3D Statistisch-Antropometrisch Ontwerpen

3D Statistisch-Antropometrisch Ontwerpen Lichaamsnabije producten zoals bijvoorbeeld helmen, brillen, hoofdtelefoons, schoenen, stofmaskers, veiligheidsuitrusting algemeen, hoorapparaten, sportuitrusting... moeten op maat van de eindgebruiker worden ontworpen voor optimaal gebruik, comfort, functionaliteit en veiligheid. De ontwerper heeft hiervoor nood aan geschikte pasvormen, bijvoorbeeld een voldoende accuraat 3D oppervlak representatief voor een deel van het menselijk lichaam, voor een groep eindgebruikers of voor een individuele eindgebruiker. Dit project zal wiskundige 3D vormmodellen en state-of-the-art-technieken voor statistische vormanalyse bruikbaar maken voor ontwerpers die het eindgebruik centraal stellen. De techniek komt ter beschikking van ondernemingen door implementatie in courante CAD omgevingen. Hierdoor worden de wiskundige 3D vormmodellen bruikbaar voor ergonomische ontwerpdoeleinden: zowel voor volledig gepersonaliseerde ontwerpen, ontwerptechnieken voor massacustomisatie, als universele ontwerpen. De wiskundige 3D vormmodellen die een deel van het menselijk lichaam weergeven worden geparametriseerd door klassieke antropometrische grootheden. Deze beschrijving biedt de mogelijkheid om geparametriseerde ontwerpen op het lichaam te construeren. Het ontwerp dient slechts eenmaal gedefinieerd te worden. Daarna is het aanpasbaar aan de individuele lichaamsvorm, in functie van eenvoudig fysiek opmeetbare grootheden. De parametrisatie kan ook gebruikt worden om lichaamskarakteristieken-in het bijzonder het oppervlak- van een individu te voorspellen aan de hand van een beperkt aantal antropometrische maten. De technieken voor statistische vormanalyse worden aangewend om de mogelijke afwijking van de werkelijke vorm van het individu met het voorspelde model in elk punt weer te geven. De methode om het lichaamsoppervlak van een individu te voorspellen met parameterwaarden wordt uitgebreid naar instelbare intervallen, waarmee op dynamische wijze generieke pasvormen met variaties doorheen de gerepresenteerde doelgroep wordt weergegeven. De ontwerper kan zo percentielen koppelen aan adequate 3D representaties van lichaamsdelen. In dit project ligt de focus op een hoofd maar de technieken kunnen ook aangewend worden voor andere lichaamsvormen. Na afloop van het project zullen databanken van menselijke 3D vormen kunnen ingelezen worden en klaar voor gebruik worden aangeboden in CAD omgevingen. De te manipuleren doelgroep gegevens zijn het percentiel van een bevolkingsgroep, het BMI, de leeftijd en de etniciteit. Anderzijds kan ook een lichaamsoppervlak van een individu voorspeld worden aan de hand van een beperkt aantal antropometrische maten. Nadat de wiskundige 3D vormmodellen in een CAD omgeving zijn geïmplementeerd zullen case studies worden uitgevoerd. De case studies laten toe om de functionaliteit van de nieuwe ontwerpomgeving te ontwikkelen in een wisselwerking met de industrie. Anderzijds laten case studies ook toe om te verifiëren of virtueel geoptimaliseerde producten ook een kwantificeerbare fysieke meerwaarde bieden, waardoor de bruikbaarheid van wiskundige 3D vormmodellen voor ontwerpoptimalisatie wordt gevalideerd voor verscheidene producten. Praktijkvoorbeeld van Lazer Sport nv

Lazer Sport ontwikkelt helmen op basis van ISO-hoofden (EN 960). De hoofden zijn verkrijgbaar voor CAD. Deze standaard definieert hoofdmaten met een omtrek van 500mm tot 640mm met verschillen van 10 mm per hoofdmaat. Er zijn dus hoofden met een omtrek van 500mm, 510mm, 520mm tot 640 mm. De standaard kan worden gedefinieerd als een hoofd met 1 parameter: de omtrek. Het gebruik van EN960 voor het ontwerpen van helmen heeft naast zijn statisch karakter (opgesteld voor "Westerse" eindgebruikers) drie belangrijke beperkingen: 1.

