2.2. Ergonomia
Estudo de ergonomia
O automobilismo virtual tem se consolidado como uma atividade altamente exigente, com campeonatos de longa duração que frequentemente incluem corridas com extensão de até 24 horas ininterruptas. Nesses contextos, os pilotos submetem-se a jornadas prolongadas de simulação, o que torna essencial que os equipamentos utilizados ofereçam níveis elevados de conforto e ergonomia.
Diante desse cenário, o projeto do simulador foi desenvolvido com ênfase na ergonomia, área da engenharia que estuda a interação entre o ser humano e os sistemas com os quais ele opera. O objetivo é garantir que a utilização contínua dos dispositivos — como volante, pedais e estrutura de suporte — não gere desconforto físico, fadiga excessiva ou risco de lesões ao usuário, mesmo após várias horas de uso.
Estudo de Ergonomia – SAE J4004
Utilizou-se o direcionamento da norma SAE J 4004, responsável por estabelecer a metodologia de acomodação dos ocupantes em veículos de passeio, com o qual pudemos definir os posicionamentos referenciais para o banco, seus ajustes, para o volante, e para o plano dos pedais de comando. A ferramenta de Package Definition do CATIA V5 foi utilizada em conjunto para o desenvolvimento do estudo. As Figuras 1, 2 e 3 apresentam as cotas de referência e os pontos principais para definição do posicionamento do H-Point do usuário.
Figura 1. Descrição do package mostrando os pontos de referência do posicionamento do assento do motorista, SAE J 4004.
Figura 2. Package Definition Seções do assento e do volante (CATIA V5)..
Figura 3. Package Definition Seções do pedal do acelerador e do descanso de pé (CATIA V5).
Na Tabela 1 abaixo, pode-se observar as nomenclaturas detalhadas a fim de facilitar o entendimento dos pontos de referência da Figura 1.
Tabela 1 - Nomenclatura e descrição das siglas utilizadas na figura acima.
| Legenda | Descrição |
|---|---|
| Pedal Reference Point (PRP) | Ponto de referência do pedal |
| Accelerator Heel Point (AHP) | Ponta do calcanhar acelerador |
| Floor Reference Point (FRP) | Ponto de referência para o assoalho |
| H-Point | Principal ref. do motorista (quadril) |
| Seating Reference Point (SgRPx) | Distância em X entre PRP e H-point |
| H-Point Travel Path | Trilho de ajuste para o H-Point |
| H30 - Seat Height | Altura do banco |
| A27 - Cushion Angle | Inclinação do assento com a horizontal |
| L6 - PRP to Steering Wheel Center | Distância entre o PRP e o centro do volante |
A SAE J 4004 estabelece um conjunto de equações para relacionar essas variáveis, as quais foram utilizadas com a seguinte metodologia:
- Definição de altura do H-point em relação ao AHP (H30)
Primeiramente adotamos um valor de 150 mm para a distância vertical entre o H-point e o Accelerator Heel Point (AHP) com o intuito de manter as pernas do usuário mais elevadas e seus joelhos menos dobrados, característica comum a carros de corrida do tipo fórmula.
2. Cálculo da distância longitudinal entre o H-Point e o AHP
O segundo passo foi calcular a distância longitudinal entre o H-Point e o AHP a partir da equação:
SgRPx = 913,7+0,672316*H30+0,0019553*H302
3. Cálculo da inclinação do assento
Com os valores definidos anteriormente, pudemos calcular a inclinação do plano dos pedais com a horizontal:
α=77-0,08*H30
4. Definição do valor para L31
Em seguida, o valor de 1200 mm foi assumido para a distância longitudinal entre o H-Point e a origem do package (L31).
5. Cálculo do valor para L1
Com os valores de L31 e SgRPx, calculou-se a distância longitudinal do Pedal Reference Point (PRP) para a origem do package:
L1=L31-SgRPx
6. Definição do comprimento médio para o pé (Lf) e da altura do AHP em relação à origem do package (H8).
De acordo com as referências antropométricas da Fórmula SAE, o comprimento médio do pé para o percentil 95 masculino da população norte-americana é de 285 milímetros (B.Riley, 2015).
Foi definido o valor de 38,5 mm para a altura do calcanhar em relação à origem do package (H8) a partir da altura desejada para base dos pedais.
7. Cálculo do posicionamento do PRP
A partir do ângulo α , das distâncias H8 e Lf, deduziu-se as seguintes relações pela relação trigonométrica entre as medidas:
Figura 4 - Relação das distâncias entre PRP e AHP.
