Einführung in die Arbeitswissenschaft - IAW€¦ · 18-19 m 1681 1789 1906 ... G E S A M T B E W E G U N GG E S A M T B E W E G U N G ... -42 bis +62° blau/gelb

© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Einführung in die Arbeitswissenschaft

(Alter Titel: Industrial Engineering

Arbeitswissenschaft I / Betriebsorganisation)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Flemisch

Dipl.-Ing. Christopher Brandl

Dr.-Ing. Dr. rer. medic. Dipl.-Inform. Alexander Mertens

Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft

RWTH Aachen

Bergdriesch 27

52062 Aachen

Tel.: 0241 8099440

E-Mail: [email protected]

Lehreinheit 9

Produktergonomie I:

Anthropometrie und digitale Menschmodelle

Sommersemester 2017

9 - 2 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Notwendigkeit der ergonomischen Gestaltung zu erkennen

Gestaltungskriterien und Anforderungen zu verstehen

Anthropometrische Grundlagen zu erfahren

Möglichkeiten der Bewegungs-, Sicht- und Reichweiten-

Analysen nachzuvollziehen

Computergestützte Verfahren und Modellierungshilfen kennen

zu lernen

Lernziele


http://www.baddesigns.com

Einleitung - Ergonomische Produktgestaltung?


Aspekte: • Anthropometrische Gestaltung (Reichweiten, Sichtbereiche)

• Energetisch-effekt. Gestaltung (Krafterzeugung, Wirkungsgrad)

• Informatorische Gestaltung (Anzeigen, Stellteile)

• Gestaltung von Software (Dialoggestaltung, Visualisierung, Gestik)

• Farb- und Formgestaltung (Industrial Design)

Arbeit oder Tätigkeit

Regel, Ordnung oder Gesetz

vorführen, hervorbringen

Wissenschaft von der Anpassung der Technik an

den Menschen zur Erleichterung der Arbeit

bezeichnet den Produktentwicklungsprozess,

dessen Ziel ein ergonomisch gestaltetes Produkt ist

„ergon“

„nomos“

„producere“

Ergonomie

Usability

Engineering

Was ist Produktergonomie?


Anthropometrie

• Sichtbarkeit (Außenansicht, Anzeigen,

Verdeckung)

• Reichweite

• Stellkräfte (Pedalkräfte, Schalterkräfte,

Lenkkräfte)

• Komfort

Informatorische

Gestaltung

• Anzeigekonzept (für Multifunktionsdisplay)

• Stellteilereduzierung (Pedal und Lenkrad)

Teilautonomes Fahren

und Assistenzsysteme

(Konzeptstudie F 015 Imagination von Daimler, 2015)

Ergonomische Gestaltung – Beispiel 1


Anthropometrie

• Sichtbarkeit (Programmierbares

Mehrfachansichtssystem, Infrarot

Nachtsichtsystem)

• Reichweite

• Stellkräfte (Pedalkräfte, Schalterkräfte,

Lenkkräfte)

• Komfort

Informatorische

Gestaltung

• Anzeigekonzept

• Stellteile (Side-Stick-Steuerung,

„Fly-by-Wire“)

(Cockpit eines Airbus A380)

Ergonomische Gestaltung – Beispiel 2

V10-1 Cockpit A380

../Zusatzmaterial/2 A380 missed approach SYD - Qantas simulator.avi


Prospektive und Korrektive Ergonomie

Prospektive Ergonomie

Verwirklichung ergonomischer

Forderungen im

Gestaltungsprozess

vorhandenes

Produkt

erforderliche

Nachbesserungen

unzulängliche

Arbeitsbedingungen

Korrektur des

vorhandenen

Produktes

Korrektive Ergonomie

nachträgliche Korrektur von

ergonomischen Problemen;

aufwendig und häufig

begrenzter Erfolg

ergonomische

Bewertung

Lösung

Konzipieren

Entwerfen

Ausarbeiten

Planen und Klären

der Aufgabe ergonomische

Bewertung

ergonomische

Bewertung

(in Anlehnung an Pahl & Beitz, 1997)

