Untersuchung ergonomischer Problemstellungen mit dem virtuellen Menschmodell der Firma ICIDO

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1 Fakultät Maschinenwesen, Institut für Technische Logistik und Arbeitssysteme Professur für Arbeitswissenschaft Untersuchung ergonomischer Problemstellungen mit dem virtuellen Menschmodell der Firma ICIDO Dr.-Ing. Christiane Kamusella

2 Gliederung Ergonomiewerkzeug Virtuelles Menschmodell Arbeitsweisen der Software Schnittstellen für Ergonomieuntersuchungen zwischen Desktop und immersiven System Ergonomische Produktgestaltung Methodik Verfahrensschritte im ergonomischen Gestaltungsprozess Unterstützung durch virtuelles Menschmodell Virtuelles Menschmodell kinematische Struktur Funktionen Künftige Zielstellungen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 2

3 Einsatz Ergonomiewerkzeug Virtuelles Menschmodell Man-Model-Software der Firma IC:IDO GmbH Stuttgart Desktop-System Plugin von 3dsmax8 IDO:ErgonomiX (CharAT) Character-Animations-Tool VDP-Software Modul IDO:Ergonomics 2D GUI Dialog zwischen Objektbereich und Ergonomics immersives System Cave 3D GUI PC-Cluster. Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 3

4 Virtuelles Menschmodell IDO:Ergonomics - Desktop Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 4

5 Desktop- und virtuell repräsentiertes Menschmodell CAD-System Konstruktion 3D-Objekt Datenaustausch über Konverter Datenaustausch Datenaustausch z. T. über Konverter Computergenerierte Umgebung Desktop-System0 2D-GUI 3dsmax Animation, Modellierung Visualisierung Interaktion, Simulation 3D-Objekt DHM IDO:ErgonomiX CharAT (Character- Animations-Tool) 2D-GUI VDP-Software Visualisierung Interaktion, Simulation IDO: IDO:Reflect IDO:Explore 3D-Objekt DHM IDO:Ergonomics Datenformat vrml, 3DS Begrenzte Übergabe Struktur-, Haltungsmodelle Virtuelle Umgebung Immersive 3D-Umgebung Powerwall Passive Stereoprojektion Visualisierung; passive Immersion 3D-Objekt Menschmodell Visualisierung statischer Szenen Visualisierung animierter Szenen z. B. über InstantPlayer Cave Passive Stereoprojektion Visuelle Entscheidungen Echtzeit-Interaktion und -Simulation Interaktive Integration des Nutzers vollständige Immersion 3D-Objekt Übergabe Haltungsmodelle Menschmodell IDO:Ergonomics virtuell 3D-GUI statische und interaktive Szene; keine Animation des Menschmodells Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 5

6 Generelle Methodik der ergonomischen Produktgestaltung Aufgaben- und Produktdefinition Bauteil-, Baugruppenstruktur des Gestaltungsobjekts Techn. Ausrüstung, Komponenten, restriktive Vorgaben Ergonomisches Gesamtziel Zielgruppe Gestaltungsobjekt z.b. Packageentwurf Bauraum, Anordnung Interieur z.b. Sportwagen Präparierung Geometriemodell Bestätigung/ erneute Festlegung Ergonomische Teilziele z.b. Anordnung Sitz Untersuchungskriterien z.b. Komfortkörperhaltung Ergonomische Anforderungen Referenzpersonen z.b. M5 deutsch, 50 Jahre Sitzriese, mesomorph M50, deutsch, 30 Jahre, Sitzzwerg, mesomorph Gestaltungsmerkmale z.b. H-Punkt-Verstellfeld Analysetool z. B. Marker, Positionsbeschränkung z.b. H-Punkt-Definition z.b. Komfortwinkel, Daten aus: normativen Empfehlungen z.b. ISO 3958, DIN u.a. Fachbücher, z. B. Grabner.. Gegebene Bedingungen /Restriktionen Bewertungstool Treffen von Arbeitsannahmen z.b. Eingrenzung Fuß-, Kniewinkel z.b. H 30-Maß CW-Wert (Strömungswiderstand) bedingte Grundform Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 6