H1=Lf*sen(α)+H8
L8=Lf*sen(α)+L1
Os valores inseridos para cada cota da ferramenta Package Definition podem ser observados nas Tabelas 2 e 3.
Tabela 2 - Valores obtidos para as seções do assento e do volante (Package Definition do CATIA V5).
| L31-1 | W20-1 | H30-1 | A19 | TL2 | TL18 | A27-1 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1200 mm | 0 mm | 150 mm | 0 º | 124 mm | 240 mm | 25 º |
| A40-1 | L11 | W7 | H17 | W9 | A18 | Grip Φ |
| 15 º | 440 mm | 0 mm | 600 mm | 280 mm | 0 º | 30 mm |
Tabela 3 - Valores obtidos para as seções do pedal do acelerador e descanso de pé (Package Definition do CATIA V5).
| L1 | W1 | H1 | L8 | W8 |
|---|---|---|---|---|
| 229,447 mm | 150 mm | 296,798 mm | 349,893 mm | 150 mm |
| H8 | L98-1 | W98-1 | H98-1 | A48-1 |
| 38,5 mm | 349,893 mm | -150 mm | 38,5 mm | 65 º |
Então, aplicamos as restrições de postura e de posicionamento ao modelo de manequim de percentil 95 americano masculino.
Por fim, a ferramenta RULA Analysis do CATIA foi selecionada para avaliar a condição de conforto e tensão muscular durante a utilização do simulador pelo usuário. A Figura 5 apresenta os resultados para um caso de esforço repetido de 1,5 kg (equivalente a 14,7 N de força).
Figura 5 - Resultados do RULA Analysis do CATIA V5.
De forma geral, o indicativo de condição não confortável de nível 5 pode ser considerado aceitável, pois o automobilismo virtual se trata de uma atividade de alta demanda física dos pilotos. O fator mais importante é que as regiões das pernas, do pescoço e do tronco apresentaram avaliações positivas.
Definição do posicionamento do monitor - Campo de Visão (Field of View ou FOV)
O campo de visão é um dos fatores mais cruciais para garantir uma maior imersão à experiência de simulação. Ele é naturalmente uma grandeza angular e pode ser avaliado bidimensionalmente em duas vistas: superior ou lateral, comumente denominadas campo de visão horizontal e campo de visão vertical respectivamente.
A maior parte dos jogos do automobilismo virtual permitem a configuração do campo de visão e sua correta definição depende diretamente do tamanho do monitor utilizado, da distância da tela para os olhos do usuário, da proporção da tela e do ângulo dos monitores. O objetivo é que os monitores representem de forma fidedigna a visão em primeira pessoa de um piloto dentro de um carro real.
Figura 6 - Campos de visão vertical e horizontal máximos para um humano.
O campo de visão impacta diretamente na percepção de velocidade e distância do usuário. Em uma situação de condução a uma velocidade específica dentro do jogo, um campo de visão amplo faz com que o usuário tenha a sensação de que objetos distantes passam de forma mais rápida, enquanto campos de visão mais estreitos, ou seja, com uma visão periférica menor, objetos mais distantes passam de forma mais lenta. Esse efeito acontece justamente porque variar o campo de visão afeta diretamente a proporção dos objetos. Quanto menor o campo de visão, mais os objetos são representados de forma ampliada.
Figura 7 - Proporção dos objetos mudando conforme o estreitamento do campo de visão.
O campo de visão ideal pode ser calculado a partir da equação:
FOV = 2*tan-1(0,5*W/D)
Onde W é a largura do monitor em milímetros ou polegadas e D é a distância dos olhos para a tela em milímetros ou polegadas.
Para o cálculo do campo de visão (Field of View - FOV) foi necessário assumir um valor para a distância D. De acordo com as recomendações do fórum especializado Asetek Sim Sports, D deve ter entre 600 a 700 mm, portanto decidiu-se adotar o valor mediano de 650 mm. Como o monitor escolhido para o projeto é de 42 polegadas e tem proporção de tela 16:9, considerou-se um valor de 920 mm para a largura W. Com esses valores podemos obter o campo de visão:
FOV = 2*tan-1(0,5*920/650) = 1,232 rad ou 70,6 º
O valor do campo de visão deve ser inserido no configurador de tela do jogo para garantir a maior imersão possível.
Ademais, foi realizada uma avaliação das distâncias D e W no CATIA com a ferramenta Open Vision Window. O intuito foi avaliar se o posicionamento do monitor definido pelo equacionamento acima está em conformidade com os padrões de imersão para um simulador automotivo.