Produktidee und Zielgruppe definieren

Entwicklungsauftrag erteilen


Änderungskosten im Produktentwicklungsprozess

Idee Vor-

entwurf

Fertige

Konstruktion

Erprobung Arbeits-

vorbereitung

Fertigung Gebrauch

Massen-

Fertigung

Serien-

Fertigung

Einzel-

Fertigung

(Ehrlenspiel, 1995)

Zeit

Qualitäts-

prüfung

Änderungs-

kosten


Ergonomische Gestaltungskriterien

1

2

3

4

Ausführbarkeit

Schädigungslosigkeit

Beeinträchtigungsfreiheit (Zumutbarkeit)

Persönlichkeits- förderlichkeit/-entfaltung*

Allgemeine ergonomische Gestaltungskriterien

Anthropometrische Gestaltungskriterien

Reali- sierung

+

+

* Das Recht auf freie Entfaltung der Persönlichkeit ist im Grundgesetz festgeschrieben.

-

-

-

-

+

+

Designfragen, Individualisierung der

geometrischen sowie biomechanischen

Auslegung und des Informationsflusses

Komfortbetrachtungen, Optimierung des

Informationsflusses, (zumutbarer Schallpegel,

zumutbare Blendung)

Berücksichtigung von Maximalkräften auf

die Bandscheiben, Vermeidung schädlicher

Körperhaltungen und Überbeanspruchung

Erreichbarkeit von Stellteilen,

Sichtbarkeit von Instrumenten, maximale statische

Aktionskräfte

../Zusatzmaterial/Modern Times.avi


Funktionale Anforderungsmerkmale

z. B. - Zweckmäßigkeit und Einfachheit der Ausführung

- keine Fehlhandlungs- bzw. Fehlbetätigungsmöglichkeiten des Menschen

- leichte, schnelle Erlernbarkeit der Benutzung bzw. des Einsatzes

- gute Wahrnehmbarkeit bzw. Erkennbarkeit von Informationen oder Objekten

- genaue und sichere Einstellung von Stellgrößen durch Stellteile

Beanspruchungsbezogene Anforderungsmerkmale

z. B. - erträgliche Beanspruchung

- keine Belästigung (wie Lärm) für den Benutzer

- Bequemlichkeit für den Menschen

- keine Verletzungsgefahr für den Menschen,

Aus Nebenbedingungen abzuleitende Anforderungsmerkmale

z. B. - Berücksichtigung der Häufigkeit, Wichtigkeit, Reihenfolge von Vorgängen

- Hygiene und Hautfreundlichkeit von Materialien

- Ästhetik / emotionale Wirkung

Ergonomische Anforderungen


Anthropometrie

Mittelalterliche Bauwerke auf Basis menschlicher Proportionen

"Gerechte Feldrute" (Kupferstich) Anthropometrie in der Medizin/Anatomie

da Vinci's

Divina proportione, 1509

Anthropometrie in der Kunst

und erste Ansätze in der

Produktgestaltung

Anthropometrie

Lehre von den Maßen, Maßverhältnissen und der Messung des

menschlichen Körpers (Körpermaße, Bewegung, Massen, Kräfte).


Anthropometrische Maße

Körpermaße

Höhen- und Längenmaße

Breiten- und Tiefenmaße

Extremitätenmaße / Reichweiten

Umfangmaße

Korpulenzmaße

Bewegungswinkel

Kräfte

Umfangreiche Normensammlung (DIN 33402 ff)

Datenerhebung (Haltung, Bekleidung, Messpunkte, Messinstrument)

Beschreibung der Stichprobe (Geschlecht, Alter, Region)

Anwendungsbereiche

Indexwerte

Beurteilung des Körperbaus und der Korpulenz

VITUS 3D-Laserscanner


Su

mm

en

häu

fig

keit

[%

]

100

Körperhöhe [mm] (DIN 33402)

Altersgruppe 16-60-Jährige Männer

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

3 4 1 2

2000 1900 1800 1700 1600 1500 1841 1725 1629 1510

Männer Frauen

Frauen

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Mann

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Mann

3

4

1

2

Verteilung der Körperhöhen nach DIN 33402


(DIN 33402)

5. 50. 95.

