Modelos Humanos Digitais (MHD) e a simulação virtual

Os estudos descritos no item 2.2 trazem informações de análises ergonômicas realizadas com uso de participantes reais em ambientes físicos e protótipos de produtos e estações de trabalho em escala real. Para minimizar questões de custo e a participação de usuários reais nas análises ergonômicas, foram desenvolvidos MHD (Modelo Humano Digital) para serem utilizados em ambientes virtuais para a realização das análises ergonômicas. Os MHD são desenvolvidos a partir dos parâmetros antropométricos identificados e são utilizados conforme a especificidade e necessidade de cada projeto. Os modelos descritos neste item são modelos humanos utilizados em análises ergonômicas para o desenvolvimento de projetos de produtos e estações de trabalho. Segundo Iida (2005), os MHD podem ser representados em diferentes formatos (matemáticos, bidimensionais, tridimensionais e modelos digitais).

Os modelos matemáticos eram desenvolvidos a partir da medição de duas ou três variáveis antropométricas do corpo e as demais medidas eram obtidas por fórmulas matemáticas em função destas variáveis, o que era uma vantagem em termos de facilidade de obtenção das medidas de todo o corpo (Fig. 13). Porém, a dificuldade do uso destes modelos matemáticos está relacionada a muitos segmentos corporais não serem proporcionais entre si, o que poderia causar erros de medidas antropométricas (IIDA, 2005).

Como exemplos de pesquisadores que desenvolveram estudos com modelos matemáticos, estão: Kroemer (1994), Contini e Drillis (1966), Siqueira (1976) e Roozbazar (1977). Entretanto, esses autores afirmam que os modelos matemáticos só podem ser utilizados no projeto como uma estimativa inicial para o levantamento de parâmetros antropométricos, porque não há precisão das medidas através desses modelos (IIDA, 2005).

Figura 13 - Modelo humano matemático.

Fonte: IIDA (2005, p.133).

Outro formato de modelo humano é o modelo bidimensional ou planificado.

Esses representam apenas uma das vistas do corpo humano, como as vistas lateral, frontal ou superior. Normalmente, representam homens e mulheres com os percentis de 5%, 50% e 95% e são construídos em diferentes escalas. São modelos produzidos com baixo custo de fabricação utilizando material como papelão e polímero. A finalidade de uso destes modelos é para análises de estações de trabalho ou de produtos que não requerem maior precisão e detalhamento de medidas antropométricas (IIDA, 2005). A Figura 14 apresenta um exemplo de modelo humano bidimensional desenvolvido para ser utilizado em protótipos de projeto de produto.

Figura 14 - Modelos Humanos bidimensionais representando o percentil 50% em escala reduzida.

Fonte: IIDA (2005, p.129)

Os primeiros modelos humanos ergonômicos que se tem registro para o projeto, são os modelos bidimensionais, usados para ilustrar situações de interação do projeto com o homem e o ambiente. Boa parte dessas aplicações se dava de forma muito restrita, com pouca precisão dimensional e com medidas antropométricas limitadas (OLIVEIRA, 2013). A Figura 15 apresenta um exemplo do uso de um modelo bidimensional para realização da análise ergonômica em uma estação de trabalho.

Figura 15 - Análise ergonômica em estação de trabalho para medir alcances.

Fonte: IIDA (2005, p.130)

Conforme apresentado nas Figuras 14 e 15, é notado que os modelos humanos bidimensionais são limitados e não representam a anatomia fiel do corpo humano, nos seus movimentos e nos parâmetros antropométricos aplicados. Um dos maiores problemas desses modelos é que, como não são customizáveis, as medições ficam restritas aos percentis 5%, 50% e 95%. Estas restrições limitam o desenvolvimento de produtos com maior precisão de medidas, gerando produtos que durante o seu uso podem ocasionar acidentes, causar desconforto ou lesões nos músculos e nas articulações (TILLEY; DREYFUSS, 2005).

Devido a problemas relacionados com o uso dos modelos humanos bidimensionais, foram desenvolvidos modelos humanos em formato tridimensional, mais completos que os bidimensionais, pois reproduzem com maior fidelidade o contorno e o volume do corpo humano, representado em três dimensões. Os modelos tridimensionais desenvolvidos para o meio digital passaram a ser denominados de modelos humanos digitais (MDH), utilizados principalmente em áreas como a biomecânica e a ergonomia, pois possibilita a obtenção de parâmetros antropométricos estáticos e dinâmicos, assim como, parâmetros relacionados à distribuição de pesos, força e resistência ao impacto (IIDA, 2005).

