XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO
Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção
Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.
AVALIAÇÃO DE TECNOLOGIAS DE
CAPTURA DE MOVIMENTOS PARA
APLICAÇÃO EM PROJETOS DE
SITUAÇÕES PRODUTIVAS
Luiz Antonio Tonin (UFSCar)
[email protected]
William Rodrigues dos Santos (UFSCar)
[email protected]
Rodolfo Liang Wu (UFSCar)
[email protected]
Daniel Braatz (UFSCar)
[email protected]
Nilton Luiz Menegon (UFSCar)
[email protected]
Os conhecimentos do campo da ergonomia são utilizados para auxiliar
a compreensão das interações entre os humanos e outros elementos de
um sistema de produção, abordando a tecnologia de interface entre a
organização, a máquina, o ambiente e o ser humano. Neste contexto,
este artigo introduz os potenciais benefícios do uso integrado de
ferramentas computacionais de simulação humana e apresenta uma
análise comparativa de sistemas de captura de movimentos visando
sua integração com ferramentas de modelagem e simulação humana,
para aplicações em projetos de situações produtivas.
Foram
selecionados seis sistemas de captura, que utilizam diferentes
tecnologias de rastreamento dos movimentos, comparando-os quanto:
à existência de integração com software de modelagem e simulação
humana, liberdade de movimentos e flexibilidade do ambiente de uso.
Os resultados mostram a possibilidade de utilização de dois sistemas
de captura, Moven e iPi DMC, com diferentes técnicas e procedimento
para realizar a integração com três softwares de simulação humana:
Jack, Ramsis e Human Builder. As conclusões apontam para
possibilidade de utilizar este ferramental em processos de projetos,
aumentando a qualidade e redução do tempo na criação de análises,
especialmente em situações dinâmicas. Porém, permanecem alguns
problemas técnicos, como correspondência antropométrica entre o
corpo de captura e o manequim virtual, o posicionamento dos
marcadores e as necessidades de calibração, que podem gerar desvios
na representação do movimento em ambiente virtual.
Palavras-chave: projeto de situações produtivas; simulação humana
digital; captura de movimentos.
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1. Introdução
Este artigo apresenta uma introdução aos potenciais benefícios do uso conjunto de
ferramentas computacionais de simulação humana e captura de movimentos no contexto dos
projetos de ergonomia, seja no contexto do desenvolvimento de novos produtos ou no
contexto do desenvolvimento de situações produtivas. Nos últimos anos o uso de tecnologias
computacionais aplicadas ao projeto tem sido cada vez mais comum; no campo da inovação
tecnológica este assunto foi absorvido de forma bastante consolidada, em especial no que
tange aos aspectos técnicos como a modelagem por sistemas CAD (Computer Aided Design)
e CAE (Computer Aided Engineering) como demonstrado por Sales, Nobre Filho e Santos
(2013). Outro tipo de aplicação consolidada é o uso de softwares de modelagem com foco em
otimização e monitoramento do desempenho da indústria, tal como abordado em Silva,
Alencar e Danielski (2013). Por outro lado, a utilização destas técnicas e suas derivações não
são tão difundidas no contexto do projeto de postos de trabalho, em particular na modelagem
dos aspectos ergonômicos do trabalho.
Para Béguin (2007) as possibilidades de adaptação dos postos de trabalho ou produtos às
necessidades humanas, seja em termos dos instrumentos e do ferramental ou em termos
organizacionais, são maiores nas fases iniciais de concepção, todavia, o conhecimento acerca
de tais situações é crescente na medida em que o projeto vai se desenvolvendo, neste sentido,
a possibilidade de agir e o conhecimento sobre a situação particular são inversamente
proporcionais.
Além destas variáveis, o custo da intervenção (custo de mudança) é crescente ao longo do
projeto (PMBOK, 2004), neste sentido a necessidade de incluir desde o início dos processos
de projeto os conceitos de ergonomia e o conhecimento das particularidades dos processos, os
quais a abordagem da ergonomia centrada na atividade visa elucidar, é ainda mais evidente. A
Figura 1 ilustra a temporalidade das situações de projeto. Graficamente são ilustradas as
variáveis tempo, conhecimento sobre a situação futura, possibilidades de agir e custo de
mudanças, sendo possível confirmar a importância da inclusão de qualquer requisito de
projeto, em especial de requisitos relacionados à ergonomia nas fases precoces do processo de
projeto.
