Fortlaufende Ermittlung und Beurteilung der Mitarbeiterbelastung bei Kommissioniertätigkeiten

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1 Fortlaufende Ermittlung und Beurteilung der Mitarbeiterbelastung bei Kommissioniertätigkeiten Prof. Dr.-Ing. Willibald A. Günthner*, Dipl.-Ing. Tobias Rammelmeier**, Dipl.-Wi.-Ing. Myriam Koch*** Technische Universität München Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik * Leiter des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik der Technischen Universität München **/*** Wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik der Technischen Universität München <Statements> - Beurteilung der physischen Belastung in manuellen Kommissioniersystemen - Schaffung von Transparenz über die Belastungssituation durch fortlaufende Belastungsermittlung und -beurteilung - Aufwandsarme und automatisierte Belastungsermittlung durch Einsatz von Messtechnik und Erweiterung des Warehouse-Management-Systems - Zielgerichtete Maßnahmen zur Belastungsreduzierung auf Basis der fortlaufenden Belastungsermittlung und -beurteilung <Vorspann> Während intralogistische Prozesse allgemein dem Trend einer zunehmenden Automatisierung unterliegen, ist die Kommissionierung aufgrund der Forderung nach hoher Flexibilität nach wie vor von einem hohen Anteil manueller Tätigkeiten, insbesondere manueller Lastenhandhabung, geprägt. Lastenhandhabungsvorgänge mit hoher Wiederholhäufigkeit sowie teilweise hohen Lastgewichten und ungünstigen Körperhaltungen können dabei eine hohe physische Belastung verursachen, die langfristig zu einer Leistungsminderung und zur Arbeitsunfähigkeit der Mitarbeiter führen kann. Um zielgerichtet belastungsreduzierende Maßnahmen einzuleiten, ist in einem ersten Schritt Transparenz über die Höhe der vorliegenden Belastung sowie deren Ursachen erforderlich. Einige Charakteristika von Kommissioniertätigkeiten, wie z. B. unregelmäßige Arbeitsabläufe und Auftragsschwankungen, erschweren jedoch die Anwendung heute gängiger Verfahren zur Belastungsbeurteilung. Der am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) der Technischen Universität München entwickelte Lösungsansatz zur fortlaufenden Belastungsermittlung und -beurteilung berücksichtigt die Besonderheiten der Kommissionierung und unterstützt Anwender beim Ableiten von Maßnahmen zur Belastungsreduzierung. <Beitrag> In manuellen Kommissioniersystemen können Lastenhandhabungsvorgänge, wie das Heben und Tragen, bei hoher Wiederholhäufigkeit sowie hohen Lastgewichten große physische Belastungen verursachen [1]. Langfristig kann eine solche Überbelastung durch das Hand-

2 haben von Lasten zur Schädigung des Muskel-Skelett-Systems, insbesondere der Wirbelsäule, führen [2] und ist eine wesentliche Ursache gesundheitlicher Ausfälle und damit sinkender Produktivität, erhöhter Fehlzeiten und Arbeitsunfähigkeit [3, 4]. Zur Reduzierung der Belastung ist es erforderlich, in einem ersten Schritt die Höhe der Belastung sowie deren Ursachen zu ermitteln, um daraus zielgerichtet Maßnahmen ableiten zu können. Die Beurteilung von physischen Belastungen am Arbeitsplatz erfolgt bei heute gängigen arbeitswissenschaftlichen Verfahren meist für eine exemplarische Schicht. Jedoch erschweren beispielsweise unregelmäßige Arbeitsabläufe, Auftragsschwankungen oder ein heterogenes Artikelspektrum die Anwendung dieses Vorgehens zur Beurteilung der Belastung bei Kommissioniertätigkeiten. Um diesen Eigenschaften Rechnung zu tragen, werden in diesem Beitrag technische Lösungen vorgestellt, die eine fortlaufende Belastungsermittlung und -beurteilung in Kommissioniersystemen ermöglichen. Zielsetzung dabei ist es, für jeden einzelnen Handhabungsvorgang die entsprechenden Einflussgrößen auf die Belastung zu erfassen und kontinuierlich Transparenz über die aktuelle Belastungssituation zu schaffen. Ergonomische Grundlagen Nach Rohmert [5] wird in der Ergonomie zwischen den