F 1510 1619 1725

M 1629 1733 1841

F 1402 1502 1596

M 1509 1613 1721

F 1234 1339 1436

M 1349 1445 1542

F 957 1030 1100

M 1021 1096 1179

F 664 738 803

M 728 767 828

F 616 690 762

M 662 722 787

F 323 355 388

M 367 398 428

Perzentilmaße

1.4 Körperhöhe Türöffnungen

Maßbezeichnung Anwendungsbeispiele

1.5 Augenhöhe

Anordnung von Anzeigen,

Arbeitsbereiche visueller

Perzeption

1.6 SchulterhöheStadion-Stehplatz,

Rampen

1.7 Ellenbogenhöhe

Arbeitsplatten für

Steharbeit, Theken und

Bars

1.9Höhe der Hand

(Griffachse)Koffer, Taschen, "Rollis"

1.1Reichweite nach

vorne

Bedienelemente,

Tastenfelder

1.10 Schulterbreite

Fluchtöffnungen, Fenster,

Gitterweite in

Gefängnissen

Werte von 16-60-jährige Deutschen, unbekleidet

Daneben gibt es auch Körpermaßtabellen für sitzende Personen sowie

Maßtabellen für Größen von Fingern, Händen, Füßen und Köpfen.

Daneben gibt es auch Körpermaßtabellen für sitzende Personen sowie

Maßtabellen für Größen von Fingern, Händen, Füßen und Köpfen.

Körpermaße des unbekleideten, stehenden Menschen


Geschlechtsdifferenzierung Perzentil 5. 50. 95.

Männer 1629 1733 1841

Frauen 1510 1619 1725

Werte DIN 33402 (Körperhöhe [mm]: Teil 1 – Wertedefinition, Teil 2 - Werte )

Altersdifferenzierung 18-19 m 1681 1789 1906

20-25 m 1683 1788 1912

26-40 m 1665 1764 1870

Werte Handbuch der Ergonomie (Körperhöhe [mm])

Region / Land USA 1640 1755 1870

S 1630 1740 1850

D 1629 1733 1841

F 1600 1715 1830

JP 1560 1655 1750

IND 1535 1640 1745

Bekleidung – ca. 3-4 cm für Schuhe, etc. alle Körperhöhen unbekleidet und in

[mm]

Differenzierung der Benutzergruppe


Akzeleration – Ist die Grenze erreicht?

Staub et al. (2013)


Verteilung der Körperdimensionen:

Längenwuchs und Korpulenz

Körpermaße sind nicht unabhängig, sondern korrelieren unterschiedlich stark miteinander

Statistische Faktorenanalyse belegt drei Variationsreihen

Längenwuchs (klein – groß)

Korpulenz (schlank – korpulent)

Proportion (langbeinig – kurzbeinig)

Bei Produktergonomie also nicht nur Körperhöhe, sondern auch weitere Variationsreihen berücksichtigen

2 x 2 x 2 = 8 Werte für Gesamtpopulation

Korpulenz

Längenw

uchs

Körpermaßkoordinaten im Längen/Korpulenz-System


Körperkräfte des Menschen nach DIN 33411-1

„Körperkraft [...] ist die Kraft, die im Zusammenhang mit dem menschlichen Körper entsteht.

Körperkräfte können in Muskel-, Massen- und Aktionskräfte eingeteilt werden.“ (DIN 33411-1)

Muskelkraft: Wirkt durch Aktivität der Muskeln innerhalb des Körpers

Massenkraft: Kraft, die durch die Körpermasse als Eigengewichts- oder Trägheitskraft wirkt

Aktionskraft: Die Körperkraft, die nach außen vom Körper aus wirkt,

z.B. Arm-, Hand-, Finger-, Bein, Knie-, Fuß- und Ganzkörperkraft

Eine Körperkraft wird durch folgende

Bestimmungsgrößen festgelegt:

Betrag der Kraft F in Newton [N],

Lage des Kraftangriffspunktes relativ zum

Körper,

Richtung der Wirkungslinie der Kraft relativ

zum Körper sowie

Kraftrichtungssinn (mit oder gegen die

Schwerkraft).

