| 3-2. Metody modelowe w projektowaniu przestrzeni pracy, manekiny płaskie i przestrzenne, makiety, modele funkcjonalne i komputerowe |
| Krzysztof Kędzior |
- czy pracownik (operator w układzie człowiek-maszyna) „pasuje” do stanowiska pracy ze względu na swoje antropometryczne cechy fizyczne (wymiary ciała, zasięgi rąk, pola dobrego widzenia itp.) i biomechaniczne cechy fizyczne (wartości sił i momentów, które jest w stanie rozwijać w celu wykonywania pracy w ciągu całego dnia roboczego) oraz cechy psychomotoryczne (zdolność do odbierania i przetwarzania informacji niezbędnych do bezpiecznego dla siebie i otoczenia wykonywania pracy)?
- czy wykonywana praca nie powoduje bezpośrednich lub odległych w czasie zagrożeń dla zdrowia pracownika (np. kumulowania się skutków przeciążeń)?
- W pierwszej kolejności należy zaprojektować zadanie robocze i dostosowane do niego stanowisko (środowisko) pracy. W przypadku oceny istniejącego stanowiska, traktujemy je jako dane. Za pomocą oprogramowania ErgoCAD oceniamy podstawowe parametry geometryczne stanowiska, decydujące o jego dostosowaniu do cech antropometrycznych człowieka (operatora). Następnie projektujemy typowe ruchy robocze człowieka na analizowanym stanowisku pracy, zapisując je w postaci trajektorii wybranych punktów ciała. W zależności od rodzaju pracy (praca statyczna, praca dynamiczna, praca mieszana), przystępujemy do dalszych etapów oceny.
- W przypadku, gdy wymagana jest analiza statyczna obciążeń układu mięśniowo-szkieletowego,
dokonujemy jej za pomocą wybranego programu komputerowego. Schemat postępowania
jest zazwyczaj typowy, tak jak przedstawiono to w lewej kolumnie sieci
na slajdzie 3-2. slajd 10
3-2. slajd 10
- Jeżeli wymagana jest analiza dynamiczna, to możemy przystąpić do niej bezpośrednio lub po wstępnej analizie statycznej.
- Badler N.I., Phillips C.B., Webber B.L.: Simulating Humans - Computer Graphics Animation and Control. New York, Oxford University Press 1993.
- Dahlke G.: Modelowanie symulacyjne w ergonomii i bezpieczeństwie prazy. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej; Organizacja i zarządzanie, nr. 63, 2014, 21-32
- Dahlke G.; Olszewski J.; Olszewski M.: Model humanoidalny w analizie obciążeń statycznych operatorów wózków widłowych. Studium przypadku. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej. Organizacja i zarządzanie, nr. 70, 2016, 19-38
- Gedliczka A.: FANTOM - dwuwymiarowy model człowieka dla potrzeb projektowania. W: Modelowanie i symulacja komputerowa w ergonomii. Materiał szkoleniowy. Warszawa, CIOP 1998, s. 97 - 101.
- Gierasimiuk J., Wróbel J.: Kształtowanie bezpieczeństwa i ochrony zdrowia w procesie projektowania maszyn i stanowisk pracy. W: Bezpieczeństwo pracy i ergonomia. Red. nauk. D. Koradecka. T. 2. Warszawa, CIOP 1999, s. 937 - 989.
- Grobelny J.: APOLINEX wspomaga projektowanie ergonomiczne w środowisku systemu AUTOCAD. Ergonomia 1994, t.17, nr 2, s. 301 - 308.
- Nilsson G.: On Development of Tools for Ergonomic Simulation and Evaluation in a Computerized Environment. Göteborg, Chalmers University of Technology 1994.
- Roman-Liu D., Kędzior K., Rzymkowski C.: Computerized method for work space optimization in conditions of static work. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics 1999, vol. 5, nr 1, s. 97 - 108.
- Roman-Liu D., Wittek A., Kędzior K.: Experimental verification of the computerized method of work space optimization in conditions of static work. International Journal of Occupational Safety and Ergonomics 1999, vol. 5, nr 1, s. 109 - 124.
