Digitale Menschmodelle gelten als gut geeignete Werkzeuge zur Planung und Bewertung manueller Arbeit, insbesondere zur präventiven Ergonomieabsicherung. Bislang ist jedoch der Funktionsumfang der Softwaretools unzureichend und der Bedienaufwand zu hoch. In der vorliegenden Arbeit wird daher die Entwicklung einer Methode zur Aufbereitung digital erfasster menschlicher Bewegungen für die Bewegungsgenerierung und semiautomatische Ergonomiebewertung beschrieben. Nach einer Diskussion des gegenwärtigen Wissensstandes folgt die Darstellung zweier empirischer Untersuchungen zur Bewegungserfassung und -auswertung. Anschließend wird die Implementierung eines mehrere Belastungsfaktoren umfassenden Kombinationsverfahrens zur Ergonomiebewertung erläutert. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Bewegungsgenerierung und Ergonomiebewertung fließen in die Entwicklung einer Software zur Planung und Bewertung manueller Arbeit, den Editor menschlicher Arbeit (ema), ein. Schließlich erfolgt eine Evaluation anhand realer Planungsszenarien. / Digital Human Models are said to be appropriate tools for planning and assessing human work; especially for preventive ergonomics risk assessment. Up to now, the functional range of established software tools is not sufficient and the operation is too complex and time consuming. Thus, in the present doctoral thesis, the development of a method for the preparation of digitally captured human motions for an algorithmic motion generation and automatic ergonomic risk assessment is described. On the summarization of the relevant current level of knowledge follows the description of two empirical studies for motion capturing and analysis. Afterwards the implementation of a method of the ergonomics risk assessment that combines several biomechanical risk factors is explained. The results of the preliminary studies flow into the development of a new software tool for planning and assessing human work – the editor for manual work activities (ema). Finally, the practical evaluation with the help of real planning scenarios is presented.

Die steigende Anzahl leistungsgewandelter Arbeitnehmer ist eine zunehmende Herausforderung für produzierende Unternehmen. Zur Sicherstellung eines wertschöpfenden und fähigkeitsgerechten Einsatzes erlangt daher eine prospektive und korrektive Arbeitsgestaltung an Bedeutung. Insbesondere in der frühen Phase der Prozessplanung sind digitale Menschmodelle zur Absicherung ergonomisch günstiger Arbeitsplätze und -prozesse geeignet. Die Abbildung leistungsgewandelter Mitarbeiter in digitale Menschmodelle und Planungstools der digitalen Fabrik ist jedoch aktuell nicht hinreichend berücksichtigt. Zur Unterstützung einer fähigkeitsgerechten Arbeitsgestaltung mit digitalen Menschmodellen sind diese um Leistungseinschränkungen zu erweitern. Gleichzeitig bedingen neue Funktionen der Menschmodelle und Planungstools ebenfalls eine Methodik zur digitalen Planung fähigkeitsgerechter Arbeitsplätze.:1 EINLEITUNG 1.1 AUSGANGSSITUATION 1.2 AUFBAU DER ARBEIT 2 STAND DER WISSENSCHAFT UND PRAXIS 2.1 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE 2.1.1 DEFINITION UND ZIELE 2.1.2 ERGONOMIE IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS 2.1.3 PLANUNG UND GESTALTUNG VON ARBEITSSYSTEMEN 2.1.4 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE IM DIGITALEN KONTEXT 2.1.5 DIGITALE MENSCHMODELLE 2.2 LEISTUNGSGEWANDELTE MITARBEITER 2.2.1 LEISTUNG UND LEISTUNGSFÄHIGKEIT 2.2.2 BEGRIFFSBESTIMMUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.3 UNTERNEHMENSSTRATEGIEN ZUM EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.4 