Sánchez Lite, Alberto
AERCyL. Asociación de Ergonomía de Castilla y León
ETS Ing. Ind. Area de Ingeniería Mecánica / Universidad de Valladolid/ Paseo del Cauce s/n. 47011 Valladolid, España.
San Juan Blanco, Manuel
AERCyL. Asociación de Ergonomía de Castilla y León
ETS Ing. Ind. Area de Ingeniería Mecánica / Universidad de Valladolid/ Paseo del Cauce s/n. 47011 Valladolid, España.
García García, Manuel
Escuela Politécnica Superior /Área de Organización de Empresas/Universidad de Burgos/Hospital de Rey s/n 09001 Burgos, España
Domínguez Cuellar, Iván
AERCyL. Asociación de Ergonomía de Castilla y León Paseo del Cauce s/n. 47011 Valladolid, España.
ABSTRACT
ABSTRACT
Industry is put under a strong-constant-competitive pressure. Products and production systems suffer continuous changes in a very quickly way. Product and process traditional design methods have been found insufficient to achieve those demands. Therefore the arrival of new tools that support decisions on the basis of product and process conception without physical models help are found to be essential.
This paper shows a general vision of the use of virtual models in order to evaluate postures at work, and the application of a 3D simulation to a real developed project. Results were applied; and in eight months of normal activity, injuries have not been registered.
Key words: 3D simulation, ergonomics, indirect methods.
RESUMEN
RESUMEN
La industria se halla sometida a una fuerte y constante presión competitiva, los productos/sistemas de producción sufren un rápido y constante cambio, para adaptarse a esas demandas los medios tradicionales de diseño de producto/proceso son insuficientes. Es necesario contar con nuevas herramientas que permitan tomar decisiones sobre la concepción del producto/proceso sin modelos físicos.
Este artículo presenta una visión general sobre la aplicación de modelos virtualespara la valoración postural del puesto de trabajo, así como una aplicación real sobre un proyecto desarrollado con simulación 3D. Los resultados fueron aplicados; en 8 meses de actividad no se han registrado lesiones.
Palabras clave: Simulación 3D, ergonomía, métodos indirectos
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
En ingeniería, la utilización de herramientas CAD para el diseño de productos está ampliamente extendida. En sectores como la automoción, la aparición del modelado en 3D mediante software que permiten el modelado sólido, junto con distintas funcionalidades de análisis y simulación, han reemplazado al tradicional 2D.
El término computer-aided engineering (CAE) fue introducido en el mundo de la ingeniería como herramientas para el diseño y la simulación (fundamentalmente análisis estructural), hoy en día incluye múltiples disciplinas de ingeniería, agrupando mucho más que un software de diseño CAD (selección/empleo de materiales, análisis estructural, optimización, cinemática y dinámica de mecanismos, dinámica de fluidos, fabricación virtual, impacto y seguridad de ocupantes, etc.). Durante la última década el desarrollo de las herramientas de simulación de procesos productivos (simulación de flujos productivos, ensamblaje en ingeniería de producción, predicción de variables de procesos productivos, etc.) ha experimentado un rápido crecimiento. La potencia de la visualización en 3D, junto con la posibilidad de estudiar la secuencia real de montaje en un entorno virtual, permiten dar respuesta a una de las principales preguntas que, por ejemplo, en el caso de automoción, más preocupan a los constructores: ¿qué ocurre en mi línea de montaje al introducir un nuevo producto, cómo afecta a mi producción actual y qué impacto tiene para el factor humano? En el campo de la ingeniería de fabricación el uso de herramientas 2D está muy generalizado (lay – out, planos de producción), no obstante el uso de herramienta 3D se está incorporando de forma importante.
Introducir modelo digitales humanos que permitan estudiar la adaptación de productos y procesos al uso de las persona sin necesidad de prototipos físicos puede reducir los costes y tiempos de desarrollo .Siete casos reportados en Chaffin 2001 [4] describen con éxito el uso de estas herramientas para el diseño y la mejora de los puestos de trabajo.
Una de las posibilidad que presentan los estudios de simulación, es la de poder evaluar distintas alternativas y realizar estudios modificando pequeños parámetros de un modelo, Bäckstrand et al 2005 [1] presenta un ejemplo en constructor de vehículos, donde un modelo virtual humano es de gran ayuda para evaluar distintos escenarios y poder relacionar una mejora ergonómica con costes (incluso con puesto de trabajo que ya cumplen estándares desde el punto de vista ergonómico).