Existem no mercado softwares contendo os MHD em diversos níveis de complexidade de modelos. A aquisição destes softwares de maior ou menor complexidade é decidida a partir das demandas de projeto bem como do investimento financeiro (HELIN et al. 2012). Diversos estudos foram desenvolvidos utilizando MHD tridimensionais para análise ergonômica de produtos e de estações de trabalho. Conforme Jung et al. (2009), o desenvolvimento de projeto de produto utilizando MHD nas análises ergonômicas torna o processo de avaliação, diagnóstico e revisão mais rápido e econômico. Além de possibilitar diversas análises ergonômicas em diferentes etapas do desenvolvimento do projeto. Em seu trabalho, Jung et al. (2009) desenvolveram um método de geração de modelos humanos, implementado em um sistema baseado na Web, para analisar o interior de projetos de automóveis. Entretanto, o estudo realizado não apresenta uma análise ergonômica utilizando o MHD desenvolvido. Os autores apenas citam que poderá ser utilizado para fins de análises e recomendam a necessidade de aprimorar o

MHD e acrescentar informações ao banco de dados relacionadas as medidas das variáveis que representem outras populações.

Kuo e Chu (2005) utilizam modelos humanos em sistemas baseado na web em que há modelos disponíveis em vários padrões de medidas. Os autores realizam a análise ergonômica em ambiente virtual e os MHD desenvolvidos contemplam os parâmetros antropométricos de adultos representando a população de Taiwan (Fig.

16). Nesta figura, é apresentado um MHD com a antropometria de um homem adulto de Taiwan, com o percentil 50% da variável antropométrica estatura, o qual foi utilizado para auxiliar na análise ergonômica do interior do automóvel.

Figura 16 - imagem de análise ergonômica de interior de automóvel.

Fonte: Kuo e Chu (2005).

Jung et al. (2009) e Kuo e Chu (2005) desenvolvem em seus estudos softwares contendo uma variação relevante de percentis de MHD em banco de dados para serem utilizados nas análises ergonômicas. Porém, estes MHD são limitados na questão da customização das variáveis antropométricas, uma vez que os dados são fixos e não possibilitam qualquer alteração fora do determinado no banco de dados.

A relevância dos estudos de Jung et al. (2009) e Kuo e Chu (2005) está na variabilidade de MHD e, para o presente estudo, a possibilidade de registrar estas informações (modelos padrões) em um banco de dados. Esse registro pode facilitar estudos de casos de análises ergonômicas, sendo uma opção para o uso de modelos humanos que não necessitem de medidas personalizadas.

Autores como Grajewski et al. (2013), B.-Y. Koo et al. (2015) e Baek e Lee (2012) concluíram em suas pesquisas que é fundamental utilizar a tecnologia como

a simulação virtual para auxiliar na análise ergonômica do uso de produto e, assim, minimizar erros de projeto. Grajewski et al. (2013), por exemplo, desenvolveram um sistema utilizando a realidade virtual para auxiliar nas análises ergonômicas em que utilizam protótipos virtuais de locais de trabalho que permitem realizar uma análise completa e otimização de soluções. Principalmente, relacionadas à segurança do trabalho, sem necessidade de construir protótipos físicos, como é feito tradicionalmente. O estudo de Grajewski et al. (2013) enfatiza a relevância do uso de tecnologias para auxiliar nas análises ergonômicas como o desenvolvimento de produtos virtuais, eliminando desta forma os protótipos físicos durante as fases do PDP. Entretanto, os estudos de análise ergonômica utilizando a realidade virtual em CAVE¹, mesmo eliminando protótipos físicos dos produtos, necessitam de um grande número de participantes reais para as análises ergonômicas.

Baek e Lee (2012) desenvolveram um MHD parametrizado no qual permite a variabilidade de medidas do corto humano (Fig. 17). B.-Y. Koo et al. (2015) aprimoraram os estudos de Baek e Lee (2012) resolvendo problemas demarcados pelos autores como a precisão de medidas gerando, desta forma, modelos mais realistas em relação ao corpo humano. Entretanto, apesar dos trabalhos desses autores contribuírem para a presente pesquisa, no sentido de desenvolver um método para a parametrização de MHD a partir de um modelo base, o mesmo não permite o movimento das articulações. O que elimina a possibilidade de utilizar o MHD desenvolvido pelos autores para uso em análises ergonômicas.

Figura 17 - Modelo paramétrico de Baek e lee (2012)

Fonte: Adaptado de Baek e lee (2012)

1 Cave Automatic Virtual Environment (ambiente físico contendo um sistema de multiprojeção para realidade virtual). Fonte: Traduzido pela autora de Grajewski et al. (2013).

Conforme o objetivo da presente pesquisa de desenvolver um MHD Paramétrico, os estudos apresentados são de fundamental importância, pois além de enfatizarem a relevância e a necessidade de usar MHD para auxiliar nas análises ergonômicas, apresentam diversos modelos e métodos que podem auxiliar no desenvolvido do MHD na presente pesquisa.

Os estudos descritos apresentam problemas a serem solucionados em relação aos MHD existentes e afirmam a necessidade da customização das variáveis antropométricas e do movimento das articulações do MHD, conforme o movimento real do corpo humano para a realização das tarefas nas análises ergonômicas. Para o desenvolvimento do MHD proposto na presente pesquisa é necessário contemplar assuntos como softwares livres e de códigos abertos, e as diferenças entre estes softwares para ter o conhecimento necessário a fim de selecionar os softwares que serão utilizados para o desenvolvimento do MHD (assunto que é tratado no item 3 da presente pesquisa).