Die ergonomische Gestaltung eines Produktes wird genauso wie die ergonomische Arbeitsplatzgestaltung zunehmend durch virtuelle Werkzeuge unterstützt. In diesem Beitrag wird vorgestellt, inwieweit digitale Menschmodelle als Werkzeuge virtueller Ergonomie in den CAx-/PLM-Systemen und der Digitalen Fabrik funktionieren. Anhand einer Evaluierung dieser Systeme in der Praxis wird aufgezeigt, welche Methoden die digitalen Menschmodelle erfolgreich zur Verfügung stellen und in welchen Bereichen eine Weiterentwicklung nötig ist. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob die Werkzeuge einer virtuellen Ergonomie auch zukünftig Expertentools bleiben, oder ob sich die Systeme als ergonomische Standardwerkzeuge etablieren könnten.

Digitale Menschmodelle ermöglichen die Simulation von Arbeitstätigkeiten in prototypischen Fabrikumgebungen. Eine korrekte Aktionsausführung des virtuellen Werkers ist dabei von zentraler Bedeutung. Die Entwicklung von Methoden zur Synthese realistischer und kollisionsfreier Bewegungen stellt einen Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Auf Basis von Motion-Capture-Daten werden Bewegungsräume der Aktionen mittels Tensorprodukt B-Splines und Fourierreihen approximiert. Der Einsatz von Bewegungsgraphen ermöglicht die automatische Synthese komplexer Bewegungsabfolgen. Mit Hilfe des menschähnlichen Eingabegeräts PuppID sind intuitive Anpassungen und Individualisierungen der Bewegungen möglich. Das Ergebnis dieser Dissertation stellt ein Gesamtsystem zur Erzeugung zielgerichteter und kollisionsfreier Bewegungen in veränderlichen Umgebungen dar.

Digitale Menschmodelle sind wichtige Werkzeuge der Produkt- und Prozessentwicklung. In diesem Beitrag wird der Stand der Technik der Modelle, die in CAx- oder PLM-Systemen eingesetzt werden, dargelegt. Wichtige Eigenschaften der einzelnen Modelle sowie eine zusammenfassende Einschätzung der Vor- und Nachteile werden vorgestellt. / Digital human models are important tools for product and process design. This paper describes state of the art models used within CAx- or PLM-Systems.

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.

Bei einer altersgerechten Arbeitsgestaltung mittels digitaler Menschmodelle (DMM) sind die altersbedingten Veränderungen der menschlichen Leistungsfähigkeit zu berücksichtigen. Altersbedingte Veränderungen wie bspw. der Beweglichkeit sind aktuell nur rudimentär bei der virtuellen Arbeitsprozessgestaltung abbildbar. Deshalb wird im Beitrag ein Konzept zur Integration von Altersfaktoren in DMM vorgestellt. Dem User-Centered-Design Prozess folgend, werden die einzelnen Schritte zur Integration von Altersfaktoren am Beispiel der Beweglichkeit dargestellt. Dazu werden die erhobenen Nutzeranforderungen und die Darstellung der nutzerorientierten Konfiguration der Altersfaktoren im DMM dargestellt. Im Ergebnis wird gezeigt, wie altersbedingte Veränderungen der menschlichen Leistungsfähigkeit in DMM nutzer-orientiert eingebunden werden können. Dem Nutzer soll damit perspektivisch eine effektive und effiziente altersgerechte Gestaltung in DMM mittels akkurater, relevanter Daten sowie geeigneter Unterstützung ermöglicht werden.

