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21ª SEMANA DE LA SALUD OCUPACIONAL – Medellín, Colombia – Noviembre de 2015 http://www.saludocupacional.com.co/
Análisis Comparativo de Software 3d usado en Simulación y Análisis Ergonómico
José Luis Castillo Perilla
Diseñador Industrial
Candidato a especialista en Ergonomía
d+D S.A.S.
Carrera 73 No. 75A67 Oficina 401 Bogotá - Colombia
Teléfono (57)1-276 65 20, celular 317 458 21 18
Abstract
Esta ponencia nace del interés personal, a partir de mi experiencia profesional como diseñador industrial asesor en proyectos de ergonomía
y de inquietudes nacidas en la especialización en ergonomía que curso actualmente, de conocer cuáles herramientas digitales 3d de simulación
y/o análisis se usan en intervenciones ergonómicas a nivel internacional;
y es presentada en el marco de nuevas tendencias del Congreso de Ergonomía.
El objetivo es realizar un comparativo de algunos programas 3d de
simulación ergonómica: sus principales características, campos de aplicación, resultados y perfiles de usuarios requeridos; esto para
plantear posibles ventajas y desventajas de su implementación en las intervenciones ergonómicas a nivel nacional.
Los programas a incluir en el comparativo son:
Jack® and Process Simulate Human® de Siemens®: Software de
simulación con modelos humanos digitales 3d para el diseño de operaciones manuales en la industria de fabricación.
3D Static Strength Prediction Program® (3D SSPP) Universidad de
Michigan: software para análisis de la biomecánica en manipulación manual de cargas.
HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc: Programa para el modelado humano digital, en entornos 3d y simulación de la mecánica
del cuerpo humano trabajando en su entorno laboral
La información proviene de diferentes fuentes: desarrolladores del software; docentes, estudiantes y profesionales usuarios de los
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programas; y realización propia de algunos ejercicios de comprobación y
validación de resultados.
El resultado obtenido busca divulgar en el gremio de la ergonomía este
portafolio de herramientas digitales y también promover el incremento del uso de herramientas de este tipo; ya que ofrecen resultados útiles,
necesarios y complementarios a las actuales técnicas usadas en el promedio de las intervenciones ergonómicas en nuestro contexto local.
Palabras clave: ergonomía, simulación 3d, evaluación ergonómica 3d, análisis ergonómico 3d,
Introducción
El objetivo de este trabajo responde al interés personal desarrollado a partir de mi experiencia profesional como diseñador industrial asesor en
proyectos de evaluación y propuestas de intervención ergonómicas en diferentes sectores productivos en Colombia, así como de inquietudes
particulares nacidas en la especialización de ergonomía que curso actualmente, de conocer cuáles herramientas digitales en tres
dimensiones de simulación o análisis se usan en intervenciones ergonómicas a nivel internacional, y se presenta en el marco de nuevas
tendencias del XXXV Congreso de Ergonomía, Higiene, Medicina y Seguridad Ocupacional, realizado en la ciudad de Medellín Colombia en
octubre del año 2015.
El objetivo es realizar un comparativo de algunos de los programas desarrollados para simulación y análisis ergonómicos en tres
dimensiones (3d): sus principales características, conocimientos previos y perfiles de usuario requeridos, campos de aplicación y resultados
obtenidos; y así ampliar el abanico de posibilidades de técnicas complementarias a las comúnmente usadas en las intervenciones
ergonómicas en nuestro contexto, y permitiendo así tener un criterio preliminar de las posibles ventajas particulares que ofrece cada uno de
ellos en aplicaciones concretas.
Los programas revisados son:
Jack and Process Simulate Human de Siemens®
3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®)
HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc®
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Todos los nombres y marcas de los programas relacionados son propiedad de cada institución y se aclara que a la fecha de esta publicación, no existe ninguna relación laboral o comercial del autor
con alguna de estas instituciones.
1. Jack and Process Simulate Human de Siemens
Es un Software de simulación con modelos humanos digitales 3d usado en el diseño de operaciones manuales en la industria de fabricación que
ofrece la posibilidad de realizar análisis ergonómicos-productivos (en
algunos casos mediante módulos adicionales opcionales).
