XVI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERÍA GRÁFICA RILIEVI ANTROPOMETRICI TRAMITE TECNICHE DI REVERSE ENGINEERING PER LA PERSONALIZZAZIONE DI PRODOTTO DE NAPOLI, Luigi; MUZZUPAPPA, Maurizio; TAVANO, Massimiliano Università della Calabria, Arcavacata di Rende (CS), Italia Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Meccanica Correo electrónico: (ldenapoli, muzzupappa)@unical.it; massimilianotavano@libero.it RESUMEN La corretta modellazione del corpo umano è un fattore sempre più determinante nello sviluppo di quei progetti nei quali risulta di fondamentale importanza l'interazione fra uomo, prodotto e ambiente. L obiettivo del presente lavoro è quello di ottenere un modello virtuale tridimensionale di un soggetto umano attraverso la digitalizzazione della sua superficie esterna mediante l impiego di uno scanner laser 3D. Viene descritta la tecnica di reverse engineering utilizzata per ottenere la nuvola di punti e il relativo modello geometrico della superficie esterna del soggetto. A partire dai dati antropometrici rilevati sul modello virtuale, viene inoltre riportato un esempio di personalizzazione di prodotto. Palabras clave: Ingegneria Inversa, Antropometria, Ergonomia, Scansione Laser 3D. ABSTRACT The correct modeling of the human body is a more and more determining factor in the design development, particularly when the interaction between man, product and environment is of fundamental importance. The aim of the present work is to obtain a three-dimensional virtual model of a human body by means of the digitalization of its external surface using a scanner laser 3D. We present the reverse engineering technique that has been used in order to obtain the entire cloud of points and the geometric model of the external surface of the human body. An example of customization of product from the anthropometric data extracted from the reconstructed model, is described. Key words: Reverse Engineering, Anthropometry, Ergonomics, 3D Laser Scanning.
1. Introduzione L esigenza di avere a disposizione modelli virtuali tridimensionali di soggetti umani sempre più complessi e dettagliati è oggi particolarmente sentita in molteplici settori quali la biomedica, l ergonomia, l antropometria, la realtà virtuale, l industria dei videogames e dell abbigliamento [1], etc.. La possibilità di poter disporre di tali modelli virtuali, unitamente ai costi sempre più contenuti dei sistemi di acquisizione 3D, ha spinto molte attività di ricerca e molte aziende ad investire risorse sempre maggiori in questo settore. I dati che è possibile ricavare da tali modelli possono infatti essere importati e manipolati in qualsiasi ambiente virtuale per eseguire tutta una serie di analisi e di verifiche nei quali è fondamentale l aspetto antropometrico [2]. Fino a qualche tempo fa le tecnologie di supporto al Reverse Engineering (RE) [3], in particolare quelle coinvolte nella fase di acquisizione dell oggetto nella sua tridimensionalità, non consentivano di ottenere risultati soddisfacenti in termini qualitativi. I sistemi d acquisizione tradizionali (a contatto e non), infatti, erano limitati da una scarsa precisione ed dagli ingenti tempi necessari per l elaborazione dei dati acquisiti. I miglioramenti delle tecniche di acquisizione mediante laser scanning hanno consentito di raggiungere, oggi, la precisione, la velocità e la flessibilità richiesta per la maggior parte delle applicazioni. Un ulteriore vantaggio offerto dagli attuali sistemi laser (come quello adottato in questo lavoro) è quello di poter conservare traccia non solo delle dimensioni dell oggetto acquisito, ma anche delle sue proprietà superficiali, attraverso la memorizzazione della texture. Tali strumenti permettono in pratica di registrare una foto digitale dell oggetto inquadrato e di memorizzarla assieme alle coordinate dei punti campionati sulla superficie. Questo consente non solo di avere un maggiore realismo dell oggetto acquisito, ma costituisce un aiuto essenziale nella fase di ricostruzione, soprattutto se risulta necessario rilevare ed acquisire l oggetto da più punti di vista. Nel presente lavoro viene descritta la metodologia utilizzata per la ricostruzione di un modello tridimensionale di un soggetto umano. Inoltre, vengono presentati i risultati ottenuti dai rilievi antropometrici sul soggetto digitalizzato. Infine, viene descritto un semplice esempio di product customization, a partire dalle informazioni contenute nel modello; in particolare, si è progettato un collare ortopedico su misura, in un ottica progettuale completamente personalizzata, mirata cioè alla customer satisfaction. 2. Reverse Engineering del Corpo Umano La difficoltà principale riscontrata nella digitalizzazione di un soggetto umano è stata quella di dover eseguire un elevato numero di scansioni a causa del ridotto campo d acquisizione dello strumento utilizzato, in rapporto alle dimensioni del soggetto da acquisire; questo ha comportato un considerevole dispendio di tempo durante la fase di ricostruzione del modello.