Begriffen Belastung und Beanspruchung unterschieden. Für die Analyse von Ursachen wird der Begriff Belastung verwendet, während die Beanspruchung angibt, wie sich objektiv gleiche Belastungen bei unterschiedlichen Arbeitspersonen individuell auswirken. Gemäß Paragraph 5 des Arbeitsschutzgesetzes hat ein Arbeitgeber die Pflicht, Arbeitsbedingungen hinsichtlich potentieller Gefährdungen zu beurteilen. Folglich sind in der Gefährungsbeurteilung Belastungen und nicht Beanspruchungen zu berücksichtigen. Grundlage für eine Bewertung der Mitarbeiterbelastung bilden anerkannte arbeitswissenschaftliche Verfahren zur Beurteilung des gesundheitlichen Risikos. Die Tätigkeit in Kommissioniersystemen ist von manuellen Lastenhandhabungen geprägt, weshalb für eine fortlaufende Ermittlung und Beurteilung der Mitarbeiterbelastung bei Kommissioniertätigkeiten ein geeignetes Verfahren ausgewählt werden muss. Zwei Verfahren, die sich hierfür eignen, sind das Multiple-Lasten-Tool und die erweiterte Leitmerkmalmethode. Beide Verfahren beruhen auf den Leitmerkmalmethoden. Das Multiple-Lasten-Tool [6] eignet sich für die kombinierte Bewertung von Tätigkeiten, bei denen das Umsetzen, Halten, Tragen, Ziehen oder Schieben von Lasten auftritt. Für jede Handhabung einer Last sind die Leitmerkmale der Lastenhandhabung zu erfassen, die als Eingangsdaten des Multiple-Lasten-Tools dienen. Als Leitmerkmale werden die folgenden Größen bezeichnet: Anzahl, Dauer oder Wegstrecke Lastgewicht Positioniergenauigkeit (nur beim Ziehen, Schieben) Körperhaltung Ausführungsbedingungen Anhand der Leitmerkmale wird ein Risikowert zur Beurteilung der physischen Belastung bestimmt.

3 Die erweiterte Leitmerkmalmethode [7] wurde speziell für den Einsatz in der Kommissionierung entwickelt und ermöglicht die Bewertung des Umsetzens von Lasten. Analog zum Multiple-Lasten-Tool sind für jede Lastenhandhabung die Leitmerkmale zu bestimmen, die die Eingangsdaten für die Berechnung eines Risikowerts der Tätigkeit darstellen. Automatisierte, fortlaufende Belastungsermittlung und -beurteilung Eine Integration der fortlaufenden Ermittlung und Beurteilung der Mitarbeiterbelastung auf Basis des Multiple-Lasten-Tools oder der erweiterten Leitmerkmalmethode in betriebliche Abläufe setzt eine aufwandsarme Durchführung voraus. Hierzu gilt es, diese durch technische Hilfsmittel zu unterstützen und automatisiert durchzuführen. Wesentliche Aufgaben bestehen dabei in der Ermittlung der Eingangsdaten, der rechnergestützen Auswertung, der Visualisierung und der Ableitung belastungsreduzierender Maßnahmen. Der prinzipielle Aufbau eines Systems zur fortlaufenden Belastungsermittlung und -beurteilung ist in Abbildung 1 dargestellt. Ermittlung der Eingangsdaten Rechnergestützte Auswertung Ergebnisse Sensorik und Messtechnik WMS Visualisierung der Belastung Ableitung belastungsreduzierender Maßnahmen: Lagerplatzzuordnung Auftragszuweisung arbeitsorganistorische Maßnahmen Entscheidungen zum Einsatz technischer Hilfsmittel Abbildung 1: System zur fortlaufenden Belastungsermittlung und -beurteilung Die Ermittlung der für die Belastungsbeurteilung erforderlichen Eingangsdaten kann dabei sowohl durch den Einsatz von Sensorik bzw. Messtechnik [8] als auch auf Basis von Daten aus dem Warehouse-Management-System (WMS) erfolgen [9]. Abhängig vom jeweiligen Handhabungsvorgang sind beispielsweise das Lastgewicht, die Körperhaltung und die Wegstrecke als Eingangsdaten des Beurteilungsverfahrens zu ermitteln. Diese Daten werden entweder direkt erfasst oder, falls dies nicht möglich ist, aus Daten abgeleitet, die sich messtechnisch bestimmen lassen oder im WMS vorliegen. Die messtechnische Erfassung von Eingangsdaten beinhaltet den Einsatz eines Motion- Capturing-Systems und industrieller Sensoren sowie die Verarbeitung von Nutzereingaben in das beleglose Kommissioniersystem Pick-by-Vision. Der Aufbau des Systems ist in Abbildung 2 dargestellt.