- 3D Static Strength Prediction Program ™, User's Manual, Version 2.0. University of Michigan, Center for Ergonomics 1993.
| 3-2.1. Wstęp |
Podstawowym zadaniem podczas projektowania nowego lub oceny istniejącego stanowiska pracy oraz procesu pracy na tym stanowisku jest analiza, w trakcie której skupiamy się zazwyczaj na dwóch kwestiach (3-2. slajd 1)
(3-2. slajd 1)
W niniejszym opracowaniu skupiono się na ergonomicznych aspektach tej oceny, która współcześnie prowadzona jest zazwyczaj metodami komputerowymi.
| 3-2.2. Przegląd oprogramowania typu ErgoCAD |
Tradycyjne (ręczne, na desce kreślarskiej) projektowanie maszyn i urządzeń
oparte jest na zapisie geometrii projektowanego obiektu za pomocą rzutów
prostokątnych. Jest to zapis dwuwymiarowy (płaski). Kojarząc rysunki płaskie
można ręcznie utworzyć zapis trójwymiarowy, np. w postaci aksonometrycznej,
ale jest to metoda bardzo czasochłonna i z tego powodu była rzadko stosowana.
Trójwymiarowy obraz obiektu powstawał najczęściej tylko w wyobraźni projektanta.
Do projektowania stanowisk pracy stosowano więc płaskie szablony sylwetek
ludzkich (3-2. slajd 2).
(3-2. slajd 2)
Od końca lat 60. datuje się rozwój oprogramowania do komputerowo wspomaganego projektowania (CAD - Computer Aided Design), [5] . Umożliwia ono łatwe tworzenie obrazów trójwymiarowych z utworzonych wcześniej rysunków (rzutów) płaskich (starsze wersje) oraz bezpośrednie projektowanie trójwymiarowe (nowsze systemy). Jednym z najbardziej rozpowszechnionych (z racji dostosowania do komputerów osobistych) systemów oprogramowania typu CAD jest AutoCAD, program tworzony przez firmę Autodesk przeznaczony do dwuwymiarowego i trójwymiarowego projektowania.
W przypadku prostych stanowisk pracy, gdy można poprzestać na zapisie rzutowym, przydatne są w procesie projektowania komputerowo generowane płaskie szablony sylwetek ludzkich. Przykładem takiego rozwiązania jest, opracowany na Wydziale Form Przemysłowych ASP w Krakowie, program FANTOM, który można dołączyć do AutoCAD w formie tzw. nakładki [2]. Umożliwia on wpisywanie dwuwymiarowych sylwetek w rysunki rzutów stanowiska pracy (3-2. slajd 3), przy czym łatwo można generować sylwetki dla różnych centyli populacji i różnych pozycji ciała, z zaznaczeniem środków mas i rzutu środka masy całego modelu człowieka na podstawę, przestrzeni widzenia i przestrzeni zasięgowej. Program ten nie umożliwia tworzenia trójwymiarowego modelu ciała, jednakże w prostszych przypadkach jest wystarczający do ergonomicznej oceny stanowiska pracy.
(3-2. slajd 3)
Obecnie znanych jest ponad sto, mniej lub więcej zaawansowanych, programów do komputerowo wspomaganej oceny ergonomicznej stanowisk pracy [1]. Najczęściej stosuje się je w fazie projektowania nowych stanowisk i z tego powodu przyjęła się ich ogólna nazwa: programy (lub - w wypadku programów bardziej rozbudowanych - systemy oprogramowania) typu ErgoCAD. Zazwyczaj programy te powstawały w wersji dwuwymiarowej (jak opisany wcześniej program FANTOM), następnie rozwinęły się do wersji trójwymiarowej.
W dalszej części tekstu przedstawiono niektóre z popularniejszych programów tego typu.
Jednym z pierwszych trójwymiarowych manekinów komputerowych był First Man (3-2. slajd 4), opracowany w 1968 r. w firmie Boeing z przeznaczeniem do projektowania kabiny pilotów samolotu Boeing 747. Był to manekin wykonany techniką konturową, tzn. jego zapis w bazie danych programu miał formę zbioru wybranych linii opisujących sylwetkę człowieka. Późniejsze wersje, np. Fourth Man and Woman (1980 r.), wykonano techniką powierzchniową (zapis w formie zbioru płatów powierzchniowych, wyznaczających granice ciała), co umożliwia wykrywanie za pomocą programu (a nie tylko metodą obserwacji manekina na tle rysunku otoczenia) kolizji z obiektami tworzącymi stanowisko pracy. Manekiny Boeinga stosowano do oceny zasięgu rąk i pola widzenia.
