7-5. Metody modelowe w projektowaniu układów         „człowiek-obiekt techniczny-środowisko”

dr inż. Leonard Hempel - Politechnika Gdańska

7-5.3.1. Modele graficzne

W zależności od celu stosuje się modele o różnym stopniu uproszczenia, od prostych modeli graficznych do skomplikowanych modeli organizmu stosowanych np. podczas badań wypadków komunikacyjnych. Najliczniejszą grupę modeli stanowią modele cybernetyczne, stosowane z powodzeniem tam, gdzie analizuje się strumienie informacji. Model człowieka jako systemu autonomicznego ( fol. nr 3 ) może być wykorzystany np. przy ocenie niezawodności człowieka.

fol. nr 3 Model cybernetyczny człowieka jako systemu autonomicznego




Inną grupę modeli stosowaną w projektowaniu są sylwetki człowieka - fantomy. Ciało człowieka przedstawia się w rzutach na płaszczyznę strzałkową (prostopadłą do płaszczyzny czołowej) oraz na płaszczyznę poprzeczną  (fol. nr 4). Fantomy służą do określania podczas projektowania przestrzeni pracy operatorów. Wadą tego dwuwymiarowego (płaskiego) modelu, jest brak możliwości analizowania dynamicznego współdziałania poszczególnych elementów systemu C - OT - O.

fol. nr 4 Rodzaje fantomów stosowanych w analizie somatograficznej




Do analizy kinetycznej używa się modeli strukturalnych umożliwiających obliczanie stopnia ruchliwości (w) szkieletu człowieka traktowanego jako łańcuch kinematyczny. Modele takie tworzy się dla całego ciała lub dla jego poszczególnych części, np. dla szkieletu człowieka  (fol. nr 5). Na podstawie tego modelu można obliczyć ruchliwość w = 240; wynika ona z tego, że: liczba członów n = 114, liczba par kinematycznych klasy V, p₅ = 81, liczba par kinematycznych klasy IV p₄ = 33, a liczba par kinematycznych klasy III p₃ = 29.

fol. nr 5 Model strukturalny szkieletu człowieka

Inny rodzaj modeli stosuje się przy analizowaniu częstości drgań poszczególnych części ciała człowieka. Firma Bruel and Kjaer publikuje model reologiczny człowieka  (fol. nr 6).

fol. nr 6 Model reologiczny człowieka

7-5.3.2. Symulacja komputerowa

Symulacja komputerowa należy do projektowych metod badawczych w biomechanice pracy. Badania biomechaniczne dostarczają projektantom bardzo wielu cennych parametrów opisujących możliwości fizyczne człowieka. Bada się właściwości kinematyczne i dynamiczne organizmu, właściwości wytrzymałościowe układu kostno-szkieletowego i mięśniowego. Schemat takiego modelowania pokazano na foliogramie ( fol. nr 7 ).

fol. nr 7 Schemat blokowy procesu modelowania matematycznego i symulacji komputerowej


Komputerowy zapis konstrukcji pozwala nie tylko odwzorowywać statyczne fazy tego współdziałania, ale również modelować środowisko pracy człowieka przy zastosowaniu modelowania trójwymiarowego. Stosuje się tutaj takie programy, jak na przykład: APOLIN, SAMMIE, ANTHROPOS, DIANA czy ErgoSHAPE, będący nakładką popularnego edytora rysunku AutoCAD. Do kształtowania postaci konstrukcyjnej maszyn i stanowisk pracy z uwzględnieniem wymogów bezpieczeństwa pracy i ergonomii najlepiej nadaje się modelowanie bryłowe, które umożliwia powiązanie OT i O z trójwymiarowym modelem człowieka. Najnowszym sposobem wizualnego przedstawiania obiektów trójwymiarowych jest stosowanie techniki VR (wirtualnej rzeczywistości). Technika ta pozwala nie tylko kształtować (projektować) systemy C - OT - O, ale pozwala już na etapie projektowania „wykonywać” wszystkie czynności związane z całym okresem „życia” obiektu, tj. od produkcji poprzez eksploatację do kasacji [wg 1]. Pozwala to na wykrywanie sytuacji niebezpiecznych i możliwych zagrożeń oraz na szkolenie przyszłych eksploatatorów.

Współczesne modelowanie w biomechanice stosuje dwa podstawowe typy modeli fizycznych: o parametrach (masa, sztywność, dane materiałowe, modele ciała) skupionych lub rozłożonych.

Stosuje się też modele mierzone. Modele o parametrach złożonych służą do modelowania całego ciała lub jego części w pełnym zakresie kątów obrotów w głównych stawach oraz w różnych sytuacjach statycznych.

Przykładem takiego modelowania komputerowego jest patent 3DSSp (Three Dimensional Static Strength Prediction). Służy on do analizy obciążeń ciała człowieka oraz wynikających z nich zagrożeń dla zdrowia. Model fizyczny ciała człowieka, na którym prowadzi się badania obciążenia, przedstawiono na foliogramie  (fol. nr 8). Dwanaście sztywnych członów modelujących części ciała, które na rysunku zaznaczono dwoma jasnymi trójkątami (tułów) i dziesięcioma odcinkami (kończyny dolne i górne), połączono przegubami.

fol. nr 8 Model fizyczny ciała człowieka typu wieloczłonowego


Drugi typ modeli fizycznych o parametrach rozłożonych jest tworzony metodą trójwymiarowego odwzorowania ciała lub fragmentu ciała człowieka za pomocą dużej liczby elementów, tzn. elementów skończonych, którym przypisuje się, w zależności od celu badania, określone właściwości  (fol. nr 9). Do obliczeń stosuje się MES (metody elementów skończonych) lub MEB (metody elementów brzegowych). Pakiety MES lub MEB stanowią część systemów wspomagających projektowanie, np. CAD. Ograniczenia stosowania tych pakietów do analizy organizmu wynikają z faktu, że ciało człowieka opisuje się bardzo złożonymi modelami reologicznymi (np. gdy metal konstrukcyjny opisuje model Hooke'a, to ciało człowieka w największym uproszczeniu - ciało Kelvina lub Maxwella).

fol. nr 9 Model typu MES człowieka - operatora pod wpływem działania drgań


Dobre wyniki uzyskuje się wykorzystując symulację komputerową do optymalizacji przestrzeni pracy kończyn człowieka - operatora. Na foliogramie  (fol. nr 10) przedstawiono przykład wyników optymalizacji przestrzeni pracy dla prawej górnej kończyny.

fol. nr 10 Graficzna ilustracja rozwiązania zadania optymalizacji przestrzeni pracy kończyny górnej


Bliżej z zagadnieniami symulacji komputerowej można zapoznać się w rozdz. 6 monografii „Bezpieczeństwo pracy i ergonomia” [1].