SISTEMA PORTÁTIL PARA CAPTURA Y ANÁLISIS TRIDIMENSIONAL DEL MONLMIENTO HUMANO EN PUESTOS DE TRABAJO
ANTECEDENTES La presente invención se refiere a un Sistema de captura de movimiento tridimensional de un trabajador en su propio puesto de trabajo. Está orientada para ser utilizado por técnicos en prevención de riesgos laborales, con el fin de que les permita evaluar los riesgos Ergonómicos de puestos de trabajo de una forma sencilla y objetiva.
El ámbito de actuación de los técnicos de prevención en el campo de la Ergonomía es muy variado: evaluación y diseño de puestos de trabajo, análisis de posturas y movimientos, o estudios de la influencia del diseño del puesto de trabajo en las condiciones de trabajo.
En este contexto, un sistema de captura de movimiento en el propio puesto de trabajo, le proporcionaría al técnico de prevención un medio para realizar un análisis tridimensional del movimiento del trabajador (medida de ángulos, alturas, velocidades, aceleraciones, entre otros). Esto les facilitaría la realización de los análisis ergonómicos correspondientes y la valoración de los posibles riesgos.
El sector de la técnica a que hace la referencia la invención corresponde a Sistema de Captura de Movimiento ("Motion Capture" en terminología inglesa).
Durante milenios la reproducción de la figura humana ha motivado un gran interés y, aunque inicialmente se limitó a representaciones bidimensionales del cuerpo, ya en el renacimiento se planteó un cambio de visión al introducir el estudio de la perspectiva y la luz, añadiendo una tercera dimensión a su representación, si bien de una manera aún estática. El advenimiento de la fotografía, el cine y la televisión, no sólo añadieron profundidad y realismo a las representaciones del cuerpo, sino que además permitieron reproducir su movimiento completamente.
Sin embargo, tal vez el avance más innovador en este sentido lo constituyó el computador, permitiendo crear personajes con condiciones de iluminación y texturas muy reales, casi con vida propia. Pronto se les dio el -nombre de "personajes virtuales" a este tipo de figuras que parecían imitar los gestos de los seres humanos. Detrás de este medio creativo y científico, existe una herramienta clave: la captura de movimiento "Motion Capture", que en adelante denominaremos IvIoCap.
En la actualidad los sistemas MoCap están siendo ampliamente utilizados por numerosas compañías en el ámbito del modelado 3E->, animación virtual y aplicaciones cinematográficas. En Ingeniería el uso de MoCap es esencial en el desarrollo de nuevos productos más ergonómicos. En medicina, en concreto en el campo de la rehabilitación, su uso esta muy extendido para el tratamiento de lesiones del tren inferior. El estudio del modo de andar ha sufrido un gran desarrollo mediante esta técnica. Aplicaciones en ámbitos tan distintos como la neurociencia, ciencias deportivas, demuestran el amplio campo de actuación de estas técnicas.
La captura de movimiento tiene dos modos de utiliza-ción. El primero es el denominado modo en tiempo real, el sistema es usado para trasladar los movimientos de un actor a un modelo virtual en tiempo real. El otro uso es el denominado modo de grabación, es el más común, y consiste en la grabación de las escenas deseadas en el laboratorio para su posterior tratamiento y edición. Este último modo es el que se utiliza en el equipo que nos ocupa.
Las técnicas de captura de movimiento (MoCap) -reducen de forma significativa el esfuerzo necesario para producir animaciones tridimensionales complejas. Hasta el momento se han desarrollado varias técnicas MoCap con el objetivo de conseguir, incluso la captura de movimientos faciales. Las técnicas más novedosas y probablemente más atractivas están basadas en análisis de imágenes.
Dentro de los sistemas MoCap basados en tecnologías de imagen existen dos tipos: sistemas activos, que utilizan marcadores de LED pulsados, o sistemas pasivos, también
llamados reflexivos porque utilizan marcadores reflexivos (generalmente esféricos reflectantes o mediante otro sistema de material reflexivo).
Se utilizan videocámaras sincronizadas, esto es, todas las cámaras toman las imágenes sincronizadamente durante la grabación, para lograr el correcto seguimiento del movimiento de los marcadores colocados en las articulaciones del cuerpo del actor, y se requieren 2 cámaras para capturar zonas parciales del cuerpo, o 4 a 16 (o más) cámaras para la captura del cuerpo completo.
Los sistemas activos se basan en la recepción directa por la cámara de la emisión infrarroja de los LEDs. Los sistemas reflexivos o pasivos utilizan (aunque no siempre) antorchas de luz infrarroja montadas en las cámaras y estas recogen la reflexión infrarroja de los marcadores.