7 Ergonomische Aufgaben im Digital Prototyping Unterstützung durch das Menschmodell IDO:ErgonomiX Produktentwicklungsprozess - Phase Definitionsphase Ausarbeitung v. Gestaltungsanforderungen Konkretisierung der Aufgabenstellung Konzeptionsphase Erstellung von Gestaltungsentwürfen Ergonomische Aufgabenstellungen -Festlegung ergonomischer Anforderungen u. Bewertungskriterien -Beschreibung d. Eigenschaften d. Zielgruppe -Vorentwürfe für MMS und Arbeitsaufgaben - Funktionszuweisung -Bewertung der Schnittstellen anhand ergonomischer Kriterien Unterstützung durch Simulationswerkzeug Menschmodell Zusammenstellung u. Konfiguration d. Zielgruppe unter Nutzung von: Anthropometrischen Modelldaten Kinematikfunktionen Grafikfunktionen Simulations- und Bewertungstools: Konfiguration Bewegungsverhalten Konfiguration Analysefunktionen Ansatzweise Bewertungstools Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 7

8 Ergonomische Aufgaben im Digital Prototyping Unterstützung durch das Menschmodell IDO:ErgonomiX Phase im Produktentwicklungsprozess Phase der Realisierung Erstellung des detaillierten Gestaltungsentwurfs Ergonomische Aufgabenstellungen -Spezifizierung v. Schnittstellen und Aufgaben -Detaillierte Bewertung der MMS (Einbeziehung ergonomischer Normen) - Aufgabensimulation - Entwurfsdokumentation Unterstützung durch Simulationswerkzeug Menschmodell Einsatz der Simulationstools für: Analyse, Evaluation, Simulation Visualisierung, Datenverwaltung Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 8

9 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Anthropometrische Modelldaten: Geschlecht Region Alter Perzentil Akzeleration Proportion Somatotyp Körperbautypen nach Heath-Carter in einer 9-stufigen Skala Pummeliger Typ Schlanker Typ durch Script konfigurierbare eigene Datenbanken (ASCII- Dateien) Muskulärer Typ Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 9

10 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Anthropometrische Modelldaten: Japan Süd-Ost-Afrika Süd-Ost-Europa Nordamerika Deutschland Australien Nordeuropa Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 10

11 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Anthropometrische Modelldaten: Proportionstypen langer Rumpf kurze Beine kurzer Rumpf lange Beine kurze Arme lange Arme Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 11

12 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Anthropometrische Modelldaten: Grafikfunktionen: Verschiedene Bekleidungen Skelett-, Hautmodelle Körperteilmodelle Body-Morphing Anbindung von Objekten (Merge) Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 12

13 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Kinematik: Anthropometrisch-kinematisches Modell: Nachbildung der Skelettstruktur und Bewegungsmöglichkeiten der Gelenke Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 13

14 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Kinematik: Grundelemente: Bones A = Parent : C = Child Startpunkt Länge Endpunkt Offene Struktur: freie Konfiguration Bone-Base Parameters Basisparameter Generierung von Zusatzobjekten (z. B. Kameras) Bone-Connect Parameters Verbindung zwischen Bones der kinematischen Kette Driven bones Driver bone Bone-Physic Parameters Physik- und Diskomfortwerte Bone-DOF Parameters Bewegungsgrenzen, Freiheitsgrade der Gelenke Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 14

15 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Grün: geringer Diskomfort Balkenlänge bis < 75% Gelb: mittlerer Diskomfort Balkenlänge >= 75% bis < 90% Rot: hoher Diskomfort Balkenlänge > 90% bis 100% Bewertung für die Körperregionenen: Wirbelsäule Arm Bein linke/rechte Hand Differenz zur Neutralkörperhaltung Nutzungsgrad des maximal möglichen Gelenkwinkelbereichs Gelenkpunktwiderstand in Abhängigkeit von der Auslenkung durch Gewicht und Schwerpunkt des Körperteils hervorgerufenes Drehmoment Neutral Body Posture nach NASA-STD 3000 Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 15

