Die in unserer Umwelt sowohl in der Arbeitsumgebung als auch in der privaten
Umwelt verwendeten Geräte (z. B. Haushaltsgeräte, Möbel, Sportgeräte, etc.) und
Maschinen (z. B. Fahrzeuge, Flugzeuge, Werkzeugmaschinen, etc.) werden praktisch
durchweg für die Benutzung durch Menschen konzipiert und gefertigt. Menschen sind
aber sehr unterschiedlich, so dass die Notwendigkeit besteht, die Geräte und
Maschinen so zu konzipieren, dass unterschiedliche Menschen mit ihnen ohne
unnötige Belastung umgehen können.1 Es müssen also die Rahmenbedingungen an
den Menschen angepasst werden, und nicht anders herum!
Alle Geräte und Maschinen müssen funktionale, beanspruchungsbezogene sowie aus
den Nebenbedingungen abgeleitete ergonomischen Anforderungen erfüllen. Es gibt vielfältige schlagkräftige Gründe, weshalb Ergonomietools eingesetzt werden:
• Durchführung von Analysen verschiedenster Art, z. B. Sicht-, Gurt-, Komfort-,
Sicherheitsanalysen. Durch sie wird der optimale Einsatz und die optimale
Nutzung der entwickelten Produkte ermöglicht
• Ergonomie dient der Erhaltung der Gesundheit des Menschen, indem die
extreme Beanspruchung von Gelenken und Körperteilen vermieden wird
• Zudem werden durch Sicherheitsanalysen Gefahrenpotenziale vermindert
• Erleichtert die Bedienung von Produkten, wie etwa das Auto mit ergonomisch
gut angeordneten Fußpedalen
In der Tagespresse wird immer wieder über Probleme berichtet, die durch
mangelhafte, wenn überhaupt eingesetzte, Ergonomie hervorgerufen werden. Dabei
gibt es solche Probleme täglich tausendfach in industriellen Umgebungen. Aufsehen erregen allerdings meist die Problemfälle, die bei spektakulären Bereichen, wie etwa
der Weltraumfahrt oder der Militärtechnik bekannt werden.2
In dem unten abgebildeten Zeitungsartikel versucht das Militär durch die Suche nach
einer bestimmten Personengruppe, in diesem Fall mit längeren Armen und kürzeren
Beinen, Schwachstellen der Konstruktion auszugleichen. Diese Methode mag für das
Militär Abhilfe schaffen, bei zivilen Themen ist diese Lösung aber indiskutabel. Ein
Unternehmen wie etwa die Volkswagen AG kann unmöglich ein Fahrzeug bauen,
welches z. B. nur Frauen über 1,60 m und Männer unter 1,70 m fahren können. Starke
Absatzprobleme und Proteste wären ihnen sicher. Bei diesem Thema spielt auch die Unterscheidung zwischen Mensch-Anpassung
(s. Zeitungsartikel) und Maschinen-Anpassung (Anthropotechnik) eine entscheidende
Rolle.