Questa difficoltà ci ha comunque permesso di mettere a punto una metodologia efficace per il rilievo e la ricostruzione di oggetti dalle dimensioni più grandi rispetto al campo di acquisizione dello scanner. D altra parte, i sistemi in grado di rilevare oggetti molto grandi e nella loro interezza risultano ancora molto costosi e poco diffusi. Set-up di Acquisizione e Modalità Operative Per la fase di acquisizione del soggetto è stato utilizzato uno scanner laser 3D a triangolazione, il Minolta VIVID 300 montato su un treppiede. Per quel che riguarda gli strumenti software, per la fase di acquisizione è stato adottato il software a corredo dello scanner, mentre per la successiva fase di editing delle singole nuvole di punti e per la giustaposizione delle stesse, è stato utilizzato RapidForm TM 2004, prodotto dalla Inus Technology, disponibile in versione evaluation presso il Dipartimento di Meccanica dell Università della Calabria. Prima di procedere alla digitalizzazione del soggetto sono state condotte diverse scansioni di prova su parti umane in modo da valutare le condizioni che garantissero un risultato ottimale dal punto di vista qualitativo. In particolare si è riscontrato che le proprietà ottiche della pelle umana risultano particolarmente adatte ai rilievi mediante scansione laser. La pelle, infatti, riflette la luce in maniera prevalentemente diffusa, per cui non sono necessari trattamenti di opacizzazione della stessa prima dell acquisizione. Anche gli indumenti in tessuto non sintetico danno ottimi risultati, in modo particolare quelli in cotone e di colore chiaro (fig. 1). Figura 1: Set-up di acquisizione e soggetto da rilevare.
Come già detto, a causa del ridotto campo d acquisizione dello scanner utilizzato, è stata eseguita una scansione multipla da più punti di vista. Per ricostruire l intero modello è stato quindi necessario assemblare più nuvole di punti, ognuna corrispondente ad una differente porzione di corpo, al fine di ottenere un unica nuvola di punti rappresentativa dell intero soggetto. Per facilitare questa operazione si è reso necessario evidenziare, sulla superficie da rilevare, una serie di punti notevoli (di riferimento). Tali punti, che devono risultare ben contrastati e facilmente individuabili su ogni patch (la singola superficie digitalizzata), sono serviti come strumento guida per assemblare le nuvole registrate dai diversi punti di vista (lo scanner acquisisce, infatti, anche la texture della superficie). Inoltre, per organizzare in modo ottimale l acquisizione, la superficie del soggetto è stata suddivisa in aree regolari contrassegnate con opporture sigle facilmente individuabili. E stata creata, in pratica, una vera e propria griglia di riferimento sulle superfici da acquisire (figura 2). Figura 2: Marker sulla superficie da rilevare. Le fasi successive a quella d acquisizione, ovvero il post-processing, l editing e la segmentazione delle nuvole di punti, sono state condotte, come detto, con l ausilio del software RapidForm TM. Una volta ripulite le singole acquisizioni (da punti non appartenenti alla superficie, da zone poco o molto riflettenti e perciò affette da errori troppo elevati), si è proceduto alla giustapposizione delle stesse, procedendo con il montaggio di due patch per volta. La metodologia più efficace, che ha permesso di ridurre l errore sul modello ricostruito e che è risultata comunque più agevole, prevede una prima ricostruzione in macropatch, ad esempio la zona della testa, delle braccia, etc. (fig. 3), e, in un secondo momento, il montaggio delle macropatch stesse.