VERFAHREN ZUR BEURTEILUNG VON ARBEITSPLÄTZEN UND MITARBEITERN 2.3 SCHLUSSFOLGERUNG 2.4 ABLEITUNG DER ZIELSTELLUNG UND TEILZIELE 3 ERARBEITUNG EINER SYSTEMATIK ZUR KLASSIFIZIERUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 3.1 ZIELSTELLUNG 3.2 DEFINITION DER KRITERIEN 3.2.1 GRUNDKÖRPERSTELLUNG 3.2.2 KÖRPERHALTUNG/BEWEGLICHKEIT 3.2.2.1 BEWEGLICHKEIT DER OBEREN EXTREMITÄTEN 3.2.2.2 RUMPFBEWEGLICHKEIT 3.2.2.3 BEWEGLICHKEIT DER UNTEREN EXTREMITÄTEN 3.2.3 LASTENHANDHABUNG 3.2.4 AKTIONSKRÄFTE 3.2.5 VIBRATIONEN/RÜCKSCHLÄGE 3.2.6 SENSORIK 3.2.7 ARBEITSORGANISATION 3.2.8 ARBEITSUMGEBUNG 3.2.9 GESAMTKATALOG 3.3 EXPERTENINTERVIEWS 3.4 ZUSAMMENFASSUNG 4 BESCHREIBUNG EINES MODELLS ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN IN DIGITALE MENSCHMODELLE 4.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 4.2 PARAMETRISIERUNG DER KRITERIEN ZUR ÜBERFÜHRUNG IN MENSCHMODELLE 4.2.1 KRITERIEN IM KONTEXT DER EINGABE/VERARBEITUNG/AUSGABE 4.2.2 AUFBEREITUNG DER KRITERIEN ZUR DATENINTERPRETATION 4.2.3 (SEMI-)AUTOMATISCHE ERSTELLUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 4.2.4 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 4.3 ABLEITUNG NOTWENDIGER FUNKTIONSERWEITERUNGEN UND SCHNITTSTELLEN 4.4 ZUSAMMENFASSUNG 5 ENTWICKLUNG EINER METHODIK ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 5.2 WORKFLOW DER DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.1 PLANUNGSPROZESS DER DIGITALEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.2 PROZESSBESCHREIBUNG DES WORKFLOWS ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.3 ANFORDERUNGEN AN DIE EINGABE, AUSGABE UND SIMULATION 5.3.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 5.3.2 AUSGABE VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 5.3.3 EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 5.3.4 GESTALTUNGSHINWEISE UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 5.3.5 AUSGABEDARSTELLUNG UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 5.4 ZUSAMMENFASSUNG 6 ÜBERTRAGUNG DES MODELLS UND DER METHODE AUF DIGITALE MENSCHMODELLE AM BEISPIEL DES EMA 6.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 6.2 IST-STAND EMA-MENSCHMODELL UND SOFTWARESYSTEM 6.3 BENUTZERZENTRIERTER GESTALTUNGSPROZESS 6.4 ABLEITUNG NOTWENDIGER SOFTWARETECHNISCHER ANPASSUNGEN 6.4.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON KRITERIEN ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 6.4.2 EINGABE UND ANZEIGE VON MITARBEITERFÄHIGKEITS- UND ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.4.3 DARSTELLUNG DER EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 6.4.4 BERÜCKSICHTIGUNG NICHT ANFORDERUNGSGERECHTER SIMULATIONSSITUATIONEN 6.4.5 AUSGABE VON SITUATIVEN GESTALTUNGSHINWEISEN UND OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN 6.4.6 ASSISTENT ZUR NUTZERGEFÜHRTEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 6.5 BEWERTUNG DER ERZEUGUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.5.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.5.2 STICHPROBE 6.5.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.5.4 ERGEBNISSE 6.5.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.6 NUTZERORIENTIERTE EVALUATION 6.6.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.6.2 STICHPROBE 6.6.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.6.4 ERGEBNISSE UND WEITERE OPTIMIERUNGSPOTENTIALE 6.6.