En la literatura científica pueden leerse distintas aplicaciones y desarrollo sobre la utilización de las herramientas de simulación 3D para la valoración de los puestos de trabajo. Örtengren R. et al [19] describe distintos casos.
Sundin A. et al [20] describe el uso de las herramientas de simulación para el factor humano como muy positivas para la mejora de los puestos de trabajo. Chang y Wang [6] proponen una metodología para la evaluación de puestos de trabajo mediante simulación con modelos digitales. Utilizan sistemas de captura de movimiento para la colocación de los modelos y realizar el posterior análisis ergonómico. Apunta a la visualización 3D de la tarea como una poderosa herramienta para la mejora. El modelo utiliza el maniquí de DELMIA y mediante la aplicación de esta metodología consiguen la mejora de las estaciones de trabajo de una línea de montaje de puertas de automóvil.
Jimmerson ( 2001) [12] utiliza la simulación 3D en un entorno de automoción, en la evaluación del montaje de una línea de puertas en una factoría de montaje de coches, y concluye que el uso de esta herramienta muestra muchas oportunidades para la reducción de los tiempos de ciclo y la mejora de las condiciones de trabajo, así como la reducción del número de prototipos físicos necesarios para la validación de espacios necesario en el montaje de piezas, el manejo deherramientas y la accesibilidad de componentes en el montaje final. Bäckstrand et al [2] utilizando métodos y herramientas de valoración desarrolladas por el constructor de vehículos SAAB y simulación 3D pone de manifiesto el existo de estas herramientas para el diseño de puesto de trabajo.
En esta misma línea Deogratias, K. et al (2002) [8], Longo F. et al (2006) [16], y Neuman y Kazmierczak [17] plantean la utilización del factor humano para la concepción de la línea, introduciendo los factores ergonómicos dentro de los condicionantes del equillibrado de la línea, junto con los exigibles de producción.
Xuguang Wang [20] describe las aportaciones que utilizar un modelo digita tiene para el diseño de cabinas de grúa. En su trabajo utilizan el modelo MAN3D, software desarrollado por INRETS en colaboración con RENAULT (Verriest et al 1994) compatible con AUTOCAD, y valora la utilización de modelos digitales como muy útil para la evaluación y el diseño de cabina de grúa. Apuntan como limitaciones las referentes a los datos antropométricos e indicando que los estudios están basado en el peor de los casos, siendo muy interesante una validación con medidas de laboratorio.
Lämkull D. [14] describe cómo se emplean estas herramientas en VOLVO, y cómo con un enfoque multidisciplinar la herramienta de simulación de procesos tiene cada vez más importancia.
Un caso estudiado por Rönnäng el al [18], plantea la pregunta de cómo la formación y el conocimiento del usuario de las herramientas de simulación influyen en los resultados. En su estudio ingenieros de fabricación y ergónomos valoran una operación de montaje manual. Se simula la operación mediante la utilización del maniquí JACK, extrayendo vídeos y distintas imágenes que se muestran al grupo elegido. El estudio refleja que existen claras diferencias en cómo ingenieros de producción y ergónomos interpretan los resultados: Los ingenieros se centran más en aspectos técnicos y soluciones prácticas, mientras que los ergómonos aportan una visión más de conjunto con aspecto psicosociales. Está diferencias muestran que es necesaria la utilización de guías para el uso e interpretación de los datos dados por la herramientas de simulación.
Jimmerson (2001) ilustra la necesidad de simplificar los procedimientos de las herramientas de simulación en los estudios en los que colaboran distintos departamentos, denotando la importancia y las ventajas de esta forma de trabajo. Sin duda el hecho del desarrollo conjunto de las herramientas de ergonomía e ingeniería facilita este trabajo. En esta línea de trabajo Hanson et al (2006) [11] describe un estudio para diseñar y evaluar una guía digital y un sistema de documentación de apoyo a las aplicaciones de simulación de modelos digitales con personal de General Motors Group, aplicándose en SAAB Automobile. El sistema consiste básicamente en 2 parte: una guía práctica y una base de datos. De esta forma la información fluye entre los distintos equipos de proyectos, conociendo la información, aspectos y objetivos fundamentales de cada área de interés
Chaffin (2007) [5] incide en el hecho de que este tipo de herramientas presentan una gran ventaja competitiva, y que para que esa ventaja sea aún mayor es necesario una mejora en la funcionalidad de estas herramientas. Esta mejora debe ser encaminada a la validación biomecánica de los modelos y la precisión en la predicción de la postura y el movimiento del modelo digital.
