AVALIAÇÃO DE TECNOLOGIAS DE CAPTURA DE MOVIMENTOS …

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.

XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.

XXXV ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Perspectivas Globais para a Engenharia de Produção

Fortaleza, CE, Brasil, 13 a 16 de outubro de 2015.

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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.



3

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 Desvantagens

Mecânica Variação de voltagem de potenciômetros em estrutura mecânica

• Robustez • Precisão • Latência baixa

• Incômodo para o corpo de captura

• Medidas relativas

Magnética Variação de campo magnético medido em receptores

• Medidas absolutas precisas

• Sem oclusão

• Erros devido a distorção magnética

Inercial Integração da velocidade angular de giroscópios

• Precisão • Sem oclusão • Sensores pequenos

• Medidas relativas • Acúmulo de erros

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


direta


direta

Liberdade de

movimentos

Não há restrições

Restrições devido ao uso traje, com fios

Restrições devido ao

uso do exoesqueleto

Leves restrições devido ao traje

com marcadores



Flexibilidade no ambiente

de uso

Restrições para

ambientes externos

Restrições devido a

presença de materiais

ferromagnéticos


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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Quadro 4 - Integração entre sistemas de MoCap e softwares de simulação humana

SIST

EMA

S D

E C

AP

TUR

A D

E M

OV

IMEN

TOS

QUALIDADE DOS MOVIMENTOS CAPTURADOS

SOFTWARES DE SIMULAÇÃO HUMANA

JACK RAMSIS Human Builder

DELMIA

Moven Satisfatória

Possui plugin para integração,

desenvolvido em parceria pelos

fornecedores das tecnologias.

Foi necessário procedimentos de

exportação/importação

Possui plugin para integração, que foi

testado e funcionou em conformidade.

iPi DMC Insatisfatória

(perda de trajetórias)

Foram necessários procedimentos de


Foi necessário procedimentos de


Não possui plugin e não permite importar arquivos de captura

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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