1 Elsholz
2 www.diabolus.hu, Mappe 1, 1.1 Alternativen zur Ergonomie
Inhalt
Vorwort
1 Grundlagen der Ergonomiesoftware
1.1 Definition von Ergonomie
1.2 Gründe für den Einsatz von Ergonomietools
1.3 Gibt es Alternativen zur Ergonomie?
1.4 Hilfsmittel zur ergonomischen Entwicklung und Gestaltung von Produkten
1.4.1 2D-Körperumrissschablonen
1.4.2 Video-Somatografie
1.4.3 Rechnergestützte Verfahren (CAD-Menschmodellierung)
1.5 Die Meilensteine der Menschmodellentwicklung
1.6 Die fünf Generationen der Menschmodellierung
1.7 Wichtige Merkmale der Menschmodelle
1.8 Einsatzgebiete von Ergonomiesoftware
1.8.1 Einsatz von Ergonomiesoftware in den Unternehmensprozessen
1.8.2 Einsatzgebiete von Ergonomiesoftware nach Branchen
1.8.3 Einsatz der Ergonomiesoftware bei der Automobilentwicklung
1.8.4 VR-Lösungen in den Führungsebenen
1.8.5 Integration von Ergonomiesoftware in das CIM-Konzept
1.9 Nutzen von Ergonomiesoftware
1.10 Probleme der Ergonomiesoftware
1.11 Abgrenzung zu Arbeitsplatzgestaltung
2.0 Ergonomiesoftware
2.1 Ergonomiesoftware
2.1.1 Statistisch - mathematische Methoden
2.1.2 Datenbanken
2.2 RAMSIS
2.3 ANTHROPOS
2.4 SAFEWORK
2.5 Vergleich der Ergonomiesoftware
2.6 IC:IDO - VR Software Lösung
3.0 Praxisbeispiele
3.1 Einsatz von VR bei der Entwicklung des VW Golf V
3.2 Use Case - Fahrerarbeitsplätze von Abfallsammelfahrzeugen
3.2.1 Vergleich der Fahrzeugkonzepte
3.2.2 Methoden
3.2.3 Anthropometrische Analyse - Ist-Zustand
3.2.4 Änderungskonzeption
3.2.5 Ergonomische Neukonzeption
4.0 Ausblick
5.0 Anhang
Vorwort
Einen besonderen Dank richten wir an Herrn László Ördögh von der IC:IDO GmbH. Weiterhin danken wir Herrn Olav Laufer und Frau Michelle Weyrauch von der Human Solutions GmbH sowie Frau Alexandra Polster, Grammer AG für die Hilfe bei der Ausarbeitung.
Das Thema dieser Studienarbeit lautet Produktergonomie. Diese Studienarbeit wurde im Rahmen der Veranstaltung Produktion 2 bei Herrn Prof. Dr. Wunderlich im Wintersemester 2003/2004 erstellt. Sie besteht aus dem Teil Produktgestaltung und dem hier vorliegenden zweiten Teil Ergonomiesoftware. Im zweiten Teil ist der Schwerpunkt auf die Anwendung von Ergonomiesoftware gelegt, im ersten Teil dagegen liegt er auf den allgemeinen Grundlagen der Produktgestaltung.
Zur Verständlichkeit befindet sich im Anhang ein Glossar, das alle wichtigen Begriffe erläutert.
1 Grundlagen der Ergonomiesoftware
1.1 Definition von Ergonomie
Die in unserer Umwelt sowohl in der Arbeitsumgebung als auch in der privaten Umwelt verwendeten Geräte (z. B. Haushaltsgeräte, Möbel, Sportgeräte, etc.) und Maschinen (z. B. Fahrzeuge, Flugzeuge, Werkzeugmaschinen, etc.) werden praktisch durchweg für die Benutzung durch Menschen konzipiert und gefertigt. Menschen sind aber sehr unterschiedlich, so dass die Notwendigkeit besteht, die Geräte und Maschinen so zu konzipieren, dass unterschiedliche Menschen mit ihnen ohne unnötige Belastung umgehen können.1 Es müssen also die Rahmenbedingungen an den Menschen angepasst werden, und nicht anders herum!
Alle Geräte und Maschinen müssen funktionale, beanspruchungsbezogene sowie aus den Nebenbedingungen abgeleitete ergonomischen Anforderungen erfüllen.
1.2 Gründe für den Einsatz von Ergonomietools
Es gibt vielfältige schlagkräftige Gründe, weshalb Ergonomietools eingesetzt werden:
- Durchführung von Analysen verschiedenster Art, z. B. Sicht-, Gurt-, Komfort-, Sicherheitsanalysen. Durch sie wird der optimale Einsatz und die optimale Nutzung der entwickelten Produkte ermöglicht
- Ergonomie dient der Erhaltung der Gesundheit des Menschen, indem die extreme Beanspruchung von Gelenken und Körperteilen vermieden wird
- Zudem werden durch Sicherheitsanalysen Gefahrenpotenziale vermindert
- Erleichtert die Bedienung von Produkten, wie etwa das Auto mit ergonomisch gut angeordneten Fußpedalen
