The primary purpose of this thesis was to develop, validate and implement a novel ergonomics tool for manual arm strength (MAS) prediction. In Chapter 2, an empirical study was conducted to: 1) fill in gaps in our MAS database, and 2) examine the relationships between MAS and shoulder/elbow moments, to help identify important sources of variance for future predictive modeling attempts. Chapter 3 focused on the evaluation of artificial neural network (ANN) and traditional multiple regression approaches for MAS prediction, and revealed that ANNs provided a more accurate and generalizable prediction of MAS for our specific dataset. Chapter 4 drew on the data and findings of Chapters 2 & 3, and described the development of the ‘Arm Force Field’ (AFF) method for MAS prediction. The AFF method can be used to predict the MAS for any percentage of the population, given only the simple inputs of force vector direction, hand location (relative to the right shoulder), and torso orientation. In Chapter 5, a theoretical examination of the relative changes in wrist strength, due to interacting forearm and wrist postures, was conducted. That study resulted in a set of regression equations that can be used to predict wrist strength correction factors in complex wrist and forearm postures, allowing for more accurate estimations of the limiting joint once the MAS is calculated. An example of the AFF method’s implementation is provided and discussed in Chapter 6. The four studies, presented in this thesis, add to the current knowledge related to strength prediction in ergonomics, and the AFF method has the potential to be easily integrated within digital human models, for more valid estimates of manual force capabilities for the population. / Dissertation / Doctor of Philosophy (PhD)

Conventional ergonomics analysis involves building physical mockups and conducting simulated operations, such that the constraints experienced by the human subjects can be directly observed. The limitations of this approach are that, they are resource intensive, less flexible for testing design variability and difficult to involve large number of subjects to account for population variability and thus, it is a reactive approach. With the advent of computer aided techniques, efforts are on to support ergonomics analysis processes for proactive design approaches. To achieve this, real scenarios are being simulated in virtual environments which include induction of representative human subjects into such envi-ronments and are termed as Digital Human Models (DHMs). The main challenge in the simulation of humans is to obtain the naturalness that is perceived in human interaction with the environment. This naturalness can be achieved by synergetically modeling the physical performance and cognitive aspects of humans in such a way that one aspect caters the requirements posed from the other. But in current DHMs, the various elements in the physical performance aspect are not in line with the requirements of higher level behav¬ioral/cogntive aspects. Towards meeting this objective, the influence of physical performance aspects of humans on achieving naturalness when DHM interacts with the virtual environment has been studied. In this work, the task of ’reach’ has been chosen for studying the influence of kinematic structure, posture modeling and stability aspects on achieving naturalness for both discrete and statistical humans. Also, a framework has been developed to give instructions based on relations between the segments of the body and objects in the environment. Kinematic structure is modeled to simulate the humans with varied dimensions taking care of the change of link fixations necessary for various tasks. The conventional techniques used to define kinematic structures have limitations in resolving the issues that arise due to change in link fixations. In this work a new scheme is developed to effectively handle precedence relationship sand change of configuration of the existing posture whenever link fixations change. The advantage with this new approach is that complex maneuvers which involve different link fixations and multiple fixations at a time can be managed automati¬cally without the user’s intervention. Posture prediction involves estimation of the whole body posture which a human operator is likely to assume while performing a task. It involves finding a configuration satisfy¬ing the constraints like placing the body-segments in preferred locations of the task space and satisfying the relations specified between body segments. There are two main chal¬lenges in this regard; one is achieving naturalness in the predicted postures and the other is minimizing the mathematical complexity involved in finding the real time solutions. A human-specific posture prediction framework is developed which can handle a variety of constraints and realize the natural behavior. The approach is completely geometry based and unlike numerical methods, the solutions involve no matrix inversions. Digital human models (DHMs), both as avatars and agents, need to be controlled to make them manipulate the objects in the virtual world. A relations based description scheme is developed to instruct the DHM to perform the tasks. The descriptions as a set of relations and postures involve simple triplets and quadruplets. As the descriptions constitute only the relations between actors, incorporating different behavior models while executing the relations is feasible through this framework. Static balancing is one of the crucial factors influencing the posture of humans. The stim¬ulus for the static balancing is the body’s self weight and is governed by the location of its point of application, namely the center of mass (COM). The main focus is on determin¬ing suitable locations for COM to infer about the mobility of the segments which supports the human structure in slow motion scenarios. Various geometric conditions necessary for support retaining, altering are deduced and developed strategies for posture transitions for effective task performance while maintaining stability. These conditions are useful in de¬termining the posture transition required to shift the COM from one region to the other and thus the behaviors realized while accomplishing the tasks are realistic. These behaviors are simulated through statically stable walking and sit to stand posture transition. One of the advantages of employing DHMs in virtual simulations is the feasibility of creat¬ing human models with varied dimensions. A comparative study is conducted on different methods based on probabilistic and statistic theory as an alternative to the percentile based approach with a view to answer the questions like ’what percentage of people can success-fully accomplish a certain task’ and ’how well can people perform when they reach a point in the operational space’. The case study is done assuming upper and lower arms of hu¬mans as a two link planar manipulator and their link lengths as random variables. Making use of statistical DHMs, the concept of task dependent boundary manikins is introduced to geometrically characterize the extreme individuals in the given population who would ac-complish the task. Simulations with these manikins would help designers to visualize how differently the extreme individuals would perform the task. All these different aspects of DHM discussed are incorporated in our native DHM developed named ’MAYAMANAV’. Finally this thesis will end with conclusions and future work discussing how these different aspects of DHM discussed can be combined with behavioral models to simulate the human error.