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Figura 1- A temporalidade das situações de projeto
Fonte: Adaptado de Béguin (2007) e PMBOK (2004)
As aplicações de modelagem e simulação de manequins digitais objetivam facilitar processos
de projetos industriais, acelerando seu desenvolvimento e eficiência e ainda suportar as
interações, integrar e analisar os aspectos de ergonomia possíveis de estarem presentes na
atividade futura de trabalho, em fases iniciais da concepção (MAGISTRIS et al., 2013;
KANG et al., 2012).
2. Ferramentas computacionais aplicadas em projetos de situações produtivas
No campo de projetos de produtos e situações produtivas, diversas técnicas foram
desenvolvidas, particularmente no final do século XX. Podem ser destacados um conjunto de
ferramentas computacionais de modelagem e simulação humana e os sistemas de captura de
movimentos, destacadas na Figura 2.
Nos últimos anos estas técnicas se desenvolveram ainda mais, viabilizando sua difusão em
diversas organizações em muitos países. Em especial, atribui-se a estas ferramentas uma
contribuição essencial para que os processos de projeto se tornem cada vez mais rápidos e
mais precisos, diminuindo a necessidade de protótipos físicos, contribuindo dessa forma com
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redução de custos e tempo para o desenvolvimento, com produtos mais adequados para os
usuários.
Figura 2 - Ferramentas computacionais de simulação humana e captura de movimentos
Na perspectiva de Guimarães (2012), a simulação virtual 3D auxilia na validação do projeto,
minimizando erros e conflitos entre usuários e projetistas. Estas técnicas (devido a maior
interface gráfica e visual) dão a possibilidade de negociação, mudanças e criação para atores
que não tenham formação em projeto, auxiliando na obtenção de melhores resultados.
2.1. Simulação humana computacional
As ferramentas de modelagem e simulação humana podem contribuir tanto para questões
técnicas, como a representação das características humanas (antropometria e biomecânica, por
exemplo), quanto para interações sociais no processo de projeto, com a capacidade de
representar e prognosticar situações futuras em diferentes cenários em fase de
desenvolvimento.
De forma pragmática as ferramentas de modelagem e simulação humana podem ser
categorizadas em modelagem cognitiva e modelagem física, conforme a Figura 3. A
modelagem cognitiva fundamenta-se na reprodução de modelos relacionados com aspectos de
memória, raciocínio e tomada de decisão pelo homem. Já a modelagem física está preocupada
em representar os aspectos físicos e funções biomecânicas. Nesta categoria a modelagem
física pode ser classificada em três modelos: modelos biomecânicos, manequins digitais
(SUNDIN e ÖRTENGREN, 2006) e modelos de visualização (MENEGON, BRAATZ e
TONIN, 2011).
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Figura 3: Divisão proposta para simulação humana computacional
Fonte: Menegon, Braatz e Tonin (2011)
Para Ziolek e Kruithof Jr. (2000), o processo de modelagem e simulação humana ocorre com
a interação dos manequins digitais em ambientes modelados. As construções dos manequins
seguem os modelos apresentados na Figura 3. Já o ambiente é caracterizado pela modelagem
dos objetos, artefatos (cenário) em ferramentas CAD. A interação ocorre das análises
(espaços, campo de visão, postura, força e outras) dos manequins com os cenários. É
importante destacar que as ferramentas de modelagem e simulação humana que possuem
esses elementos (manequins, CAD e análises) são as mais relevantes para projetos de
situações produtivas pela abordagem da ergonomia. Braatz, Volpe e Tonin (2010) confirmam
a perspectiva apresentada com uma pesquisa nos artigos publicados em periódicos
internacionais (International Journal of Industrial Ergonomics; Applied Ergonomics;
Computers in Industry; e Computers and Graphics) e nos anais dos congressos da IEA –
International Ergonomics Association, entre os anos de 2000 a 2009. Os autores concluíram
que as principais ferramentas encontradas no mercado e objeto de pesquisas são relacionadas
ao uso dos sistemas computacionais Ramsis, Jack e o Human Builder.
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Porém, a utilização de manequins digitais em processos de projeto possui um conjunto de
dificuldades e limitações. Schaefers et al. (2011) apresentam que entre as razões para a baixa
utilização desta tecnologia entre os projetistas destaca-se a lacuna de dados antropométricos
atualizados, que interfere significativamente na qualidade dos modelos construídos. Outras
limitações em relação à aplicação destas tecnologias foram identificadas por Magistris et al.
(2013) e referem-se basicamente às aproximações biomecânicas, cálculos estáticos e outras
características relacionadas à própria constituição da tecnologia em termos de suas restrições
computacionais.