1.3 Gibt es Alternativen zur Ergonomie?
In der Tagespresse wird immer wieder über Probleme berichtet, die durch mangelhafte, wenn überhaupt eingesetzte, Ergonomie hervorgerufen werden. Dabei gibt es solche Probleme täglich tausendfach in industriellen Umgebungen. Aufsehen erregen allerdings meist die Problemfälle, die bei spektakulären Bereichen, wie etwa der Weltraumfahrt oder der Militärtechnik bekannt werden.2
In dem unten abgebildeten Zeitungsartikel versucht das Militär durch die Suche nach einer bestimmten Personengruppe, in diesem Fall mit längeren Armen und kürzeren Beinen, Schwachstellen der Konstruktion auszugleichen. Diese Methode mag für das Militär Abhilfe schaffen, bei zivilen Themen ist diese Lösung aber indiskutabel. Ein Unternehmen wie etwa die Volkswagen AG kann unmöglich ein Fahrzeug bauen, welches z. B. nur Frauen über 1,60 m und Männer unter 1,70 m fahren können. Starke Absatzprobleme und Proteste wären ihnen sicher.
Bei diesem Thema spielt auch die Unterscheidung zwischen Mensch-Anpassung (s. Zeitungsartikel) und Maschinen-Anpassung (Anthropotechnik) eine entscheidende Rolle.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1: Selektionsverfahren per Annoncen,Jahr und Zeitung unbekannt
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Beziehung Mensch-Maschine, Flugzeugkabine Passagierprozesse und manuelle Arbeitsabläufe
1.4 Hilfsmittel zur ergonomischen Entwicklung und Gestaltung von Produkten
Neben den Körpermesstabellen (DIN 33402, DIN EN 547, DIN EN ISO 11064) gibt es drei weitere Hilfsmittel:
1.4.1 2D-Körperumrissschablonen
Seit einigen Jahrzehnten haben sich die zweidimensionalen Körperumrissschablonen (starr oder beweglich) als geeignete Konstruktionshilfen bewährt. Typische Vertreter sind beispielsweise die Bosch-Schablone, die SAE-Schablone oder die DIN-Schablone.
Die DIN 33408 legt die Darstellung der Projektionen eines unbekleideten Menschen (mit Schuhen) im Sitzen als zweidimensionale Körperumrissschablone fest. Grundlage für den Inhalt dieser Norm bildete dabei eine bereits vorhandene zweidimensionale Messpuppe, die sog. "Kieler Puppe" nach Prof. Jürgens.
Die Schablonen sind in den Projektionsrichtungen Seitenansicht, Draufsicht und Vorderansicht erhältlich. Ein Nachteil dieser Schablone liegt allerdings darin, dass das Schablonenmodell eine Kunstperson generiert, die in der Realität nicht existiert. Denn im Gegensatz zum realen Menschen besitzt die P5-, die P50- und die P95- Schablone in jedem Körperteil das zugehörige 5., 50. bzw. 95. Perzentil-Maß. Unterschiedliche Körperproportionen oder Körperbautypen werden nicht berücksichtigt.3 Dennoch sind Schablonen bis heute im Einsatz.
Im Zusammenhang mit den 2D- Körperumrissschablonen spricht man auch von der Schablonen-Somatografie. Als Somatografie bezeichnet man eine grafischkonstruktive Methode zur maßstabsgetreuen Darstellung schematischer Bilder der menschlichen Gestalt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Kieler Puppe, www.diabolus.hu
Anmerkung: Mannequins sind 3-dimensionale Menschmodelle, die bei rechnergestützten Verfahren, beispielsweise CATIA, RAMSIS oder Anthropos zum Einsatz kommen.
1.4.2 Video-Somatografie
Das zu untersuchende Produkt und eine Versuchsperson werden in Realtime mit Videokameras aufgenommen und direkt auf einen Monitor übertragen. Hierdurch wird virtuell die Gestaltung eines Produktes überprüft und optimiert.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 4: Video-Somatografie, www.diabolus.hu
1.4.3 Rechnergestützte Verfahren (CAD-Menschmodellierung)
Die rechnergestützten Verfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung. Vor allem bei der Entwicklung komplexer Produkte (z. B. Flugzeuge) wird dieses Hilfsmittel seit Jahren eingesetzt und ist unentbehrlich. Aber erst der breite Einsatz von CADSystemen in der Produktentwicklung ermöglichte den Durchbruch von rechnergestützten Entwicklungsverfahren. Bei diesem Verfahren können 2- oder 3-dimensionale Abbildungen des Menschen als geometrisches Modell (Draht-, Flächenoder Volumenmodell) dargestellt werden.
