3-2. Metody modelowe w projektowaniu przestrzeni pracy, manekiny płaskie i przestrzenne, makiety, modele funkcjonalne i komputerowe

Projektowanie stanowiska pracy opiera się na analizie dwóch kluczowych aspektów:

• Dopasowanie pracownika do stanowiska pracy, uwzględniające:
  • cechy antropometryczne (np. wymiary ciała, zasięgi rąk),
  • cechy biomechaniczne (np. siły i momenty, jakie może generować),
  • cechy psychomotoryczne (zdolność do odbierania i przetwarzania informacji).
• Bezpieczeństwo zdrowotne – ocena, czy praca nie powoduje przeciążeń i zagrożeń zdrowotnych (natychmiastowych lub długoterminowych).

Obecnie te analizy prowadzi się najczęściej metodami komputerowymi.

3-2. slajd 1

Tradycyjne podejście:

• Projektowanie maszyn i stanowisk pracy opierało się na rzutach prostokątnych (rysunki płaskie).
• Trójwymiarowe wyobrażenie powstawało w głowie projektanta.
• Wspomagano się szablonami płaskimi sylwetek ludzkich, ale:
  • wymagały wielu wariantów (różne centyle, pozycje ciała),
  • były czasochłonne i mało elastyczne.

3-2. slajd 2

Rozwój systemów CAD:

• Od lat 60. rozwój systemów CAD (Computer Aided Design), m.in.:
  • AutoCAD – popularny program do 2D i 3D projektowania.
• Dla prostych stanowisk wystarczające są narzędzia 2D, np. program FANTOM:
  • opracowany na ASP w Krakowie,
  • działa jako nakładka na AutoCAD,
  • umożliwia wstawianie dwuwymiarowych sylwetek ludzkich do projektów rzutów,
  • pozwala na analizę: zasięgów, pól widzenia, środka masy itd.

3-2. slajd 3

Współczesne podejście:

• Obecnie istnieje ponad 100 programów typu ErgoCAD, które:
  • wspierają projektowanie ergonomiczne stanowisk pracy,
  • rozwijały się od wersji 2D do w pełni trójwymiarowych systemów modelowania ciała ludzkiego,
  • są wykorzystywane głównie na etapie projektowania nowych stanowisk.

First Man (1968, Boeing) (slajd 4)

• Jeden z pierwszych 3D manekinów komputerowych, używany przy projektowaniu kabiny pilota w Boeingu 747.
• Manekin konturowy – opis sylwetki przez wybrane linie (brak pełnych powierzchni).
• Późniejsze wersje jak Fourth Man and Woman (1980) – już powierzchniowe, co umożliwia:
• • wykrywanie kolizji ciała z otoczeniem,
  • ocenę zasięgu rąk i pola widzenia.

3-2. slajd 4

SAMMIE (od 1967, Wielka Brytania) (slajd 5)

• Ciało i otoczenie modelowane za pomocą prostych brył (prymitywów: sześciany, walce, stożki).
• Złożona konstrukcja manekina:
• • ruchome stawy (szyja, kręgosłup, kończyny, oczy),
  • modelowanie różnych centyli populacji,
  • możliwość uwzględnienia ubioru i niepełnosprawności.
• Program sygnalizuje:
• • przekroczenie dopuszczalnych zakresów ruchu,
  • niewygodne (niekomfortowe) pozycje,
  • kolizje z otoczeniem.
• Wada: brak kompatybilności z systemami CAD – utrudniona wymiana danych z projektami CAD.

3-2. slajd 5

ErgoSHAPE (Finlandia) (slajd 6)

• Nakładka na AutoCAD, stworzona z myślą o ergonomicznej analizie stanowisk pracy.
• Wersja 2D:
• • modele antropometryczne mężczyzny i kobiety,
  • biblioteka typowych ergonomicznych stanowisk (biuro, kuchnia, kabina dźwigu),
  • moduł do obliczeń biomechanicznych (podobny do 2D SSPP).
• Wersja 3D:
• • umożliwia import modeli AutoCAD,
  • ograniczenie: obiekty zaimportowane do ErgoSHAPE nie mogą być dalej modyfikowane – utrudnia to projektowanie.

3-2. slajd 6

Podsumowanie:

• Trójwymiarowe manekiny komputerowe (np. First Man, SAMMIE, ErgoSHAPE 3D) rewolucjonizowały ergonomiczne projektowanie.
• Obecne narzędzia pozwalają na:
  • precyzyjne dopasowanie stanowiska do użytkownika,
  • ocenę komfortu i bezpieczeństwa,
  • wykrywanie kolizji i przeciążeń.
• Kluczowe jest połączenie ergonomii z kompatybilnością narzędzi CAD – pełna integracja nadal stanowi wyzwanie w niektórych programach.

