Sławomir HERMA, Dorota ŚCIESZKA Wizualizacja

Sáawomir HERMA
Dorota ĝCIESZKA
ATH w Bielsku-Biaáej
WIZUALIZACJA ANTROPOTECHNICZNYCH
SYSTEMÓW PRACY
1. WstĊp
Ergonomia jako dyscyplina naukowa zajmująca siĊ dostosowywaniem Ğrodowiska pracy do psychofizycznych moĪliwoĞci czáowieka pojawiáa siĊ m.in. dziĊki
badaniom polskiego naukowca Wojciecha JastrzĊbowskiego, uznawanego za jej
twórcĊ. Stworzony przez niego system pojĊü oraz metod badawczych funkcjonuje do dziĞ, jakkolwiek techniczne Ğrodki wspomagające je od strony praktycznej
ewoluują równolegle z rozwojem wspóáczesnej technologii. PojĊcie antropotechniki, jako zespoáu dziaáaĔ zmierzających do stworzenia komfortowego stanowiska pracy stanowi dziĞ punkt wyjĞcia dla szeregu idei wykorzystania najnowszych zdobyczy technologii informacyjnej. Antropotechniczny system pracy
jest terminem szerokim i áączącym w sobie [1]:
– zagadnienia konstrukcyjne wynikające z koniecznoĞci zapewnienia odpowiedniego ukáadu przestrzennego pracy,
– zagadnienia technologiczne związane z odbywającymi siĊ procesami, operacjami, zabiegami i czynnoĞciami w systemie pracy,
– caáoksztaát oddziaáywaĔ w ukáadzie czáowiek – maszyna – otoczenie,
– bezpieczeĔstwo i higiena pracy,
– ryzyko zawodowe, eliminacja zagroĪeĔ itp.
Jedną z najciekawszych, a zarazem najszybciej rozwijających siĊ form wykorzystania technologii informatycznych, jest komputerowo zintegrowane wytwarzanie (CIM – Computer Integrated Manufacturing), obejmujące swym zasiĊgiem m.in. systemy typu CAD (Computer Aided Design). Nie sposób przeceniü
roli, jaką odgrywają one obecnie w warsztacie wspóáczesnego inĪyniera – stanowią bowiem podstawową bazĊ umoĪliwiającą elektroniczny zapis tworzonych
konstrukcji. W poáączeniu z oprogramowaniem typu CAE (Computer Aided
Engineering), CAM (Computer Aided Manufacturing) i innymi, moĪliwa staje
kompleksowa analiza projektu stanowiska pracy, linii produkcyjnej, procesu
wytwarzania oraz samego wyrobu finalnego. Obecnie coraz czĊĞciej siĊga siĊ po
jeszcze bardziej zaawansowane narzĊdzia informatyczne, dające moĪliwoĞü
fotorealistycznych wizualizacji stworzonych rozwiązaĔ zarówno w ukáadach
36
Sáawomir Herma, Dorota ĝcieszka
statycznych, jak i dynamicznych. Stąd teĪ zapewne wynika popularnoĞü wszelkich symulacji komputerowych.
Opisane tu zaplecze technologiczno-informatyczne wykorzystuje siĊ obecnie
coraz intensywniej nie tylko w sferze czysto technicznej (związanej wyáączenie
z samym wyrobem i Ğrodkami jego wytwarzania), lecz równieĪ w powiązaniu
z czynnikiem ludzkim – stanowiącym integralną czĊĞü systemu pracy. Obserwuje siĊ w tym wzglĊdzie kilkanaĞcie róĪnych kierunków dziaáaĔ, wĞród których
najwaĪniejszymi są [2]:
– dziaáania zmierzające do peánego opisu cech antropometrycznych czáowieka
i ich zapisu w postaci elektronicznej – z uwzglĊdnieniem wieku, páci, rasy itp.,
– dziaáania zmierzające do tworzenia trójwymiarowych modeli postaci ludzkich o róĪnych stopniach szczegóáowoĞci cech fizjonomicznych (wygląd zewnĊtrzny) oraz anatomicznych (koĞciec, masa miĊĞniowa, narządy wewnĊtrzne),
– tworzenie trójwymiarowych komputerowych modeli stanowisk pracy umoĪliwiających badania i oceny stopnia uciąĪliwoĞci pracy w zaleĪnoĞci od zajmowanej postawy na stanowisku, wykonywanych operacji, zabiegów, czynnoĞci, warunków otoczenia (natĊĪenie Ğwiatáa, zapylenie, haáas, temperatura,
wilgotnoĞü itp.),
– wykonywanie specjalistycznych animacji i symulacji komputerowych celem
przeprowadzenia badaĔ kierunkowanych na ocenĊ stopnia ryzyka zawodowego w danym systemie pracy, ocenĊ zagroĪeĔ, ich eliminacji oraz wizualizacji ewentualnych skutków nieszczĊĞliwych wypadków.