Massenkraft

(Unterarm)

Aktionskraft

(wirkt auf den Griff)

Muskel-

moment

Muskelkraft


Ermittlung maximaler statischer Aktionskräfte nach

DIN 33411-4

Die hier dargestellten Isodynen sind Kurven, welche

Kraftangriffspunkte in einer vertikalen Ebene durch

Schultergelenkbezugspunkte im Bewegungsraum des

Armes verbindet, in denen gleich große Mittelwerte

maximaler statischer Aktionskräfte gleicher Art ermittelt

wurden.

P1: Kraftangriffspunkt der

Armkräfte

P2: Handmittelpunkt

P3: Schultergelenkbezugspunkt

α: Höhenwinkel zwischen

Verbindungslinie P1-P3 und

Horizontalebene

β: Seitenwinkel zwischen

Verbindungslinie P1-P3 und

Körpersymmetrieebene

a: Abstand P1-P3

amax: maximaler Abstand P1-P3

(gestreckter Arm)

a/amax: relative Arm-Reichweite

Das Koordinatensystem legt den Bewegungsraum

des Armes mit Winkel α und relativer Arm-Reichweite

a/amax fest. Die Kraftrichtung und der Winkel β

müssen separat angegeben werden.

Kraftrichtung


Maximale isometrische Aktionskräfte

(DIN 33411-5)

(DIN 33402-2)

Körperhöhe

[mm]

Häufigkeit

Männer

50. (1733)

95. (1841)

5. Perzentil (1629)

Frauen

50. (1619)

5. Perzentil (1510)

95. (1725)

Aktionskraft

[N] H

äu

fig

ke

it

Frauen

50. (452)

5. Perzentil (271)

95. (605)

Männer

50. (829)

95. (1051)

5. Perzentil (560)


Funktionsmaße: Wirkraum des Hand-Arm-Systems

Einflussfaktoren

• Körperhaltung/ Stellung

• Bewegungsumfang der Gelenke

• Richtung von Bewegung und Kräften

• Notwendigkeit des Gleichgewichts

• reduzierte Bewegungsmöglichkeit bei

großen Muskelanspannungen

• Alter

Manueller Montagearbeitsplatz

(Sanders & McCormick, 1993)

Als Greifraum wird jener Bereich bezeichnet, in dem Gegenstände mit der Hand berührt, gegriffen und bewegt werden können.

Als Greifraum wird jener Bereich bezeichnet, in dem Gegenstände mit der Hand berührt, gegriffen und bewegt werden können.


Haltungen sind nie ausschließlich statisch, sondern haben

auch stets dynamische Anteile

Arbeiten sind immer mit Bewegungen verbunden

Bewegungen müssen in der Produktergonomie unbedingt

berücksichtigt werden

Problem:

Interindividuelle Streuung bei Bewegungen verstärkt Variabilität der Körpermaße

Freiheitsgrade der Bewegung liefert extrem viele mögliche Bewegungsvarianten (z.B. Hand-Arm-System >100 FG)

Funktionsmaße: Bewegungen


Phasen des Bewegungsablaufs

???

Stim

ulu

s

Stim

ulu

s

G E S A M T B E W E G U N G G E S A M T B E W E G U N G

Planung Planung Ausführung Ausführung Zie

l Z

iel

Erkennen,

Erfassen

Wahr -

nehmung

des Ziels

Perzeption

Erkennen,

Erfassen

Wahr -

nehmung

des Ziels

Perzeption

Bewegungs -

planung

Intention

Bewegungspro -

grammierung

Kognition

Bewegungs -

planung

Intention

Bewegungspro -

grammierung

Kognition

Ballistische

Bewegungsphase

Schnelle, grobe Annäherung

an das Ziel ohne Regelung

Motorik

Ballistische

Bewegungsphase

Schnelle, grobe Annäherung

an das Ziel ohne Regelung

Motorik

Visuell

kontrollierte

Phase

Feinabstimmen

Zielerreichen

Perzeption ,

Kognition,

Motorik

Visuell

kontrollierte

Phase

Feinabstimmen

Zielerreichen

Perzeption ,

Kognition,

Motorik

Zeit

Ge

sch

win

dig

ke

it Ballistische Phase

Visuell kontrollierte

Phase


Kennwerte einer Bewegung

Zeitliche Kennwerte

(Zugriffszeiten)

