ERGONOMÍA. Sistema HADA Move-Human Sensors

Transcripción

1 Sistema HADA Move-Human Sensors Sis t e m a p o r t á t i l p a r a c a p t u r a y a n á l is is t r i d i m e ns i o n a l d e l m o v i m i e n t o h u m a n o en p u e s t o s d e t r a b a j o b a s a d o en sensores inerciales d e m o v i m i e n t o y s i m u l a c i ó n 3D c o n m o d e l o s b i o m e c á n i c os. Dr. Ing. José Manuel Álvarez Zárate Director general delinstituto de Ergonomía MAPFRE 1. Introducción. El desarrollo del sistema HADA Move-Human Sensors es resultado de una estrecha colaboración entre el grupo de investigación en Ergonomía IDERGO del Instituto I3A de la Universidad de Zaragoza y el Instituto de Ergonomía MAPFRE. Aunque el equipo que se describe tiene diversas aplicaciones en diferentes campos (diseño y validación de productos, Medicina del Deporte, rehabilitación, valoración del daño corporal, formación, etc.), en este artículo nos centraremos en su aplicación en el campo de la Ergonomía, en particular en prevención de trastornos musculoesqueléticos relacionados con el trabajo. HADA Move-Human es un sistema portátil que está compuesto por un conjunto de sensores de movimiento que se colocan al trabajador y un software para captura y análisis de movimiento. La información proporcionada por los sensores durante la captura en campo, en combinación con un software de animación 3D, permiten reproducir el movimiento del trabajador con un modelo biomecánico, posibilitando llevar a cabo una valoración desde el punto de vista de la Ergonomía de forma ágil y precisa. Asimismo, una vez reproducido el movimiento en un modelo virtual, se puede interactuar con la escena y con el propio modelo, lo que posibilita simular diferentes percentiles de población realizando la misma tarea, valorar los riesgos en cada caso aplicando diferentes métodos de evaluación, realizar el rediseño del puesto y verificar cómo repercuten estos cambios en la valoración de los riesgos, etc. En la actualidad existen diferentes sistemas muy avanzados para la captura de movimiento. No obstante, la mayoría son de uso restringido a condiciones de laboratorio y requieren una alta capacitación de los profesionales que los utilizan. HADA Move-Human Sensors se ha diseñado para facilitar la captura de movimiento en puestos de trabajo con una configuración muy portátil y fácil de utilizar en las tareas de campo. Se precisa únicamente la chaqueta o sistema de anclaje que incorpora los sensores, un tablet PC o una PDA para almacenar la información suministrada por los sensores y una cámara de video que se podrá colocar sobre un trípode o llevar en mano por el técnico durante la filmación (fig. 1 y 2). Posteriormente en la oficina, la información recogida en campo es procesada con un software que permite visualizar el movimiento resultante sobre un modelo biomecánico de hombre o mujer, cuya antropometría podremos ajustar. Asimismo, puede realizase un estudio tridimensional del movimiento y un análisis biomecánico o aplicar métodos de evaluación incorporados en Dr. Ing. José Javier Marín Zurdo Coordinador del Grupo IDERGO I3A.Universidad de Zaragoza el software. Consecuentemente, se podrá precisar en qué momentos de la actividad pueden producirse lesiones musculoesquéticas y sobre qué articulaciones en concreto, lo que facilita el realizar un rediseño de la operativa de trabajo evitando posibles situaciones de riesgo. 2. Captura de movimiento en entornos reales. Los modelos virtuales que parecen imitar los movimientos y los gestos de los seres humanos se han desarrollado gracias a una herramienta clave: la captura de movimiento (MoCap). Es- Figura 1. Configuración tablet PC (elementos a usar en campo y en oficina). Figura 2. Configuración tablet PC y cámara webcam fija sobre trípode. 92 Marzo - Abril 2011