Características Principales:
Modelos 3d de humano, a partir de diferentes bases de datos antropométricas como: Ansur (Ejercito de Estados Unidos), Asia,
India, Ejército de Canadá, China, Alemania, NHANES (National Health and Nutrition Examination Survey) y North American Auto
Workers, con la posibilidad cargar otras bases de parametrizar datos antropométricos personalizados
Simulación de interacción humana con los equipos, herramientas e instalaciones de su entorno, a partir de bibliotecas de posturas y
secuencias prediseñadas de movimientos y operaciones típicas en industrias manufactureras, módulo especial para modelado de
posturas de mano
Herramientas para análisis e informes ergonómicos automáticos en las simulaciones de:
o Riesgo de lesiones (análisis de espalda baja)
o Accesibilidad: campos de visión y zonas de alcances
o Gasto energético, fatiga estática y en tiempo real, tiempos de
recuperación
o Manipulación manual de cargas
Posibilidad de aplicación de metodologías de evaluación como NIOSH, OWAS, RULA
Comprobación de escenarios hipotéticos, mediante el cambio tamaño del modelo digital humano, tamaño de objetos, peso de las cargas, calculando posturas y movimientos de acuerdo a los
cambios realizados
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Informes ergonómicos automáticos con estimaciones de tiempo con base en tablas de tiempos estándar ingresados
Simulación con base en capacidades de rendimiento Humanos como: predicción de la postura a partir de fuerzas de influencia,
creación de campos de visión, zonas de alcance y posibles interferencias
El proceso típico de la simulación es:
A. Crear un modelo 3d humano, seleccionando genero y tamaño (percentil) a partir de la biblioteca de bases de datos
antropométricas, o desde una base de datos antropométrica o datos personalizados, obteniendo un modelo digital similar a los
que se presentan en la imagen siguiente:
Ejemplos de modelos humanos digitales de Jack and Process Simulate Human de Siemens®
Tomado de www.siemens.com/tecnomatix
B. Definir postura de modelo digital a partir de biblioteca de posturas
o simular su interacción con los objetos del entorno, mediante el uso del Task Simulation Builder para definir más rápidamente
secuencias prediseñadas de tareas con comandos de tipo: tomar,
cargar, colocar, caminar, etc. (que ofrecen predicción de posturas de acuerdo a operaciones a realizar)
Ejemplo de simulación de postura en Jack and Process Simulate Human de Siemens®
Tomado de www.siemens.com/tecnomatix
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C. Analizar el rendimiento humano usando las herramientas de
análisis, generando informes en tiempo real como en el ejemplo siguiente:
Ejemplos de análisis en tiempo real en Jack and Process Simulate Human de Siemens®
Tomado de www.siemens.com/tecnomatix
D. El software proporciona controladores para dispositivos de
hardware de captura de movimiento (incluso para el sensor Kinect de la consola XBOX de Microsoft®). Esto permite validaciones
alternativas con prototipos, como por ejemplo en las imágenes siguientes:
Ejemplo de simulación mediante captura de movimiento en Jack and Process Simulate Human de
Siemens®. Tomado de www.siemens.com/tecnomatix
Conocimientos y perfil de usuario
Desde mi concepto personal el usuario de este software recomiendo
debe tener conocimientos básicos de programas 3d (operaciones básicas, manejo de coordenadas y ejes espaciales; unidades de medida
dimensionales, angulares, de peso y de tiempo (como mínimo), conocimientos básicos de biomecánica y operaciones básicas manuales
en entornos productivos de manufactura.
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Así mismo conocer las metodologías de evaluación postural y de
manipulación manual de cargas que aplica el software:
Es de anotar que este software, esta enmarcado en una plataforma tecnológica diseñada para todos los equipos de diseño y planeación de la
planta productiva, así que el modelado de la planta industrial lo realiza el equipo de diseño e ingeniería y el especialista en ergonomía se enfoca
en la interacción humana con ese diseño.
Aunque las posibilidades de aplicación de este software se encuentran prácticamente en cualquier sector industrial, en la práctica (en nuestro
contexto empresarial) lamentablemente los recursos disponibles en presupuesto y tiempo para el diseño riguroso de las instalaciones
productivas es muy limitado; lo cual, en muchos casos, obliga a desaprovechar la oportunidad de realizar intervenciones ergonómicas
“preventivas” desde el diseño y dedicarnos a las intervenciones correctivas.
2. 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan:
Software desarrollado por el centro de ergonomía de la facultad de Ingeniería de la Universidad de Michigan, para el análisis de la
biomecánica humana en manipulación manual de cargas. El Software
predice los requisitos de resistencia estática para actividades de manipulación como levantar, empujar y halar. El programa ofrece una
simulación que incluye datos de postura, de fuerza según variables antropométricas seleccionadas o personalizadas.