El proceso de funcionamiento es relativamente sencillo. Primero se ubican marcadores sobre las articulaciones y los puntos principales de movimiento del actor. Las posiciones de los marcadores son tomadas por varias cámaras simultáneamente y son computadas por triangulación para obtener sus posiciones 3D reales fotograma a fotograma, generando así un conjunto de datos del movimiento. Esta información se transfiere a un personaje tridimensional, previamente modelado en el computador.
Si no se utiliza un número suficiente de cámaras para el tipo de movimiento que se desea capturar, aparece el problema derivado de la oclusión o superposición de estos marcadores, errores en falsas reflexiones o perdida de aquellos.
Un punto importante es la calibración del sistema. La calibración consiste en establecer la correspondencia entre la posición de los objetos en el mundo real y la que indican las imágenes grabadas por cada cámara. Cada vez que se estaciona el equipo en un lugar diferente se necesita un proceso de calibración y fijación de referencias, más o menos complicado.
Así podríamos resumir que los sistemas actuales están caracterizados por funcionar en condiciones de laboratorio:
• Iluminación controlada.
• Complicado y laborioso proceso de estacionamiento y calibración del sistema cada vez que se mueve alguna de las cámaras.
• Colocación de marcadores artificiales sobre el sujeto observado. • Empleo de ropas especiales.
• Modificación del entorno para evitar las oclusiones.
La invención que se presenta corresponde a un sistema MoCap que está dirigido a la ergonomía del trabajo, con el propósito de permitir, a través del análisis del movimiento de un trabajador en su puesto de trabajo, evaluar los posibles riesgos ergonómicos derivados de su actividad, no precisando condiciones de laboratorio para su utilización.
El sistema está caracterizado por:
• Equipo portátil, dotado de soporte plegable para las cámaras y computador portátil.
• Provoca una mínima interferencia con el trabajador, no necesitando que vista una ropa especial ni colocar marcadores artificiales sobre su cuerpo.
• Sistema precalibrado. No necesita calibración de campo.
• Estacionamiento sencillo, basado en burbujas de nivel a inclinaciones prefijadas.
• Permite asumir la no visibilidad frecuente de determinados zonas del cuerpo desde ambas cámaras por obstáculos, limitaciones de espacio u otras. • Utilizable en situaciones reales, incluido el entorno industrial.
• No precisa alimentación externa ninguno de sus componentes para su funcionamiento.
• No requiere una alta especialización para su utilización.
• Coste reducido.
DESCRIPCIÓN.
El sistema está compuesto de una cabeza de estéreo-visión (5), que filma al trabajador en su puesto de trabajo. La interferencia con el trabajador es mínima: no se le cambia de ropa, no se le añaden marcadores artificiales y no se modifica la iluminación. Esta mínima interferencia facilita el estudio y lo hace más fidedigno.
La cabeza de estéreo-visión se compone de dos cámaras digitales (1) y (2) y está enlazado digitalmente (6) con un computador (11) que graba una secuencia de estéreo- imágenes. A partir de la secuencia de estéreo-imágenes, se determina la localización tridimensional de puntos de la escena:
• Puntos que no se mueven durante la filmación, normalmente elementos del entorno.
• Puntos que se mueven durante la filmación, fundamentalmente el cuerpo del trabajador u objetos que manipula. Se puede determinar la localización 3D de estos puntos en distintos instantes de tiempo, pudiendo determinar sus posiciones, velocidades y aceleraciones.
Cada una de las dos imágenes que componen una estéreo-imagen están sincronizadas gracias al módulo de sincronización (3) incluido en la cabeza. Dicho módulo envía las señales de disparo a las cámaras, de modo que ambas cámaras adquieren pares de imágenes sincronizadas y en instantes de tiempo prefijados y conocidos. La secuencia de estéreo-imágenes adquiridas es grabada en tiempo real en la memoria no volátil del computador (11) por el módulo de grabación (7) para su posterior tratamiento mediante un módulo de captura de movimiento (8), y análisis y simulación de puestos de trabajo, por medio de los módulos (9) y (10).
La cabeza estéreo es plegable, lo que facilita su transporte, ocupando aproximadamente la tercera parte de las dimensiones respecto a su envergadura longitudinal cuando está desplegado (ver figuras 3 y 4). Para ello, el par-estéreo de cámaras digitales de imagen
están ubicadas sobre soportes deslizantes (34) y (35), que al desplegarse permiten posicionar las cámaras a una distancia predefinida desde la posición de transporte a la de uso.
Únicamente se precisa de un enlace digital entre el computador y la cabeza estéreo (5), lo que simplifica el cableado. El módulo de alimentación (4) emplea baterías recargables que proporciona la energía necesaria, las cuales son fácilmente extraíbles para su sustitución.