Räumliche Kennwerte

(zu erwartende seitliche

Auslenkung)

Bewegungsbahnen und

Trajektorien

(differenzierte Analysen)

Biokinematische Modelle

(Simulation)

Schmidtke: Handbuch der Ergonomie

Zeigefinger-Bewegungsbahnen nach Alexander (2002)

0 10 20 30 40 50 60

BILD

-300

-200

-100

0

100

X

x(t

)

0 10 20 30 40 50 60

BILD

200

300

400

500

600

700

800

900Y y

(t)

0 10 20 30 40 50 60

BILD

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Zz(

t)

Zielbewegung von definierter Ausgangsfläche nach schräg oben zu definierter Zielfläche in der vertikalen Ebene.

../../../Analysedaten/WORK/VRML/Konsole_Creator.wrl


Informationsaufnahme – Sichtanalyse – Sehfelder

Gesichtsfeld Blick-Gesichtsfeld

(field-of-view, fov)

Umblick-

Gesichtsfeld

(extended fov)

Fixierung bei ruhendem Kopf

und ruhendem Auge

bei ruhendem Kopf

und bewegtem Auge

bei bewegtem Kopf

und bewegtem Auge

Horizontal,

Hellreize

Monokular: -60 bis +90°; Binokular: -60 bis +60° (opt. 15°)

Monokular: –75 bis +110°; Binokular: –75 bis +75° (opt. 30°)

Monokular: –125 bis +160°; Binokular: –125 bis +125° (opt. 55°)

Horizontal,

Farbreize

-19 bis +32° grün -20 bis +36° rot -27 bis 47° blau/gelb

-34 bis +47° grün -35 bis +51° rot -42 bis +62° blau/gelb

-84 bis 97° grün -85 bis +101° rot -92 bis +112°blau/gelb

Vertikal,

Hellreize

-70 bis +50° -85 bis +65°

-90 bis +110°

Sichtbereich Flugzeug

Sichtanalyse


(DIN 33408, Teil 1; Pahl & Beitz, 1997)

Schablonen-Somatografie

Körperumrissschablonen,

hier eine Seitenansicht zur

Beurteilung der Sitzhaltung

eines LKW-Fahrers

Bosch-Schablone "Kieler Puppe"

Somatographie und Körperschablonen


Digitales

Menschmodell

•Körpermaße

•Sichtbereiche

•Maximalkräfte

•Bewegungs-

simulation

•Analysetools

CAD-Modell des Produkts

Rapid-Prototyping

Analyse im CAD (frühe Planungsphase)

Sicht

Erreichbarkeit

Komfort

Vorgehen beim rechnergestützten Verfahren


Generieren des ersten Menschmodells

Direkte Eingabe der Körpermaße

Datenbankabfrage

Menschmodell RAMSIS im CAD


1.Definition der Referenz-

punkte/-ebenen

2. Festlegung der Körperteile 3. Animation

Festlegung der Rahmenbedingungen

zur Positionierung


Sichtanalyse und Reichweiten

Sichtbereiche (Kegel) und Außensicht Greifräume und Erreichbarkeit


Körpermaße

(allgemein) Gelenkwinkel

(produktspezifisch)

Massen und Schwerpunkte

(detailspezifisch)

Haltungskomfortanalyse (I)


Haltungskomfortanalyse (II)


Wiederholung der Analyse mit weiteren Modellen

Problem !


VORSICHT ... Auch Modelle machen Fehler

Menschmodelle sind zwar wichtige Hilfsmittel und Werkzeuge, aber sie

ersetzen nicht Fachkenntnisse des Ingenieurs.

Eine individuelle Prüfung und Einordnung der Ergebnisse ist stets

erforderlich, um fehlerhafte Analyseergebnisse zu identifizieren und zu

vermeiden.

Beispiel: Berechnete, aber offensichtlich falsche Analyseergebnisse. Ähnliche Ergebnisse wurden

auch bei anderen kommerziellen Modellen beobachtet. (Conradi, 2002)


RAMSIS - 3D-CAD-Werkzeug zur ergonomischen Konzeption

von Fahrzeuginnenräumen und Cockpitumgebungen.