2. Sposoby pozyskiwania danych
Olbrzymie moĪliwoĞci wspóáczesnych pakietów oprogramowania (m.in. CAD,
CAM, CAE i in.) wynikają przede wszystkim z implementacji nowoczesnych
metod zapisu geometrii projektowanych obiektów, algorytmów ich przetwarzania i wizualizacji. ZáoĪone modele przestrzenne, jakkolwiek moĪliwe do samodzielnego ksztaátowania „od podstaw”, dziĊki szerokiemu wachlarzowi metod
i technik projektowania, stanowią nadal jeden z gáównych problemów dotyczących samego wprowadzania danych do systemów przetwarzania. Zagadnienie to
dotyczy przede wszystkim:
– modelowania przestrzennego ukáadu Ğrodków produkcji (np. layout hali
w ukáadzie 3D),
– modelowania przestrzennego pojedynczego gniazda produkcyjnego czy stanowiska pracy,
– okreĞlania cech antropometrycznych pracownika,
– okreĞlania zakresu przestrzeni roboczej, w której pracownik operuje na stanowisku,
Wizualizacja antropotechnicznych systemów pracy
37
– modelowania czynnoĞci elementarnych wynikających z realizowanego procesu technologicznego, itd.
W obecnej dobie, jednym z ciekawszych sposobów pozyskiwania informacji
o przestrzennym charakterze systemu pracy jest wykorzystanie skanerów 3D.
Wykorzystuje siĊ tu m.in.:
– digitizery 3D,
– skanery laserowe,
– skanery podczerwieni,
– skanery ultradĨwiĊkowe.
Zakres zastosowaĔ digitizerów 3D jest bardzo szeroki, a to ze wzglĊdu na
przystĊpną cenĊ i moĪliwoĞü bezproblemowej wspóápracy z wiĊkszoĞcią oferowanych obecnie systemów CAD. Pomimo stosunkowo niewielkich rozmiarów,
urządzenia te umoĪliwiają zamianĊ na postaü elektroniczną nawet duĪych przedmiotów dziĊki odpowiednim mechanizmom áączenia fragmentów obiektów.
Niewątpliwą wadą tych urządzeĔ jest wzglĊdna trudnoĞü wynikająca z duĪej
liczby koniecznych do wprowadzenia punktów, gdy ksztaát obiektu jest bardziej
záoĪony. Sytuacja taka moĪe mieü miejsce w przypadku chĊci zamodelowania
wybranych fragmentów ludzkiego ciaáa (np. koĔczyn, twarzy) na uĪytek precyzyjnej wizualizacji wykonywanych ruchów elementarnych. Problemy tego rodzaju moĪna jednak pomyĞlnie rozwiązaü przez zastosowanie skanerów 3D.
Rys. 1. Przykáadowy digitizer 3D oraz model wykonany za jego pomocą [3]
Sáawomir Herma, Dorota ĝcieszka
38
Skanery 3D
Stykowe
Maszyny
wspóárzĊdnoĞciowe
Ramiona
pomiarowe
Bezstykowe
Laserowe
Podczerwone
UltradĨwiĊkowe
Tomografia komp.
Rezonans magnet.