HERRAMIENTAS Y METODO DE TRABAJO
El Modelo Humano Digital (por sus siglas en inglés Digital Human Model DHM) trata de simular el comportamiento humano, reemplazando la realidad por un modelo más económico, estudiando las consecuencias que sobre las personas pudiera tener el producto o proceso, antes de tomar una decisión. Un modelo puede ser una imagen o reproducción física de la realidad, que puede incluir un conjunto de reglas o ecuaciones que pueden ser usadas para calcular una respuesta a unos determinados datos de entrada bajo unas condiciones dadas, con una determinada incertidumbre.
Örtengren R. et al [19] clasifica los modelos digitales humanos (DHM) en 2 grandes grupos: modelos cognitivos/actuación y modelos físicos. Los primeros incluyen campos como: simulación de comportamiento humano, interacción hombre- computadoras, interacción hombre-máquina, inteligencias artificial, modelado de agentes, evaluación de habilidades y cualificación de empleados, evaluación del estrés psicosocial, etc. Los modelos físicos abarcan el área tradicional de la ergonomía: fisiología aplicada, (biomecánica en ergonomía y ergonomía de las posturas de trabajo) y ergonomía ocupacional (trastornos músculo-esqueléticos derivados del trabajo).
Estos último se pueden clasificar en 2 grandes grupos: Modelos Biomecánicos y Maniquíes Computacionales 2D-3D. Los primeros permiten calcular fuerza y momentos en las articulaciones y otras partes del cuerpo, durante la ejecución de la actividad. Estos modelos se han desarrollado para entender cómo afecta la carga a las estructuras del cuerpo y cuanto daño produce. El segundo grupo simulan la apariencia y movilidad humana mediante visualización gráficas 3D dentro de un entono virtual, generado por ordenador.
El presente artículo presenta una aplicación práctica de este último tipo de modelos. Se ha utilizado la herramienta HUMAN de DELMIA para el diseño y evaluación de los puestos de montaje de un componente de automoción.
El DHM es el elemento esencial dentro de una valoración ergonómica virtual. Honglun [10] describe el DHM como un modelo estructural en forma de pirámide; en la base se encuentra la percepción del modelo, un peldaño mas arriba la generación del modelo (postura y movimiento); el siguiente escalón lo constituye la ejecución de las tareas simuladas, y por último la toma de decisiones realizadas por el modelo. Cada peldaño representa un nivel superior de dificultad, siendo los modelos antropométricos y los modelos de análisis ergonómicos las entradas y salidas del sistema.
KroemerKarl H. E et al (1988) [13], Landau (2000) [15] y Chaffin (2001) [4] describen los numerosos modelos de maniquí desarrollados.
Las principales situaciones de utilización de maniquíes son la concepción de productos, y líneas de producción, el mantenimiento de instalaciones así como la formación de personal. Las principales funciones atribuidas a estos programas informáticos son: representación numérica (maniquí) de operadores en planos CAD 3D de puestos de trabajo, simulación de posturas y/o de secuencias de actividad, comprobación de condiciones antropométricas como datos dimensionales del puesto, las zonas de trabajo y el campo de visión del futuro operario, y comprobación de dificultades biomecánicas y/o fisiológicas con ayuda de los métodos de evaluación.
Los modelos comerciales JACK (UGS) y DELMIA HUMAN (Dassault Sistemas), junto con RAMSIS, son los más utilizados en el sector de automoción. [3] ver figura1).
Figura1 Modelos RAMSIS y HUMAN
La metodología planteada para el diseño de la línea de montaje consta de 2 etapas y se resume en la figura 2, siendo, como ya se ha comentado la herramienta de simulación utilizada el software de DELMIA HUMAN V5 R14 (integrado en CATIA V5).
Para la valoración ergonómica se utilizaron métodos indirectos integrados en la herramienta de simulación: RULA y NIOSH LE.
Este desarrollo se integra dentro de un proyecto de desarrollo facilitando la ingeniería concurrente desde las primeras etapas de diseño.