4 3D-Kamera integrierte Kamera Smartphone Datenbrille integrierter Inertialsensor Wearable Computer Monitor Dreh-Drückknopf mobiler Rechner Messrad mit Drehgeber Server Abbildung 2: Messtechnische Erfassung der Eingangsdaten für die fortlaufende Belastungsermittlung (in Anlehnung an [8]) Die fortlaufende Aufnahme von Bewegungsabläufen und die Einstufung der Körperhaltung des Kommissionierers erfolgt durch die Nutzung eines optischen, markerlosen Motion- Capturing-Systems basierend auf einer 3D-Kamera (Microsoft Kinect). Unterstützt wird das markerlose Motion-Capturing-System dabei, beispielsweise im Fall von kurzzeitigen Verdeckungen, durch die Intertialsensorik eines Smartphones, das der Kommissionierer hierzu am Körper trägt. Die beim Ziehen oder Schieben des Kommissionierwagens zurückgelegte Wegstrecke wird durch ein zusätzlich angebrachtes Messrad ermittelt. Weiterhin kommt zur Erfassung der für die Belastungsermittlung erforderlichen Eingangsdaten das beleglose Kommissioniersystem Pick-by-Vision zum Einsatz. Wesentliche Bestandteile des Pick-by-Vision-Systems sind eine Datenbrille, in der dem Kommissionierer alle relevanten Informationen zur Auftragsbearbeitung angezeigt werden, sowie ein Wearable Computer mit integriertem Datenfunkmodul, den der Kommissionierer in einer Weste mitführt. Zur Interaktion mit dem Pick-by-Vision-System sind weiterhin ein am Gürtel getragener Dreh-Drückknopf für Benutzereingaben sowie eine in der Datenbrille integrierte Kamera zum Scannen von Produktbarcodes vorhanden. Durch die Erfassung von Quittiervorgängen können durch das Pick-by-Vision-System Informationen zum Status der Auftragsbearbeitung gewonnen werden, die eine wesentliche Bedeutung für die Analyse der Belastungsursachen haben. Sämtliche ermittelte Daten werden von den mobilen Einheiten zur Auswertung drahtlos an einen Server übertragen. Neben der messtechnischen Erfassung der Daten können die Eingangsdaten der Beurteilungsverfahren aus Daten abgeleitet werden, die in einem WMS gespeichert sind. Herkömmliche WMS verfügen bereits über einen Großteil der erforderlichen Informationen. So sind beispielsweise der Kommissionierauftrag und das Gewicht der zu kommissionierenden Artikel, die für die Belastungsermittlung relevant sind, bereits im WMS abgelegt. Einige Informationen sind hingegen in herkömmlichen WMS nicht vorhanden, weshalb diese für die Belastungsermittlung erweitert werden müssen. Eine wesentliche

5 aktueller Risikowert Erweiterung ergibt sich beispielsweise im Zusammenhang mit der Einstufung der Körperhaltung des Kommissionierers. Diese Einstufung erfolgt auf Basis der Entnahmehöhe, der Entnahmetiefe sowie der Körpergröße und der Armlänge des Kommissionierers. Da derartige Daten sowie die Zusammenhänge zwischen diesen in einem konventionellen WMS nicht abgebildet sind, erfolgt hierzu sowohl eine Erweiterung der Datenhaltung als auch die Ergänzung entsprechender Logiken. Sowohl der Einsatz von Sensorik bzw. Messtechnik als auch die Verwendung von Daten aus dem WMS sind mögliche Alternativen, um die Eingangsdaten der Beurteilungsverfahren zu ermitteln. Die Ansätze unterscheiden sich vor allem hinsichtlich Genauigkeit, Mitarbeiterakzeptanz und Prognosemöglichkeit. Bei der messtechnischen Erfassung werden tatsächlich vorliegende Werte aufgenommen, während die Eingangsdaten bei einem erweiterten WMS unter Zugrundelegung von Modellen aus anderen Daten abgeleitet werden. Folglich führt die messtechnische Erfassung der Daten zu einer höheren Genauigkeit der Ergebnisse. Bei der messtechnischen Erfassung ist es jedoch erforderlich, dass die Kommissionierer Sensorik bzw. Messtechnik am Körper tragen, wohingegen bei einem erweiterten WMS der Prozess der Kommissionierung nicht beeinflusst wird. Folglich kann eine messtechnische Erfassung zu Akzeptanzproblemen