(3-2. slajd 4)
Prace nad programem SAMMIE (System for Aiding Man-Machine Interaction Evaluation) rozpoczęto w Anglii w 1967 r. Ciało człowieka oraz elementy jego otoczenia (stanowisko pracy, wnętrze samochodu itp.) modelowane są za pomocą prostych brył typu wielościanów (tzw. prymitywów), (3-2. slajd 5), chociaż możliwe jest także utworzenie bardziej precyzyjnych elementów o nieregularnych kształtach. Bryły modelujące ciało ludzkie połączone są przegubami, modelującymi stawy skokowe, kolanowe, biodrowe, lędźwiowy i piersiowy kręgosłupa, ramienne, łokciowe, nadgarstkowe, szyi względem tułowia i głowy względem szyi oraz gałek ocznych względem głowy. Program zawiera bazę danych antropometrycznych, co umożliwia generowanie manekinów dla różnych frakcji (centyli) populacji. Manekiny mogą, podobnie jak w innych programach, przyjmować różne pozycje, zależnie od zadawanych lub zmienianych przez użytkowników kątów w stawach, z tym, że przekroczenie dopuszczalnych zakresów kątów obrotu w stawach oraz tzw. stopnia komfortu danej pozycji ciała jest sygnalizowane. Można modelować ograniczenia ruchów powodowane przez ubiór oraz wynikające z inwalidztwa. Program umożliwia ocenę ergonomiczną zasięgów ruchów i pola widzenia. Kolizje ciała z otoczeniem są sygnalizowane. Podstawową wadą programu SAMMIE jest brak kompatybilności z oprogramowaniem typu CAD, co utrudnia, a niekiedy uniemożliwia, wymianę danych i wyników symulacji z innymi programami służącymi do projektowania maszyn, urządzeń i stanowisk pracy.
(3-2. slajd 5)
Wady tej uniknięto przy tworzeniu fińskiego programu ErgoSHAPE. Jest on ergonomiczną
nakładką pakietu AutoCAD. Podstawowa wersja programu, całkowicie kompatybilna
z AutoCAD, jest dwuwymiarowa, tzn. służy do „wpasowywania” człowieka-operatora
do stanowiska pracy (lub - co bardziej prawidłowe - dostosowywania projektowanego
stanowiska pracy do człowieka) za pomocą rysunków (rzutów) płaskich. Program
zawiera trzy części: wieloelementowe modele antropometryczne człowieka
(kobiety i mężczyzny), przykłady ergonomicznych rozwiązań wybranych typowych
stanowisk pracy (przy komputerze, w biurze, w kuchni, w kabinie dźwigu
itp.) oraz moduł do obliczeń biomechanicznych. Zakres obliczeń i sposób
prezentacji wyników są podobne jak w programie 3D SSPP [10] ,
w jego starszej, dwuwymiarowej wersji 2D SSPP, zastosowanie programu 3DSSPP do analizy obciążeń na stanowisku pracy operatora wózka widłowego przedstawiono w pracy [3]. (3-2. slajd 6)
(3-2. slajd 6)
W Laboratorium Ergonomii Politechniki Wrocławskiej opracowano program
APOLINEX, działający w systemie AutoCAD [6] .
Pozwala on wprowadzać do projektowanych trójwymiarowych stanowisk pracy
trójwymiarowy model ciała człowieka (manekin), przy czym jednocześnie
można używać dwóch modeli/\ (3-2. slajd 7).
(3-2. slajd 7)
Przedstawione przykłady ilustrują dotychczasowy rozwój i stan obecny oprogramowania ErgoCAD. Dobrym źródłem informacji na ten temat jest praca [2]. Rozwój ErgoCAD będzie postępował w dwóch kierunkach.
Pierwszy kierunek, to włączenie procedur
optymalizacyjnych do procesu projektowania stanowisk pracy. Jest to zadanie
bardzo trudne, zarówno pod względem koncepcyjnym, jak i wykonawczym. Trudność
koncepcyjna polega na tym, że optymalizacja stanowiska pracy jest zazwyczaj
zadaniem wielokryterialnym. Oznacza to, że optymalne stanowisko pracy
powinno być najlepsze pod wieloma względami jednocześnie. Można na przykład
wymagać, aby wykonywana na danym stanowisku praca fizyczna odbywała się
najmniejszym wysiłkiem mięśni (np. praca momentów sił mięśniowych w trakcie
obrotów w stawach ma być najmniejsza) przy jednoczesnej maksymalnej wydajności
i spełnieniu szeregu warunków (tzw. więzów) dotyczących na przykład pola
widzenia, nieprzekraczania uznanych za bezpieczne obciążeń dysków międzykręgowych
itp. Utworzenie modelu matematycznego takiego procesu pracy jest trudne.
Podejmowane próby wykazują, że otrzymuje się modele bardzo złożone, co
utrudnia rozwiązanie zadania optymalizacji (trudność wykonawcza) nawet
za pomocą współczesnych metod numerycznych i przy użyciu szybkich komputerów.