Seit Anfang der 90er Jahre setzen sich immer stärker interaktive Virtual-Reality-Lösungen in der Produktentwicklung durch. Virtual Reality (VR) ermöglicht die computergestützte, realitätsnahe Nachbildung der Wirklichkeit.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 5: VR in der Produktentwicklung, IC:IDO-Broschüre 2003
Dadurch können Produkte und Prozesse effizienter simuliert werden.
1.5 Die Meilensteine der Menschmodellentwicklung
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Schon bald nach der Einführung der CAD-Technologie zu Beginn der sechziger Jahre begannen erste Überlegungen (vornehmlich seitens der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie) die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt in diese Systeme einzubringen. Bis heute können weltweit ca. 150 Menschmodelle klassifiziert werden, mit sehr unterschiedlichem praktischem Nutzwert.
1967 wurde durch William A. Fetter (einem Mitarbeiter der Fa. Boeing) das erste brauchbare anthropometrische Modell „First Man“ realisiert. Neben der Weiterentwicklung dieses Modells in den Folgejahren wurde durch die Fa. Boeing 1970 das Modell Boeman-I zur Simulation des Menschen vorgestellt und unter wechselnder Verantwortung für die Anwendung in der Luftfahrt verbessert. Eine kommerzielle Vermarktung erfolgte allerdings nicht. Ebenfalls 1967 wurde an der Universität von Nottingham mit der Entwicklung von Sammie (System for Aiding Man-Machine Interaction and Evaluation) begonnen, das schließlich 1978 weltweit als erstes Computer-Menschmodell industriell verfügbar war. Ein Einsatz erfolgte auf dem Gebiet der Automobilindustrie und der Entwicklung von Industriearbeitsplätzen.
Parallel zur Vermarktung von Sammie begann die Fa. Chrysler mit der Entwicklung des Menschmodells Cyberman (Cybernetic Man-Model), zur Auslegung von Armaturen, Sitzen und Gurtgeometrien im PKW. Unter Verwendung bereits vorhandener Systeme wurde im Auftrag der NASA am John-Space-Center 1985 das System Tempus entwickelt, das seinerseits die Grundlage für das heute industriell verfügbare Menschmodell Jack darstellt. Ebenfalls zur Mitte der achtziger Jahre wurde an der Ecole Politechnique in Montreal das Modell Safework entwickelt, das ähnlich wie Jack heute weltweit industriell verfügbar ist.
Erst Anfang der achtziger Jahre wurde in Europa begonnen, eigene ComputerMenschmodelle zu entwickeln. So entstand 1984 im Laboratoire d' Anthropologie Appliquee et d' Ecole Humaine in Paris das auf der Softwareplattform EUCLID-IS basierende Menschmodell Ergoman.
In Deutschland wurden ebenfalls Mitte/Ende der achtziger Jahre die Modelle Franky, System Heiner und Anybody realisiert. 1991 erschien als Nachfolger von Anybody das Menschmodell Anthropos. In der Zeit zwischen 1987 und 1994 wurde im Auftrag und in Kooperation mit der Automobilindustrie für die ergonomische Gestaltung von Fahrzeugen das Computer-Menschmodell RAMSIS (Rechnergestütztes Anthropologisch-Mathematisches System zur Insassen Simulation) entwickelt und 1995 für die weltweite Vermarktung freigegeben.4 1996 wird VR-Anthropos vorgestellt, das erste VR-Menschmodell.
Im Jahr 1992 wird die Virtual Reality-Abteilung IAO am Fraunhofer Institut gegründet, aus der im Jahr 2001 die IC:IDO GmbH entsteht, der heute größter Anbieter von immersiven VR-Lösungen ist.
