[論文レビュー] Ergonomics Integrated Design Methodology using Parameter Optimization, Computer-Aided Design, and Digital Human Modelling: A Case Study of a Cleaning Equipment

Neelesh Kumar Sharma, Mayank Tiwari+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2022

Ergonomics and Human Factors被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、パrameter最適化、CAD、およびデジタルヒューマンモデリングを統合したエルゴノミクス設計手法を提示し、清掃機器のマニピュレータの性能を向上させた。3DSSPPを用いたバイオメカニカル分析とMATLAB/Minitabを用いた最適化により、最終設計では機械的優位性が241%向上し、RAPID全身評価スコアが6ポイント低下した。関節力は99%のユーザーに対して許容可能であった。

ABSTRACT

Challenges of enhancing productivity by amplifying efficiency and man-machine compatibility of equipment can be achieved by adopting advanced technologies. This study aims to present and exemplify methodology for incorporating ergonomics pro-actively into the design using computer-aided design and digital human modeling-based analysis. The cleaning equipment is parametrized to detect the critical variables. The relations are then constrained through the 3DSSPP software-based biomechanical and experimental analysis using a prototype. MATLAB and Minitab software is used for optimizing efficiency while satisfying the established constraints. The experiment showed nearly 67%, 120%, and 241% successive improvement in the mechanical advantage in comparison to their immediate predecessors. A significant (6 point) reduction in rapid entire body assessment score has been observed in the final posture while working with the manipulator. 3DSSPP suggested that the joint forces during the actuation of the manipulator were acceptable to 99% of the working population. The study demonstrated the potential of the methodology in revamping the equipment for improved ergonomic design.

研究の動機と目的

• 機械的設備設計の初期段階にエルゴノミクスを能動的に統合するための手法を開発すること。
• 特に反復的で不自然な姿勢による筋骨格系への負担が懸念される清掃機器の運用におけるエルゴノミクス的リスクを低減すること。
• 計算モデルと最適化を活用して、人機器間の適合性と運用効率を向上させること。
• 実世界の清掃機器の事例研究を通じて、測定可能なバイオメカニカルおよび性能的成果をもとに、手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• クリティカルな設計変数を特定・定義するための清掃機器のパラメトリックモデリング。
• 3DSSPPソフトウェアを用いたデジタルヒューマンモデリングと、機器操作時の姿勢に関するバイオメカニカル分析。
• 定められた機械的およびエルゴノミクス的制約下で、MATLABおよびMinitabを用いた多変数パラメータ最適化の適用。
• 実験的プロトタイピングを活用してシミュレーション結果の妥当性を検証し、設計パラメータを精緻化すること。
• 設計反復の各段階でエルゴノミクス的リスク低減を定量的に評価するためのRAPID（Rapid Entire Body Assessment）の統合。
• 関節力の99パーセンタイルの人口受容性に基づく制約の設定により、広範な使用可能性を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デジタルツールを活用して、機械的設備設計の初期段階にエルゴノミクスを体系的に統合する方法は何か？
• RQ2 パラメータ最適化を用いることで、清掃機器において機械的優位性とエルゴノミクス的リスクにどの程度の向上が達成できるか？
• RQ3 デジタルヒューマンモデリングとバイオメカニカルシミュレーションは、機器運用時の筋骨格系への負担をどの程度低減できるか？
• RQ4 最適化された設計パラメータは、順次設計反復の各段階でRAPIDスコアの測定可能な低下をもたらすか？
• RQ5 最終設計は、前回の設計と比較して、関節力への露出とユーザー人口の受容性の面でどの程度優れているか？

主な発見

• 最終設計では、初期プロトタイプと比較して機械的優位性が241%向上した。
• RAPID全身評価スコアに6ポイントの低下が観察され、エルゴノミクス的リスクの顕著な低減が示された。
• 3DSSPP分析によると、マニピュレータ操作時の関節力は、99%の労働人口に対して許容可能とされた。
• 順次設計反復において、2番目と3番目のバージョンと比較して、機械的優位性がそれぞれ67%および120%向上した。
• 統合された手法により、筋骨格系への負担が低減するとともに、機械的効率が向上した。
• CAD、デジタルヒューマンモデリング、最適化ツールの組み合わせにより、データドリブンでエルゴノミクスを最優先とした設計意思決定が可能になった。