Podejmowane obecnie próby optymalizacji stanowisk pracy dotyczą więc
głównie zadań prostszych, nie obejmujących całego, przebiegającego w czasie,
procesu pracy, lecz wybrane jego fragmenty. Jako przykład można wskazać
zadanie znalezienia takiego położenia kończyny górnej człowieka w przestrzeni
pracy, przy którym wysiłek mięśni, mierzony sumą wartości modułów momentów
sił mięśniowych względem osi obrotów w stawach, jest - przy danym obciążeniu
zewnętrznym - najmniejszy. Zadanie to, rozwiązane w Zakładzie Ergonomii
Centralnego Instytutu Ochrony Pracy, dotyczy w istocie optymalizacji przestrzeni
pracy, nie zaś samego procesu pracy [8,9] .
Podobnymi zagadnieniami optymalnego rozmieszczenia przedmiotów w przestrzeni
pracy zajmowano się w Laboratorium Ergonomii Politechniki Wrocławskiej [4].
Udaną próbą opracowania narzędzia, którego można użyć także do optymalizacji
przestrzeni pracy w warunkach statycznych, jest program ErgoBOX, opracowany
w Katedrze Kształtowania Środków Pracy Akademii Sztuk Pięknych w Krakowie.
W programie tym przyjęto, że przestrzeń robocza człowieka jest określona
układem współrzędnych x, y, z i podzielona na jednostki modułowe
- komórki informacyjne o wymiarach 5 x 5 x 5 cm ( 3-2. slajd 8).
Komórkom tym przypisywane są określone wartości różnych parametrów ergonomicznych
zawartych w bazie danych programu, np. zasięgu rąk, stref dokładności
pracy rąk i nóg, zalecanych pozycji roboczych, limitów sił pracy ręcznej
i parametrów przestrzeni widzenia (3-2. slajd 9).
3-2. slajd 8 (3-2. slajd 9)
3-2. slajd 8
Drugi kierunek rozwoju ErgoCAD jest związany z nową techniką tzw. wirtualnej rzeczywistości (VR - Virtual Reality). Obiekty trójwymiarowe są prezentowane obserwatorowi przez komputer na dwóch ekranach, osobno dla lewego i prawego oka. Ekrany umieszcza się w urządzeniu zakładanym na głowę obserwatora. Urządzenie to wyposażone jest także w głośniki, co umożliwia odbieranie dźwięków generowanych przez komputer. Specjalne rękawice, reagujące na dotyk lub siłę, także sprzężone z komputerem, symulują kontakt fizyczny obserwatora z otoczeniem. Obserwator może znajdować się w kabinie symulującej ruch obiektu (np. drgania, pochylenia), zmiany temperatury i innych parametrów.
Wirtualną rzeczywistość można wykorzystać do projektowania stanowisk pracy. Oprogramowanie stanowiska VR może bowiem generować w czasie rzeczywistym obraz otoczenia na stanowisku pracy łącznie z efektami dźwiękowymi, dotykowymi, siłowymi itp., jednocześnie analizując reakcje operatora i, w pętli sprzężenia zwrotnego, wprowadzając stosowne zmiany w obrazie otoczenia i jego oddziaływaniu na człowieka. Umożliwia to skuteczniejsze sprawdzanie założeń projektu stanowiska pracy oraz wykrywanie kolizji operatora z otoczeniem i zagrożeń jego zdrowia. Wirtualną rzeczywistość można wykorzystać także do szkolenia pracowników, a w szczególności operatorów pojazdów, maszyn i urządzeń, podobnie jak to ma obecnie miejsce w przypadku pilotów samolotów cywilnych i wojskowych, a ostatnio także maszynistów kolejowych i kierowców samochodowych szkolonych na specjalnych symulatorach.
| 3-2.3. Podsumowanie |
Z treści poprzednich rozdziałów wynika, że oceny ergonomicznej procesu
pracy i stanowiska pracy można dokonać współczesnymi, wspomaganymi komputerowo
metodami. Postępowanie zmierzające do tego celu można w tym przypadku
ująć w postaci sieci działań, przedstawionej na slajdzie 3-2. slajd 10.
3-2. slajd 10
Przedstawiona sieć działań ma charakter ogólnej propozycji toku postępowania. Decyzje dotyczące kolejności postępowania zależą od wiedzy i intuicji projektanta oraz, oczywiście, od dostępu do odpowiedniego oprogramowania.
| 3-2.4. Literatura |