Ανάπτυξη μεθοδολογίας μοντελοποίησης ανθρώπινης κίνησης για τη βελτίωση του εργονομικού σχεδιασμού προϊόντων και σταθμών εργασίας: εφαρμογή στην αυτοκινητοβιομηχανία

Abstract

The efficient and reliable human-centred design of products and processes is a major goal of the manufacturing industry. Thus, numerous aspects related to performance, safety and ergonomics, need to be verified using Simulation and Virtual Reality techniques, in the context of the product development procedure. The realistic and accurate representation of human motion in Virtual Environment is crucial for the reliability of the simulation results. In this context, this dissertation focuses on the design and development of a novel methodology for human motion modelling, based on the adaptation of a given motion of a digital human model to new anthropometrics and environment’s constraints (related to virtual prototype or workspace). The proposed approach aims at the generation of realistic and reliable digital human motions in order to drive computer manikins into a Virtual Environment, so as to obtain reliable evaluation results during ergonomic design of a product or a production line’s workspace. The introductory chapter presents both the importance and the limitations of the ergonomic design using computer manikins, which consisted the major motivation of this research work. State-of-the-art is presented next, concerning other approaches related to human motion modeling using computer manikins, as well as software tools for digital human modeling and ergonomic design. Next chapter presents an extensive analysis, which focuses on the better understanding of the human motion. This analysis is based on a Statistical Design Of Experiments (SDoE) and makes use of experimental motion captured data. Analysis of Variance (ANOVA) was performed for the determination of the impact factor of the anthropometric parameters influencing the human motion path. Semi-empirical additive models was developed next, based on the results of this analysis, which connects the effect of anthropometrics with the trajectories of the markers that are attached on the human body during the motion capture procedure. The composing of the proposed motion modelling methodology is following. Given that human motion is analysed by a set of sequential motion frames, the modelling methodology aims at the generation of digital human’s postures for each frame of the desirable motion scenario. Motion scenario is each possible combination of “task – computer manikin – environment”. For the creation of a new motion’s frame, the algorithm of the methodology generates alternative postures, ensuring the rejection of non-realistic and constraint-violating postures. The basic concept of the modelling methodology is based on the multi-criteria decision making, which is used for the alternatives’ evaluation and the selection of the best-ranked human postures that constitute the new human motion. The criteria concern both the extensionality of the new motion and the satisfaction of the new constraints, related to the geometric modifications of the working environment. The description of the primary and secondary components of the implemented system, as well as their detailed design are presented next. The developed system consists of the following primary components: i)the data base, which includes reference motions, computer manikins, virtual environments and tasks , ii)the alternative generation mechanism, which takes into account the new constraints, iii)the evaluation criteria of alternatives, which are related to joint angles’ and end-effector’s similarity, iv)the decision matrix, which calculates the evaluation score of each alternative posture, based on the criteria, v)the aggregation mechanism, which calculates the utility score of each alternative, based on the evaluation scores and the weights of the criteria, vi)the ranking mechanism, which sorts the alternatives based on the utility score and selects the best-ranked alternative for each motion frame. The developed system enables the creation of adapted motions for digital humans that satisfies the new conditions and constraints. The new conditions and constraints come from the modification of the anthropometrics of the digital human model that realize the motion and/or the modification of the shape/geometry of the working environment. The evaluation of the proposed methodology’s efficiency is illustrated through a set of experiments through the pilot application coming from the automotive industry. The pilot application aims at the ergonomic evaluation of the interior design of a passenger car, focusing mainly on the position optimization for the driver’s seat and the door’s handle. The evaluation demonstrates the prediction capabilities of the algorithm, when both anthropometrics and environment parameters are modified. The algorithm generates accurate and realistic human motions that can be efficiently used in order to improve the computer-aided ergonomic design of manufacturing products and processes.