16 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 16

17 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Bewegungsverhalten: freie Positionierung, Zielpunktanimation und fixierung mehrerer abhängiger und unabhängiger kinematischer Ketten Bone-Animation Parameters Bewegungsverhalten der Bones Inverse Biomechanik Vorwärtskinematik Bone-Assignments Parameters Steuerung der Animationsdaten über Antriebsprozentsatz V=(+/-) (Fx,Fy,Fz Tx,ty,Tz Rx,Ry,Rz) (+,-./,*) (constant) Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 17

18 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Aufzeichnung von Bewegungsspuren Pfadgesteuerte Animation Parameterverknüpfte Animationen dynamische Bewegungen: Veränderung von Geometrie auf die Bewegungsgestalt physiologische günstige Bewegungsgestalt Sichtfelder Greifräume Zentralprojektion Spiegel- und Schattenprojektionen Collision kollidierte Körperteile Analize-Graph Diskomfort-Signal für Wirbelsäule, Extremitäten Nutzungsgrad des Gelenkwinkelbereichs Bewegungsabhängige physikalische Beanspruchung der Gelenke während der Laufzeit Körperschwerpunkt Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 18

19 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Pfadgesteuerte Animation Lastenräder Postzustellungsprozesse Schuhsohle bis -25 zur Horizontalen Schuhsohle bis +30 zur Horizontalen Fuß waagerecht Schuhsohle bis ca. +20 zur Horizontalen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 19

20 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Greifraum M5 Blickfeld M50 bei verschiedenen Sehzielen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 20

21 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Sichtanalyse nach EU-Richtlinie Innen- und Außenspiegelsicht Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 21

22 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Sichtanalyse StVZO Direktsicht Prüfung von Verdeckungen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 22

23 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Kollisionen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 23

24 Virtuelles Menschmodell: kinematische Struktur, Funktionen Analysefunktionen: Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 24

25 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Evaluation, Simulation, Visualisierung, Datenverwaltung Festlegung SITZ - Verstellbereich Festlegung PEDAL - Verstellbereich Fixpunkt für f r alle Nutzer Lage von Stellteilen Fixpunkt für f alle Nutzer Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 25

26 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Beziehung Körperhaltung Sicht Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 26

27 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Ergonomische Analyse der Stellteilbetätigung - Istzustand MELKUS RS 1000 Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 27

28 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften -Verwaltung aller Daten im ASCII-Format : Körperhaltung, Modellstruktur, Grafikkomponenten, Komfort Bewegungsbegrenzungsdaten Max. Grenze: NEU: Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 28

29 Virtuelles Menschmodell: Eigenschaften Evaluation, Simulation, Visualisierung, Datenverwaltung Visualisierung: statisch als gerenderte Bilder dynamisch über die Erzeugung von Keyframe-Animationen in Videoszenen Zeitabhängige Bewegung/ Verformung von Objekten, Kameras, Lichtquellen, Objekt- und Materialeigenschaften dynamisch über die Erzeugung animierter VRML-Dateien Betrachtung über kostenlose VRML-Browser (z. B. FluxPlayer, InstantPlayer) an einer Powerwall über Stereoprojektion als 3D-Bild (InstantPlayer im Cluster-Modus) Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 29

30 Künftige Zielstellungen Erarbeitung ergonomischer Bewertungstools Informatorische Gestaltung der Mensch-Maschine- Schnittstelle Ergonomische Grundlagen der Gestaltung von Anzeigen Umsetzung sensorischer Fähigkeiten des Menschen am Beispiel Sinneswahrnehmung Sehen Möglichst Berücksichtigung der Nutzergruppe Ältere und Senioren Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 30

31 Künftige Zielstellungen ergonomische Bewertungstools Physische Leistungsfähigkeit: : Sensorische Fähigkeiten (Sinneswahrnehmung: Sehen) Altersbedingte Veränderungen (Akkomodation, Einschränkung Gesichtsfeld, Begrenzung Gelenkbeweglichkeit) Akkommodationsveränderung Alter (Jahre) Nahpunkt (cm) Gesichtfeldverlust Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 31