Los resultados incluyen las fuerzas estimadas de compresión a las que se somete la columna vertebral, y la comparación de los datos con los
límites de la metodología del Instituto Nacional para la Salud y Seguridad Ocupacional NIOSH. Se pueden analizar curvas y giros de la
columna. El Análisis es apoyado por una biblioteca de posturas
automáticas en tres paneles con las vistas principales del modelo.
La universidad desarrolladora ofrece el software para usarlo como ayuda
en la evaluación de las exigencias físicas de un trabajo prescrito y como ayuda en la evaluación de diseños y rediseños de trabajo y aclara que
es más útil en el análisis de los movimientos "lentos" utilizados en la manipulación de materiales pesados ya que los cálculos biomecánicos no
asumen la aceleración.
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El software compara el análisis con la aplicación de la metodología de
NIOSH y los límites para la fuerza de compresión de disco.
A continuación se presenta una imagen del menú principal:
Menú principal del programa 2. 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan. Tomado de Manual de usuario: http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/features.html
El proceso normal de uso es:
Levanta la información dimensional y de pesos en el puesto de
trabajo, incluyendo imágenes gráficas de diferentes puntos de vista
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Ejemplo de aplicación de 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan. Tomado de http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/example.html
Seleccionar género masculino o femenino, ingresar los datos de estatura y peso, y automáticamente se actualiza el modelo 3d
Seleccionar una postura predeterminada o, como en este ejemplo,
ingresar los ángulos articulares para cada segmento corporal y lograr así una postura personalizada, como en la siguiente
imagen:
Ejemplo de aplicación de 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan. Tomado de http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/example.html
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Ejemplo de aplicación de 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan.
Tomado de http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/example.html
3D SSPP proporciona varios análisis que incluyen el cálculo de los vectores de fuerza y de momento, las capacidades de fuerza, y las
fuerzas de compresión de la espalda baja.
Cuando el informe resumen indica que la fuerza de compresión de la espalda baja es un factor de riesgo, se presenta información
adicional que proporciona un desglose más completo de los componentes que contribuyen a la fuerza de compresión de disco,
y también información sobre las fuerzas de cizallamiento del disco, como se en la siguiente imagen:
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Informe adicional de espalda baja en ejemplo de aplicación de 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de Michigan. Tomado de http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/example.html
Conocimientos y perfil de usuario
Este software tiene una aplicación mucho más específica, y su interfaz es más sencilla para la manipulación del modelo 3d; desde mi
experiencia no requiere que el usuario tenga experiencia previa en software 3d; ya que con la realización de algunos ejercicios se logra
adquirir la destreza de manipular el modelo, a partir de acciones cotidianas como picar y arrastrar los puntos clave de las articulaciones.
Considero muy importante que el usuario conozca a profundidad la
metodología para manipulación manual de cargas de NIOSH, e ingresar los datos antropométricos ya que la base de datos por defecto es
norteamericana, así que los percentiles no aplican para una población de otro país.
Así mismo es importante relacionar los datos e informes que ofrece el
programa, a los límites de la metodología NIOSH y en caso de superar los límites, simular situaciones “mejoradas” con las intervenciones
propuestas para mantener los indicadores en niveles que no implican riesgo para el trabajador.
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El software es versátil en el sentido de funcionar en intervenciones o
evaluaciones ergonómicas de tipo preventivo y correctivo.
3. HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc.
Programa para el modelado humano digital, en entornos 3d y simulación
de la mecánica del cuerpo humano trabajando en su entorno laboral, con modelos 3d parametrizados que brindan la posibilidad simular
diferentes tamaños de personas, con sus respectivos cambios en sus
capacidades físicas como campos de visión, zonas de alcance y de levantamiento de cargas.
Este software usa bibliotecas y bases de datos antropométricas y de posturas, y también permite guardar secuencias, posturas y
dimensiones antropométricas personalizadas en las bibliotecas para usarlas posteriormente.
Características del producto
Antropometría flexible a partir de bases de datos del ejército norteamericano y de la Nasa. Control personalizado de antropometría por medio de registrar manualmente la estatura y
peso, y las demás dimensiones se escalan proporcionalmente, o
también permite ingresar los valores de todos los segmentos corporales para generar un modelo completamente personalizado.
El editor de antropometría, de los modelos humanos 3d, cuenta con categorías de tipos somáticos: ectomorfo, mesomorfo y
endomorfo.
Bibliotecas de posturas predefinidas, incluyendo posturas de mano.
Posicionamiento de segmentos a partir de cinemática inversa (IK) y cinemática directa (FK).
Límites de alcances, límites de campos de visión.
Piso digital complementario, para secuencias de interacción de desplazamientos.
Simulaciones teniendo en cuenta dotaciones de manos y pies.