Figura 3: Macropatch prima del montaggio finale. Dalla composizione delle varie macropatch si è infine ottenuta un unica nuvola di punti rappresentativa del soggetto acquisito. Il risultato finale è illustrato in figura 4 dove il modello è rappresentato da una nuvola di punti, seppur triangolarizzata e con impressa la texture acquisita. Figura 4: Scansione completa.
Misure Antropometriche Computerizzate - Validazione dell Acquisizione La misura dei dati antropometrici dell uomo con i metodi tradizionali comporta l adozione di strumenti quali antropometri, calibri a spessore o nastri graduati, che per la loro natura presentano diverse limitazioni e disagi sia per il soggetto misurato che per il tecnico antropologo [4, 5]. Uno dei vantaggi maggiori che si hanno con le tecniche di misura non convenzionale, condotte cioè al calcolatore su un modello digitale, è senza dubbio quello dell assenza di contatto fisico tra il soggetto da rilevare e i vari strumenti di misura, cosa inevitabile con le normali tecniche di misura antropometrica. La disponibilità del modello geometrico del soggetto, permette il rilievo agevole di un qualsiasi parametro antropometrico [6, 7, 8], oltre ad offrire la possibilità di effettuare ulteriori analisi utilizzando opportuni software di simulazione [9]. Mediante RapidForm, utilizzato per il montaggio della nuvola di punti, sono stati creati piani e punti di riferimento così come indicati dalla letteratura sull antropometria (fig. 5). Figura 5: Piani e punti di riferimento per i rilievi antropometrici. Questi riferimenti hanno permesso di rilevare i parametri antropometrici indicati in letteratura, sia come misure lineari che come misure circonferenziali. In tabella 1 e 2 vengono confrontati i risultati ottenuti mediante le misure acquisite con i metodi classici rispetto a quelle rilevate sul modello digitale: l errore riscontrato per ciascuna delle misura risulta sempre inferiore al 2%. Dalla figura 6 è possibile evincere le misure prese in considerazione.
(a) (b) Figura 6: (a) Misure antropometriche lineari. (b) Misure antropometriche perimetrali. Tabella 1: Confronto tra misure antropometriche lineari Misure lineari [mm] Rif. Mis. Comp. Mis. Trad. Diff. Diff. % 1 478 482 4 0,8 2 706 700 6 0,9 3 881 875 6 0,7 4 1123 1118 5 0,4 5 1427 1420 7 0,5 6 980 982 2 0,2 7 1765 1760 5 0,3 8 421 425 4 0,9 9 479 480 1 0,2 10 66 67 1 1,5 11 177 180 3 1,7 12 69 68 1 1,5 13 53 54 1 1,9 14 54 55 1 1,8 15 277 274 3 1,1 Valori Medi 3,33 0,96 Tabella 2: Confronto tra misure antropometriche perimetrali Misure perimetrali [mm] Rif. Mis. Comp. Mis. Trad. Diff. Diff. % 1 1226 1220 6 0,5 2 1098 1102 4 0,4 3 918 920 2 0,2 4 1075 1068 7 0,7 5 633 625 8 1,3 6 398 400 2 0,5 7 392 390 2 0,5 8 237 241 4 1,7 9 342 339 3 0,9 10 288 290 2 0,7 11 182 184 2 1,1 12 581 588 7 1,2 13 628 622 6 1,0 14 404 408 4 1,0 Valori Medi 4,21 0,82
3. Applicazione di Personalizzazione di Prodotto Negli ultimi anni il mercato ha subito una radicale trasformazione: il consumatore moderno è divenuto sempre più attento nello scegliere un prodotto in base ai suoi gusti ed alle sue esigenze personali. Un contributo in tal senso è stato sicuramente dato dall e-commerce, cioè degli scambi commerciali attraverso la rete internet, che hanno consentito al cliente sia di interagire in tempo reale ed in modo diretto con l azienda produttrice, che di scegliere fra molte più opzioni. In virtù di queste nuove possibilità, buona parte delle richieste di prodotti high-tech si è spostata verso mercati di tipo personalizzato, in cui l azienda produttrice cerca di venire incontro il più possibile alle richieste del cliente. Si sta assistendo, cioè, al passaggio dalla mass production (produzione di massa) alla product customization (personalizzazione del prodotto). Come