La cabeza estéreo dispone de burbujas de nivel a inclinaciones prefijadas lo que permiten estacionar el equipo sobre cualquier trípode con 3 giros de forma rápida y precisa. Se definen varias orientaciones prefijadas para la cabeza, para cada una de estas orientaciones se fijan sobre la cabeza varias burbujas de nivel, de modo que nivelando respecto de ellas, la cabeza está en la orientación predefinida.
Señalar que la cabeza de estéreo-visión (5) está precalibrada no requiriendo un calibrado previo cada vez que se estaciona el sistema para su uso.
Como consecuencia de lo expuesto la invención que se presenta es un sistema de captura de movimiento portátil y compacto, que permite la filmación en el propio puesto de trabajo.
El módulo de comunicación y grabación (7), que funciona sobre el computador (11), realiza la grabación de la filmación y la comunicación con la cabeza estéreo, a través del enlace digital (6). Este módulo muestra en tiempo real las estéreo-imágenes capturadas por la cabeza y permite su grabación, a voluntad del operador, en la memoria no volátil del computador. También permite el ajuste interactivo de los controles de las cámaras, así como organizar las grabaciones. Asimismo, este módulo compensa todos los efectos no proyectivos que tienen los pares de imágenes adquiridos por las cámaras de la cabeza estéreo. Los parámetros que definen la compensación forman parte de la precalibración de la cabeza estéreo.
El módulo de captura del movimiento (8) está basada en superponer las imágenes del trabajador observado con las imágenes de realidad virtual de una escena en la que hay un modelo biomecánico con una antropometría similar a la del trabajador. E3 operador del programa modifica interactivamente los parámetros de movimiento del modelo biomecánico hasta que las imágenes reales del trabajador y las virtuales del modelo coinciden, en ese momento el movimiento del trabajador real es el mismo «que el del modelo biomecánico.
La figura 2 representa las etapas iniciales y finales de la determinación del m_ovimiento de un trabajador a partir de una estéreo-imagen y del modelo biomecánico del trabajador. Las referencias (20) y (21) son respectivamente la imagen iz quierda y derecha de la estéreo-imagen del modelo biomecánico virtual en la situación en su estado inicial, antes de saber el movimiento del trabajador. Las referencias (-22) y (23) son respectivamente la imagen izquierda y derecha de la estéreo-imagen del trabajador real observado.
El proceso de determinación del movimiento consiste en modificar interactivamente los parámetros del modelo biomecánico, haciendo uso de un software de animación 3D, de modo que las imágenes izquierda y derecha del modelo biomecánico virtual y del trabajador real coincidan en ambas imágenes. Las referencias (24) y (25) muestran la situación final en las imágenes izquierda y derecha, donde finalmente coinciden las imágenes del trabajador y del modelo biomecánico virtual.
El Módulo de captura del movimiento dispone de ciertas funcionalidades específicas que permiten capturar el movimiento del trabajador, sin precisar colocar marcadores artificiales sobre el sujeto por lo que el operario puede llevar su ropa habitual de trabajo.
El sistema permite determinar la antropometría del trabajador a partir de una estéreo- imagen del operario, permitiendo capturar su movimiento a lo largo de todo el tiempo filmado trasladándolo a un modelo biomecánico con una antropometría similar al sujeto observado, así como recrear los elementos u objetos con los que interactúa el trabajador. Para ello se dispone de las funciones precisas para determinar las coordenadas 3D de
cualquier punto visualizado en cualquier par de imágenes resultantes de la filmación del movimiento del sujeto en su puesto de trabajo. La localización de un punto en 3D se realiza por triangulación a partir de la identificación del punto sobre el par de imágenes estéreo. El punto identificado sobre el par de imágenes, puede corresponder a cualquier punto de la escena del puesto de trabajo (estático o en movimiento) o a cualquier punto de la superficie corporal del trabajador.
El modelo biomecánico del trabajador dispone de cinemática inversa, por lo que no es necesario actuar sobre todas las articulaciones del modelo biomecánico para hacerlo coincidir con las imágenes reales; basta con actuar únicamente con alguna de ellas. El modelo cinemático inverso simplifica extraordinariamente la determinación del movimiento del trabajador. Asimismo dispone de funciones de interpolación de movimiento que permiten aproximar el movimiento del trabajador en estéreo-imágenes sobre las que no se ha determinado expresamente el movimiento. También es posible determinar la posición de sujeto cuando hay oclusiones temporales de alguna zona corporal durante la filmación. Dado que podemos hacer mediciones y recrear el entorno de trabajo, si ciertos elementos del cuerpo o de la escena quedasen ocultos en algún momento durante la filmación, desde el propio entorno 3D recreado, podremos acomodar la postura del modelo virtual a la posición real del trabajador, visualizando la escena desde la posición más favorable, haciendo uso de funciones de aproximación y giro de cámaras virtuales.
