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«Jens Mühlstedt Entwicklung eines Modells dynamisch-muskulärer Arbeitsbeanspruchungen auf Basis digitaler Menschmodelle Jens Mühlstedt Entwicklung ...»

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Jens Mühlstedt

Entwicklung eines Modells dynamisch-muskulärer

Arbeitsbeanspruchungen auf Basis digitaler

Menschmodelle

Jens Mühlstedt

Entwicklung eines Modells

dynamisch-muskulärer

Arbeitsbeanspruchungen auf Basis

digitaler Menschmodelle

Universitätsverlag Chemnitz

Impressum

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der

Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Angaben sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Zugl.: Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2012 Technische Universität Chemnitz/Universitätsbibliothek Universitätsverlag Chemnitz 09107 Chemnitz http://www.bibliothek.tu-chemnitz.de/UniVerlag/ Herstellung und Auslieferung Verlagshaus Monsenstein und Vannerdat OHG Am Hawerkamp 31 48155 Münster http://www.mv-verlag.de ISBN 978-3-941003-62-0 http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa-86342 Entwicklung eines Modells dynamisch-muskulärer Arbeitsbeanspruchungen auf Basis digitaler Menschmodelle Von der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz genehmigte Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor-Ingenieur Dr.-Ing.

vorgelegt von: Dipl.-Ing. Jens Mühlstedt geboren am 06.05.1981 in Gera eingereicht am 07.12.2011

Gutachter:

Prof. Dr. phil. habil. Dr.-Ing. Birgit Spanner-Ulmer Prof. Dr.-Ing. Martin Schmauder Chemnitz, den 07.12.2011 Dissertation Jens Mühlstedt Bibliografische Beschreibung Mühlstedt, Jens Thema Entwicklung eines Modells dynamisch-muskulärer Arbeitsbeanspruchungen auf Basis digitaler Menschmodelle Dissertation an der Fakultät für Maschinenbau der Technischen Universität Chemnitz, Institut für Betriebswissenschaften und Fabriksysteme, Professur Arbeitswissenschaft, Chemnitz 231 Seiten und 142 Seiten in Anlagen, insgesamt 373 Seiten 88 Abbildungen und 82 Abbildungen in Anlagen, insgesamt 170 Abbildungen 15 Tabellen und 3 Tabellen in Anlagen, insgesamt 18 Tabellen 120 Quellenzitate und 291 Quellenzitate in Anlagen, insgesamt 411 Quellenzitate1 Unternehmensbezeichnungen, Handelsnamen, Warenzeichen und dergleichen sind in der Arbeit, soweit bekannt, durch Kursivschrift gekennzeichnet – die Rechte liegen bei den jeweiligen Inhabern Bibliografische Beschreibung Referat Arbeitswissenschaftliche digitale Menschmodelle werden als Werkzeuge virtueller Ergonomie zur Gestaltung menschengerechter Produkte und Arbeitsplätze genutzt. Der bislang nur qualitativ beschriebene Praxiseinsatz wird durch theoretische Analysen und eine empirische Studie systematisiert und darauf aufbauend werden die Schwachstellen der Systeme erörtert. Ein wesentlicher Ansatzpunkt für Weiterentwicklungen ist die Erarbeitung ergonomischer Bewertungsverfahren bzw. -modelle, insbesondere für Belastungen aufgrund von Bewegungen. Digitale Menschmodelle bieten das Potenzial, aus simulierten Bewegungsdaten und den damit zusammenhängenden Belastungen eine Bewertung der Arbeitsvorgänge zu generieren. In dieser Arbeit wird daher ein neues arbeitswissenschaftliches Bewertungsmodell für muskuläre Beanspruchungen erforscht, d. h. methodisch hergeleitet und evaluiert. Dazu ist ein Versuchsstand zur Standardisierung und Belastungserzeugung notwendig. In der darauf aufbauenden Laborstudie werden die Belastungsparameter statischer Momentanteil, Winkelgeschwindigkeit und Momentrichtung variiert und die daraus entstehende Veränderung der muskulären Beanspruchung von Probanden erforscht. Ein dafür benötigtes, neues Verfahren zur Normalisierung wird vorgestellt. Die Laborstudie zeigt, dass der statische Momentanteil linear steigend mit der Arbeitsbeanspruchung zusammenhängt. Die durchschnittliche Winkelgeschwindigkeit hat auf die Arbeitsbeanspruchung je nach Muskeltyp entweder einen linear steigenden oder keinen Einfluss.