Rys. 2. Podziaá skanerów 3D
Rys. 3. Przykáadowe ramiĊ pomiarowe oraz idea skanowania 3D [3, 4]
Wspóáczesne skanery 3D umoĪliwiają bardzo precyzyjne dokonywanie odwzorowaĔ obiektów przestrzennych w systemie komputerowym. Wymaga to
niestety bardzo wydajnego sprzĊtu i oprogramowania. NaleĪy sobie ponadto
zdaü sprawĊ, Īe uzyskany trójwymiarowy obraz analizowanego obiektu czy
ukáadu przestrzennego rzadko wolny jest od báĊdów i wymaga korekt. Mimo
tego, procent zaoszczĊdzonego czasu na samym procesie skanowania jest na tyle
duĪy, Īe wiĊcej uwagi moĪna poĞwiĊciü o wiele bardziej záoĪonym zagadnieniom, do których naleĪy np. zapis ruchu.
W sferze zainteresowaĔ specjalistów zajmujących siĊ projektowaniem antropotechnicznych systemów pracy znajdują siĊ obecnie specjalistyczne skanery
3D, umoĪliwiające odwzorowywanie postaci ludzkich. Przykáady takich rozwiązaĔ przedstawiają poniĪsze rysunki.
Wizualizacja antropotechnicznych systemów pracy
39
Rys. 4. Przykáady urządzeĔ do skanowania postaci ludzkich [4]
Koszty podobnych jak te urządzeĔ siĊgają niekiedy kilkuset tysiĊcy dolarów.
Choü uzyskane tą drogą modele odwzorowują tylko zewnĊtrzną powáokĊ skanowanego obiektu, stanowią ogromną pomoc szczególnie tym, którzy zajmują
siĊ tworzeniem antropometrycznych baz danych na uĪytek szerokiego spektrum
oprogramowania graficznego. DziĊki m.in. takim bazom oraz bibliotekom modeli wirtualnych o zróĪnicowanych cechach fizycznych moĪna przejĞü do problematyki tworzenia animacji komputerowych.
Dotychczasowe rozwiązania w tym zakresie bazowaáy gáównie na wiedzy
i indywidualnych umiejĊtnoĞciach artystów plastyków, którzy wykorzystując
swą wyobraĨniĊ oraz dostĊpne urządzenia wskazujące (klawiatura, mysz, tablet)
projektowali ukáady animacji np. postaci ludzkich. Nietrudno wyobraziü sobie
ogrom pracy jaki naleĪy wáoĪyü w wierne odwzorowanie ruchów czáowieka –
w szczególnoĞci pracownika wykonującego na zadanym stanowisku skomplikowane nierzadko czynnoĞci. Szybki rozwój w dziedzinie gier komputerowych,
technik multimedialnych, rzeczywistoĞci wirtualnej i sztucznej inteligencji,
spowodowaá pojawienie siĊ interesujących urządzeĔ do rejestracji ruchu.
40
Sáawomir Herma, Dorota ĝcieszka
Rys. 5. Rejestrator ruchu i moĪliwoĞü jego wykorzystania [3, 4]
DziĊki nim, dysponując odpowiednim modelem wirtualnym w komputerze,
dokonuje siĊ zapisu zarówno ruchu caáego ciaáa aktora, jak i ruchów elementarnych wykonywanych wyáącznie przez ramiona lub dáonie (np. terbligi). Zastosowanie systemów czasu rzeczywistego daje tutaj znakomite efekty.
3. Wizualizacja i analiza
Mając do dyspozycji zarówno sprzĊt do rejestracji ukáadów przestrzennych,
wirtualne modele postaci ludzkich o zróĪnicowanych cechach antropometrycznych oraz systemy rejestracji ruchu itp. moĪna dokonaü krótkiego przeglądu
systemów informatycznych wspomagających procesy modelowania i optymalizacji antropotechnicznych systemów pracy. Z uwagi na bardzo liczne rozwiązania obserwowane w tej dziedzinie, szczególna uwaga poĞwiĊcona zostanie jedynie tym najciekawszym.
