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.

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.

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.