Zur ergonomischen Analyse manueller Arbeitsprozesse wird an der Professur Arbeitswissenschaft ein Modell für dynamische Beanspruchungen entwickelt. Dazu wurden diese analytisch zerlegt und parametrisiert. In einem Laborversuchsstand werden elementare dynamische Beanspruchungen einzelner Körperteile systematisch mittels elektromyografischer Messung der beteiligten Muskeln untersucht und anschließend analysiert. Es konnten Zusammenhänge zwischen den Belastungsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit, Bewegungswiderstand (Moment) und Bewegungsrichtung und der Beanspruchungsgröße der elektrischen Muskelaktivität gezeigt werden.

Digitale Menschmodelle (DMM) werden aktuell in Unternehmen vorwiegend zur ergonomischen Planung und Überprüfung der Ausführbarkeit und Erträglichkeit von Arbeitsprozessen eingesetzt. Im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe „The Smart Virtual Worker“, welche im Interdisziplinären Kompetenzzentrum Virtual Humans der TU Chemnitz angesiedelt ist, entstand ein Framework zur Simulation komplexer Arbeitsabläufe im Kontext der virtuellen Fabrik. Ziel war die Entwicklung eines digitalen Menschmodells für den Einsatz in klein- und mittelständischen Unternehmen. Hierbei standen die autonome Steuerung, eine realistische Animation sowie die Einbeziehung physischer und psychischer Faktoren in die ergonomische Bewertung eines Arbeitsablaufes im Mittelpunkt. Darauf aufbauend wurde eine haptische Nutzerschnittstelle zur interaktiven Fabrik- und Aufgabenplanung entwickelt. Neben der Positionierung von statischen Objekten ist mit diesem Interface auch die Integration und Anpassung von Arbeitsaufgaben möglich.

