Virtual ergonomics (VE) tools have had an impressive impact on the automotive, aviation, and defence industries. Despite the progress made in the last four decades, the tool complexity and application potential in other industries continues to invite improvement opportunities. Firefighting is an occupation with a high musculoskeletal injury burden that can benefit from innovative VE tools. This dissertation aims to: 1) improve VE tools for traditional and novel applications, and 2) identify injury risk to firefighters during fire suppression tasks. This dissertation begins by proposing a set of joint-specific and whole-body posturing guidelines for the manual manipulation of digital human models (DHMs) in the context of automotive manufacturing. Simulation accuracy improved with the implementation of posturing guidelines. These findings are useful instructions for virtual simulation ergonomists, software developers of posture prediction algorithms, and those charged with determining manufacturing ergonomics protocols. Descriptive ergonomic analyses of 48 firefighters in full bunker gear performing three common fire suppression tasks were then performed to identify the required ergonomic action needed for these tasks. Next, two VE tools (Jack and 3DSSPP) and Microsoft Kinect® 3D motion capture data were used to conduct an in-depth analysis of the most difficult task, the high-rise pack lift. The analysis included developing a methodology for modeling the external loads due to personal protective equipment. In addition to describing the firefighter injury risk exposure during common fire suppression tasks, the results highlight the strengths, limitations, and areas for further improvement of VE technology. Overall, VE tool improvements include suggesting guidelines for manual DHM posturing, understanding the strengths and limitations of using 3D motion capture gaming technology for posturing DHMs, and developing strategies to account for external loads due to personal protective equipment. Following these improvements, VE technology shows promise as an ergonomic assessment tool for firefighters. / Thesis / Doctor of Philosophy (PhD) / Virtual ergonomics (VE), which uses digital human models in virtual workstations, allows for efficient and detailed ergonomic assessments of tasks that are otherwise difficult or impossible to perform. However, more research is needed to identify tool improvements for both traditional and new applications. This work proposes, evaluates, and ultimately recommends a set of postural guidelines for the posturing of digital human models to ensure accurate simulation and subsequent assessment of real assembly-line worker movement patterns. Next, firefighter ergonomics, a relatively new application for VE tools, is introduced by first describing the injury risks associated with common fire suppression tasks. The strengths, limitations, and potential of applying VE tools to firefighting ergonomics are then highlighted through an example of simulating the high-rise pack lift task using two VE tools. Overall, the results contribute to the evolving field of VE by challenging current methodologies and highlighting new opportunities for VE tools.

Nowadays Virtual Reality (VR) and Human Robot Collaboration (HRC) are becoming more and more important in Industry as well as science. This investigation studies the applications of these two technologies in the ergonomic field by developing a system able to visualise and present ergonomics evaluation results in real time assembly tasks in a VR Environment, and also, evaluating the advantages of Human Robot Collaboration by studying in Virtual Reality a specific operation carried at Volvo Global Trucks Operation´s factory in Skövde. Regarding the first part of this investigation an innovative system was developed able to show ergonomic feedbacks in real time, as well as make ergonomic evaluations of the whole workload inside of a VR environment. This system can be useful for future research in the Virtual Ergonomics field regarding matters related to ergonomic learning rate of the workers when performing assembly tasks, design of ergonomic workstations, effect of different types assembly instructions in VR and a wide variety of different applications. The assembly operation with and without robot was created in IPS to use its VR functionality in order to test the assembly task in real users with natural movements of the body. The posture data of the users performing the tasks in Virtual Reality was collected. The users performed the task without the collaborative robot and then, with the collaborative robot. Their posture data was collected by using a Motion Capture equipment called Smart Textiles (developed at the University of Skövde) and the two different ergonomic evaluations (Using Smart Textiles’ criteria) of the two different task compared. The results show that when the robot implemented in this specific assembly task, the posture of the workers (specially the posture of the arms) has a great improvement if it is compared to the same task without the robot.

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.

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.

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

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.