Schlagworte virtuelle Ergonomie, Arbeitswissenschaft, Ergonomieverfahren, Elektromyografie, EMG, MVC/MVE, NSM, Normbewegung, digitale Menschmodelle, Belastung, Beanspruchung Dissertation Jens Mühlstedt Abstract Digital human models for human factors are used as tools for virtual ergonomics and the design of products and workplaces. In this work the use of the systems is analysed with theoretical models and an empirical study. Therefore, disadvantages of the systems are identified. A main idea for further developments is the research on ergonomic approaches and models, especially for movements and the strain caused by movements. Digital human models are capable to assess work processes based on data from simulations. In this work a new human factors orientated rating model for muscular strains is developed and evaluated. A test stand generates and standardizes the stress. In a laboratory survey the stress parameters are analysed.

The variation of the static torque part, the angular velocity and the torque direction cause changes in the muscular strains. Hence, these muscular strains are measured electromyographically. A new normalisation method, the normalised standard movement, is introduced. The survey shows the existence of a correlation of static torque part and work strain. Depending on the muscle type, the angular velocity either affects the work strain linear increasing or does not affect it.

Keywords virtual ergonomics, human factors, ergonomics, electromyography, EMG, MVC/MVE, NSM, normalised standard movement, digital human models, stress, strain

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1 Einleitung Die Bewertung physischer Arbeit stellt eine Herausforderung bei der Analyse von Arbeitsvorgängen dar. Digitale Menschmodelle als Werkzeuge rechnerunterstützter Planung bieten das Potenzial, aus simulierten Bewegungsdaten und damit zusammenhängenden Belastungen ergonomische Bewertungen zu generieren. In dieser Arbeit werden digitale Menschmodelle betrachtet, deren Praxisanwendung untersucht und darauf aufbauend ein neues arbeitswissenschaftliches Bewertungsmodell für dynamisch-muskuläre Beanspruchungen entwickelt. Mithilfe dieses Modells können Beanspruchungen systematisch untersucht und bewertet werden. Eine anschließend vorgesehene Implementierung als ErgonomieDatenbank erlaubt im Rückschluss eine Bewertung von simulierten Arbeitsbelastungen.

Motivation Digitale Menschmodelle sind im Rahmen der virtuellen Ergonomie seit vielen Jahren erfolgreich eingesetzte Werkzeuge ergonomischer Produkt- und Prozessgestaltung. Die Auslegung von Fahrzeuginnenräumen und die Gestaltung von Mensch-Maschine-Schnittstellen sind ohne die Nutzung von CAD-Systemen und mit diesen Systemen verzahnten arbeitswissenschaftlichen digitalen Menschmodellen für Konstrukteure mittlerweile undenkbar. Auch Planer setzen derartige Menschmodelle bei der Gestaltung von Arbeitsplätzen, Lageplänen und Arbeitsprozessen im Rahmen der Digitalen Fabrik ein. Dazu kommen als zentrale Funktionen die Visualisierung einer virtuellen Gestaltung sowie die Nutzung von Ergonomieverfahren zur Bewertung dieser Gestaltung zum Einsatz. Hierfür wurden in der jüngeren Vergangenheit nur wenige neue, in digitale Menschmodelle integrierte Bewertungsverfahren zur Einschätzung physiologischer Arbeitsprozesse entwickelt, wobei gerade die zur Verfügung stehenden Dissertation Jens Mühlstedt Möglichkeiten aktueller Technik großes Potenzial bieten. Die Softwaresysteme beinhalten viele Simulationsdaten, die für die Bewertung von Belastungen digital erstellter Arbeitsprozesse notwendig sind. Gerade dynamische Vorgänge stellen hierbei einen relevanten, aber bislang kaum untersuchten Bereich arbeitswissenschaftlicher Betrachtung dar. Unterstrichen wird diese Notwendigkeit von dem Umstand, dass Muskel-Skelett-Erkrankungen nach wie vor Hauptursache beruflicher Krankenfehltage und von Berufskrankheiten darstellen (BMAS, 2009). Vor dem Hintergrund der demografischen Entwicklung, vor allem den älter werdenden Beschäftigten, wohnt der Gestaltung von Arbeit eine hohe Bedeutung inne. Jedes Werkzeug, das zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen beiträgt, hilft bei der Vermeidung zu hoher Belastungen – die Entwicklung einer neuen Bewertung dynamischer Vorgänge zum Einsatz in digitalen Menschmodellen bzw. deren Erarbeitung durch die Messung von Beanspruchungen ist demnach die zentrale Motivation dieser Arbeit.

