Bilgisayar destekli ergonomik analizler istatistiksel sonuçlar verebilir mi?

Transkript

1 Bilgisayar destekli ergonomik analizler istatistiksel sonuçlar verebilir mi? Türkiye toplumu için antropometrik veriye dayalı ergonomik tasarım yöntemi 22. Ulusal Ergonomi Kongresi 06.Ekim.2016

2 İÇERİK Ergonomi ve ergonomik tasarım Kas-İskelet Sistemi analizleri ile ergonomi Antropometrik veriler ile ergonomik tasarım Türkiye toplumu için örnek ergonomik tasarım

3 ERGONOMİ İnsanların, kendi çalıştıkları çevrelerinde anatomi, fizyoloji ve psikolojilerinin incelenmesi Biyoloji Terimleri Sözlüğü 1998 Bu sunumda Ergonomi Analizi ile kastedilen, bireyin vücut ölçülerine (antropometri) ve biyomekanik özelliklerine (hareket hudutları, kuvvet gereksinimleri) uygunluk analizidir.

4 KAS-İSKELET SİSTEMİ ANALİZİ Kas-iskelet sistemi analizleri (musculoskeletal system analysis), biyomekanik prensipler kullanarak canlıların hareket ve bu hareketler için gerekli kuvvet oluşumunu inceleyen analizlerdir Aslında çok kompleks olan bu sistem, mühendislik varsayımları ile analiz edilebilir bir modele indirgenerek analiz edilir Kemikler rijit (esnemez) kabul edilir Kaslar çizgisel elemanlar olarak kabul edilir (farklı seviyelerde benzetimler, Hill modeli)

5 KAS-İSKELET SİSTEMİ ANALİZİ İki farklı yöntem öne çıkmaktadır: Forward Dynamics İstenilen hareketleri oluşturacak kuvvetlerin bir optimizasyon döngüsü içerisinde, belirli kısıtlar altında hesaplanması Inverse Dynamics Kontrolsüz hareketler (çarpma, topa vurma, refleks) Kontrollü hareketler (alet kullanma, yürüme, taşıma) Tanımlanan hareketi (kinematik çözüm) oluşturacak kuvvet dağılımının AnyBody Inverse Dynamics (Tersine Dinamik) yöntemini kullanmaktadır

6 KAS-İSKELET SİSTEMİ ANALİZİ Pandy et.al Kas-iskelet sistemi hareketlerini kontrol optimizasyonu olarak tanımlamıştır ( forward dynamics ve matematiksel ağırlıklı çözümleme) Happee et.al Kuvvet değerleri tersine dinamik (inverse-dynamics) yöntem ile çözümlenmiş Kas kuvveti dağılım belirsizliği optimizasyon ile çözümlemiştir Rasmussen et.al Kas iskelet sisteminin çözümlenmesi için farklı adımlarında (kas kuvveti dağılım belirsizliği, kapalı kinematik diziler) Rasmussen et.al > AnyBody (inverse-inverse dynamics) Delp et.al > OpenSim (forward dynamics based optimization)

7 ANYBODY MODELLEME SİS. AnyBody Modelleme Sistemi, Aalborg Üniversitesi ndeki araştırmalar sonucunda geliştirilmiş, Inverse Dynamics yöntemini kullanan, İnsan hareketini modellemeye yarayan Kas-iskelet sisteminin tümünü veya alt gruplarını modellemeye imkan tanıyan, Tanımlanan hareket için kas kuvveti ve aktivasyonlarını, eklem reaksiyonlarını, mekanik işi, verimliliği hesaplayabilen, bir yazılımdır AnyBody Technology firması 2000 li yıllardan itibaren akademik ve ticari destek vermektedir

8 ANYBODY MODELLEME SİS. Açık kaynak kodlu tüm vücut insan modeli, farklı çalışmalarla doğrulanmış parçalardan oluşmaktadır

9 ANYBODY MODELLEME SİS. Sistem birçok alanda optimizasyon yöntemini kullanmaktadır: Kinematik hesaplamalar Kas aktivasyonu hesaplamaları Parametrik optimizasyon 2 serbestlik derecesi: Omuz açısı Dirsek açısı 3 bilinmeyen (kas kuvvetleri) 3 2 =1 statik olarak belirsiz durum! Brachialis Biceps Brachii F m M 0, , F 19,1 0, N m 0,05 0 Brachioradialis

