7-5. Metody modelowe w projektowaniu układów „człowiek-obiekt techniczny-środowisko” |
|
7-5.3. Rodzaje modeli |
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].