Figura 2: Metodología Utilizada para el diseño ergonómico de pospuesto de montaje
A través de las herramientas de simulación se han ido obteniendo datos hasta llegar a un diseño del puesto productivo que consta de los siguientes elementos generales: Estantería fija con ángulo ergonómico, Estantería regulable en altura, Contenedor para piezas plásticas (hexagonal), Estanterías piezas plásticas, Útil de montaje para el enclavamiento piezas base y Línea de transporte aérea. En la figura 3 se muestra un detalle de algunos de los elementos diseñados y varias posturas evaluadas (se han eliminado los componentes y el entorno 3D a fin de mostrar mejor la posición del modelo virtual).
Se determinaron las alturas máximas y mínimas de la zona de trabajo del transportador aéreo. Se realizaron estudios de altimetrías para asegurar posturas y movimientos que debe realizar el operario para realizar el montaje con un nivel aceptable desde el punto de vista ergonómico. Se diseñó un utillaje que permitiera girar la estructura base para el montaje los componentes, de tal forma que los ángulos de inclinación del componente principal montado en el utillaje permita un montaje adecuado desde el punto de vista ergonómico (de esta forma el utillaje puede girar 180, 45º o 60º grados según el tipo de componente a montar). Para la pieza principal se recomendó un manipulador, ya que el peso excedía el recomendado según NISOH.
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Figura 3. Elementos diseñados para el puesto de trabajo y modelo digital en una posición de montaje. |
Los datos obtenidos, muestran el resultado del comportamiento de la línea mediante un método virtual, reduciendo los posibles riesgos en la seguridad y salud del trabajador así como los posibles costes asociados que podrían ocasionar las bajas laborales y la formación de nuevos operarios que suplan a los lesionados, y por otro lado, los costes derivados de maquetas y ensayos, junto con los posibles costes sufridos por la modificación de la línea para adecuarla a las exigencias ergonómicas en el caso de no realizar estudios previos a la implantación y no conseguir los resultados esperados.
Las recomendaciones dadas por este estudio se han aplicado en la implantación de la línea y pasados 8 meses no se han registrado ninguna baja por trastornos músculo-esqueléticos
DISCUSION
La simulación muestra su potencia, tanto cuando no existen prototipos físicos (acercando el desarrollo de proceso al desarrollo virtual de producto) o el entorno no es accesible o peligroso, como cuando se quiere mejor algo ya existente.
En general trabajar con sistemas virtuales en lugar de con prototipos tiene sus ventajas e inconvenientes. Utilizar modelos virtuales facilita la localización de errores geométricos, pero también tiene la desventaja de no poder recibir las percepciones sensoriales. Las principales limitaciones vienen dadas por la experiencia y habilidad de las personas que manejan las herramientas e interpretan los resultados. Usuarios expertos, especialmente de los sectores de automoción y aeronáutica necesitan en general modificar las herramientas originales, para adaptarlas a sus necesidades. La verificación y validación de los modelos humanos digitales es necesaria para mejorar los análisis y sus resultados, mejorando los modelos biomecánicos y la cinemática y posicionamiento de los maniquíes digitales. Distintos estudios se han publicado en esta línea: Chaffin (2007) [5].
En la actualidad las técnicas de realidad virtual (guantes, cascos de visón con captura de movimiento, pantalla con gafas estroboscópicas (CAVE), etc...) para el desarrollo de nuevos procesos y productos están comenzando a tener un puesto destacado. Mediante estas herramientas se consigue obtener la posición y el movimiento del sujeto en tiempo real, así como la interacción entre el sujeto y el futuro entorno de trabajo o campo de utilización del producto y presentan una clara línea de futuro ( Duffy [9])
Dejando a un lado la capacidad y facilidad de empleo de estas herramientas, un factor muy importante es cómo se están utilizando y cómo se deben usar. Existen muchos aspectos importantes que se deben tener en cuenta a la hora de realizar un correcto uso de estas herramientas. En el caso de las valoraciones ergonómicas, disponer de una metodología y un procedimiento adecuado es vital si se quiere asegurar que los resultados serán representativos de la futura realidad. Es vidente que junto con el conocimiento y destreza adecuada en el manejo de las herramientas, es necesaria un conocimiento en ergonomía y factores humanos.