10 ANYBODY MODELLEME SİS. Kas aktivasyonu hesaplamaları Minimize et Şartlar Denge Denklemleri max( Cf f ( M i ) f N d i i ), 0, Kas Kuvveti i {1,.., n i {1,.., n ( M Kasın boyu ve kasılma hızına göre kas gücü ( M ) Brachialis ) } } Biceps Brachii Brachioradialis Kaslar sadece çekebilir, itemez

11 MODELLEME YAKLAŞIMI AnyBody ile 2 farklı modelleme yaklaşımı kullanılabilir: Geçmişe yönelik Hareketin ölçülmesi Ölçülen hareketin oluşması için gereken kas kuvvetlerinin hesaplanması/doğrulanması Geleceğe yönelik Hareketin belli kurallar ile tahmin edilmesi Minimum efor, eklem hareket sınırları, denge noktası, serbest alan Tahmin edilen harekete göre kuvvet değerlerinin hesaplanması Farklı kişiler, farklı hareket edebilirler Antropometri faktörü

12 ERGONOMİK TASARIM Ergonomik tasarım, toplumun ve toplumu oluşturan bireylerin farklı alt kümeleri için gerçekleştirilebilir Bazı ürünler ergonomik kullanım için ayarlanabilir özellikler içerir, bazıları ise sabit geometrilere sahiptir Sunumun Konu Alanı Bireyler için Tasarım Topluluklar için Tasarım Detaylı Vücut Ölçüleri için Tasarım Tüm Vücut için Tasarım

13 ANTROPOMETRİK VERİ Tasarımcının toplumsal gruplar için tasarım yapabilmesi için antropometrik verilere ihtiyacı vardır Türkiye için Dünya için ANSUR(Amerikan kadın ve erkek ordu mensupları 1989, NHANES, DINED (Hollanda), AdultData (İngiltere), NASA (Amerika), AIST (Japon), DinBELG (Belçika) Sadece Türkiye Verisine odaklanmak yeterli değil, Dünya için tasarlayan ve üreten firmalarımız var! Arçelik, Vestel, Tofaş, FNSS, Aselsan

14 ANTROPOMETRİK VERİ Türkiye verisi ortalama değerleri ve standart sapma ile dağılımları vermektedir ANSUR verisi ölçüm alınan tekil bireylerin verilerini içermektedir (kadın ve erkekler için ölçümler csv dosyası şeklinde internet üzerinden erişilebilir) Tekil bireylerin verileri, ölçüler arasındaki korelasyonu kurabilmek için çok değerlidir

15 ANTROPOMETRİK TASARIM Antropometri kullanılarak tasarım yapmak için farklı yöntemler geliştirilmiştir Persentil gruplara bakmak (toplumun 90% ı için uygun bir tasarım için 5% ve 95% persentil bireylerin kullanabileceği tasarımlar) Antropometrik veriden yararlanarak dijital bir toplum oluşturmak ve her birey için kas-iskelet sistemi analizi ile tasarımı ergonomik açıdan incelemek ve optimize etmek

16 ANTROPOMETRİK TASARIM Persentil gruplar ve dijital insan için ölçülerin seçilmesi J. Rasmussen, K.P. Rasmussen 2015

17 DİJİTAL İNSAN MODELİ Antropometrik verilerden dijital insan modeli oluşturulması Hiyerarşik Korelasyon K. Jung, O. Kwon, and H. You, Development of a digital human model generation method for ergonomic design in virtual environment, Int. J. Ind. Ergon., vol. 39, no. 5, pp , Temel Bileşen Analizi (PCA ) M. B. Parkinson and M. P. Reed, Creating virtual user populations by analysis of anthropometric data, Int. J. Ind. Ergon., vol. 40, no. 1, pp , Sinir Ağı M. Dursun Kaya, A. Samet Hasiloglu, M. Bayramoglu, H. Yesilyurt, and A. Fahri Ozok, A new approach to estimate anthropometric measurements by adaptive neuro-fuzzy inference system, Int. J. Ind. Ergon., vol. 32, no. 2, pp , Hiyerarşik Korelasyon H. You and T. Ryu, Development of a hierarchical estimation method for anthropometric variables, Int. J. Ind. Ergon., vol. 35, no. 4, pp , 2005.

