsce w Publikacja opracowana na podstawie wyników zadania badawczego pn. „Badanie reakcji człowieka w momencie utraty równowagi z wykorzystaniem technik rzeczywistości wirtualnej”(zadanie III-43) III 43) realizowanego w ramach działalności statutowej Centralnego Instytutu Ochrony Pracy – Państwowego Instytutu Badawczego. Literatura 1. Dąbrowski A.: Prace na wysokości- najczęstsze przyczyny wypadków. „Bezpieczeństwo ezpieczeństwo pracy: pracy nauka i praktyka” 2004, 1, p. 2 - 6. 2. Milanowicz M., Budziszewski P.: Numerical reconstruction of the real-life fatal acident cident at work: a case study. 3. Dokumentacja programu Madymo:: MADYMO Human Body Models Manual Release lease 7.5. Tass-International, Tass “Lecture Notes in Computer Science” Science (V.G. Duffy (Ed.): DHM/HCII 2013, Part II, 2013, 8026, p. 101 - 110. 2013. 4. Milanowicz M., Budziszewskii P.: Wykorzystanie komputerowego modelu człowieka do rekonstrukcji wypadków przy pracy. „Mechanik” 2011, 7, s. 567 - 574. 5. Cleworth TW., Horslen BC., Carpenter MG.: MG. Influence of real and virtual heights on standing balance. „Gait 6. Olasov Rothbaum B., Hodges L., Alarcon R., Ready D., Shahar F., Graap K., Pair J., Hebert P., Gotz D., Wills Posture” 2012,, doi:10.1016/j.gaitpost.2012.02.010. B., Baltzell D.: Virtual reality graded raded exposure in the treatment of acrophobia: a case report. eport. „Behavior Therapy” 1995, 26, p. 547 - 554. 7. Krijn M., Emmelkamp P.M.G., .G., Biemond R., de Wilde de Ligny C., Schuemie M.J., M.J. van der Mast C.A.P.G.: C.A.P.G. Treatment of acrophobia in virtual reality: The role of immersion and presence. „Behaviour Behaviour Research and TherThe apy” 2004, 42, p. 229 - 239. 8. Computers in Human BehavBeha Bush J.: Viability of virtual reality exposure therapy as a treatment alternative. „Computers ior” 2008, 24, p. 1032 - 1040. 130 Marcin Milanowicz 9. Carmen Juan M., Perez D.: Using augmented and virtual reality for the development of acrophobic scenarios: comparison of the levels of presence and anxiety. „Computers & Graphics” 2010, 34, p. 756 - 766. 10. Tossavainen T., Juhola M., Pyykkö I., Aalto H., Toppila E.: Development of virtual reality stimuli for force platform posturography. „International Journal of Medical Informatics” 2003, 70, p. 277 - 283. 11. Lee H-Y., Cherng R-J., Lin Ch-H.: Development of a virtual reality environment for somatosensory and perceptual stimulation in the balance assessment of children. „Computers in Biology and Medicine” 2004, 34 p. 719 733. 12. Horlings CGC., Carpenter MG., Küng UM., Honegger F., Wiederhold B., Allum JHJ.: Influence of virtual reality on postural stability during movements of quiet stance. „Neuroscience Letters” 2009, 451, p. 227 - 231. 13. Nałęcz M. i in.: Biocybernetyka i Inżynieria Biomedyczna 2000. Tom 5. Biomechanika i inżynieria rehabilitacyjna. Warszawa: Exit, 2000, s. 747 - 797. 14. Milanowicz M.: Numeryczny model kończyny górnej człowieka z możliwością symulowania złamań dla potrzeb rekonstrukcji i zapobiegania wypadkom przy pracy. „Mechanik” 2012, 7, s. 529 - 536. 15. Milanowicz M.: Opracowanie numerycznego modelu przemysłowego hełmu ochronnego na potrzeby rekonstrukcji i zapobiegania wypadkom przy pracy. „Mechanik” 2012, 7, s. 537 - 545. 16. Milanowicz M.: Koncepcja wykorzystania technik rzeczywistości wirtualnej do prowadzenia badań nad utratą równowagi człowieka. „Mechanik” 2013, 7, s. 433 - 442. 131