Una vez que el movimiento del trabajador a lo largo de la secuencia analizada está calculado, podremos acceder al módulo de análisis del movimiento (9), el cual permite determinar la cinemática del sujeto y del entorno: posiciones, velocidades y aceleraciones, tanto de translación como de rotación. Asimismo permite realizar el análisis tridimensional del movimiento (desplazamientos y giros) de algún objeto que ha manipulado el trabajador durante su actividad, y que pueda ser de interés desde una perspectiva ergonómica.
Además del análisis del movimiento, se dispone de un módulo de simulación (10) para el análisis de distintas variaciones sobre el movimiento capturado, facilitando así el análisis y la presentación de las propuestas de mejora. Permite la modificación de la antropometría del trabajador observado, que posibilita analizar cómo realizarían la misma labor operarios con diferentes dimensiones corporales. Para ello, se podrá modificar el percentil a partir de tablas antropométricas de la población laboral, tanto de hombres como de mujeres, o simular con sujetos de antropometría específicas. También permite la generación de películas de realidad aumentada donde se muestra elementos sintéticos, tales como el modelo biomecánico, o la escena 3D recreada, la actual o modificada para simular propuestas de mejora, superpuestos sobre la película real filmada. Asimismo podremos observar el movimiento desde puntos de vista virtuales, elegibles por el usuario, con el fin de mostrar el movimiento del modelo biomecánico desde una perspectiva más favorable para la visualización de los detalles.
BREVE EXPLICACIÓN DE LOS DIBUJOS Figura 1.
Diagrama general de descripción del sistema. El sistema está compuesto de una cabeza de estéreo-visión (5), que filma al trabajador en su puesto. La interferencia con el trabajador es mínima: no precisa ropa especial ni marcadores y no se modifica la iluminación. Esta mínima interferencia facilita el estudio y lo hace más fidedigno. El cabeza de estéreo-visión se compone de dos cámaras digitales (1) y (2) y está enlazado digitalmente (6) con un computador (11) que graba una secuencia de estéreo-imágenes. A partir de esta, se determina la localización tridimensional de puntos de la escena:
Cada una de las dos imágenes que componen una estéreo-imagen están sincronizadas gracias al módulo de sincronización (3) incluido en la cabeza. La secuencia de estéreo- imágenes adquiridas es grabada en tiempo real en la memoria no volátil del computador (11) por el módulo de grabación (7) para su posterior tratamiento mediante un módulo
de captura de movimiento (8), y posterior análisis y simulación de puestos de trabajo, módulos (9) y (10).
Figura 2.
Esta figura representa las etapas iniciales y finales de la determinación del movimiento de un trabajador a partir de una estéreo-imagen y del modelo biomecánico del trabajador. Las referencias (20) y (21) son respectivamente la imagen izquierda y derecha de la estéreo-imagen del modelo biomecánico virtual en la situación en su estado inicial, antes de saber el movimiento del trabajador. Las referencias (22) y (23) son respectivamente la imagen izquierda y derecha de la estéreo-imagen del trabajador real observado. El proceso de determinación del movimiento consiste en modificar interactivamente los parámetros del modelo biomecánico, de modo que las imágenes izquierda y derecha del modelo biomecánico virtual y del trabajador real coincidan en ambas imágenes. Las referencias (24) y (25) muestran la situación final en las imágenes izquierda y derecha, donde finalmente coinciden las imágenes del trabajador y del modelo biomecánico virtual. La coincidencia en el par de imágenes estéreo implica la coincidencia en los parámetros de movimiento del modelo biomecánico y del sujeto observado.
Figura 3.
Detalle de la cabeza estéreo en la posición plegada. Las referencias (30) y (31) son las cámaras montadas sobre soporte deslizante. Alojamiento (32) incluye el módulo de disparo y el enlace digital, que se conecta en el panel frontal (33).
Figura 4.
Detalle de la cabeza estéreo en la posición desplegada. Las referencias (30) y (31) son las cámaras montadas sobre soporte deslizantes (34) y (35). La referencia (32) es el alojamiento del módulo de disparo y el enlace digital con el computador.
MODO DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN
La estructura de la cabeza estéreo así como los soportes deslizantes podrán realizarse en cualquier material que garantice, tanto la rigidez del sistema durante el funcionamiento, como la repetitividad dimensional y angular de la posición relativa entre las cámaras cuando se despliega el equipo totalmente desde la posición de transporte a la de uso.
La realización preferida de las cámaras es utilizar cámaras digitales con sincronismo externo y enlace digital. También podría realizarse con cámaras sincronizadas de enlace analógico.
El enlace digital debe tener como requerimiento el ancho de banda correspondiente a la cantidad de imágenes por segundo según la aplicación.
En la realización cualquier computador que soporte el enlace digital y disponga de capacidades gráficas y de almacenamiento no volátil es adecuado.