18 DİJİTAL İNSAN MODELİ Antropometrik verilerden dijital insan modeli oluşturulması Hiyerarşik Korelasyon K. Jung, O. Kwon, and H. You, Development of a digital human model generation method for ergonomic design in virtual environment, Int. J. Ind. Ergon., vol. 39, no. 5, pp , Hiyerarşik Korelasyon H. You and T. Ryu, Development of a hierarchical estimation method for anthropometric variables, Int. J. Ind. Ergon., vol. 35, no. 4, pp , 2005.

19 TÜRK TOPLUMUNA GÖRE Birinci adım: Güleç v.d. (2005) çalışmasına göre Kilo ve Boy çiftlerinin oluşturulması İstatistiksel dağılıma göre çiftlerin oluşturulması Çiftlerin istatistiksel ortalamadan uzaklığına göre filtrelenmesi İkinci adım: ANSUR veri tabanından elde edilen hiyerarşik korelasyonlara göre (regresyon denklemleri) vücut ölçülerinin elde edilmesi Sonuç: Türk toplumuna uygun ölçeklenmiş, ANSUR korelasyonlarına sahip dijital insan topluluğu İdeal Alternatif: Türk toplumuna ait tekil bireysel verilerin yayınlanması ile korelasyonların Türk toplumuna göre çıkartılması Multivariate normal distribution

20 TÜRK TOPLUMUNA GÖRE Hiyerarşik korelasyon ile ölçeklendirilen dijital bireyler, sonuç dağılımında da korelasyonu göstermektedir Ölçülerin birbirinden bağımsız olarak ortalama değer ve standart sapmaya göre rastlantısal seçilmesi ve birleştirilmesi ise bu korelasyonu göstermez ve gerçek dışı dijital bireyler verir ANSUR verisine dayalı korelasyona göre ölçeklenmiş Ortalama değer ve standard sapmaya göre rastlantısal

21 TÜRK TOPLUMUNA GÖRE AnyBody içerisindeki insan modeli, dış uzuv ölçümlerine göre ölçeklenebilir Ölçekleme için gerekli uzuv ölçüleri, Türkiye toplumu için hesaplanan değerler ile hesaplanır Tüm analiz Python programlama dili ile otomatik bir döngü içerisinde kurgulanabilir

22 TÜRK TOPLUMUNA GÖRE Örnek iş akışı Boy ve Kilo Özellikleri ile Dijital İnsan Modelleri Tanımlanması Multivariate normal distribution Hiyerarşik Korelasyon ve Dağılım ile Uzuv Ölçülerinin Bulunması ve AnyBody Modelinin Ölçeklenmesi Sonuçların İstatistiksel Olarak İncelenmesi AnyBody ile Biyomekanik Ergonomi Analizleri Gerçekleştirilerek Sonuç Alınması

23 ÖRNEK UYGULAMA Yüksekliği belirli bir kaldıraç kolunun tasarlanması çalışması Tasarımın oluşturan dijital toplum bireyleri için analiz edilmesi ile Belirli bireyler için risk oluşturup oluşturmadığı tayin edilebilir Tasarım parametrelerinin değiştirilmesi ile en uygun ölçüler saptanabilir Tüm popülasyonu kapsayacak şekilde tasarıma ayarlama özellikleri eklenebilir

24 ÖRNEK UYGULAMA Yüksekliği belirli bir kaldıraç kolunun tasarlanması Tasarımın, oluşturulan dijital toplum bireyleri için analiz edilmesi ile Belirli bireyler için risk oluşturup oluşturmadığı tayin edilebilir Tasarım parametrelerinin değiştirilmesi ile en uygun ölçüler saptanabilir Tüm popülasyonu kapsayacak şekilde tasarıma ayarlama özellikleri eklenebilir

25 SONUÇ Her birey için detaylı ölçüm bilgisi mevcut antropometrik veri tabanları kullanılarak Türk Toplumu için bir ölçeklendirme yapmak mümkündür Bu şekilde biyomekanik açıdan ergonomik tasarım gerçekleştirilebilir ve istatistiksel sonuçlar elde edilebilir Korelasyonlar da topluma göre değişmektedir. Bu nedenle Türkiye için yapılan/yapılacak antropometrik çalışmalar tüm verinin yayınlanması veya korelasyonların yayınlanması önem arz etmektedir