2 tos sistemas están siendo ampliamente utilizados por numerosas compañías en el ámbito del modelado 3D, animación virtual y aplicaciones cinematográficas. Los sistemas MoCap permiten obtener un modelo 3D computerizado del movimiento humano. En consecuencia, es posible manipular dicho modelo de múltiples formas, girarlo, aumentar su tamaño, observar detalles desde cualquier ángulo, incorporarlo a otros escenarios 3D, etc. Todo ello proporciona múltiples campos de aplicación, pero no solo en el ámbito de la animación virtual, sino también en campos como la Medicina e Ingeniería. HADA Move-Human Sensors es un sistema MoCap que utiliza sensores inerciales que están ubicados en posiciones predefinidas del cuerpo o dispuestos en una chaqueta instrumentalizada que lleva el trabajador (fig. 3). Esta técnica de animación utiliza un personaje sintético que esta representado por dos partes, una representación superficial usada para dibujar al personaje, llamada la piel, y una construcción jerárquica de huesos que es la base de la animación, llamada el esqueleto (fig. 5). Intuitivamente podemos Figura 5. Modelo esqueletal. Animación de un personaje sintético. pensar que la definición de un esqueleto de un personaje virtual es similar a nuestro propio esqueleto, donde la estructura jerárquica implica que cada hueso tiene uno o más huesos hijos y al mover un hueso padre se mueve los correspondientes huesos hijos. A su vez, cada hueso tiene una piel asociada que le rodea dándole un aspecto visual casi real. Figura 3. Sensores inerciales y su posible colocación en el cuerpo. La información generada en cada sensor, a una frecuencia de captura determinada, es enviada a un concentrador o unidad de comunicación. Dicho concentrador recoge los datos emitidos por los sensores y los envía de forma inalámbrica vía bluetooth a una PDA o tablet PC que los almacena en un fichero (fig. 4). Figura 4. Detalle del concentrador que se comunica vía bluetooth con un tablet PC. 3. Animación esqueletal. Hay que observar que el fin último de los sistemas MoCap es trasladar el movimiento capturado del actor o personaje real a un personaje virtual o modelo humano sintético. Pero para lograr esa traslación, esto es, que el actor virtual se mueva como el actor real es necesario lograr lo que se denomina animación esqueletal. Cuando movemos un personaje, lo que movemos realmente son los huesos o segmentos corporales y la piel sigue el movimiento de cada parte asociada. Asimismo, la piel de la zona próxima a las articulaciones -pensemos en la rodilla o en un codo- se deforma siguiendo algoritmos específicos que incorporan los software de animación actuales, ofreciendo un visión del movimiento muy realista. 4. Descripción del hardware del sistema. El sistema HADA Move-Human Sensors incluye los siguientes elementos: Kit sensores de movimiento inerciales (fig. 6). Un concentrador o unidad de comunicación a la cual se conectan los sensores por cable y transmite los datos vía bluetooth (fig.6). Tablet PC o PDA que incluye un software que permite iniciar y parar la captura y, durante el proceso de captura, registra en un fichero la información suministrada por los sensores a través de la unidad de comunicación antes citada (fig.6). 93 Marzo - Abril 2011

3 Figura 6. Configuración de ubicación de los sensores y unidad de comunicación. Cámara de vídeo para filmar la actividad del trabajador y que posteriormente se podrá sincronizar con la captura de movimiento (fig. 7). Figura 7. Equipo de campo. Otros elementos necesarios para las tareas de campo, como trípode o bolsas para el transporte y baterías adicionales para la cámara de vídeo o la unidad de comunicación. 5. Análisis del movimiento. Una vez que el movimiento del trabajador a lo largo de la secuencia analizada está reconstruido y ajustada la antropometría del modelo virtual convenientemente, se accede al módulo de análisis del movi- Figura 8. Sistema HADA Move-Human Sensors operando en campo. Figura 9. Ajuste de posición de las manos al cambiar el percentil a P5 y P Marzo - Abril 2011

4 miento, el cual permite determinar la cinemática del movimiento del sujeto: ángulos de los segmentos corporales en cada instante así como posiciones, velocidades y aceleraciones, tanto de translación como de rotación (fig. 10). Figura 11. Visualización gráfica de la variación de parámetros angulares e informe. que nos permiten visualizar las variaciones de los distintos parámetros de aceleración sincronizados con el movimiento del actor virtual y el video filmado en campo (fig. 12). Figura 10. Análisis biomecánico de segmentos corporales. De cada segmento corporal del modelo virtual se podrá visualizar gráficamente la variación de ciertos parámetros a lo largo de los distintos frames de la filmación realizada, así como obtener un informe impreso (fig. 11). En concreto se podrá observar, dentro del rango de imágenes o frames que se desee, la variación de los siguientes parámetros: Ángulos de flexión-extensión en piernas, muslos, brazos, antebrazos o en cabeza y cuello. Ángulos de desviación lateral en columna, cabeza o manos; o de prono-supinación en antebrazos, y ángulos de rotación del segmento corporal deseado. Velocidades y aceleraciones angulares de los citados ángulos. Desplazamientos del centro de gravedad del cuerpo y de los extremos de brazos y piernas y las velocidades y aceleraciones de dichos desplazamientos. Para el análisis de aceleraciones se han desarrollado un conjunto de funciones implementadas sobre una hoja de cálculo Figura 12. Análisis de las aceleraciones suministradas por los sensores. Una vez recreado el movimiento en 3D se dispone de toda la información relativa a alturas, alcances, posición de los diferentes segmentos corporales, etc. y, por tanto, introduciendo algunos parámetros como fuerza aplicada, pesos manejados, frecuencia de los movimientos, estaríamos en condiciones de aplicar diferentes métodos de evaluación en Ergonomía (REBA, NIOSH, OCRA, etc.). 96 Marzo - Abril 2011

