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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

[email protected]

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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mailto:[email protected]


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®



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



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®



http://www.siemens.com/tecnomatix


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®


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.



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.



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



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



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:



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


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.



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.



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






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



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


https://www.youtube.com/watch?v=dXBKGrUuJ_A


(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


http://www.nexgenergo.com/ergonomics/humancad.html#Sec1

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