Zielsetzung Die maßgebliche Zielsetzung der Arbeit besteht in der Analyse digitaler Menschmodelle mit der Absicht, ein darauf aufbauendes Bewertungsmodell für dynamisch-muskuläre Arbeitsbeanspruchungen zu entwickeln. Die theoretischen Analysen in Verbindung mit der empirischen Studie zu digitalen Menschmodellen und deren Anwendung dienen dazu, eine Weiterentwicklung vorzubereiten sowie methodisch zu begründen. Die Weiterentwicklung umfasst die Erarbeitung eines Modells, das einen Zusammenhang zwischen physiologischen Arbeitsvorgängen insbesondere dynamischer Art und den damit einhergehenden Belastungen in Bezug zu auftretenden Beanspruchungen des Menschen herstellt. Um das zunächst theoretisch aufgestellte Modell zu evaluieren, ist eine Laborstudie integraler Bestandteil der Zielsetzung. Mittels dieser Studie und des darin entwickelten Laborversuchsstandes wird das Bewertungsmodell bezüglich dessen physiologischer Anwendbarkeit evaluiert.

1 Einleitung Vorgehen und Aufbau der Arbeit Die Arbeit gründet vorwiegend auf zwei wissenschaftlichen Teildisziplinen: digitale Menschmodelle als Teil der virtuellen Ergonomie und ergonomische Bewertungsverfahren als wichtige Bausteine der angewandten Arbeitswissenschaft. Zu beiden Teildisziplinen wird der Stand der Technik dargestellt (Kapitel 2). Dies bildet die Grundlage der weiteren, in Abb. 1.1 dargestellten wesentlichen Forschungsschritte der Arbeit.

Mit dem Ziel, den Praxiseinsatz der virtuellen Ergonomie aufzuzeigen, werden die digitalen Menschmodelle analysiert (Kapitel 3). Dies erfolgt zuerst in zwei vorbereitenden theoretischen Studien, in denen eine erweiterte Analysemethodik virtueller Ergonomie vorgestellt und ein Funktionsschema zu den wesentlichen Systemelementen erarbeitet werden. Eine empirische Studie in Form einer Anwenderbefragung liefert wesentliche Erkenntnisse zu positiven und negativen Aspekten digitaler Menschmodelle. Ein zentrales Ergebnis besteht in der Notwendigkeit und dem Potenzial, neue ergonomische Bewertungsverfahren zu entwickeln und in die Systeme zu integrieren.

Die darauf folgende Entwicklung des Bewertungsmodells dynamischmuskulärer Beanspruchungen (Kapitel 4) beginnt mit der Erarbeitung methodischer Forschungsansätze. Hierauf aufbauend wird eine Möglichkeit zur Integration des Modells als Ergonomie-Datenbank in digitale Menschmodelle vorgestellt. Auf dieser Basis erfolgt die theoretische Herleitung des Bewertungsmodells.

Anschließend werden diese theoretischen Erkenntnisse praktisch evaluiert. Hierfür wird ein Versuchsstand zur Standardisierung der Bewegungen und Belastungen konzipiert und aufgebaut. Mit diesem werden die eigentlichen Versuchsreihen der Laborstudie zur Analyse dynamisch-muskulärer Beanspruchungen durchgeführt (Kapitel 5).

