Projekti / Programi
Razvoj numeričnega modela človeške roke za ergonomsko oblikovanje izdelkov
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.11.03 |
Tehnika |
Konstruiranje |
Specialna razvojna znanja |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T210 |
Tehnološke vede |
Strojništvo, hidravlika, vakuumska tehnologija, vibracije in akustično inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Numerični model, človeška roka, kumulativna travmatična obolenja, ergonomija, razvoj izdelka, digitalni model človeka, biomehanika.
Raziskovalci (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
33256 |
dr. Gregor Harih |
Konstruiranje |
Vodja |
2017 - 2019 |
116 |
Organizacije (1)
Povzetek
Človeška roka je eno izmed najbolj sofisticiranih in kompleksnih orodij, ki si jih lahko lasti človek. Ena izmed glavnih funkcij roke je interakcija s fizičnim okoljem, kjer je večinoma najpomembnejši oprijem fizičnega objekta. V tem smislu je roka efektivno uporabljena kot orodje za delo, kot tudi vmesnik za uporabo različnih gnanih in negnanih ročnih orodij in izdelkov. Da bi povečali učinkovitost, zadovoljstvo, in zmanjšali tveganja za nastanek mnogih akutnih in kumulativnih obolenj, ki so posledica uporabe, je potrebno upoštevati tudi ergonomijo izdelka. Mehanske lastnosti bioloških tkiv človeške roke so pri oprijemu ključnega pomena, saj so sile in momenti prenesejo iz izdelka na celoten sistem roke. Akutna in kumulativna travmatična obolenja kot posledica pa predstavljajo približno eno tretjino bolniških odsotnosti delavcev v podjetjih. Večina ergonomskih analiz izdelkov in ročnih orodji se opravi s pomočjo prototipov, dragih merilnih sistemov in s tem iterativnega procesa konstruiranja, ki povečajo čas in stroške razvojnega procesa. To obsežno znanje ergonomije, ki je potrebno v fazi načrtovanja izdelka in njegova slaba integracija z obstoječimi, uveljavljenimi programi za računalniško podprto konstruiranje vpliva, da podjetja ne, ali pa v zelo majhni meri, upoštevajo ergonomska načela v fazi projektiranja izdelka.
Tako je namen predlagane raziskave razviti numerični digitalni model človeške roke, ki bo omogočal hkratno preučevanje bio-mehanskega obnašanja roke pri gibanju in oprijemu, analize deformacij biološkega tkiva, notranje obremenitve, kontaktne tlake in tudi učinke vibracij na roko. S tem bo omogočeno neposredno vrednotenje predlagane zasnove izdelka znotraj virtualnega okolja z možnostjo topoloških modifikacij izdelka za izboljšanje ergonomije. S tem bi tudi skrajšali čas konstruiranja in zmanjšali stroške razvoja. Hkrati pa bi lahko predvideli varnost in učinkovitost izdelka in določili in odpravili napake v fazi načrtovanja za povečanje zmogljivosti, udobja in preprečevanja kumulativnih travmatičnih obolenj.
Predvidene metode vključujejo predvsem pravilno določitev geometrije človeške roke na osnovi medicinskega slikanja. Segmentacija bo izvedena na dobljenih slikah in bo omogočila razlikovanje med značilnimi anatomskimi strukturami kot npr. kostmi, nohti, kožo, podkožnim tkivom, itd. Na segmentiranih slikah bo izvedena 3D rekonstrukcija za pridobitev 3D modela roke, ki bo nato prenesen v komercialno programsko opremo za numerične simulacije po metodi končnih elementov. Materialni model in parametri bodo določeni glede na posamezno anatomsko strukturo roke in razpoložljivih rezultatih ostalih avtorjev. Vse prostostne stopnje človeške roke bodo podrobno preučene, da bo mogoče določiti ustrezne definicije sklepov, ki bodo omogočali realno gibanje in numerično stabilnost. Vpeljane bodo ustrezne poenostavitve geometrije, robnih pogojev in materialnih lastnosti, ki bodo omogočale robusten in numerično stabilen model človeške roke po metodi končnih elementov ob hkratnem zagotavljanju natančnosti rezultatov. Po drugi strani pa bo numerični model človeške roke razvit robustno, da bo omogočal prihodnje posodobitve glede geometrije, materialnih lastnosti in robnih pogojev. Rezultati eksperimentov z uporabo sistema za zajemanje gibanja (ang. Motion capture) bodo uporabljeni za določitev realističnih gibov v sklepih in s tem realističnih gibov oprijema numeričnega modela človeške roke. Numerični model bo verificiran in validiran s pomočjo primerjave že razvitih digitalnih modelov človeške roke in rezultatov številnih eksperimentov.