Ο αξιόπιστος και αποτελεσματικός ανθρωποκεντρικός σχεδιασμός προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής αποτελεί μείζον ζήτημα της κατασκευαστική βιομηχανίας. Για το λόγο αυτό, πλήθος ελέγχων που αφορούν στη λειτουργικότητα, την ασφάλεια και την άνεση, τόσο των προϊόντων που χρησιμοποιούνται από τον άνθρωπο, όσο και των διαδικασιών παραγωγής που συμμετέχει ο ανθρώπινος παράγοντας, πραγματοποιούνται και αξιολογούνται σε περιβάλλον Η/Υ με τη χρήση λογισμικών προσομοίωσης και εικονικής πραγματικότητας. Η ρεαλιστική και αξιόπιστη αναπαράσταση της ανθρώπινης κίνησης μέσα σε εικονικό περιβάλλον, αποτελεί στις μέρες μας επιτακτική ανάγκη. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διατριβή επικεντρώνεται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης, που βασίζεται στην προσαρμογή μιας υπάρχουσας κίνησης σε νέα ανθρωπομετρικά δεδομένα και περιορισμούς του περιβάλλοντος εργασίας (εικονικού πρωτοτύπου ή σταθμού εργασίας). Η προτεινόμενη προσέγγιση αποσκοπεί στη δημιουργία ρεαλιστικών και αξιόπιστων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών με στόχο την προσομοίωσή τους σε εικονικό περιβάλλον, ώστε να εξαχθούν αξιόπιστα αποτελέσματα κατά την εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού προϊόντων και σταθμών εργασίας σε γραμμή παραγωγής. Αρχικά, γίνεται εισαγωγή τόσο στη σπουδαιότητα, όσο και στα προβλήματα του εργονομικού σχεδιασμού με χρήση ψηφιακών ανθρωποειδών, που αποτέλεσαν και το κύριο έναυσμα της παρούσας έρευνας. Παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της βιβλιογραφικής ανασκόπησης, που αφορούν σε μεθόδους μοντελοποίησης της ανθρώπινης κίνησης με χρήση τεχνολογίας ψηφιακών ανθρωποειδών, καθώς και σε λογισμικά προσομοίωσης ανθρώπινης συμπεριφοράς και εργονομικού σχεδιασμού. Στη συνέχεια, παρατίθεται μια εκτεταμένη ανάλυση που έχει ως στόχο τη βαθύτερη κατανόηση της ανθρώπινης κίνησης. Η ανάλυση αυτή βασίζεται στη θεωρία του Στατιστικού Σχεδιασμού Πειραμάτων και χρησιμοποιεί πειραματικά δεδομένα καταγραφής ανθρώπινων κινήσεων. Η Ανάλυση της Διακύμανσης χρησιμοποιήθηκε για τον καθορισμό των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών που επηρεάζουν περισσότερο την ανθρώπινη κίνηση, καθώς και για την ποσοτικοποίηση της επιρροής τους στη διαφοροποίηση της κίνησης. Βάσει των αποτελεσμάτων της Ανάλυσης της Διακύμανσης, γίνεται ανάπτυξη ημι-εμπειρικών, προσθετικών μοντέλων κίνησης, τα οποία συσχετίζουν την επίδραση των ανθρωπομετρικών χαρακτηριστικών με τις τροχιές των αισθητήρων που τοποθετούνται πάνω στο ανθρώπινο σώμα για την καταγραφή της κίνησης. Ακολουθεί η στοιχειοθέτηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης. Δεδομένου ότι η ανθρώπινη κίνηση αναλύεται σε ένα σύνολο διαδοχικών στιγμιοτύπων, η μεθοδολογία μοντελοποίησης αποσκοπεί στη δημιουργία στάσεων σώματος ψηφιακού ανθρωποειδούς για κάθε στιγμιότυπο του επιθυμητού σεναρίου κίνησης. Ως σενάριο κίνησης ορίζεται κάθε δυνατός συνδυασμός “εργασίας – ψηφιακού ανθρωποειδούς – περιβάλλοντος εργασίας”. Για τη δημιουργία ενός στιγμιότυπου της νέας κίνησης, ο αλγόριθμος της