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.7 SCHLUSSFOLGERUNG FÜR DIE SOFTWARE-IMPLEMENTIERUNG 7 PRAKTISCHE ANWENDUNG DER METHODE 7.1 BEISPIEL ZUR OPTIMIERUNG VON ARBEITSPLÄTZEN FÜR DEN EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER MITTELS SIMULATION 7.2 ZUSAMMENFASSUNG 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 8.1 ZUSAMMENFASSUNG 8.2 LIMITATIONEN DER ERARBEITETEN LÖSUNGEN 8.3 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS / The increasing number of employees with restricted performance is a challenge for the industry. A prospective and corrective workplace design is important to ensure a value-adding and ability-appropriate employment. Especially in the early planning phase, digital human models are helpful for ergonomic workplace design. However, today’s digital human models usually lack functions and methods for the digital design of workplaces for employees with restricted perfomance. A further development of digital human models can support the digital planning of ability-appropriate workplaces. Due to new functions of digital human models, new planning methods with digital human models are also required.:1 EINLEITUNG 1.1 AUSGANGSSITUATION 1.2 AUFBAU DER ARBEIT 2 STAND DER WISSENSCHAFT UND PRAXIS 2.1 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE 2.1.1 DEFINITION UND ZIELE 2.1.2 ERGONOMIE IM PRODUKTENTSTEHUNGSPROZESS 2.1.3 PLANUNG UND GESTALTUNG VON ARBEITSSYSTEMEN 2.1.4 ARBEITSGESTALTUNG UND ERGONOMIE IM DIGITALEN KONTEXT 2.1.5 DIGITALE MENSCHMODELLE 2.2 LEISTUNGSGEWANDELTE MITARBEITER 2.2.1 LEISTUNG UND LEISTUNGSFÄHIGKEIT 2.2.2 BEGRIFFSBESTIMMUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.3 UNTERNEHMENSSTRATEGIEN ZUM EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 2.2.4 VERFAHREN ZUR BEURTEILUNG VON ARBEITSPLÄTZEN UND MITARBEITERN 2.3 SCHLUSSFOLGERUNG 2.4 ABLEITUNG DER ZIELSTELLUNG UND TEILZIELE 3 ERARBEITUNG EINER SYSTEMATIK ZUR KLASSIFIZIERUNG LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER 3.1 ZIELSTELLUNG 3.2 DEFINITION DER KRITERIEN 3.2.1 GRUNDKÖRPERSTELLUNG 3.2.2 KÖRPERHALTUNG/BEWEGLICHKEIT 3.2.2.1 BEWEGLICHKEIT DER OBEREN EXTREMITÄTEN 3.2.2.2 RUMPFBEWEGLICHKEIT 3.2.2.3 BEWEGLICHKEIT DER UNTEREN EXTREMITÄTEN 3.2.3 LASTENHANDHABUNG 3.2.4 AKTIONSKRÄFTE 3.2.5 VIBRATIONEN/RÜCKSCHLÄGE 3.2.6 SENSORIK 3.2.7 ARBEITSORGANISATION 3.2.8 ARBEITSUMGEBUNG 3.2.9 GESAMTKATALOG 3.3 EXPERTENINTERVIEWS 3.4 ZUSAMMENFASSUNG 4 BESCHREIBUNG EINES MODELLS ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN IN DIGITALE MENSCHMODELLE 4.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 4.2 PARAMETRISIERUNG DER KRITERIEN ZUR ÜBERFÜHRUNG IN MENSCHMODELLE 4.2.1 KRITERIEN IM KONTEXT DER EINGABE/VERARBEITUNG/AUSGABE 4.2.2 AUFBEREITUNG DER KRITERIEN ZUR DATENINTERPRETATION 4.2.3 (SEMI-)AUTOMATISCHE ERSTELLUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 4.2.4 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 4.3 ABLEITUNG NOTWENDIGER FUNKTIONSERWEITERUNGEN UND SCHNITTSTELLEN 4.4 ZUSAMMENFASSUNG 5 ENTWICKLUNG EINER METHODIK ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 5.2 WORKFLOW DER DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.1 PLANUNGSPROZESS DER DIGITALEN ARBEITSGESTALTUNG 5.2.2 PROZESSBESCHREIBUNG DES WORKFLOWS ZUR DIGITALEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 5.3 ANFORDERUNGEN AN DIE EINGABE, AUSGABE UND SIMULATION 5.3.