REFERENCIAS
1 Bäckstrand G. Möller S. Högberg D. De Vin L.J. Sundin A. Case K. A Roadmap towards Cost Calculation Methods Connected to Ergonomics Analysis & Simulation. 2005 Proceedings of NES 2005 Conference
2 Bäckstrand G. Lämkull D. Högberg De Vin L.J. Case K. 2007 Reduction of Ergonomics Flaws Through Virtual Methods. Proceedings of the 39th Nordic Ergonomics Society Conference. Sweden
3 Bub H. Engstler F. Fritzsche F. Mergi C. Sabbah O. Schaefer P. Zacher I. 2006 The development of RAMSIS in past as an example for the cooperation between industry and university. Internacional Journal Human Factors and Simulation Vol1 Nº 1
4 Chaffin D. B. 2001 Digital Human Modeling for Vehicle and Workplace Society of Automotive Engineers Warrendale PA
5 Chaffin D.B. 2007 Human Motion Simulation for vehicle and Workplace Design Human Factor & Ergonomics in Manufacturing Vol 17 (5) 475-484
6 Chang S.W. Wang M.J.J. 2007 Digital Human and Workplace Evaluation: Using an Automovile Assembly Task as an Example. Human Factors & Ergonomics vol 17 (5) 445-455
7 Coblentz, A., Mollard, R. and Renaud C. 1991. ERGOMAN: 3-D Representation of Human Operator and Man-Machine Systems. International Journal of Human Factors in Manufacturing, 1,(2), pp. 167-178.
8 Deogratias, K.; McLean, C. 2002 “Virtual reality of a mechanical assembly production line”. Proceedings of the 2002 Winter Simulation Conference, pp.
9 Duffy V.G. 2007 Modified Virtual Build Methodology for Computer-Aided Ergonomics ans Safety.Human Factor & Ergonomics in Manufacturing Vol 17 (5) 413-422
10 Honglun H. Shouquian S. Yunhe P. 2007 Research on virtual human in ergonomic simulation. Computer & Industrial engineering 53 pp. 350-356.
11 Hanson L. Blomé M. Dukic T. Högberg D. 2006 Guide & documentación system to support digital human modeling applications. I. Journal of I Industrial
Ergonomics. 36 pp. 17-24
12 Jimmerson G. D. 2001 Digital Human Modeling for Improved Product and Process Feasibility Stuies. Digital Human Modeling for vehicele and Workplace Design.
D.B. Chaffin Ed. Society of Automotive Engineers Internacional, Warredale, PA.
13 KroemerKarl H. E., Snook Stover H., Meadows S. K., Deutsch S. 1988 Ergonomic Models of Anthropometry, Human Biomechanics and Operator- Equipment Interfaces: Proceedings of a Workshop. Ed. National Academies Press ISBN: 978-0-309-07802-3
14 Lämkull D. 2005 The daily use of manikins within the manufacturing department at Volvo Car Corporation.- Working methodogy, developments and wanted improvements. Proceedings of NES2005 Conference
15 Landau K. Ed. 2000 Ergonomic Software Tools in Products and Production Design: A Review of Recent Developments in Human Modeling and Others Design Aids. ErgonVerlag Stuttgart Alemania.
16 Longo F., Mirabelli G., Papoff, E. 2006 “Effective design of an assembly line using modelling & simulation. Proceedings of the 2006 Winter Simulation Conference.
17 Neuman W. P Kazmierczak. 2005 Integrating Flow and Human Simulation to predict Workload in Production Systems. Proceedings of NES2005 Conference.
18 Rönnäng M. Örtengren R. Dukic T 2003 It's in Eye of the Behoder: Who Should Be the User of Computer Manikikin Tools? Proceeding of the Digital Human Modeling Conference, Agosto Montreal Canada CD ROM Society of Automotive Engineers Internacional, Warredale, PA.
19 Salvendy G. 2006 Handbook of Human Factors and Ergonomics (Third Edition) ISBN: 9780471449171
20 Sundin A. Medbo L. 2003 Computer Visualization and Participatory Ergonomics as Methods in Workplace Design Human Factors and Ergonomics in Manufacturing, Vol 3 (1) pp 1-17
21 Wang Xuguang, Dolivet C. Brunel N. Minguy J-L 2003 Workplace design of gantry container crane cab on the basis of field surveys followed by three- dimensional computer simlation using a digital human model, Recherche Transports Sécurité 78 pp. 43-61
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