Do ponto de vista operacional, a principal dificuldade encontrada no
processo de simulação humana é o posicionamento e a movimentação do manequim
utilizando mouse e teclado, isto é citado por diversos autores, como Sundin e Örtengren
(2006). Além disso, as posturas e movimentos construídos pelos projetistas (usuários dos
softwares de modelagem e simulação humana) possuem lógica idealizada de como os
movimentos são realizados pelos operadores, porém, na realidade, estes movimentos
dependem das condições ambientais ou situacionais durante a realização de uma atividade
(ZÜLCH, 2012).
A utilização da tecnologia de Captura de Movimentos (ou Motion Capture - MoCap) é uma
alternativa para lidar com as dificuldades e limitações da simulação humana computacional
pelo método tradicional (mouse e teclado). Os sistemas de Captura de Movimentos (ou
Motion Tracking) são o conjunto de hardware e software utilizados para registrar o
movimento humano real em um ambiente digital com finalidades diversas, desde filmes e
jogos até simulações de emergências e projetos de diferentes produtos e postos de trabalho. A
tecnologia permite gravar os movimentos humanos em ambiente virtual e posteriormente
controlar e reproduzir nos manequins digitais (SUNDIN e ÖRTENGREN, 2006).
Segundo estimativas de uma empresa desenvolvedora de sistemas de MoCap são necessários
cerca de 2 dias de trabalho para que sejam produzidos cerca de 3 minutos de animação
quando são utilizados os dispositivos tradicionais de entrada: mouse e teclado (Haption,
2011). Quando utilizados os sistemas de MoCap estas animações são supostamente
produzidas em tempo real (sem trabalho posterior). O Quadro 1 mostra uma comparação entre
o método de simulação tradicional e o uso de sistemas de MoCap.
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Quadro 1: Comparação entre os métodos utilizados em conjunto com ferramentas de simulação humana
Método Tradicional (teclado e mouse)
Captura de Movimentos
Tempo
Elevado tempo requerido para construção
de posturas e, especialmente, de ações.
Construção rápida de posturas e
ações.
Precisão
Alto controle da precisão, especialmente
na construção de posturas.
Baixo controle da precisão.
Posturas
A postura construída pode não ser
representativa, uma vez resultante de
abstrações do projetista.
Aquisição da postura real adotada
durante a ação, especialmente em
momentos críticos.
Fonte: Adaptado de Ramón, Candelas e Medina (2007)
O Quadro 1 evidencia a potencialidade do uso da tecnologia de MoCap na simulação de
manequins digitais. O baixo controle na construção de posturas é justificado pelo realismo
atribuído pela postura capturada.
3. Principais tecnologias de captura de movimentos
Buscando uma solução prática para os problemas e limitações no uso dos softwares de
modelagem e simulação de manequins digitais, foi realizado um levantamento bibliográfico
acerca de sistemas de capturas de movimentos pelos autores deste texto, com o objetivo de
identificar quais sistemas de MoCap poderiam ser adquiridos para projetos de situações
produtivas e de novos produtos, especialmente aplicáveis no contexto da indústria
aeronáutica. Primeiramente foram pesquisadas as tecnologias utilizadas nos sistemas de
MoCap. Em seguida foi selecionado um sistema MoCap comercial referente a cada tecnologia
e avaliou-se a possibilidade de uso conforme critérios para utilização em projetos de situações
produtivas. Por fim, foram selecionados dois sistemas para testar a integração com os
principais softwares de manequins digitais.
A tecnologia utilizada em sistemas de MoCap está relacionada com os sensores utilizados,
que pode ser dividido em cinco categorias, conforme apresentado na Figura 4, sendo: (a)
inerciais, (b) mecânicos, (c) óticos, (d) magnéticos, e “markerless” (sem marcadores).
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Figura 4: Tipos de Sistemas MoCap
Cada tecnologia possui princípios de funcionamento específicos para rastrear a posição e
movimentação dos marcadores. O Quadro 2 apresenta o princípio de funcionamento de cada
tecnologia e uma reflexão teórica sobre as vantagens e inconvenientes de cada uma, este
quadro apresenta uma complementação dos estudos realizados por Ramón, Candelas e
Medina (2007), como forma de atualizar o quadro comparativo foi acrescentada a tecnologia
“markerless”.