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON MITARBEITERFÄHIGKEITSPROFILEN 5.3.2 AUSGABE VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 5.3.3 EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 5.3.4 GESTALTUNGSHINWEISE UND HANDLUNGSEMPFEHLUNGEN 5.3.5 AUSGABEDARSTELLUNG UNTER BERÜCKSICHTIGUNG VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 5.4 ZUSAMMENFASSUNG 6 ÜBERTRAGUNG DES MODELLS UND DER METHODE AUF DIGITALE MENSCHMODELLE AM BEISPIEL DES EMA 6.1 ZIEL UND VORGEHENSWEISE 6.2 IST-STAND EMA-MENSCHMODELL UND SOFTWARESYSTEM 6.3 BENUTZERZENTRIERTER GESTALTUNGSPROZESS 6.4 ABLEITUNG NOTWENDIGER SOFTWARETECHNISCHER ANPASSUNGEN 6.4.1 BERÜCKSICHTIGUNG VON KRITERIEN ZUR INTEGRATION VON LEISTUNGSEINSCHRÄNKUNGEN 6.4.2 EINGABE UND ANZEIGE VON MITARBEITERFÄHIGKEITS- UND ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.4.3 DARSTELLUNG DER EINSATZANALYSE UND PRODUKTIVITÄTSVERGLEICH 6.4.4 BERÜCKSICHTIGUNG NICHT ANFORDERUNGSGERECHTER SIMULATIONSSITUATIONEN 6.4.5 AUSGABE VON SITUATIVEN GESTALTUNGSHINWEISEN UND OPTIMIERUNGSPOTENTIALEN 6.4.6 ASSISTENT ZUR NUTZERGEFÜHRTEN FÄHIGKEITSGERECHTEN ARBEITSGESTALTUNG 6.5 BEWERTUNG DER ERZEUGUNG VON ARBEITSPLATZANFORDERUNGSPROFILEN 6.5.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.5.2 STICHPROBE 6.5.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.5.4 ERGEBNISSE 6.5.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.6 NUTZERORIENTIERTE EVALUATION 6.6.1 ZIELSTELLUNG UND UNTERSUCHUNGSGEGENSTAND 6.6.2 STICHPROBE 6.6.3 UNTERSUCHUNGSABLAUF 6.6.4 ERGEBNISSE UND WEITERE OPTIMIERUNGSPOTENTIALE 6.6.5 ZUSAMMENFASSUNG 6.7 SCHLUSSFOLGERUNG FÜR DIE SOFTWARE-IMPLEMENTIERUNG 7 PRAKTISCHE ANWENDUNG DER METHODE 7.1 BEISPIEL ZUR OPTIMIERUNG VON ARBEITSPLÄTZEN FÜR DEN EINSATZ LEISTUNGSGEWANDELTER MITARBEITER MITTELS SIMULATION 7.2 ZUSAMMENFASSUNG 8 ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK 8.1 ZUSAMMENFASSUNG 8.2 LIMITATIONEN DER ERARBEITETEN LÖSUNGEN 8.3 AUSBLICK LITERATURVERZEICHNIS

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.

Digitale Menschmodelle gelten als gut geeignete Werkzeuge zur Planung und Bewertung manueller Arbeit, insbesondere zur präventiven Ergonomieabsicherung. Bislang ist jedoch der Funktionsumfang der Softwaretools unzureichend und der Bedienaufwand zu hoch. In der vorliegenden Arbeit wird daher die Entwicklung einer Methode zur Aufbereitung digital erfasster menschlicher Bewegungen für die Bewegungsgenerierung und semiautomatische Ergonomiebewertung beschrieben. Nach einer Diskussion des gegenwärtigen Wissensstandes folgt die Darstellung zweier empirischer Untersuchungen zur Bewegungserfassung und -auswertung. Anschließend wird die Implementierung eines mehrere Belastungsfaktoren umfassenden Kombinationsverfahrens zur Ergonomiebewertung erläutert. Die gewonnenen Erkenntnisse zur Bewegungsgenerierung und Ergonomiebewertung fließen in die Entwicklung einer Software zur Planung und Bewertung manueller Arbeit, den Editor menschlicher Arbeit (ema), ein. Schließlich erfolgt eine Evaluation anhand realer Planungsszenarien. / Digital Human Models are said to be appropriate tools for planning and assessing human work; especially for preventive ergonomics risk assessment. Up to now, the functional range of established software tools is not sufficient and the operation is too complex and time consuming. Thus, in the present doctoral thesis, the development of a method for the preparation of digitally captured human motions for an algorithmic motion generation and automatic ergonomic risk assessment is described. On the summarization of the relevant current level of knowledge follows the description of two empirical studies for motion capturing and analysis. Afterwards the implementation of a method of the ergonomics risk assessment that combines several biomechanical risk factors is explained. The results of the preliminary studies flow into the development of a new software tool for planning and assessing human work – the editor for manual work activities (ema). Finally, the practical evaluation with the help of real planning scenarios is presented.