Pomen za razvoj znanosti
Razvoj novih izdelkov in ergonomske analize trenutno slonijo na zastarelih manualnih metodah (konstruiranje z antropometričnimi podatki, iterativni proces s prototipi, idr.), ki ne omogočajo upoštevanja ustreznih podatkov potencialnih uporabnikov določenega izdelka. Rezultat tega so izdelki s slabšo ergonomijo z velikim potencialom za izboljšanje.
Številni avtorji so pokazali, da so lahko numerični modeli posameznih delov človeka, ki asistirajo pri razvoju novih izdelkov ključnega pomena pri razvoju izboljšanih izdelkov (numerični model noge za analize hoje in razvoj obuval, numerični model glave za razvoj analize padcev in poškodb ter razvoj čelad , itd).
Tako bi razviti numerični model človeške roke bistveno doprinesel k razvoju znanosti in stroke na področju biomehanike in ergonomije, saj ustrezni numerični modeli roke še niso bili razviti.
Mehanizmi nastanka kumulativnih travmatičnih obolenj so v veliki meri še vedno neraziskano področje. Z razvitim numeričnim modelom človeške roke bo omogočeno raziskovanje tudi tega področja. Rezultati v obliki obremenitev na biološka tkiva bi bilo mogoče povezati z nastankom poškodb in obolenj, kar bi omogočilo razvoj novega znanja s tega področja.
Znanstveni rezultati bodo zbrani in urejeni, kar bo omogočilo njihovo objavo v znanstvenih revijah z visokim faktorjem vpliva in dobro uvrstitvijo s čim bo tudi omogočena ustrezna diseminacija novega znanja v znanstveno-raziskovalno sfero in stroko.
Pomen za razvoj Slovenije
Razviti numerični model človeške roke direktno uporaben v procesu načrtovanja novih izdelkov, ki bi omogočal ergonomske analize in s tem identificiranje problemskih področij in njihovo korekcijo v virtualnem okolju v razvojni fazi izdelka. Dodatno bi bilo mogoče omenjen razviti model uporabiti še za preučevanje gibanja človeške roke in oprijema in podati vpogled v mehanizme nastanka različnih kumulativnih travmatičnih obolenj (sindrom karpalnega tunela, sindrom belega prsta, bursitis, itd.), ki so posledica slabo oblikovanih izdelkov in orodij in predstavljajo velike stroške za podjetja z bolniškimi odsotnostmi delavcev, diagnostiko in zdravljenjem nastalih poškodb. Z ergonomskimi analizami s pomočjo numeričnega modela roke bi izboljšali ergonomsko vrednost izdelka in s tem izboljšali konkurenčnost izdelka in tudi podjetja na tržišču.
Slovenija skupaj z Evropo in drugimi razvitimi državami predstavlja vse bolj starajočo populacijo, kar vpliva na zmanjšanje zmogljivosti in storilnosti delovne populacije in povečanje nevarnosti za nastanek akutnih travmatičnih obolenj. Tako je ključnega pomena, da bodo bodoči izdelki optimizirali interakcijo človek-izdelek in s tem ohranili ali celo povečali storilnost, udobje, zadovoljstvo in varnost.
Razviti numerični model človeške roke bi bilo mogoče tudi komercializirati, s čimer bi omogočili zagon novega podjetja. Z ustreznim nadaljnjim razvojem bi lahko razviti numerični model človeške roke integrirali tudi v obstoječo programsko opremo in s tem omogočili celoviti pristop pri razvoju izdelkov.
Uporabljeno metodologijo in ugotovitve je mogoče enostavno prenesti tudi na druge aplikacije na raziskovalnem področju bio-mehanike, kot npr. numerično modeliranje človeške noge, kolena, itd. Dodatno je mogoče metodologijo in ugotovitve prenesti v varnostno industrijo, kjer je določitev pravilne oblike (načrtovanje oblike čelade, invalidskih vozičkov, ročnih orodij za visoko natančnost (medicinski pripomočki), visoko zmogljivih izdelkov, športne opreme, vojaške opreme, itd.) in pravilne določitve materialnih parametrov vmesnih slojev materiala izdelka (sloji za absorpcijo energije trka pri čeladah, vmesni sloj med protezo in amputirano nogo, opremo za invalide, sedežne blazine) ključnega pomena. Ugotovljene mehanizme nastanka KTO v človeški roki bi bilo mogoče tudi prenesti na druge anatomske strukture, kar bi omogočalo njihovo prepoznavanje in preprečevanje.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