1.6 Die fünf Generationen der Menschmodellierung
Die 1. Generation stellen die 2D-Schablonen dar. Als 2. Generation wird „Anybody“ bezeichnet, es ist das erste rechnergestützte Analyse- und Gestaltungswerkzeug. RAMSIS und Anthropos sind die 3. Generation, sie waren die ersten VR-Menschmodelle. Die 4. Generation sind die ersten immersiven Menschmodelle, z. B. von IC:IDO. Die immersiven Lösungen ermöglichen es, in die virtuelle Welt „einzutauchen“, d. h. die Visualisierung und Interaktionen finden im Originalmaßstab auf einer Powerwall statt, nicht mehr nur auf einem Bildschirm. An der 5. Generation wird zur Zeit gearbeitet, sie wird eine höhere Intelligenz besitzen und per Sprachsteuerung bedient werden.
1.7 Wichtige Merkmale der Menschmodelle
Nach Seidl sind für die korrekte dreidimensionale Kinematik eines Computer-Mensch-Modells insbesondere folgende Merkmale bedeutsam:
- Anzahl der Gelenke (verantwortlich für die Flexibilität des Modells)
- Lage der Gelenkpunkte (beeinflusst die Bewegungsbahnen der Körperelemente)
- Anzahl und Richtung der Rotationsachsen und
- Wahl der Grenzwinkelbereiche (legt die Extremhaltung eines Körperelements fest).
Als ein wesentlicher Bestandteil der 3D-Menschmodelle ist deren Analysefähigkeit von ergonomischen Fragestellungen anzusehen. In aller Regel erwartet der Anwender dieser Software eine Beurteilung der zu untersuchenden Konstruktion nach ergonomischen Gesichtspunkten und Hinweise auf qualitätssteigernde Maßnahmen (z. B. Komfortaussage).
Für die Modelle werden Unterscheidungsmerkmale je nach Typ festgelegt:5
- Statische Merkmale: z. B. Nationalität, Alter, Körpergröße und -bau,
- Dynamische Merkmale: Biomechanik
- Einfluss von außen: Tageszeit, Umgebung, Lärm, Geruch, etc.
Die hieraus gebildeten Bewegungsstereotypen repräsentieren immer nur eine bestimmte Population.
1.8 Einsatzgebiete von Ergonomiesoftware
1.8.1 Einsatz von Ergonomiesoftware in den Unternehmensprozessen Beispiele für Einsatzgebiete:
- Planung Styling und Design: Darstellung in Originalgröße und der einfache Variantenvergleich erleichtern die6 optimale Gestaltung von Produkten oder Gebäuden
- Engineering, Konstruktion: Komponenten werden mittels effizienter Werkzeuge geprüft und bewertet. Informationen aus CAE-Systemen können aussagekräftig dargestellt werden, und digitale Daten sind einfach handhabbar
- Integrationsprüfung: Machbarkeiten, wie z. B. bei Fügevorgängen oder Zugänglichkeiten bei der Montage können schnell überprüft werden
- Ergonomieanalyse: Bei der Fahrerplatzgestaltung oder der Analyse von Arbeitsplätzen und -abläufen ermöglicht die Ergonomiesoftware eine frühzeitige, sichere und gezielte Optimierung
- Digitale Fabrik: Komplexe Zusammenhänge bei der Planung von Fertigungs- und Montagelinien führen durch die Einbeziehung von Gebäudelayouts zu umfangreichen Gesamtdarstellungen, die sich mittels VR einfacher erschließen
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 6: Einsatzgebiete von Virtual-Reality-Lösungen, in Anlehnung an die IC:IDO-Broschüre 2003
1.8.2 Einsatzgebiete von Ergonomiesoftware nach Branchen
Die Ergonomie-Software wird hauptsächlich von der Automobil- und Flugzeugindustrie genutzt. Eine weitere Anwendergruppe stellt die Forschung, insbesondere an Hochschulen, das Militär sowie die Medizin dar. Darüber hinaus findet die Software bei Designern und Architekten zur Veranschaulichung ihrer Entwürfe ihren Einsatz. Hier und ebenso bei der Anwendung im Videospiel- und Filmbereich, zum Zwecke von Animationen, findet die Software eine Funktion außerhalb von Ergonomieanalysen.
[...]
1 Elsholz
2 www.diabolus.hu, Mappe 1, 1.1 Alternativen zur Ergonomie
3 in Anlehnung an: Eisenhofer, S. 55
4 in Anlehnung an: Eisenhofer, S. 58
5 Seidl und Eisenhofer, S. 138
6 IC:IDO-Broschüre 2003
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