В июле вышел КОМПАС-3D v25, а вместе с ним — новое приложение «Эргономика: Манекены». Название «приложение» здесь скорее дань традиции: фактически перед нами специализированная САПР внутри КОМПАС-3D. Разработать ее нам помогли коллеги из компании «Ай-Джи-Эй Системы», за что им большое спасибо.
Но сначала разберемся, зачем вообще инженеру помещать человека внутрь CAD-модели.
Представим автомобильный завод. Конструктор проектирует участок, на котором рабочему нужно установить деталь внутри кузова. На экране все выглядит нормально: деталь помещается, инструмент проходит, коллизий нет – значить должно получиться великолепно А потом выясняется, что реальному человеку для выполнения операции приходится тянуться вперед, выворачивать кисть и одновременно держать руку почти на уровне головы – и как результат качество сборки падает и люди жалуются, что им просто не удобно.
Формально конструкция собирается. Эргономически — не очень.
И это вполне реальная область применения цифровых манекенов. Например, в одном из исследований их использования сравнивали результаты виртуального анализа с реальными сборочными операциями на автомобильном производстве — в выборку вошло 155 случаев. Цифровые модели человека использовали в том числе для анализа рабочих поз и пространства, необходимого для выполнения операций.
Похожая задача возникает и при проектировании самого автомобиля, кабины грузовика или рабочего места оператора. Дотянется ли человек небольшого роста до органа управления? Не упрется ли высокий водитель коленями в панель? Видит ли оператор нужный прибор? Сможет ли техник подобраться инструментом к узлу, который придется обслуживать через несколько лет?
Ответить на такие вопросы одной геометрией изделия сложно. В модели появляется еще одна переменная — человек.
Для этого и нужен цифровой манекен. В «Эргономика: Манекены» его можно разместить непосредственно в 3D-модели изделия, задать антропометрические параметры, сформировать нужную позу и посмотреть, как человек будет взаимодействовать с проектируемой конструкцией.
Получается своего рода виртуальная примерочная для инженерных изделий: вместо того чтобы сначала изготовить макет, посадить в него человека и обнаружить, что до нужного рычага он не дотягивается, часть таких вопросов можно проверить еще на этапе проектирования.
В этой статье посмотрим, как устроено новое приложение, что умеют цифровые манекены в КОМПАС-3D и какие эргономические задачи с их помощью может решать конструктор.
Эргономика: Манекены — инструмент для работы с человеком в цифровой модели
Наше приложение позволяет дополнять цифровую модель данными о человеке и тем самым учитывать эргономические особенности изделия непосредственно в среде трехмерного проектирования.
Для ООО «Ай-Джи-Эй Системы» задачи цифровой эргономики имеют практическую основу: компания более 15 лет разрабатывает приложения для САПР, а специалисты участвовали в реализации эргономических задач с использованием VR-технологий. В проекте создания приложения «Эргономика: Манекены» ООО «Ай-Джи-Эй Системы» выступило технологическим партнером и партнером по разработке.
Особенно важна возможность формировать манекен с учетом антропометрических характеристик человека. Задание таких параметров, как пол, полнота телосложения, позволяет рассматривать изделия с учетом различных групп пользователей. Это расширяет область применения решения — от проектирования транспортных и аэрокосмических объектов до медицинского оборудования, для которого принципиально важно учитывать разнообразие антропометрии пациентов.
Основные функции приложения «Эргономика: Манекены»
Функция «Манекен» помогает быстро интегрировать цифровую модель человека в область проектирования изделия и перейти от абстрактной оценки компоновки к проверке конкретного сценария взаимодействия. Манекен становится частью виртуальной среды и используется для анализа расположения оборудования, рабочих зон и пространства, необходимого человеку в реальной жизни. Это особенно полезно на ранних этапах, когда важно быстро проверить принципиальную компоновку и выявить потенциальные эргономические ограничения до детальной проработки конструкции.
Функция «Размещение» позволяет управлять положением манекена в пространстве проектирования. Конструктор может позиционировать манекен относительно различных референтных точек, расположенных на самом манекене, например: референтная точка на правой ноге, между стоп, в голове и т.д. Возможность оперативно изменять положение манекена непосредственно в 3D-сцене помогает быстрее проверять различные варианты компоновки и оценивать изделие с точки зрения реального положения пользователя.
Функция «Управление Свойствами» позволяет настроить антропометрический профиль созданного манекена и его визуальные свойства. Задание антропометрических параметров делает виртуальную проверку более реалистичной: конструктор может оценивать не условного «среднего» человека, а выбранную категорию пользователей. Настройка визуальных свойств манекена, таких как отображение и цвет, повышает удобство одновременной работы с несколькими манекенами в области проектирования.