applicazione di product-customization si è scelto di progettare un collare ortopedico, un prodotto per cui può essere facilmente giustificabile un processo di produzione personalizzata, nonostante le maggiorazioni legate ai costi. Basti pensare all impatto positivo che può comportare sulla qualità della vita di una persona disabile, la realizzazione di una protesi o di un ausilio ortopedico, pensati in modo da adattarsi perfettamente alle proprie caratteristiche dimensionali o alle proprie specifiche esigenze. In un ottica progettuale di questo tipo non dovrà più essere il soggetto ad adattarsi al prodotto ma, al contrario, sarà il prodotto stesso ad essere concepito su misura in base alle reali necessità dell utente. Progettare un prodotto a partire dai dati ottenuti da un processo di RE non è però così immediato. E' importante sottolineare, infatti, che il modello ottenuto alla fine del processo di RE è costituito da una mesh triangolare, cioè una superficie discontinua, spesso costituita da un elevato numero di superfici piane (pari al numero di triangoli che costituiscono la mesh stessa). Se per alcune applicazioni, quali il rilievo di misure antropometriche, una superficie di questo tipo non comporta particolari inconvenienti, per altre applicazioni tale superficie non è direttamente utilizzabile. Nel caso in cui, ad esempio, occorra realizzare uno stampo sulla base dell impronta del soggetto, il processo coinvolgerà l utilizzo di macchine a controllo numerico, il cui funzionamento è basato sulla conoscenza dei percorsi utensile definibili solo se le superfici non presentano discontinuità. Dalla nuvola di punti triangolarizzata è stato necessario perciò isolare la zona di interesse dal quale estrarre le curve da utilizzare per la creazione della superficie parametrica (u,v) della regione cervicale (fig. 7). L operazione di estrazione delle curve è stata eseguita utilizzando RapidForm; tali curve sono state successivamente esportate in formato IGES verso Pro/Engineer, per la creazione della superficie di riferimento del collare e l ingegnerizzazione del collare stesso. La superficie parametrica ottenuta è stata confrontata con la nuvola di partenza: l adattamento è tale per cui il massimo errore misurato (distanza tra superficie e nuvola) è risultato essere di circa mezzo millimetro. Per l ingegnerizzazione del collare è stato effettuato un primo offset della superficie di 4 mm per la realizzazione di un rivestimento interno in spugna, in grado
di garantire un maggior comfort al soggetto durante l utilizzo del collare. Un secondo offset di 5 mm è servito invece per generare il modello solido. Alla fine, è stato aggiunto il bordo del collare, è stato effettuato il taglio in due semigusci e sono state modellate le appendici per il bloccaggio. In fig. 8 viene mostrato il modello finale pronto per la produzione, che potrebbe essere realizzato, per esempio, mediante Prototipazione Rapida. Figura 7: Curve generatrici con sovrapposta la nuvola di punti (a sinistra) e la mesh triangolare (a destra). Figura 8: Modello completo del collare (vista esplosa) e particolare dell attaccatura 4. Conclusioni In questo articolo è stata presentata una metodologia per la ricostruzione virtuale tridimensionale di un soggetto umano mediante scanner laser 3D. A partire dal modello ricostruito sono stati ricavati i dati antropometrici e confrontati successivamente con i dati rilevati mediante tecniche tradizionali. La differenza tra le misure è tale da validare la tecnica utilizzata per l acquisizione. Inoltre, i dati rilevati mediante RE sono stati utilizzati per progettare un prodotto su misura : la procedura seguita apre interessanti prospettive alla product customization.
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