• Działa jako moduł w systemie AutoCAD.
• Obsługuje trójwymiarowe modele manekinów (możliwość użycia 2 naraz).
• Zawiera bazę danych antropometrycznych:
• • różne typy somatyczne (lekki, średni, ciężki),
  • dowolny centyl wzrostu,
  • dane dla 7 narodowości.
• Funkcje:
• • sterowanie całym manekinem lub jego segmentami,
  • analiza pola widzenia,
  • obliczanie momentów w stawach przy zewnętrznym obciążeniu.

3-2. slajd 7 

Optymalizacja stanowisk pracy

• Optymalizacja wielokryterialna:
• • minimalizacja wysiłku mięśniowego,
  • maksymalizacja wydajności,
  • spełnienie ograniczeń ergonomicznych (np. pole widzenia, bezpieczne obciążenia).
• Problemy:
• • trudność w stworzeniu realistycznego modelu matematycznego,
  • złożoność obliczeniowa (mimo nowoczesnych komputerów).
• Obecnie możliwa optymalizacja wybranych fragmentów pracy (np. ustawienie kończyny dla minimalnego momentu siły).
• ErgoBOX (ASP Kraków):
• • trójwymiarowy modułowy podział przestrzeni roboczej (5×5×5 cm),
  • każda komórka ma przypisane wartości ergonomiczne (np. zasięg rąk, precyzja, siły),
  • oceniane kolorem (zielony – dobry, żółty – dopuszczalny, czerwony – niedopuszczalny),
  • prezentacja wyników w pięciokolorowej skali jakości przestrzeni (slajdy 8–9).

3-2. slajd 8

3-2. slajd 9

Wirtualna rzeczywistość (VR)

• Umożliwia realistyczną symulację stanowiska pracy:
• • obraz stereo (oddzielny dla każdego oka),
  • dźwięk, dotyk, siły, ruchy, temperaturę – oddziałują na zmysły użytkownika,
  • analiza reakcji człowieka w czasie rzeczywistym.
• Zastosowania:
• • projektowanie ergonomiczne w warunkach zbliżonych do rzeczywistych,
  • szkolenie operatorów maszyn, pojazdów, urządzeń (jak w lotnictwie czy kolejnictwie),
  • wykrywanie kolizji i zagrożeń dla zdrowia.

 Ocena ergonomiczna stanowiska pracy obejmuje trzy grupy działań:

• Projektowanie zadania i stanowiska pracy
  • Projekt lub analiza istniejącego stanowiska.
  • Wykorzystanie programu ErgoCAD do oceny dopasowania geometrii do cech antropometrycznych człowieka.
  • Projektowanie trajektorii ruchów.
• Analiza statyczna
  • Ocena obciążeń mięśniowo-szkieletowych (np. momenty sił w stawach, naciski w krążkach międzykręgowych).
  • Stosowanie specjalistycznych programów (jak 3DSSPP, APOLINEX).
• Analiza dynamiczna
  • Analiza pracy zmiennej w czasie (np. powtarzalnych ruchów).
  • Możliwa bezpośrednio lub po analizie statycznej.

Uwaga: kolejność i zakres działań zależą od doświadczenia projektanta oraz dostępnego oprogramowania.

3-2. slajd 10

1. Badler N.I., Phillips C.B., Webber B.L.: Simulating Humans - Computer Graphics Animation and Control. New York, Oxford University Press 1993.
2. Dahlke G.: Modelowanie symulacyjne w ergonomii i bezpieczeństwie prazy. Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej; Organizacja i zarządzanie, nr. 63, 2014, 21-32
3. 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
4. Gedliczka A.: FANTOM - dwuwymiarowy model człowieka dla potrzeb projektowania. W: Modelowanie i symulacja komputerowa w ergonomii. Materiał szkoleniowy. Warszawa, CIOP 1998, s. 97 - 101.
5. 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.
6. Grobelny J.: APOLINEX wspomaga projektowanie ergonomiczne w środowisku systemu AUTOCAD. Ergonomia 1994, t.17, nr 2, s. 301 - 308.
7. Nilsson G.: On Development of Tools for Ergonomic Simulation and Evaluation in a Computerized Environment. Göteborg, Chalmers University of Technology 1994.
8. 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.
9. 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.
10. 3D Static Strength Prediction Program ™, User's Manual, Version 2.0. University of Michigan, Center for Ergonomics 1993.