μεθοδολογίας παράγει τυχαίες εναλλακτικές στάσεις σώματος, διασφαλίζοντας ταυτόχρονα την αποφυγή τόσο των μη-ρεαλιστικών στάσεων, όσο και των στάσεων που δεν ικανοποιούν τους περιορισμούς του νέου σεναρίου κίνησης. Η βασική ιδέα της μεθοδολογίας μοντελοποίησης στηρίζεται στη θεωρία λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων, η οποία χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση των εναλλακτικών και την τελική επιλογή των βέλτιστων στάσεων σώματος, για τη σύνθεση της νέας κίνησης. Τα κριτήρια αφορούν αφενός στην εξασφάλιση της ρεαλιστικότητας της κίνησης και αφετέρου στην ικανοποίηση των νέων χωρικών περιορισμών, που προκύπτουν από τις γεωμετρικές τροποποιήσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Έπεται η περιγραφή των βοηθητικών και δομικών στοιχείων του συστήματος υλοποίησης, καθώς και ο αναλυτικός σχεδιασμός του. Το σύστημα που αναπτύχθηκε αποτελείται από τα ακόλουθα δομικά στοιχεία: i)τη βάση δεδομένων, στην οποία αποθηκεύονται οι κινήσεις αναφοράς, τα ψηφιακά ανθρωποειδή, τα περιβάλλοντα εργασίας και τα αρχεία περιγραφής εργασιών, ii)το μηχανισμό που παράγει τις εναλλακτικές στάσεις σώματος λαμβάνοντας υπ’ όψη τους νέους περιορισμούς, iii)τα κριτήρια αξιολόγησης των εναλλακτικών κινήσεων, που αφορούν στην ομοιότητα των γωνιών των αρθρώσεων του σώματος και στην ομοιότητα της θέσης του άκρου εργασίας, iv)τον πίνακα αποφάσεων, ο οποίος υπολογίζει το δείκτη αξιολόγησης για κάθε εναλλακτική, βάσει των κριτηρίων αξιολόγησης, v)το μηχανισμό συνολικής αξιολόγησης των εναλλακτικών, ο οποίος υπολογίζει τον τελικό δείκτη αξιολόγησης, βάσει των δεικτών αξιολόγησης του πίνακα αποφάσεων και των βαρών των κριτηρίων, vi)το μηχανισμό κατάταξης των εναλλακτικών στάσεων, ο οποίος κατατάσσει τις εναλλακτικές, βάσει του τελικού δείκτη αξιολόγησης, και επιλέγει τη βέλτιστη στάση σώματος για κάθε στιγμιότυπο κίνησης. Το σύστημα που αναπτύχθηκε παρέχει τη δυνατότητα δημιουργίας προσαρμοσμένων κινήσεων ψηφιακών ανθρωποειδών που ικανοποιούν τις νέες συνθήκες και περιορισμούς. Οι νέες συνθήκες και περιορισμοί προέρχονται από την τροποποίηση των ανθρωπομετρικών διαστάσεων του ψηφιακού ανθρωποειδούς που εκτελεί την κίνηση, ή/και από την τροποποίηση της γεωμετρίας του περιβάλλοντος εργασίας, όπου εκτελείται η κίνηση. Η αξιολόγηση της αξιοπιστίας της προτεινόμενης μεθοδολογίας μοντελοποίησης παρουσιάζεται μέσα από μια σειρά πειραμάτων εκτέλεσης της πιλοτικής εφαρμογής από το χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας. Η πιλοτική εφαρμογή αποσκοπεί στην εργονομική αξιολόγηση του σχεδιασμού του εσωτερικού ενός επιβατηγού αυτοκινήτου, επικεντρώνοντας στην επιλογή της βέλτιστης θέσης του καθίσματος του οδηγού και της εσωτερικής λαβής της πόρτας. Τα αποτελέσματα της αξιολόγησης καταδεικνύει τις δυνατότητες πρόβλεψης του αλγορίθμου όταν τροποποιούνται, τόσο τα ανθρωπομετρικά, όσο και οι διαστάσεις του περιβάλλοντος εργασίας. Ο αλγόριθμος δημιουργεί ρεαλιστικές και αξιόπιστες ανθρώπινες κινήσεις οι οποίες μπορούν να συντελέσουν στη βελτίωση του εργονομικού σχεδιασμού προϊόντων και διαδικασιών παραγωγής.