Les modèles humains numériques sont devenus des outils indispensables à l’étude de la posture est du mouvement dans de nombreux domaines de la biomécanique visant des applications en ergonomie ou pour la clinique. Ces modèles intègrent une représentation géométrique de la surface du corps et un squelette filaire interne composé de segments rigides et d’articulations assurant leur mise en mouvement. La personnalisation des mannequins s'effectue d’abord sur les dimensions anthropométriques externes, servant ensuite de données d’entrée à l’ajustement des longueurs des segments du squelette en interne. Si les données externes sont de plus en plus facilement mesurables à l’aide des outils de scanning 3D actuels, l’enjeu scientifique est de pouvoir prédire des points caractéristiques du squelette en interne à partir de données uniquement externes. L’Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) a développé des méthodes de reconstruction des os et de l’enveloppe externe à partir de radiographies biplanes obtenues avec le système basse dose EOS. En s’appuyant sur cette technologie, ces travaux ont permis de proposer de nouvelles relations statistiques externes-internes pour prédire des points du squelette longitudinal, en particulier l’ensemble des centres articulaires du rachis, à partir d’une base de données de 80 sujets. L'application de ce travail pourrait permettre d’améliorer le réalisme des modèles numériques actuels en vue de mener des analyses biomécaniques, principalement en ergonomie, nécessitant des informations dépendant de la position des articulations comme les mesures d’amplitude de mouvement et de charges articulaires / Digital human models have become instrumental tools in the analysis of posture and motion in many areas of biomechanics, including ergonomics and clinical settings. These models include a geometric representation of the body surface and an internal linkage composed of rigid segments and joints allowing simulation of human movement. The customization of human models first starts with the adjustment of external anthropometric dimensions, which are then used as input data to the adjustment of internal skeletal segments lengths. While the external data points are more readily measurable using current 3D scanning tools, the scientific challenge is to predict the characteristic points of the internal skeleton from external data only. The Institut de Biomécanique Humaine Georges Charpak (Arts et Métiers ParisTech) has developed 3D reconstruction methods of bone and external envelope from biplanar radiographs obtained from the EOS system (EOS Imaging, Paris), a low radiation dose technology. Using this technology, this work allowed proposing new external-internal statistical relationships to predict points of the longitudinal skeleton, particularly the complete set of spine joint centers, from a database of 80 subjects. The implementation of this work could improve the realism of current digital human models used for biomechanical analysis requiring information of joint center location, such as the estimation of range of motion and joint loading

The present work deals with the development of a computational geometric framework for vision modeling for performing visibility and legibility analyses in Digital Human Modeling (DHM) using the field-of-view (FoV), estimated geometrically from 3D tessellated head scans. DHM is an inter-disciplinary area of research with the prime objective of evaluating a product, job or environment for intended users through computer-based simulations. Vision modeling in the existing DHM’s has been primarily addressed through FoV modeling using right circular cones (RCC). Perimetry literature establishes that the human FoV is asymmetric due to unrestricted zygomatic vision and restrictions on the nasal side of the face. This observation is neither captured by the simplistic RCC models in DHM, nor rigorously studied in vision literature. Thus, the RCC models for FoV are inadequate for rigorous simulations and the accurate modeling of FoV is required in DHM. The computational framework developed in this work considers three broad components namely, the geometric estimation and representation of FoV, visibility and statistical visibility, and legibility of objects in a given environment. A computational geometric method for estimating FoV from 3D laser-scanned models of the human head is presented in this work. The strong one-to-one similarity between computed and clinically perimetry maps establishes that the FoV can be geometrically computed using tessellated head models, without necessarily going through the conventional interaction based clinical procedures. The algorithm for FoV computation is extended to model the effect of gaze-direction on the FoV resulting in binocular FoV. A novel unit-cube scheme is presented for robust, efficient and accurate modeling of FoV. This scheme is subsequently used to determine the visibility of 3D tessellated objects for a given FoV. In order to carry out population based visibility studies, the statistical modeling FoV and generation of percentile-based FoV curves are introduced for a given population of FoV curves. The percentile data thus generated was not available in the current ergonomics or perimetry literature. Advanced vision analysis involving character-legibility is demonstrated using the unit-cube with an improved measure to incorporate the effect of character-thickness on its legibility.

Zur ergonomischen Analyse manueller Arbeitsprozesse wird an der Professur Arbeitswissenschaft ein Modell für dynamische Beanspruchungen entwickelt. Dazu wurden diese analytisch zerlegt und parametrisiert. In einem Laborversuchsstand werden elementare dynamische Beanspruchungen einzelner Körperteile systematisch mittels elektromyografischer Messung der beteiligten Muskeln untersucht und anschließend analysiert. Es konnten Zusammenhänge zwischen den Belastungsgrößen Bewegungsgeschwindigkeit, Bewegungswiderstand (Moment) und Bewegungsrichtung und der Beanspruchungsgröße der elektrischen Muskelaktivität gezeigt werden.