Jednym z najpopularniejszych obecnie pakietów, wykorzystywanych zarówno przez artystów plastyków, jaki zawodowych projektantów, konstruktorów
i animatorów jest, 3DS MAX firmy Autodesk. Z uwagi na otwartą architekturĊ
i szerokie moĪliwoĞci dostosowywania do wáasnych potrzeb, pakiet ten doczekaá
siĊ wielu nakáadek wspomagających m.in. Ergo MAX. Jest to niezwykle obszerna biblioteka awatarów z moĪliwoĞcią dowolnego ksztaátowania ich parametrów
antropometrycznych. Modele te odwzorowane są bardzo szczegóáowo, niekiedy
áącznie z caáym ukáadem kostnym oraz miĊĞniowym. MoĪliwoĞü uzupeánienia
postaci o róĪnego rodzaju ubiory, dopeánia realizmu.
Wizualizacja antropotechnicznych systemów pracy
41
Rys. 6. Modelowanie postaci ludzkich z wykorzystaniem ErgoMAX i 3DS MAX
Omawiana biblioteka udostĊpnia uĪytkownikowi gotową bibliotekĊ gestów,
postaw i ukáadów ciaáa, co w poáączeniu z naturalnymi moĪliwoĞciami pakietu
3DS MAX pozwala na tworzenie realistycznych animacji. PodkreĞliü naleĪy, Īe
nakáadka Ergo MAX zostaáa wyposaĪona w algorytmy oceny stopnia wysiáku
fizycznego (wytĊĪenia) w funkcji zajmowanej przez animowany model pozycji.
Rozwiązanie takie umoĪliwia skuteczne projektowania ergonomicznych stanowisk pracy i daje moĪliwoĞü symulowania panujących tam warunków.
Rys. 7. Modelowanie ukáadów podstawy z wykorzystaniem ErgoMAX w Ğrodowisku
3DS MAX
42
Sáawomir Herma, Dorota ĝcieszka
DziĊki wbudowanemu moduáowi REACTOR oraz algorytmom tzw. kinematyki odwrotnej, realne staje siĊ szczegóáowe badanie efektów oddziaáywania
projektowanego Ğrodowiska pracy na czáowieka – w szczególnoĞci wykonywanie symulacji zdarzeĔ losowych, (wypadków) i ich ewentualnych skutków (moĪliwe obraĪenia ciaáa i ich stopieĔ). RównieĪ z punktu widzenia oceny ryzyka
zawodowego oprogramowanie to moĪe byü bardzo przydatne.
Innym przykáadem wizualizacji w zakresie antropotechnicznych systemów
pracy jest pakiet DELMIA. Stanowi on Ğrodowisko caákowicie zintegrowane
umoĪliwiające m.in.:
– wizualizacjĊ hal produkcyjnych, linii i poszczególnych stanowisk,
– przeprowadzanie animacji wybranych obiektów dynamicznych,
– monitoring w czasie rzeczywistym wybranych procesów wytwarzania
– wykorzystanie skanerów 3D i innych urządzeĔ do wspomagania wprowadzania danych przestrzennych badanego systemu pracy,
– programowanie i harmonogramowanie procesów produkcyjnych dla modelowanych systemów pracy,
– tworzenie animowanych materiaáów dydaktycznych wykorzystywanych
m.in. do prowadzenia szkoleĔ dla nowych pracowników,
Wizualizacja antropotechnicznych systemów pracy
Rys. 8. Przykáady wykorzystania pakietu DELMIA [5]
43
44
Sáawomir Herma, Dorota ĝcieszka
Bibliografia:
1. Winklet T.: Komputerowo wspomagane projektowanie systemów antropotechnicznych, WNT, Warszawa 2005.
2. Háawiczka M, ĝcieszka D.: Ergonomia i ochrona pracy, cz. 1 – Biomedyczne
podstawy pracy, Wydawnictwo Politechniki àódzkiej Filii w Bielsku-Biaáej,
Bielsko-Biaáa 2001.
3. Artymiak J.: Digitizery i skanery 3D: Warsztat pracy wspóáczesnego czarodzieja, PCkurier 23/1998.
4. Materiaáy pochodzące z http://www.cyberware.com.
5. Materiaáy pochodzące z http://www.delmia.com.