Функция «Управление Сегментами» предоставляет конструктору возможность изменения позы манекена через изменение положения отдельных сегментов тела. Это позволяет сосредоточиться на нужной части модели человека и точнее учитывать ее положение при анализе взаимодействия с изделием. Работа с сегментами особенно важна для сложных компоновок, где эргономический сценарий определяется не только положением всего тела, но и взаимным расположением отдельных частей — например, рук, ног или корпуса. Таким образом, конструктор получает более гибкий инструмент для подготовки манекена к конкретной инженерной задаче.
Функция «Манипулирование» предназначена для интерактивной настройки положения манекена непосредственно в 3D-сцене. Данная функция основана на алгоритме обратной кинематики. Конструктор может последовательно подбирать положение частей тела под конкретный сценарий и визуально оценивать результат в контексте проектируемого изделия. Такой способ работы удобен при поиске оптимальной позы: вместо длительной настройки параметров каждого сегмента пользователь непосредственно взаимодействует с моделью в целом и сразу видит, как изменение положения человека влияет на его взаимодействие с окружающей геометрией.
Функция «Сменить позу» позволяет использовать заранее подготовленные положения тела человека как основу для эргономической проверки. Вместо ручной настройки манекена для каждого сценария конструктор может обратиться к готовым вариантам и быстрее перейти к оценке взаимодействия с изделием. Функция «Сменить позу» особенно полезна при повторяющихся типовых задачах: посадке человека, работе оператора, доступе к оборудованию и других сценариях, в которых требуется быстро проверить несколько вариантов положения тела. Это сокращает время подготовки модели и помогает стандартизировать эргономические проверки.
Функция «Библиотека поз» позволяет сохранять настроенные положения манекена для их повторного использования в проектах. Для каждой пользовательской позы можно задать наименование, описание, тип и изображение, что помогает систематизировать библиотеку и быстро находить необходимые варианты. Созданные позы можно редактировать и удалять, а библиотеку — фильтровать по типу и просматривать в различных форматах. Таким образом, конструктор может формировать собственный набор типовых положений человека, соответствующих характерным сценариям эксплуатации конкретного изделия, и использовать его как инструмент стандартизации эргономических проверок.
Что это дает разработчику и заказчику
Совокупность функций приложения формирует единый рабочий процесс: сначала манекен размещается в цифровой модели, затем задаются его свойства и при необходимости корректируется работа с отдельными сегментами. После этого конструктор может выбрать подходящую позу из библиотеки, изменить ее вручную и последовательно проверить несколько вариантов взаимодействия человека с изделием.
Практическая ценность такого подхода заключается в возможности принимать конструктивные решения с учетом человеческого фактора еще на стадии цифрового проектирования. Ошибки компоновки, неудобное расположение органов управления или недостаточное пространство для выполнения рабочих операций потенциально можно обнаружить до создания натурного образца.
Для предприятий это означает сокращение количества итераций при согласовании эргономики и снижение зависимости от дорогостоящих натурных макетов. Для разработчиков изделий, ориентированных на разные рынки, использование настраиваемого манекена дает возможность заранее учитывать различия между группами пользователей.
Перспективы развития
Архитектура решения на базе КОМПАС-3D и математического ядра C3D создает основу для дальнейшего развития приложения «Эргономика: Манекены» и расширения его применения в транспортном машиностроении, аэрокосмической отрасли, при создании медицинских приборов и в других промышленных направлениях, требующих эргономического анализа.
Зона взгляда. Инструмент позволит конструктору оценивать изделие с точки зрения человека: получать представление о зоне видимости манекена с целью оценки расположения органов управления и характере взаимодействия со средой. Такой сценарий может быть полезен как на этапе эскизного проектирования, так и при проработке вопросов эксплуатации и пост-продажного обслуживания. Например, перспективным применением может стать оценка зоны видимости транспортного средства при взгляде в зеркало заднего вида или боковые зеркала.
Зона досягаемости. Расширение инструментария приложения данной функцией позволит оценивать доступность элементов изделия с учетом допустимых диапазонов движения суставов человека. Это особенно важно для сложных изделий с плотной компоновкой, где возможность доступа к оборудованию при монтаже, эксплуатации и обслуживании является одним из ключевых требований.
Выводы
В современных реалиях, когда нет огромных серийных производств, где всегда сжатые сроки, цена ошибки очень велика и принимать решения необходимо здесь и сейчас. Если взять за оптимизационную функцию время и бюджет, то использование цифрового двойника с антропометрическим манекеном выигрывает у натурного макета, стоимость металла, трудозатраты в разы превосходит стоимость приобретения лицензий и обучения. Главное, что приобретает предприятие, это не лицензии, а технологию виртуальной валидации, которая позволит за короткое время проверить большое количество вариантов и принять решение на базе математической модели, а не пальцем в небо.