Het oppervlak representeert een onrealistisch “gemiddelde”.

2.

als ontwerper kan je enkel de omtrek aanpassen. Je kent niet het percentage van de bevolking dat die omtrek heeft of waarvoor die omtrek bruikbaar is.

3.

EN960 heeft geen “facial features” zoals ogen, neus en mond of oren, die mogelijks gevrijwaard moeten worden, een steunfunctie zouden kunnen krijgen of meer ontwerpvrijheid bieden (bijvoorbeeld een geïntegreerd systeem: valhelm met lucht- en geluidfilters).

Het gebrek aan “facial features” tracht het bedrijf op te lossen door gebruik te maken van een beperkt aantal 3D scans van hoofden. Iedere 3D scan is echter een puntenwolk en moet worden geïnterpreteerd als een oppervlak om bruikbaar te zijn binnen CAD als startpunt voor het ontwerp. Dit is zeer tijdrovend en geeft enkel een beeld van één of enkele personen. De inspanning geeft met andere woorden geen garantie dat het ontwerp ook bruikbaar is voor de gewenste doelgroep. Een 3D vormmodel van een hoofd laat Lazer Sport toe om de interactie tussen hoofd (3D oppervlak van het hoofd) en helm (padding en retentiesysteem) juister te definiëren zodat de pasvorm beter aansluit bij een specifieke populatie (bv Oosterse of Westerse mannen in een leeftijdscategorie van 18 tot 50 jaar). Ook zal het 3D vormmodel Lazer Sport toelaten om sportbrillen te ontwerpen rekening houdend met verschillende neusbruggen en skibrillen die beter aanpassen aan het hoofd. De verbeterde pasvorm van een helm verhoogt het draagcomfort en laat toe om drukpunten op de huid te vermijden. Ook zal een 3D vormmodel indirect bijdragen aan de veiligheid van een helmdrager doordat een 3D vormmodel gebaseerde helm een correcte positie behoudt bij een val. State Of The Art

Om de variabiliteit binnen een populatie van 3D vormen in kaart te brengen, moeten corresponderende punten van deze vormen gevonden worden. Zo moeten bijvoorbeeld, voor het bestuderen van de vormvariabiliteit van het hoofd, de puntjes van de neuzen geïdentificeerd worden. Op basis van een correspondentie kan een vormmodel opgebouwd worden via principale componenten analyse (PCA). Met PCA kan elke vorm worden opgebouwd uit de gemiddelde vorm met daaraan toegevoegd de bijdragen van de voornaamste vormafwijkingen (principale componenten). Vormmodellen zijn gepopulariseerd sinds midden jaren negentig (Tim Cootes’ active shape models, weliswaar toen nog in 2D) maar het onderzoeksveld gaat terug tot het werk van Sir D’Arcy Wentworth Thompson (On Growth and Form, 1917). Binnen het consortium wordt hiernaar onderzoek verricht door Toon Huysmans (Parameterization and Correspondence for Improved Modeling, Analysis, and Visualization of Tubular Surfaces, PhD Thesis, University of Antwerp, 2009). In ingenieurstijdschriften worden steeds vaker mogelijke toepassingen van vormmodellen in de productontwikkeling geïdentificeerd, voornamelijk voor producten die op het hoofd gedragen worden: Wu et al. (A method for 3D sizing system, 2009), Wuhrer et al., (Automatically creating design models from anthropometrical data, 2011), Niu et al. (Multi-resolution shape description and clustering of three-dimensional head data, 2009), Krishnamurthy en Sen, (Deriving statistical fit contours and shape of an aerosol mask from 3D head scans, 2011) en Roger Ball (SizeChina, 2011). De effectieve toepassing ervan is echter beperkt tot enkele onderzoeksprojecten uitgevoerd vanuit een technisch-algoritmische aanpak. In dit project willen we rekening houden met de noden en wensen van de ontwerper die de eindgebruiker van het product vooropstelt en de 3D informatie in de juiste interactievorm aanbieden in CAD software. Met CAD software is het wel mogelijk om parametrische ontwerpen te genereren waarbij het design dynamisch aanpasbaar is via onderliggende relaties tussen de verschillende componenten van het design. Maar deze vorm van dynamiek is echter nog niet beschikbaar voor ontwerpen waarbij de parameters aanpasbare organische vormen zijn zoals lichaamsdelen. Zo ligt de focus van de huidige ergonomische verificatiemethoden binnen een CAD omgeving (zoals bv Siemens Jack of DELMIA V6 Virtual Ergonomics ) op de beoordeling van ergonomische handelingen en zijn zij niet geschikt voor het ontwerpen van een lichaamsnabij product rondom het 3D oppervlak van een menselijk lichaam. Recentelijk heeft men binnen het consortium een aanzet gedaan naar de ontwikkeling van CAD-tools om de weelde van informatie die vervat zit in een vormmodel beschikbaar en bruikbaar te maken voor een productontwikkelaar. De CAD tool (SolidWorks AddIn) die werd ontwikkeld met steun van BiR&D (Anthropometrics 2.0, 2013) levert een proof-of-concept en is daarin uniek. De interactiemethoden tussen vormmodel en productontwikkelaar zullen binnen dit project verder verfijnd worden via casestudies met de bedrijven uit de gebruikersgroep.