Informes de distancias y ángulos dinámicos, de acuerdo con actualizaciones de la simulación.
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Módulos con ecuaciones de levantamiento de NIOSH y una interfaz para el software de la Universidad de Michigan modelo 3D SSPP).
BSIP (Segmento Cuerpo parámetros inerciales) que, según empresa desarrolladora, elaboran de manera más realista masas,
centros de masa y matrices de inercia segmentos.
Este software funciona bajo el concepto de importación de modelos 3d desde otros modeladores, de los entonos 3d, máquinas y herramientas;
y allí se configuran los modelos humanos digitales bajo los parámetros antropométricos requeridos, asignado posturas y secuencias de
simulación con respecto a los objetos con que se interactúa.
A continuación se presentan algunas imágenes que ilustran la interfaz gráfica, y la forma de visualización de campos visuales y zonas de
alcance.
Ejemplo de aplicaciones de HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc. Tomado de http://www.nexgenergo.com/ergonomics/humancad.html
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Ejemplo de aplicaciones de HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc. Tomado de http://www.nexgenergo.com/ergonomics/humancad.html
Ejemplo de aplicaciones de HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc. Tomado de http://www.nexgenergo.com/ergonomics/humancad.html
Conocimientos y perfil de usuario
De acuerdo con mi experiencia en el uso de software de modelado, el intercambio de modelos CAD (dibujo asistido por computador) desde
diferentes programas implica un mayor dominio de escalas, coordenadas, ejes espaciales, unidades y parámetros de importación.
Así como conocimientos de biomecánica y operaciones básicas manuales en entornos productivos de manufactura, para una correcta selección de
ítems en las bibliotecas
Así mismo conocer las metodologías de evaluación postural y de manipulación manual de cargas que aplica el software:
Similar al software de Siemens, sus posibilidades de aplicación se encuentran prácticamente en cualquier sector industrial, y claramente
con la misma ventaja de realizar intervenciones preventivas.
Conclusiones
Una vez realizada la revisión preliminar de los programas, y proyectando
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la implementación y uso de este tipo de herramientas digitales en
intervenciones ergonómicas en nuestro contexto cercano, he podido concluir que:
Se evidencia como una necesidad importante el desarrollo de una
base de datos antropométrica nacional o regional, actualizada, no sólo para estas herramientas sino para la toma de decisiones en
general en la disciplina
Herramientas de este tipo, puede colaborar en la consecución de objetivos de disciplinas tan diferentes, y presuntamente lejanas,
como el área de la salud y áreas de la ingeniería y el diseño para lograr entornos laborales, sanos, saludables productivos y
rentables.
La mezcla de las variables colombianas de economía, tipos de empresas, y costos de mano de obra hace que en nuestro
contexto existan muchas actividades operativas manuales, y esto hace que, como comunidad profesional, debamos pensar en un
método de garantizar un mínimo de condiciones saludables de estos puestos de trabajo, desde el mismo diseño y una
oportunidad para ello es el uso de herramientas de este tipo.
En mi concepto creo que debemos planear y proponer un siguiente escalón a mediano o largo plazo, en el que se consolide y
aproveche la información de evaluación de diagnósticos, e informes (muchos guardados en las cajoneras para ser
consultados en caso de alguna auditoria o trámites legales) realizados en abundancia en el sector laboral formal, y consolidar
ello en recomendaciones, normas o, porque no, incluso leyes (dada nuestra disposición cultural al cambio de hábitos mediante
la imposición de leyes y multas que obliguen su cumplimiento que
generen una “sintomatología” en los bolsillos personales o empresariales) que regulen el diseño de puestos de trabajo
Referencias Bibliográficas:
(1) Jack and Process Simulate Human de Siemens®. [internet]. [Consultado 2015 Octubre 10]. Disponible en:
o http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecno
matix/manufacturing-simulation/human-ergonomics/jack.shtml
o https://www.youtube.com/watch?v=7bi9zEcrdLE
o https://www.youtube.com/watch?v=LajkWjISJVA
o https://www.youtube.com/watch?v=dXBKGrUuJ_A
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(2) 3D Static Strength Prediction Program (3D SSPP®) Universidad de
Michigan
o http://inventions.umich.edu/technologies/0269_3d-static-strength-prediction-program
o http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/features.html
o http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/index.html
o http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/background.html
o http://www.umich.edu/~ioe/3DSSPP/example.html
(3) HumanCad 3® de NexGen Ergonomics Inc
o http://www.nexgenergo.com/index.html
o http://www.nexgenergo.com/ergonomics/humancad.html#Sec1