generator London

Wspomaganie analizy obci e posturalnych w projektowaniu stanowisk pracy w
technologii CAD.
Jerzy Grobelny
Instytut Organizacji i Zarz dzania
Politechniki Wrocławskiej
Wprowadzenie.
Obci enia układu ruchu pracuj cego człowieka w du ej mierze s konsekwencj ukształtowania
miejsca pracy (stanowiska) i organizacji procesów na tym miejscu realizowanych. Niew tpliwie
najwi ksze mo liwo ci kształtowania stanowiska pracy wyst puj na etapie projektowania –
wtedy ograniczenia s stosunkowo najmniejsze. Znacznie trudniej dokona korekt istniej cych
rozwi za , zwłaszcza gdy przedmiotem analiz s materialne obiekty o znacznych wymiarach (np.
maszyny). Dostarczenie odpowiedniej wiedzy i narz dzi umo liwiaj cych jej zastosowanie przez
projektanta jest istotnym zadaniem nauk o człowieku a w szczególno ci ergonomii.
Mo liwo ci graficzne komputerów skłoniły wiele o rodków i wielu badaczy do podj cia pracy
nad ich wykorzystaniem w projektowaniu ju w latach siedemdziesi tych. Parametry
współczesnych maszyn zmieniaj nawet tradycyjne procedury projektowania w wielu dziedzinach
zast puj c szkicowanie i rysowanie modelowaniem trójwymiarowym. Oczywiste jest w tej
sytuacji d enie do tworzenia metodologii wspomagaj cych takie, wirtualne modelowanie tak e o
ró norodne oceny funkcjonowania budowanych projektów oraz mechanizmy pozwalaj ce
znajdowa optymalne rozwi zania wielu szczegółowych zagadnie zwi zanych 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 udost pni 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). Wi kszo
znanych i dost pnych na rynku systemów ergonomicznych (SAMMIE, BOEMAN, COMBIMAN,
MANNEQUIN, TADAPS i in.) ma form pakietu CAD o mniej lub bardziej rozwini tych
funkcjach projektowych, skoncentrowanych na reprezentacji ciała ludzkiego. Najcz ciej ciało ma
form modelu geometrycznego - poł czonych, stałych segmentów, poruszanych interakcyjnie
przez projektanta. Wyniki uzyskiwane w takich systemach musz by nast pnie przesyłane do
systemów CAD o "pełnych" mo liwo ciach 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 dost pny wewn trz AutoCada i
posługiwanie si nim mo e mie miejsce w ka dym momencie procesu projektowego
realizowanego w tym systemie. Koncepcja modelu jest rozwini ciem wcze niejszych 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 zawieraj ce dane o segmentach modeli ciała dost pnych w systemie.
Baza jest zbiorem elementów graficznych AutoCada zapami tanych w jego formacie ".dwg".
Program steruj cy wykorzystuje oferowane przez AutoCad mo liwo ci programowania w j zyku
AutoLisp i tworzenia własnych zestawów menu z pomoc makroinstrukcji. Mo liwo
współpracy z innymi programami wykorzystano do realizacji kalkulatora momentów, który został
napisany w j zyku Delphi i jest wywoływany w dowolnej chwili bez wychodzenia z systemu.
Program GENERATOR MANEKINÓW pozwala budowa wirtualne reprezentacje ciała o
segmentach dowolnie definiowanych przez u ytkownika
Dodatkowym elementem jest program zewn trzny LINKS realizuj cy 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 przyj to zało enie, e system powinien automatycznie generowa modele ciała
ludzkiego w formie najpowszechniej stosowanej tzn. centyli odnoszonych do wzrostu ciała.
Potrzebny manekin jest definiowany przez u ytkownika 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 (siedz c lub stoj c )
6) Typ ciała (5 50 i 95 centyl obwodu ka dego segmentu).
Je eli u ytkownik chce bada projekt dla reprezentanta populacji nie obj tego automatycznym
generowaniem wówczas mo e zdefiniowa poszczególne segmenty manekina i zakresy
ruchomo ci jego stawów w zewn trznym programie GENERATOR MANEKINÓW. Wtedy w
omawianym oknie odszuka zbiór parametrów zdefiniowanych przez siebie pod odpowiedni
nazw .
Po zdefiniowaniu manekina u ytkownik 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
okre lenia 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 uło onych na panelach lub
zintegrowanych z paskami systemowymi na obrze ach ekranu uło onych równolegle mo na
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 wci ni cie klucza
potwierdzenia. Zasadnicze funkcje steruj ce ruchem manekina pozwalaj porusza dowolnym
segmentem modelu lub całym manekinem. Segmenty poruszane s w trybie obrotu wokół
odpowiednich osi w lokalnych układach współrz dnych ka dego widocznego na ekranie lub
dost pnego 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 steruj cymi manekinem w trakcie wybierania opcji poruszania GÓRADÓŁ (podpowied na ółtym pasku)
Podstawowe cechy systemu pozwalaj na wykonanie szybkich analiz relacji przestrzennych na
wirtualnej scenie projektowej. Je li na przykład projektuje si stanowisko pracy 'siedz cej' to
wywołanie dwóch progowych (5 i 95 centyla) manekinów pozwoli okre li zakres regulacji
siedziska wymagany dla wybranej populacji (rys. 4).