Screenshots

Figuur 1: aanzichten van de gemiddelde scalp van een populatie hoofden. De kleurcode geeft aan welke regio`s meer (rood) of minder (blauw) variabel zijn binnen de populatie.

Figuur 2: Een stap uit het ontwerpproces van een product voor het hoofd. Er wordt op een standaardhoofd ontworpen en de koppeling tussen productdesign en hoofdmodel wordt hier gemaakt door projectie van de 2D tekening naar de linker en rechterkant van het 3D hoofdmodel.

Figuur 3: Het resulterende productdesign sluit nauw aan op verschillende plaatsen op het hoofd.

Figuur 4: Twee voorbeelden van geïndividualiseerde versies van hetzelfde productontwerp. Het linker hoofd heeft een lengte van 19cm en het rechter hoofd is 22cm lang. In figuur 4 zijn twee verschillende hoofden weergegeven en niet zomaar een eenvoudige schaling. Door de koppeling van het ontwerp met het hoofdmodel wordt de CAD-tekening automatisch aangepast voor een nieuw hoofd: de productdelen aan de zijkant en bovenkant van het hoofd worden aangepast voor een perfecte aansluiting met de hoofdhuid, terwijl de pennen aan de achterkant automatisch worden versteld om meer ruimte te maken voor het grotere linker hoofd. De onderdelen van het resulterende design kunnen vervolgens digitaal geproduceerd worden, e.g. via 3D printing. De ontwikkelde tool biedt een elegante oplossing voor massacustomisatie. Daarnaast kunnen ook betere pasvormen geconstrueerd worden waarbij mogelijke variaties punt per punt worden weergegeven, (figuur 5).

De werkwijze koppelt meteen digitale en fysieke wereld (figuur 5): de pasvorm van een individu kan bepaald worden door een beperkt aantal eenvoudige metingen, waarna een geschikt model (bijvoorbeeld een nieuwe helm in het gamma van Lazer Sport) kan worden aangeboden.

3D shape ↕ 1D variability

+

Figuur 5: De pasvorm van een individu kan bepaald worden door een beperkt aantal eenvoudige fysieke metingen (rechts), waarbij de variatie op een voor ontwerpers evidente manier wordt aangegeven (links) in plaats van in een wiskundig evidente manier (midden).

Project 3D Statistisch-Antropometrisch Ontwerpen Projectpartners: Artesis hogeschool Antwerpen, Visielab Universiteit Antwerpen en Flanders Inshape Contactpersoon: Stijn Verwulghen [email protected]