bei der Belegschaft führen. Ein erweitertes WMS bietet neben der Beurteilung aktuell auftretender Belastungen auch die Möglichkeit der Prognose von diesen. Rechnergestützte Auswertung und Ergebnisse Sobald sämtliche Eingangsdaten, die für die Beurteilung der Belastung eines Handhabungsvorgangs erforderlich sind, vorliegen, werden diese rechnergestützt ausgewertet. Dies umfasst insbesondere die Berechnung von Risikowerten nach dem Multiple-Lasten-Tool oder der erweiterten Leitmerkmalmethode sowie die Aufbereitung der Ergebnisse zur Visualisierung, so dass diese dem Anwender in geeigneter Weise präsentiert werden können. Ein zentrales Ergebnis der Visualisierung ist die erhöhte Transparenz über die Belastungssituation sämtlicher Kommissionierer. Abbildung 3 zeigt exemplarisch die Visualisierung des Belastungsverlaufs eines Kommissionierers in einer Schicht :00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 Uhrzeit Abbildung 3: Belastungsverlauf eines Kommissionierers in einer Schicht Die fortlaufende Belastungsermittlung und -beurteilung ermöglicht die Analyse von Ursachen für hohe Belastungen und das zielgerichtete Ableiten von Maßnahmen zur Belastungsreduzierung. So ermöglicht beispielsweise die Verknüpfung der Informationen Zugriffshäufigkeit, Lastgewicht und Entnahmehöhe/-tiefe (bzw. der daraus resultierenden Körperhaltung) die Realisierung einer ergonomisch günstigen Lagerplatzzuordnung. Eine weitere Maßnahme zur Belastungsreduzierung besteht darin, dass abhängig von der

6 aktuellen Höhe der Belastung der Mitarbeiter diesen gezielt Aufträge zugewiesen werden, um eine gleichmäßige und in Summe möglichst geringe Belastung aller Mitarbeiter zu erreichen. Neben der Möglichkeit, dass eine solche ergonomische Zuweisung von Aufträgen bzw. Lagerplätzen händisch durch einen Entscheidungsträger, beispielsweise den Schichtleiter, durchgeführt wird, lässt sich auch ein vorhandenes WMS dahingehend erweitern, dass die Zuweisung automatisiert erfolgt. Durch den Einsatz genetischer Algorithmen kann das WMS dabei jeweils eine optimale Zuordnung unter Berücksichtigung von ergonomischen Zielen ermitteln. Die gewonnene Transparenz über die jeweilige Belastungssituation eines Mitarbeiters ermöglicht zudem die belastungsorientierte Implementierung weiterer arbeitsorganisatorischer Maßnahmen, wie z. B. Jobrotation zwischen verschiedenen Arbeitsplätzen der Intralogistik. Letztlich kann eine Langzeitauswertung der durch die fortlaufende Belastungsermittlung gewonnenen Daten auch Entscheidungen zum Einsatz technischer Hilfsmittel, wie z. B. angetriebener Flurförderzeuge oder Handhabungshilfen, bis hin zur Automatisierung von Handhabungsoder Transportvorgängen unterstützen. Fazit Lastenhandhabungsvorgänge in manuellen Kommissioniersystemen können unter ungünstigen Bedingungen zu einer Überbelastung der Mitarbeiter und somit langfristig zur Schädigung des Muskel-Skelett-Systems, zur Leistungsminderung und zur Arbeitsunfähigkeit führen. Das Ableiten geeigneter belastungsreduzierender Maßnahmen erfordert Transparenz über die Höhe und Ursachen der Belastung, jedoch sind heute häufig angewandte Verfahren zur Belastungsbeurteilung nur bedingt für Kommissioniertätigkeiten geeignet. Ein Lösungsansatz hierfür besteht darin, die Mitarbeiterbelastung fortlaufend zu ermitteln und zu beurteilen. Eine wesentliche Voraussetzung für eine erfolgreiche Implementierung der fortlaufenden Belastungsermittlung und -beurteilung in Unternehmen ist, die erforderlichen Eingangsdaten aufwandsarm und automatisiert zu erfassen. Hierzu haben sich sowohl der Einsatz von Sensorik bzw. Messtechnik als auch die Ermittlung der Eingangsdaten auf Basis von WMS- Daten als mögliche Alternativen für eine technische Umsetzung herausgestellt. Die fortlaufende Belastungsermittlung und -beurteilung