ENGENHARIA COM FATORES HUMANOS (HFE).

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1 ENGENHARIA COM FATORES HUMANOS (HFE). Human Factors Engineering Chandler Allen Phillips Wiley, 2000 I INTRODUÇÃO Engenharia dos fatores humanos (HFE) pode ser definida como A disciplina encarregada da análise, cálculo e desenvolvimento dos sistemas humano-tecnológicos em que a ênfase esta colocada no ser humano. Ela une a engenharia e a engenharia biomédica. A tecnologia pode ser simples, como uma escova de dentes ou um martelo, ou complexa, como um avião à jato ou um submarino. Subsistema Ambiental Entrada Subsistema Humano Subsistema Tecnológico Saída Tarefa Fig Um sistema humano-tecnológico ( dentro das linhas pontilhadas).

2 2 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA Bioengenharia interface entre a engenharia e a biologia. Psicologia Engenharia Biologia/Medicina Motivação Cognição Percepção Sensação Aprendizado Engenharia Industrial Engenharia de Sistemas Engenharia de Manufaturas Planta do Ambiente Design do Trabalho Análise de Objetivos Engenharia de Segurança Física Estática Dinâmica Eletrônica Matemática Termodinâmica Sistemas de Controle Bioengenharia Bioestática Biodinâmica Bioenergética Biotermodinâmica Bioeletricidade Bioeletrônica Biofísica Bioquímica Anatomia Fisiologia Biomatemática Neurociência Fatores Humanos Engenharia de Fatores Humanos Engenharia Biomédica Ergonomia Design de Estação de Trabalho Design de Controles Manual de rotina Antropometria Análise Funcional Biomecânica de Fatores Humanos Bioeletricidade de Fatores Humanos Biodinâmica Ergonômica Determinação da carga de trabalho Biotermodinâmica de Fatores Humanos Engenharia de Controle Humano Bioestática Biodinâmica Bioenergética Biotermodinâmica Bioeletricidade Bioeletrônica Fig.1.2 Engenharia de Fatores Humanos vista como uma especialidade multidisciplinar da engenharia. II OBJETIVOS Engenharia Biomédica ocupa-se do cálculo e desenvolvimento de sistemas e instrumentos biomédicos; também aplica os conhecimentos da engenharia aos seres humanos. A engenharia biomédica é um subcampo da Bioengenharia e da ciência médica. Os oitos objetivos da HFE serão mais amplamente estudados durante o curso. Os quatro primeiros exemplos são ligados aos fundamentos e os outros quatro à prática profissional. Biomecânica é a mecânica aplicada quando utilizada em sistemas biológicos.

3 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA 3 II.1 - Objetivo 1: Aplicar métodos da Estática para analisar sistemas tecno-humanos. Sabe-se que os músculos que desempenham um certo movimento por um longo período entram em fadiga. Fadiga muscular é caracterizada como o decréscimo da habilidade de gerar força. Modificando-se o movimento para reduzir a força muscular pode-se aumentar a resistência e prolongar o período que antecede a fadiga. Fig 1.3- O voluntário do Exemplo 1 visto frontalmente. Exemplo 1: Um voluntário precisa continuamente esticar o braço segurando um sinal de 18N, onde está escrito Desvio a direita. Determine a força muscular (F m ) e as reações no ombro (Ry e Rx). a) Com o passar do tempo e quando a fadiga chega, o braço esticado desce para o ângulo de 65 º. Ache a nova força no ombro. b) O voluntário dobra o braço no cotovelo a 90 o, (tal que o antebraço fique na vertical). Ache a força no ombro. Verificaremos que ao modificar a posição do braço o voluntário reduz a força muscular em 40%.

4 4 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA II.2 - Objetivo 2: Aplicar os métodos da Dinâmica para analisar sistemas tecno-humanos. A HFE deve analisar a forma como o humano esta trabalhando e subseqüentemente indicar como modificar a forma de trabalho para que seja mais fácil e eficiente. Fig 1.4 Pessoa puxando uma carga como descrito no Exemplo 2, visto de perfil. Exemplo 2: a) Imagine uma pessoa puxando uma carga de 60 k em um chão de cimento ( ν = 0,3). A pessoa está fazendo uma força constante de 250 N (T), com um ângulo de 30 º. Ache a aceleração da carga.(assume-se que toda a parte inferior da carga está em contínuo contato com o chão). b) Colocando-se a carga em uma plataforma sobre rodas, reduz-se o ângulo para 15 o e o coeficiente de atrito para υ= 0,1. Ache a força T para que haja a mesma aceleração. Verificaremos que da forma b a força exercida pelo homem que puxa a carga cai pela metade. II.3 - Objetivo 3: Aplicar os métodos da Eletricidade e Eletrônica para analisar HTS ( Human Tecnological System). Aplicam-se aparelhos bioeletrônicos para conhecer as respostas fisiológicas de uma pessoa ao efetuar trabalho. Estes aparelhos são: eletrocardiograma (batidas do coração); eletropneumograma (respiração); eletromiograma (atividade muscular); que são feitos através de eletrodos colocados na pele da pessoa.

5 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA 5 II.4 - Objetivo 4: Usar a Termodinâmica para obter um ambiente neutro, isto é, onde o calor interno gerado pela pessoa (M) é exatamente igual ao calor transferido (Q) da pessoa para o ambiente. Fig. 1.5 Trabalhador do escritório de ambiente neutro, como descrito no Exemplo 4. Exemplo 4: Um engenheiro de HF (Fatores Humanos) é chamado para definir a melhor forma para um escritório. Neste escritório temos uso de computador, telefone, etc., por um grupo de trabalhadores. A massa individual média dos trabalhadores é de 65 kg. Sendo o desvio padrão de 7,5 kg. a) Para estes trabalhadores vestidos pede-se para definir um ambiente neutro em relação à transferência de calor. Consideraremos o ar parado e radiação. b) Consideraremos o ar movendo-se numa velocidade v.