• Aufgabenbasierte Haltungssimulation

• Animationsfunktionen

• Aufgabenbezogene Bewegungssimulation

• Typanalyse

• Gesundheits- und Komfortanalyse

• Sicht- und Spiegelsichtanalyse

• Kraftanalyse

• Gurtanalyse

• Erreichbarkeitsanalyse

(www.human-solutions.de)

Rechnergestützte Verfahren - RAMSIS


JACK

Menschmodell zur

Produktgestaltung und in

Bereichen der Ausbildung

Hauptanwendungsbereich

- Virtuelle Umgebungen (VU),

- Computergrafik,

- Produktgestaltung

Datenbank (primär US)

Analysen

- Sehen, Erreichen, Haltung,

Bewegungen

Rechnergestützte Verfahren – Siemens PLM JACK

http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/assembly_planning/jack/index.shtml


DELMIA Human

Mensch-Modelle und

komplexe

CAD-Simulationsumgebung.

Hauptanwendungsbereich

- Produktgestaltung / Fahrzeuge

Komplexe Datenbank

Statistische Modellierung

Analysen

- Sehen, Erreichen, Haltung,

Bewegungen

- MTM, Kraft- und

Leistungsanalyse

http://www.safework.com/delmia/delmia_sw.html

Rechnergestützte Verfahren – DELMIA Human


In welchem Zusammenhang stehen prospektive und korrektive Ergonomie?

Welche Ebenen ergonomischer Gestaltungskriterien können unterschieden werden?

Welche anthropometrische Maße werden unterschieden und wofür werden sie genutzt?

Welche Einflussgrößen müssen beachtet werden und wie sieht die Verteilung von Maßen aus?

Was ist ein Perzentil?

Welche Phasen des Bewegungsablaufs werden unterschieden?

Welche Sichtbereiche müssen unterschieden werden?

Wo liegen die Einsatzbereiche virtueller Menschmodelle und welche Vorteile bieten sie im Produktentstehungsprozess?

Lernerfolgsfragen


Landau, K.; Luczak, H.: Ergonomie und Organisation in der Montage; Fachbuchverlag Leipzig, 2001, ISBN 978-

3446215078

Laurig, W.: Grundzüge der Ergonomie. Erkenntnisse und Prinzipien. Beuth; 4. Auflage; November 200; ISBN 978-

3410365808

Schmidt, L.; Schlick, C.; Grosche, J.: Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme; Springer Berlin; 1. Auflage, 25.

April 2008; ISBN 978-3540783305

Baber, C.: Human Factors Methods: A Practical Guide for Engineering and Design; Ashgate Publishing; 22.

Dezember 2005; ISBN 978-0754646617

Brookhuis, K.; Stanton, N.; Hedge, A.: Handbook of Human Factors and Ergonomics Methods; Routledge

Chapman & Hall; 16. Januar 2008; ISBN 978-0415287005

Salvendy, G.: Handbook of Human Factors and Ergonomics; Wiley & Sons; 3. März 2006; ISBN 978-0471449171

Sanders, M.; McCormick, E.: Human Factors in Engineering and Design; McGraw-Hill Science/Engineering/Math;

7. Auflage; Januar 1993; ISBN 978-0070549012

Staub, K., Woitek, U., & Rühli, F. J. (2013). Grenzüberschreitende Zusammenarbeit mit anthropometrischen und

medizinischen Daten der Rekrutierung. Swiss Rev Mil Disaster Med, 1, 41-45.

Tilley, A. R.: The Measure of Man and Woman: Human Factors in Design; Wiley & Sons; 13. Februar 2002; ISBN

978-0471099550

Wickens, C. D.: Introduction to Human Factors Engineering: International Edition; Pearson Education (US), 2.

Auflage; 11. Dezember 2003; ISBN 978-0131229174

Literaturverzeichnis

Documents

Einführung in die Arbeitswissenschaft - IAW€¦ · 18-19 m 1681 1789 1906 ... G E S A M T B E W E G U N GG E S A M T B E W E G U N G ... -42 bis +62° blau/gelb