Je li wymagane czynno ci robocze obejmuj obsług urz dze wymagaj cych manipulacji
wówczas mo na okre li minimalne odległo ci tych urz dze wybieraj c osobnika 5 centylowego
i odpowiednio pozycjonuj c segmenty ciała symuluj c proces obsługi urz dze . Pokazano to na
rysunku 5. W ka dej chwili projektant mo e wy wietli podstawowe pole widzenia manekina.
Mo e tak e wygenerowa siatk k tów bryłowych pod jakimi wida elementy pola widzenia.
Podstawowe ustawienie linii wzroku zało ono jako kierunek równoległy do poziomu. Jednak e
linia wzroku jest w modelu elementem poruszanym, tak jak ka dy segment ciała. Posiada tak e
własny k tomierz z wyznaczonym zakresem poruszania.
4
Rys. 4. Manekiny progowe wywołane do analizy zakresu regulacji siedziska.
Rys. 5. Analiza zasi gu oraz pola widzenia manekina 5 centylowego w przykładowym projekcie.
5
Na rys. 6 pokazano okno kalkulatora momentów dost pnego w systemie Apolinex. Kalkulator
umo liwia szybkie obliczenie momentów sił działaj cych w stawach manekinów w trakcie
utrzymywania przedmiotów o okre lonych wagach w symulowanych pozycjach ciała.
Jednocze nie generowane s wykresy dla dwóch wybranych ze sceny manekinów. Taka
mo liwo pozwala porównywa ró ne rozwi zania projektowe ze wzgl du na potencjalne
obci enia biomechaniczne przyszłego u ytkownika projektowanego produktu.
Rys. 6 Wykres momentów w stawach dla dwóch jednakowych manekinów (M czyzna 50
centylowy z USA) podnosz cych 14 kilogramowy monitor dwoma sposobami. Górny wykres
dotyczy manekina po lewej stronie.
Dodatkowy program zewn trzny LINKS umo liwia 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 podej cia polega na optymalizacji rozmieszczenia obiektów tworz cych
stanowisko pracy człowieka. Kryterium jako ci rozmieszczenia mo e by ł czna droga
przemieszczania si pracuj cego człowieka w trakcie wykonywania cyklu roboczego, ale tak e
suma koniecznych do wykonania przemieszcze wzroku (fiksacji). Elementy stanowiska pracy s
reprezentowane poprzez graficzne modele ich obwiedni w formie prostok tów (rys. 7).
Powi zania obiektów wynikaj ce z analizy zada danego stanowiska pracy reprezentowane s
przez odcinki z liczbami okre laj cymi sił tych relacji (na przykład ilo przej ). Algorytmy
zawarte w programie pozwalaj znale struktur przestrzenn minimalizuj c wspomniane
kryterium. Projekt z programu LINKS mo e by przeniesiony do AutoCada w formie graficznej i
stanowi podstaw do decyzji projektanta. Uzyskane rozwi zania mog oczywi cie podlega
dalszej analizie i weryfikacji z wykorzystaniem manekinów.
6
Rys. 7. Przykładowy projekt struktury rozmieszczenia obiektów w programie LINKS.
Uwagi ko cowe
U ywaj c wirtualnych manekinów projektant mo e zatem sprawdza swoje koncepcje pod
wzgl dem poprawno ci wymiarowej. Mo e to analizowa dla populacji okre lonej poprzez
progowych reprezentantów ale tak e dla indywidualnych osobników zdefiniowanych poprzez
podanie wymiarów poszczególnych segmentów. Symuluj c postaw ciała podczas planowanych
czynno ci mo e tak e dokona analizy obci e biomechanicznych zarówno analizuj c relacje
k towe poszczególnych segmentów ciała jak i obliczaj c momenty sił w poszczególnych stawach
- w szczególno ci działaj ce w cz ci l d wiowej kr gosłupa.
Optymalizuj c rozmieszczenia obsługiwanych przez człowieka elementów stanowiska pracy
mo na dodatkowo poprawi jako projektu przez fakt minimalizowania obci e wynikaj cych z
przenoszenia przedmiotów, ruchów r k 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 APOLINEXTM
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 mo liwo ci systemu APOLINEX wspomagaj cego projektowanie
przestrzeni pracy człowieka. Oferowane w systemie wirtualne manekiny umo liwiaj
racjonaln analiz dopasowania projektowanej przestrzeni do wymiarów populacji.
Zilustrowano te mo liwo ci na przykładach. Pokazano tak e mo liwo ci oblicze momentów
siły działaj cych w stawach dla ró nych metod podnoszenia ci kich przedmiotów.
Omówiono moduł analizy rozmieszczenia obiektów stanowiska pracy umo liwiaj cy
optymalizowanie struktury przestrzennej stanowiska poprzez dopasowanie jej do
wykonywanych zada .
8