32 Künftige Zielstellungen ergonomische Bewertungstools Simulation Vergenz nah: Konvergenz fern: Divergenz Blickfeldkegel Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 32

33 Künftige Zielstellungen ergonomische Bewertungstools Blickfeld M50 Sitzzwerg Sw-Gesichtsfeld M5 Sitzriese 24 Jahre Blickfeld M5 Sitzriese Kopfbewegung notwendig Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 33

34 Künftige Zielstellungen ergonomische Bewertungstools Gleitsichtglas Blick mit Gleitsichtbrille Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 34

35 Künftige Zielstellungen ergonomische Bewertungstools Erarbeitung eines Anwendungsmoduls für IDO:ErgonomiX zur ergonomischen Analyse von Pedalkräften Maximal und zulässige Kräfte Komfortbewertung der Bewegungswinkel Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 35

36 Künftige Zielstellungen Aufbau eines Wikimediasystems Ergotyping Ergotyping: Ergonomieaspekt Werkzeug Methode als ganzheitlicher Prozess im (Digital-)Prototyping-Stadium Systematische Betrachtung rechnerunterstützter Ergonomiesysteme mit eingesetzten Prüfverfahren und -strategien Aufbereitete Wissensdatenbanken Sammlung von Erfahrungen und Wissen in einem Portal/Kompendium am Beispiel verfügbarer Werkzeuge Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 36

37 Beispielklassen ergonomischer Aufgaben mit rechnerunterstützter Problemlösung Optimierung von Bewegungen Ermittlung der Gelenkbeanspruchung Bewegungssimulation Zeitanalyse Sitzkomfortsimulation Sitzverhalten statisch, dynamisch Druckverteilung Sitzpolster Schwingungsisolierung Anthropometrisch-ergonomische Betrachtungen Positionierungs- und Komfortanalysen Physiologische zielpunktgesteuerte Bewegungen Sichtraumbeurteilung Bewegungsraumoptimierung Kollisionskontrolle Haltungsmodelle Ermittlung von Körpermaßen, Körperpunktkoordinaten Sicherheitliche Analysen Gurtanalyse Crashanalyse Haltungsabhängige Schwerpunktberechnung Biomechanische Analysen Muskelbeanspruchung Gelenkbelastung Hebe-, Tragevorgänge statische, dynamische Aktionskräfte Optimierung Krafteinsatz körperhaltungsabhängige Gelenkmomente Montagesimulation, Fabrikplanung menschliche Bewegungen Montagezeiten Layoutplanung Planung Wartungsarbeiten Auslegung der Benutzerschnittstelle Gelenkbeanspruchung Bewegungssimulation Zeitanalyse Simulation von Lichteinflüssen Beurteilung von Reflexionen, Schatten Simulation der Beleuchtung Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 37

38 Künftige Zielstellungen Vorbereitung eines digitalen und physikalischen Ergonomie- Mock-Ups zur universellen Untersuchung ergonomischer Fragestellungen in Fahrerkabinen in Zusammenarbeit mit Frau Dr. Gubsch an der Professur für Baumaschinen und Fördertechnik Anschluss an den Forschungs- u. Entwicklungssimulator für mobile Arbeitsmaschinen d. Professur f. Baumaschinen Vision: Ermittlung der Stellcharakteristik bei Steuerung verschiedener Stellteile Immersive Umgebung 3D -GUI CAVE Virtuelles Objekt Mixed Reality Reales Objekt Sichtsimulation Einbindung der physikalischen Sitzkiste in die Cave: erste Erfahrungen mit Mixed Reality; Nutzung von IDO:SpecialTrack (Reachability Tracking, Physical Mockup Tracking, Object Tracking) Avatar Ergänzung um virtuelle Objekte Reale Person Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 38

39 Künftige Zielstellungen Vorbereitung eines digitalen und physikalischen Ergonomie- Mock-Ups zur universellen Untersuchung ergonomischer Fragestellungen in Fahrerkabinen Christiane Kamusella Virtuelle Menschmodelle für ergonomische Untersuchungen Folie 39