ermöglicht unter Berücksichtigung der Besonderheiten von Kommissioniertätigkeiten Transparenz über die Belastungssituation der Mitarbeiter und bietet dem Anwender Unterstützung beim Ableiten von ursachengerechten Maßnahmen zur Belastungsreduzierung. Literaturverzeichnis [1] Goldscheid, C.: Ermittlung der Wirbelsäulenbelastung in manuellen Kommissioniersystemen. Dissertation. Aachen: Shaker Verlag [2] Liebers, F.; Caffier, G.: Berufsspezifische Arbeitsunfähigkeit durch Muskel-Skelett- Erkrankungen in Deutschland - Forschung Projekt F Forschungsbericht: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin Berlin [3] Jäger, M.; Jordan, C.; Theilmeier, A.; Luttmann, A.: Dortmunder Lumbalbelastungsstudie 2: Ermittlung und Beurteilung vergleichbarer Tätigkeiten hinsichtlich der Körperhaltung und der Wirbelsäulenbelastung bei verschiedenen beruflichen Tätigkeiten. Hauptverband der gewerblichen Berufsgenossenschaften (HVBG), Sankt Augustin: 2001.

7 [4] Hempen, S.; Finke, Y.; Deuse, J.: Ergonomie in logistischen Prozessen. In: Landau, K. (Hrsg.): Tagungsband zur GfA-Herbstkonferenz 2009 (Gesellschaft für Arbeitswissenschaft e. V.) Millstadt, September [5] Rohmert, W.: Das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept. In: Zeitschrift für Arbeitswissenschaft, Jg. 38 (1984) Nr. 4, S [6] Institut für Arbeitswissenschaft der Technischen Universität Darmstadt: Multiple- Lasten-Tool - Bewertung multipler (manueller) Lastenhandhabungen. Einstufungshilfe zur Tool-Version 1.4. Darmstadt: [7] Walch, M. D.: Belastungsermittlung in der Kommissionierung vor dem Hintergrund einer alternsgerechten Arbeitsgestaltung der Intralogistik. Dissertation. München: Technischen Universität München, [8] Günthner, W.A.; Deuse, J.; Rammelmeier, T.; Weisner, K.: Entwicklung und technische Integration einer Bewertungsmethodik zur Ermittlung von Mitarbeiterbelastungen in Kommissioniersystemen (ErgoKom). Forschungsbericht: Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, Technische Universität München; Institut für Produktionssysteme, Technische Universität Dortmund [9] Günthner, W. A.; Koch, M.: Erstellung einer ergonomischen Lagerstrategie und - organisation durch ein Arbeitslast analysierendes Warehouse-Management-System (ErgoWMS). Forschungsbericht: Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik, Technische Universität München Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Willibald. A. Günthner ist Ordinarius des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) an der Technischen Universität München. Er ist Gründungsmitglied der Wissenschaftlichen Gesellschaft für Technische Logistik e. V., stellvertretender Vorsitzender des wissenschaftlichen Beirats der Bundesvereinigung Logistik und Mitglied des Vorstandes der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik sowie Vorsitzender des Fachbereichs Technische Logistik. Dipl.-Ing. Tobias Rammelmeier studierte Maschinenwesen mit den Schwerpunkten Produktionssysteme und Logistik an der Technischen Universität München. Seit April 2010 ist er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) der Technischen Universität München tätig. Seine Forschungsschwerpunkte sind die Augmented-Reality-unterstützte Kommissionierung und die Reduzierung physischer Belastungen bei Logistiktätigkeiten. Dipl.-Wi.-Ing. Myriam Koch studierte Wirtschaftsingenieurwesen am Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Seit Juli 2011 ist sie wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) an der Technischen Universität München. Ihr Forschungsschwerpunkt ist die Reduzierung physischer Belastung an Arbeitsplätzen in der Intralogistik. Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) Technische Universität München Boltzmannstr Garching bei München Tel: +49 (0) Fax: +49 (0) kontakt@fml.mw.tum.de