Digitale Menschmodelle (DMM) werden aktuell in Unternehmen vorwiegend zur ergonomischen Planung und Überprüfung der Ausführbarkeit und Erträglichkeit von Arbeitsprozessen eingesetzt. Im Rahmen der Nachwuchsforschergruppe „The Smart Virtual Worker“, welche im Interdisziplinären Kompetenzzentrum Virtual Humans der TU Chemnitz angesiedelt ist, entstand ein Framework zur Simulation komplexer Arbeitsabläufe im Kontext der virtuellen Fabrik. Ziel war die Entwicklung eines digitalen Menschmodells für den Einsatz in klein- und mittelständischen Unternehmen. Hierbei standen die autonome Steuerung, eine realistische Animation sowie die Einbeziehung physischer und psychischer Faktoren in die ergonomische Bewertung eines Arbeitsablaufes im Mittelpunkt. Darauf aufbauend wurde eine haptische Nutzerschnittstelle zur interaktiven Fabrik- und Aufgabenplanung entwickelt. Neben der Positionierung von statischen Objekten ist mit diesem Interface auch die Integration und Anpassung von Arbeitsaufgaben möglich.

Die Werkzeuge und Methoden der Digitalen Fabrik sind bereits seit vielen Jahren in den einzelnen Phasen des Produktentstehungsprozess im Einsatz. Sie werden dabei u.a. auch zur Planung und Gestaltung menschlicher Arbeit eingesetzt. Mit Hilfe digitaler Menschmodelle können Aspekte des Arbeitsablaufs, der Zeitwirtschaft und der Arbeitsplatzgestaltung bereits frühzeitig untersucht und verbessert werden. Die Entwicklung effizienter Simulationssysteme steht auf diesem Gebiet jedoch insbesondere im Vergleich mit anderen Bereichen, wie beispielsweise der Robotersimulation, noch am Anfang. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich zunächst mit der Analyse bereits existierender Menschmodell-Simulationssysteme. Aus den identifizierten Schwachstellen dieser Systeme und weiteren durch Experteninterviews sowie Literaturrecherche gewonnenen Erkenntnissen wird eine Anforderungsliste erstellt, die als Grundlage für die Konzeption und Umsetzung eines innovativen Ansatzes zur Ansteuerung und Bewegungsgenerierung für digitale Menschmodelle dient. Diese neuartige Methodik wird schließlich in ein Simulations-Softwaresystem implementiert und anschließend im Praxis-Einsatz evaluiert. Es konnte gezeigt werden, dass das neue System die Mängel der vorhandenen Systeme behebt und somit als Werkzeug zur effizienten Planung, Gestaltung und Bewertung menschlicher Arbeit geeignet ist. / For many years the tools and methods of the Digital Factory are used in various stages of the product development process. They are also used for the planning and design of human work, which is typically done using a digital human model. Aspects of the workflow, time management and workplace design can be investigated and improved upon in the early stages of the product development process using digital human models. But in this field the development of efficient simulation systems is not matured enough compared to other fields for e.g. robot simulation. This paper starts with an analysis of existing simulation systems for digital human models. Afterwards a requirements list is created from the identified weaknesses of these systems, knowledge gained through expert interviews and literature reviews. These requirements serve as the base for the design and implementation of an innovative approach for motion generation and control of digital human models. This new methodology is then implemented as a simulation software system and evaluated in practical applications. The developed system fixed the shortcomings of existing systems and thus it is a suitable tool for efficient planning, design and evaluation of human labor.

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 darauffolgenden 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 beeinflusst die Arbeitsbeanspruchung je nach Muskeltyp entweder linear steigend oder ohne Zusammenhang. / 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 normalized 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.