Die Studie nutzt das Verfahren der Elektromyografie, das durch die Messung elektrischer Potenziale im Muskel von Probanden RückDissertation Jens Mühlstedt schlüsse auf Beanspruchungen ermöglicht. Ein Verfahren zur referenzbezogenen Normalisierung elektrischer Aktivitäten von Bewegungen wird vorgestellt. Durch die Studie wird aufgezeigt, ob dynamisch-muskuläre Arbeitsbeanspruchungen messbar und damit bewertbar im Sinn einer Einschätzung deren Höhe sind. Es werden die Zusammenhänge zwischen Belastungsvariablen und Beanspruchungsgrößen untersucht. Der Ausblick auf weiteren Forschungsbedarf schließt die Arbeit ab.

Abb. 1.1: schematischer Aufbau wesentlicher Forschungsschritte dieser Arbeit

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2 Stand der Wissenschaft und Technik Zum Stand arbeitswissenschaftlicher Forschung und Praxis werden im Folgenden die zwei wesentlichen Themenfelder der Arbeit vorgestellt: die virtuelle Ergonomie (Kapitel 2.1) sowie die digitalen Menschmodelle (Kapitel 2.2) insbesondere mit der Vorstellung aktueller Systeme und wesentlicher Eigenschaften. Anschließend wird das Belastungs-Beanspruchungs-Konzept (Kapitel 2.3) als integraler Bestandteil angewandter Arbeitswissenschaft und weiterer Ausgangspunkt für diese Arbeit beschrieben. Davon ausgehend werden arbeitswissenschaftliche Verfahren zur Belastungsbewertung sowie Verfahren zur Beanspruchungsermittlung erläutert (Kapitel 2.4).

Einige Teile dieses Kapitels konnten bereits in Vorträgen und Veröffentlichungen vorgestellt und diskutiert werden. Dies betrifft Komponenten der virtuellen Ergonomie, Menschmodelle in der Digitalen Fabrik und Fakten zur historischen Entwicklung sowie den arbeitswissenschaftlichen Menschmodellen (Spanner-Ulmer, Mühlstedt, 2009; Spanner-Ulmer, Mühlstedt, 2010; Mühlstedt, Spanner-Ulmer, 2008b; Mühlstedt, Kaußler, Spanner-Ulmer, 2008).

2.1 Arbeitswissenschaft und virtuelle Ergonomie Das Fachgebiet der Arbeitswissenschaft befasst sich im Themenfeld von Mensch, Technik und Organisation mit der Humanisierung und der Rationalisierung der Arbeit. Die Arbeitswissenschaft beschäftigt sich hierbei „mit der jeweils systematischen Analyse, Ordnung und Gestaltung der technischen, organisatorischen und sozialen Bedingungen von Arbeitsprozessen mit dem Ziel,

dass die arbeitenden Menschen in produktiven und effizienten Arbeitsprozessen:

Dissertation Jens Mühlstedt

 schädigungslose, ausführbare, erträgliche und beeinträchtigungsfreie Arbeitsbedingungen vorfinden,  Standards sozialer Angemessenheit nach Arbeitsinhalt, Arbeitsaufgabe, Arbeitsumgebung sowie Entlohnung und Kooperation erfüllt sehen,  Handlungsspielräume entfalten, Fähigkeiten erwerben und in Kooperation mit anderen ihre Persönlichkeit erhalten und entwickeln können.

Gegenstand der Arbeitswissenschaft ist es also, bestehende Arbeitsbedingungen zu analysieren, das dabei gewonnene Wissen systematisch aufzubereiten und daraus Gestaltungsregeln abzuleiten.“ (Luczak, Volpert, 1987).

Als „angewandte Arbeitswissenschaft“ können im Rahmen dieser Arbeit praxisbezogene Methoden und Werkzeuge verstanden werden. Die als Ergonomie bezeichnete Disziplin hat eine sehr große Schnittmenge mit der Arbeitswissenschaft, wird dieser aber meist untergeordnet, da die Arbeitswissenschaft z. B. auch Themen der Arbeitsorganisation umfasst. Die Ergonomie kann in Produkt- und Prozessergonomie getrennt werden. Daneben existieren viele Subdisziplinen wie System-Ergonomie, Informations-Ergonomie, NeuroErgonomie, Software-Ergonomie oder die im Folgenden beschriebene virtuelle Ergonomie.



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