The focus of the present work is natural human like grasping, for realistic performance simulations in digital human modelling (DHM) environment. The performance simulation for grasping in DHM is typically done through high level commands to the digital human models (DHMs). This calls for a natural and unambiguous scheme to describe a grasp which would implicitly accommodate variations due to the hand form, object form and hand kinematics. A novel relational description scheme is developed towards this purpose. The grasp is modelled as a spatio-temporal relationship between the patches (a closed region on the surface) in the hand and the object. The task dependency of the grasp affects only the choice of the relevant patches. Thus, the present scheme of grasp description enables a human like grasp description possible. Grasping can be simulated either in an interactive command mode as discussed above or in an autonomous mode. In the autonomous mode the patches have to be computed. It is done using a psychological concept, of affordance. This scheme is employed to select a tool from a set of tools. Various types of grasps a user may adopt while grasping a spanner for manipulating a nut is simulated. Grasping of objects by human evolves through distinct naturally occurring phases, such as re-oreintation, transport and preshape. Hand is taken to the object ballpark using a novel concept of virtual object. Before contact establishment hand achieves the shape similar to the global shape of the object, called preshaping. Various hand preshape strategies are simulating using an optimization scheme. Since the focus of the present work is human like grasping, the mechanism which drives the DHMs should also be anatomically pertinent. A methodology is developed wherein the hand-object contact establishment is done based on the anatomical observation of logarithmic spiral pattern during finger flexion. The effect of slip in presence of friction has been studied for 2D and 3D object grasping endeavours and a computational generation of the slip locus is done. The in-grasp slip studies are also done which simulates the finger and object response to slip. It is desirable that the grasping performance simulations be validated for diverse hands that people have. In the absence of an available database of articulated bio-fidelic digital hands, this work develops a semi-automatic methodology for developing subject specific hand models from a single pose 3D laser scan of the subject's hand. The methodology is based on the clinical evidence that creases and joint locations on human hand are strongly correlated. The hand scan is segmented into palm, wrist and phalanges, both manually and computationally. The computational segmentation is based on the crease markings in the hand scan, which is identified by explicitly painting them using a mesh processing software by the user. Joint locations are computed on this segmented hand. A 24 dof kinematic structure is automatically embedded into the hand scan. The joint axes are computed using a novel palm plane normal concept. The computed joint axes are rectified using the convergence, and intra-finger constraints. The methodology is significantly tolerant to the noise in the scan and the pose of the hand. With the proposed methodology articulated, realistic, custom hand models can be generated. Thus, the reported work presents a geometric framework for comprehensive simulation of grasping performance in a DHM environment.

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.

Als Werkzeuge der virtuellen Ergonomie dienen arbeitswissenschaftliche digitale Menschmodelle zur ergonomischen Gestaltung von Produkten und Arbeitsplätzen. Hohen Weiterentwicklungsbedarf bestimmen ihre Anwender vor allem für die integrierten Kraftanalysen. Eine Möglichkeit zur gelenkwinkel- und kraftrichtungsabhängigen Berechnung statischer Aktionskräfte ohne komplexe Muskelmodellierung basiert auf Muskelmomenten, welche in Maximalmomentkörpern modelliert werden. Die Arbeit schildert und diskutiert detailliert die Berechnung solcher Maximalmomentkörper am rechten Oberarm. Zwei separate Studien ermöglichen die Erstellung und Evaluierung. Im Rahmen der ersten Studie werden maximale Muskelmomente der Hauptbewegungen von Ellenbogen und Schulter in Abhängigkeit der Gelenkwinkelstellungen erfasst und in Polynomen interpoliert. Durch diese gelenkwinkelabhängigen Momente können die Maximalmomentkörper modelliert werden. Im Rahmen der zweiten Studie werden wirkenden Muskelmomente mit den prognostizierten verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Maximalmomentkörper die wirkenden Muskelmomente bei maximalen Kraftaufbringungen im Mittel auf etwa 2 % genau vorhersagen, wobei einen Streubereich von etwa 50 % zu beachten ist. Der Streubereich ist dabei durch eine kritische Diskussion erklärbar und unter anderem den psychophysischen Verfahren einer Maximalkraftmessung zurechenbar. / Digital human models as tools of virtual ergonomics serve for the design of products and workplaces. High demands for further development determine their users, for the integrated force analyzes. One way to calculate joint-angle- and force-direction-dependent static forces without complex muscle modeling is based on muscle torques, which are modeled in maximum torque bodies known as “M-Potatos”. This work describes and discusses the calculation of such maximum torque bodies for the right upper arm. Two separate studies allow the preparation and evaluation. The first study explore the maximum muscle torques within the main movement directions of the elbow and shoulder and interpolate them as polynomials of the joint angle position. With these polynomials, the maximum torque bodies can be modeled. The second study compared effective muscle torques with those predicted. The results show that the maximum torque bodies predict the effective muscle moments at maximum isometric force application on average at about 2%, with a range of about 50% to be considered. The range can be explained by a critical discussion and, among other things, attributable to the psychophysical method of a maximum force measurement.