Quadro 2 – Vantagens e inconvenientes das tecnologias de Sistemas de MoCap
Tecnologia
Funcionamento
Vantagens
Mecânica
Variação de voltagem de
potenciômetros em estrutura
mecânica
• Robustez
• Precisão
• Latência baixa
Magnética
Variação de campo
magnético medido em
receptores
• Medidas absolutas
precisas
• Sem oclusão
• Precisão
• Sem oclusão
• Sensores pequenos
Desvantagens
• Incômodo para o corpo de
captura
• Medidas relativas
• Erros devido a distorção
magnética
• Medidas relativas
• Acúmulo de erros
Inercial
Integração da velocidade
angular de giroscópios
Óptica
Triangulação de marcadores
em imagens capturadas por
câmeras
• Medidas absolutas
precisas
• Oclusões
• Infraestrutura complexa
• Necessidade de calibração
"Markerless"
Rastreamento da silhueta do
corpo de captura
• Sem marcadores
• Trajes casuais
• Baixa precisão
• Tecnologia pouco apropriada
Fonte: Adaptado de Ramón, Candelas e Medina (2007)
O Quadro 2 indica que a escolha da tecnologia do sistema MoCap deve ser realizada
conforme o objetivo de aplicação do sistema. Considerando-se aplicações para projetos,
contextualizados pela ergonomia, foram selecionados sistemas de MoCap encontrados no
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mercado e ainda, foram estabelecidos quatro critérios (descritos a seguir) para análise dos
sistemas de MoCap:
 Interação com software de simulação humana: esta interação pode ser direta,
possibilitando visualização em tempo real (integração), ou necessidade de
desenvolvimento de plugins para exportação e importação de arquivos de captura;
 Liberdade de movimentos: este critério refere-se ao aparato (roupa e marcadores) que
deve ser utilizado pelo ator (corpo de captura) para obter os movimentos. Desta forma,
foram avaliadas quais as restrições impostas pelo aparato para o ator realizar
movimentos;
 Flexibilidade no ambiente de uso: a flexibilidade refere-se à possibilidade de realizar a
captura dos movimentos em ambientes diversos: fora do laboratório e nos diferentes
locais de trabalho, que possuem uma série de características, como por exemplo: alta
ou baixa luminosidade, alta ou baixa temperatura, ruído, objetos metálicos, locais
pequenos com falta de espaço para posicionamento de cabos, entre outros;
 Custo: os sistemas de MoCap possuem diferenças significativas de custo, dependendo
da sofisticação das tecnologias utilizadas, tanto em hardware, como em software.
A síntese da análise é apresentada no Quadro 3.
Quadro 3 – Síntese comparativa entre sistemas de MoCap comerciais
Tecnologia
Ótico
Magnético
Mecânico
Inercial
Markerless
Markerless
Sistema
OptiTrack
MotionStar
Wireless
Gyspy
Moven
BioStage
iPi DMC
Integração
com
software de
simulação
humana
Interação
direta com
software
JACK
Não possui
interação direta
Não possui
interação
direta
Interação direta
com softwares:
JACK, CATIA e
DELMIA
Não possui
interação
direta
Não possui
interação
direta
Liberdade
de
movimentos
Não há
restrições
Restrições
devido ao uso
traje, com fios
Restrições
devido ao
uso do
exoesqueleto
Não há
restrições
Não há
restrições
Flexibilidade
no ambiente
de uso
Restrições
para
ambientes
externos
Restrições
devido a
presença de
materiais
ferromagnéticos
Não há
restrições
Não há
restrições
Não há
restrições
Leves restrições
devido ao traje
com
marcadores
Restrições para
ambientes com
a presença de
materiais
ferromagnéticos
muito intensos
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O objetivo fundamental desta síntese é apresentar os sistemas de captura de movimentos e
classificar suas restrições em função dos requisitos estabelecidos, os quais são aplicáveis em
projetos de situações produtivas e de novos produtos. Assim, foram selecionados dois destes
sistemas e após a aquisição destes pôde-se realizar alguns experimentos, que serão detalhados
adiante. O grupo de pesquisa optou por testar um sistema markerless pelo baixo custo de
aquisição e um sistema inercial, devido à liberdade de movimentos e interação com software
de simulação humana.
Foram realizados diversos testes com o sistema markerless iPi DMC, variando-se diversos
parâmetros, em especial: “Plano de fundo”, “Mobiliário de fundo e contraste”, “Roupas e
contraste” e “Oclusão”. Estes parâmetros foram indicados pelo fabricante como importantes
para o desempenho do sistema. Os resultados não atenderam aos requisitos do grupo de
pesquisas, o sistema apresentou perda de trajetórias em todos os ensaios.