6 6 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA II.5 - Objetivo 5: Entender Ergonomia. Exemplo 5: Uma firma está desenvolvendo uma atadura para o pulso, com o objetivo de dar aos jogadores de boliche um melhor suporte e controle para o pulso, quando os jogadores estão balançando e lançando a bola. Os pontos E, W e H de um jogador profissional estão sendo filmados. É necessário: a) interpretar os dados obtidos nas filmagens. b) interpretar as reações na articulação e o movimento do conjunto muscular pulso x cotovelo. c) interpretar o trabalho e a potência muscular que ocorre na mão e o antebraço. Bola de boliche Fig 1.6 Posições do braço marcadas no cotovelo (E), punho (W) e mão (H), como descrito no Exemplo 5. II.6 - Objetivo 6: Entender a análise quantitativa da carga de trabalho quando aplicada a Engenharia Ergonômica. Carga de trabalho é o esforço que um operador humano sente ( isto é, dentro do corpo da pessoa) em resposta a uma específica quantidade de trabalho externo (ao corpo ) ligado a bioeletrônica.

7 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA 7 II.7 - Objetivo 7: Entender sistemas de controle neuromuscular quando aplicado à prática de Engenharia de Controle. Exemplo 7: Um operador de guindaste esta sentado na cabine com o controle na mão. O operador empurra o controle para frente usando o músculo anterior do ombro (levanta o guindaste). Fazer programa de computador de simulação deste sistema. Manivela isométrica de controle Fig 1.7 Operador de guindaste com controle na mão, como descrito no Exemplo 7. II.8 - Objetivo 8: Entender controle operacional humano quando aplicado à prática da Engenharia de Controle Humano. Dará a possibilidade de sugerir equipamentos alternativos no contexto das capacidades mental e física do operador.

8 8 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA III - SISTEMATIZAÇÃO III.1 Sistemas humanos cálculo e modelo. Para um engenheiro de fatores humanos a máxima prioridade é dada ao propósito operacional do sistema completo tecno-humano, o que será obtido entendendo a relação que interconecta o sistema humano e o técnico. Primeiro ele considera o sistema tecno-humano como uma caixa preta que interage com o ambiente. Depois considera como a caixa preta cria um sistema global. Por fim faz a análise com respeito a unidades individuais que se combinam para formar os subsistemas, tanto humano quanto tecnológico. Estas unidades individuais são importantes, mas são estudadas pelo engenheiro tradicional. Sistema tecnológico estrutura e atividade Sistemas humanos-tecnológicos Estático S.H.T. Sistema humano sem atividade ex.: ressonância magnética estudo da anatomia do homem parado. Dinâmico Sistema tecnológico estrutura e atividade Sistema humano idem. Ex: ultrassonografia um operador busca a melhor imagem. S.H.T. Fechado interação negligenciável entre o sistema e o ambiente. Ex.: câmara de mergulho, que protege o operador das ações adversas do ambiente. Aberto interação com o ambiente, o operador mudará sua performance com fatores ambientais. Ex.: humano dirigindo automóvel mudará de acordo com fog, chuva e condições da estrada.

9 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA 9 IV ESTÁGIOS DO ESTUDO IV.1 - Primeiro Estágio Cálculo conceitual modelar o sistema humano é muito importante neste estágio. Seis perguntas devem ser respondidas: 1) O que deverá o sistema alcançar com respeito à performance operacional ( velocidade, precisão, etc.)? 2) Quando o sistema deverá operar? Em que circunstância? Qual o tempo de vida esperado? 3) Com que freqüência o sistema será usado? Duração, ciclos, etc.? 4) Como o sistema será distribuído no espaço físico? Onde estarão locados os diversos subsistemas? 5) Quais são os requisitos que o sistema deve mostrar? 6) Quais são os requisitos ambientais (pressão, temperatura, umidade, vibração)? Definição dos diferentes métodos através dos quais as necessidades do sistema tecno-humano podem ser resolvidas Sistema preliminar: a) Definição do problema um problema que parece óbvio pode ser bem difícil de definir clara e precisamente. b) Identificação das alternativas possíveis. c) Seleção do critério de avaliação. Parâmetros quantitativos a serem usados entre as soluções alternativas. d) Aplicar os métodos de modelagem. O engenheiro usará técnicas analíticas. Um modelo é a representação simplificada de certos aspectos do sistema real ( ex.: uma boneca é um modelo do corpo humano). e) Geração de dados de entrada, estes dados podem ser identificados pelo critério de avaliação e pelo modelo de parâmetros requeridos. f) Simulação do modelo.

10 10 NOTAS DE AULA INTRODUÇÃO À ENGENHARIA BIOMÉDICA IV.2 - Segundo Estágio Desenvolvimento Avançado. Tem três sub-estágios: a) alocar os requisitos a serem satisfeitos aparecem as restrições. b) otimização muitas configurações para satisfazer as condições de contorno, é necessário otimizar as configurações. Modelagem permite a experimentação nos estudos dos sistemas que em alguns casos seriam perigosos (ex.: simulação de acidentes de carro), e permite análise da sensitividade respondendo à e se.... c) construção de um conjunto de especificações detalhadas de cálculo. IV.3 - Terceiro Estágio Desenvolvimento e cálculo detalhado sugerindo testes de validação.