Der Einsatz von digitalen Menschmodellen erlaubt neben einer frühzeitigen ergonomischen Analyse die Gestaltung von Arbeitsprozessen und stellt ein hilfreiches Werkzeug in der Produkt- und Prozessgestaltung dar. Im Rahmen dieses Beitrages soll auf ausgewählte Schwerpunkte der Entwicklung des digitalen Menschmodells „The Smart Virtual Worker“ eingegangen werden. Das Forschungsprojekt soll einen Beitrag zur Lösung, der mit dem demografischen Wandel der Gesellschaft einhergehenden Herausforderungen leisten. Die daraus resultierenden Forschungsschwerpunkte liegen insbesondere in der Einbeziehung von Alterungs- und psychischen Faktoren in die Bewegungsgenerierung des Menschmodells und der Modellierung von Umweltbedingungen. In Umsetzung des Projektes wurde ein erstes Arbeitsszenario erarbeitet, auf dessen Basis die vorgenannten Forschungsaufgaben interdisziplinär gelöst werden sollen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit grundlegenden Effekten bei der Projektion virtueller räumlicher Szenen auf zweidimensionale Bildflächen. Die Motivation dazu ergibt sich aus der Feststellung, dass in aktuellen computergrafischen Visualisierungssystemen die Räumlichkeit der Darstellung in der Regel durch eine Fläche vermittelt wird. Die aktuell benutzten Verfahren stützen sich dabei auf das Konzept der Virtuellen Kamera. Mit dieser sind jedoch auch Nachteile hinsichtlich einer an den Menschen angepassten (wahrnehmungskonformen) Darstellung verbunden. Zur Einführung der für das Verständnis der Arbeit notwendigen Fachtermini werden ausgewählte Grundlagen aus den Bereichen Technische Visualistik, Bildsprache, Computergrafik und Psychologie vorgestellt. Von besonderer Bedeutung sind dabei die Begriffe Abbild (das Ergebnisbild einer Projektion), Wahrnehmungskonformität (ein Indikator für Angepasstheit an die visuelle menschliche Wahrnehmung) und Multiperspektive (eine die Wahrnehmungskonformität förderliche Darstellungsform). Anschließend werden die, im weiteren Verlauf der Arbeit relevanten, Vektoren definiert. Im darauf folgenden Kapitel beschreibt die Arbeit zwei wesentliche Herausforderungen für die wahrnehmungskonforme Darstellung virtueller Objekte. Zum einen wird das Proportionsproblem beschrieben. Zum anderen das Orientierungsproblem als neu erkanntes Arbeitsthema eingeführt. Darauf aufbauend erfolgt eine Beschreibung des Grundkonzeptes zur Erstellung wahrnehmungskonformer Abbilder durch gesonderte Behandlung einzelner Szenenobjekte sowie die Vorstellung relevanter wissenschaftlicher Vorarbeiten für diesen Sachverhalt. Weiterhin stehen eine Einordnung der bestehenden Verfahren und ein Exkurs in verwandte Studien der Wahrnehmungspsychologie im Mittelpunkt der Ausführungen. Als ein existierendes Verfahren zur computergrafischen Erzeugung von wahrnehmungskonformen Abbildern wird nachfolgend das Verfahren der Erweiterten Perspektivischen Korrektur (EPK) als Ausgangspunkt für eine Optimierung detailliert vorgestellt. Aus den aufgeworfenen Fragen hinsichtlich des Orientierungsproblems ergibt sich die Notwendigkeit einer tiefergehenden Analyse. Aus der künstlerischen Praxis sowie wahrnehmungspsychologischen Aspekten heraus wird der Mensch als geeignetes Referenzmodell argumentativ untersetzt. Einen Schwerpunkt der Arbeit bildet die im Anschluss durchgeführte mehrstufige Studie zur Orientierungswahrnehmung in mono- und multiperspektivischen Abbildern. Aus den in der Studie gewonnenen Erkenntnissen kann schließlich ein Optimierungsansatz für die EPK synthetisiert werden. Das Konzept der so genannten Augpunkt-bezogenen EPK wird ausführlich hergeleitet, die Wirkung analysiert, eine algorithmische Umsetzung erarbeitet und diese mit den bereits bestehenden EPK-Ausprägungen verglichen. Als Vervollständigung der Ausführungen folgen zwei Praxisbeispiele zum Einsatz der EPK und dem Nutzen der vorgestellten Optimierung.

Die ergonomische Gestaltung eines Produktes wird genauso wie die ergonomische Arbeitsplatzgestaltung zunehmend durch virtuelle Werkzeuge unterstützt. In diesem Beitrag wird vorgestellt, inwieweit digitale Menschmodelle als Werkzeuge virtueller Ergonomie in den CAx-/PLM-Systemen und der Digitalen Fabrik funktionieren. Anhand einer Evaluierung dieser Systeme in der Praxis wird aufgezeigt, welche Methoden die digitalen Menschmodelle erfolgreich zur Verfügung stellen und in welchen Bereichen eine Weiterentwicklung nötig ist. Dabei soll die Frage beantwortet werden, ob die Werkzeuge einer virtuellen Ergonomie auch zukünftig Expertentools bleiben, oder ob sich die Systeme als ergonomische Standardwerkzeuge etablieren könnten.

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.