Os testes do sistema inercial ocorreram dentro de um avião real (por este ser ao mesmo tempo
o produto foco do grupo de pesquisas e ainda um espaço de trabalho com várias estações e
processos) e foram realizados em diversas situações de um voo, entre elas o acesso à poltrona
e até mesmo o uso (simulado) do banheiro do avião. Também foi possível testar o sistema em
atividades de montagem da aeronave. Em todas as situações o sistema atendeu
satisfatoriamente às expectativas.
Com as capturas realizadas foram realizados testes e procedimentos para possibilitar a
utilização dos arquivos capturados nos softwares de simulação humana.
4. Análise dos resultados
Os resultados mostram que os softwares JACK/SIEMENS e o Human Builder/DASSAULT
(presente no CATIA ou no DELMIA) apresentam integração com sistema de MoCap inercial,
a síntese dos resultados é apresentada no Quadro 4. Os dados de captura são aceitos nos
softwares diretamente (por meio de plugins específicos), sem a necessidade de realizar
procedimentos de exportação/importação. Nos testes realizados foi efetuada integração em
tempo real somente com o Human Builder presente no DELMIA.
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SISTEMAS DE CAPTURA DE MOVIMENTOS
Quadro 4 - Integração entre sistemas de MoCap e softwares de simulação humana
QUALIDADE DOS
MOVIMENTOS
CAPTURADOS
SOFTWARES DE SIMULAÇÃO HUMANA
JACK
RAMSIS
Human Builder
DELMIA
Foi necessário
procedimentos de
exportação/importação
Possui plugin para
integração, que foi
testado e funcionou
em conformidade.
Foi necessário
procedimentos de
exportação/importação
Não possui plugin e
não permite importar
arquivos de captura
Moven
Satisfatória
Possui plugin para
integração,
desenvolvido em
parceria pelos
fornecedores das
tecnologias.
iPi DMC
Insatisfatória
(perda de
trajetórias)
Foram necessários
procedimentos de
exportação/importação
O RAMSIS não possui plug-in para abertura de arquivos de captura de movimentos,
necessitando de uma série de procedimentos (exportação/importação) para possibilitar a
abertura das capturas. Além disso, o próprio software é limitado quanto ao tamanho dos
arquivos, não aceitando capturas com mais de 500 frames. Considerando o limite inferior de
geração de capturas do Moven de 12fps (frames por segundo), o tempo máximo de uma
captura, aceita pelo software, é aproximadamente 42 segundos. Esta limitação impede o
software de ser amplamente utilizado para projeto de situações produtivas. O sistema de
captura iPi DMC não apresentou integração com nenhum software de simulação humana,
necessitando de procedimento de exportação/importação para utilizar os dados capturados.
Por fim, destaca-se que o JACK e o RAMSIS (apesar das limitações) aceitam arquivos de
captura de maneira isolada (sem plug-in), enquanto que o CATIA e o DELMIA necessitam de
desenvolvimento específico, tornando-os incompatíveis com sistemas outros sistemas de
MoCap.
5. Conclusões
Os sistemas de captura de movimento quando aplicados juntamente às ferramentas de
simulação humana, contribuem significativamente para o projeto em ergonomia. Além do uso
em tempo real da captura, os movimentos gravados podem servir como base para a construção
de bibliotecas de ações que podem ser resgatadas quando necessário, formando grandes
sequências de atividades laborais (JOHANSSON e ASTRÖM, 2004). Os sistemas de MoCap
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podem melhorar a fidelidade da representação da ação real, propiciando um salto de qualidade
das análises dinâmicas realizadas. Isso tudo permite uma melhoria significativa na etapa de
prototipagem virtual, que reduz custos significativos no processo de projeto e potencialmente
auxilia na redução do tempo de projeto, que é um objetivo importante no contexto atual.
Como conclusão pode-se dizer que a integração entre os sistemas de MoCap aos softwares de
simulação humana, juntamente com o uso integrado destas tecnologias em projetos de
ergonomia ainda não é uma questão equacionada, apesar de muitas vezes prometida pelos
fornecedores. Na maioria dos estudos realizados ao longo deste trabalho foi possível notar que
há ainda barreiras tecnológicas para aplicações integradas. Pode-se verificar a existência de
soluções particulares, tais como plug-ins e conjuntos de exportações/importações entre os
sistemas, todavia tais soluções nem sempre funcionam bem e em geral acarretam na redução
do potencial de uso das técnicas aplicadas de forma integrada.
Entretanto, mesmo com a integração, novas dificuldades surgem com o uso desses sistemas,
como dificuldades relativas à correspondência antropométrica entre o corpo de captura e o
manequim virtual, o posicionamento dos marcadores e as necessidades de calibração que em
geral podem gerar desvios na representação do movimento em ambiente virtual.
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