5 Figura 13. Aplicación del Método NIOSH. Parámetros angulares considerados. El sistema proporciona la posibilidad de poder introducir cambios en el movimiento del modelo y rápidamente obtener la nueva evaluación. De esta forma, se pueden proponer mejoras junto con la correspondiente evaluación ergonómica. En formato MS Word, se proporcionan una serie de plantillas predefinidas que el usuario puede personalizar. Los formularios se generan automáticamente y en los mismos se incluyen todos los datos del estudio (fecha del estudio de campo, número de frames grabados, etc.). Además, el usuario puede seleccionar las posturas y los datos (resultados obtenidos, gráficas, resumen estadístico, etc.) que desea trasladar a cada informe. Esto facilita la labor del técnico, ya que únicamente tiene que completar el informe estándar con las conclusiones y recomendaciones que estime oportunas, mientras que el resto de datos del estudio son cumplimentados por el Sistema. La utilización de un sistema de captura de movimiento como HADA Move-Human Sensors nos ofrece la posibilidad de acceder a utilizar modelos biomecánicos mas complejos, capaces de considerar las características biomecánicas de los tejidos que participan en el movimiento, permitiéndonos adelantarnos a los sucesos que pueden ocurrir a nivel musculoesquelético cuando realizamos una actividad concreta. Esto es espe- Figura 14. Aplicación del Método REBA. Estadísticas resultantes. cialmente útil a efectos de valorar los posibles riesgos derivados de una determinada actividad laboral. Con esta idea de utilizar modelos biomecánicos avanzados, se ha desarrollado un sistema predictivo de lesión musculoesquelética. Dicho sistema se fundamenta en un modelo musculoesquelético de cuerpo entero que incluye aquellos músculos más representativos de cada región articular. Este software permite calcular la actividad muscular -como porcentaje de la MVC (Contracción Voluntaria Máxima)- en los distintos grupos musculares, conocido el movimiento, las fuerzas que realiza y las características antropométricas del modelo biomecánico considerado (fig. 15). Si el trabajador realiza alguna fuerza, por ejemplo, con una o ambas manos, podremos introducir esa fuerza (N) y el sentido de la misma en un sistema de coordenadas globales. Si se trata de una fuerza de giro, podremos introducir los momentos correspondientes (Nm). Dicha información se debería haber anotado en campo y con el uso de dinamómetros. 98 Marzo - Abril 2011

6 Figura 15. Análisis de la actividad muscular. Modelo musculoesquelético. Figura 17. Puntos marcados y refenciados en todas las fotos. Figura 18. Visualización de la escena desde donde se tomaron las fotos. Figura 16. Análisis de la actividad muscular. Modelo musculoesquelético. También existe la posibilidad de añadir un sistema inalámbrico de electromiografía de superficie y calcular el porcentaje de máxima contracción voluntaria. En definitiva la utilización conjunta de este software y MH-Sensors nos permitirá conocer en qué momentos de la tarea pueden provocarse lesiones musculoesquéticas en el trabajador y sobre qué articulaciones en concreto. Según el nivel de riesgo alcanzado se deberán adoptar las medidas preventivas oportunas para que dichos parámetros se mantengan dentro de ciertos límites. El Sistema MH-Sensors se puede complementar con un software de fotogrametría que nos permite realizar una reconstruc- 99 Marzo - Abril 2011

7 Figura 19. Visualización de actor real y virtual superpuestos, variando el renderizado. Figura 20. Visualización de la animación desde distintos puntos de vista seleccionables. ción 3D de la escena a partir de un conjunto de fotos tomadas del puesto de trabajo. 6. Conclusiones. Dadas sus características de portabilidad y facilidad de uso, el sistema HADA Move-Human Sensors resulta especialmente apropiado para ser utilizado en entornos reales, habiendo sido probado con éxito en puestos de trabajo industriales. El equipo se ha diseñado pensando en todo momento en su facilidad de uso tanto en campo, cuidando especialmente los aspectos de portabilidad y operativa de funcionamiento, como en oficina a la hora de procesar la información capturada por los sensores y poder trasladar el movimiento a un actor virtual y de fondo el video filmado del trabajador real. El resultado es un sistema realmente portable y ágil a la hora de obtener resultados para el análisis. Dado el conjunto de funcionalidades descritas entendemos que puede facilitar en gran medida la labor del técnico en prevención de riesgos laborales, ya que proporciona información relevante sobre las posturas y movimientos del sujeto, permite la aplicación de métodos de evaluación reconocidos, analizar el puesto de trabajo simulando sujetos con diferentes dimensiones antropométricas, a la vez de poder comparar diferentes propuestas de mejora. La integración con otras aplicaciones, como la fotogrametría que permite la reconstrucción 3D de la escena a partir de ciertas fotos del puesto de trabajo, con el software adicional, posibilita realizar un análisis musculoesquelético de la actividad que realiza el trabajador. Figura 21. Simulación de la situación actual y propuestas de mejora. 100 Marzo - Abril 2011