Digitale Menschmodelle sind rechnergestützte Werkzeuge, um die  Gestaltung ergonomischer Produkte sowie menschengerechter Arbeitssysteme zu unterstützen. Sie können einen wesentlichen Beitrag zur frühzeitigen Erkennung und Korrektur von Fehlplanungen, insbesondere bei komplexen Produkten und Prozessen leisten.

Der folgende Beitrag gibt eine Übersicht des aktuellen Stands der Technik, der Herausforderungen bei der Nutzung digitaler Menschmodelle sowie künftig erwarteter Entwicklungen in diesem Themenfeld der Digitalen Ergonomie.


Die Gestaltung sicherer, gesunder und wettbewerbsfähiger Arbeit ist von zentraler Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Dabei gilt grundsätzlich: Je besser die Planung, desto geringer der Korrekturbedarf nach erfolgter Realisierung. In der Regel erfolgt heute die Konstruktion von Produkten rechnergestützt mittels CAD-Software häufig bereits dreidimensional. Auch im Bereich der Planung von Arbeitsprozessen wie beispielsweise der manuellen Montage sowie der von Roboterzellen kommen immer öfter 3D-Softwaresysteme zum Einsatz. Hintergrund ist auch hier, dass bereits in frühen Stadien der Produkt- bzw. Prozessplanung Alternativen geplant und bewertet sowie Fehler frühzeitig erkannt werden können. Zu diesem Zeitpunkt ist die Möglichkeit zur Beeinflussung des Designs bei sehr geringen Kosten noch sehr hoch. Dies ändert sich mit zunehmendem Fortschritt der Planung und spätestens bei der realen Umsetzung von Produkt und Arbeitssystem sind bereits kleine Änderungen mit hohen Kosten verbunden. Da bei Produkten und Arbeitssystemen der Mensch die zentrale Rolle spielt, stehen als Ergänzung zu den oben genannten Softwaresystemen sogenannte digitale Menschmodelle zur Verfügung, um dieser Tatsache Rechnung zu tragen und frühzeitig den Menschen und seine körperlichen Eigenschaften virtuell zu berücksichtigen.

Begriffsbestimmung

Digitale Menschmodelle können in diesem Kontext definiert werden als „Softwaresysteme […], die modellhaft Eigenschaften und Fähigkeiten des menschlichen Organismus oder Elemente davon abbilden und zur Nutzung bereitstellen“ [2]. Dabei können verschiedene Systeme anhand ihrer Anwendungsbereiche unterschieden werden: arbeitswissenschaftliche, medizinische, animationsorientierte Modelle etc. Fokus dieses Artikels sollen die arbeitwissenschaftlichen Modelle zur Gestaltung ergonomischer Produkte sowie sicherer und gesunder Arbeit sein. Diese stellen damit eine Umsetzungshilfe dar, um arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse rechnergestützt aufzubereiten und dreidimensional darzustellen.

Einsatzbereiche und Funktionen

Wie anfangs aufgezeigt, werden digitale Menschmodelle in verschiedenen Bereichen von Unternehmen eingesetzt: In der Produktplanung, dass heißt der Konstruktion, und in der Prozessplanung. Dabei ist der Funktionsumfang der verfügbaren Modelle ähnlich, jedoch unterscheiden sich die genutzten Funktionen je nach Unternehmensbereich. Auch weil es zum Teil unterschiedliche Aufgaben und Vorgaben zu erfüllen gilt: In der Konstruktion/der Produktplanung ist eher die Sicherstellung der Konformität mit den jeweils relevanten Normen von hoher Bedeutung, in der Prozessplanung stärker die Einhaltung von Verordnungen und technischen Regeln. Um dem Planer hier für die verschiedenen Bereiche Unterstützung anzubieten, sind je nach verwendetem Menschmodell verschiedene Analysefunktionen verfügbar [2]:

• Dynamische und statische Visualisierung (Bild und Video) einer Mensch-Produkt-Interaktion bzw. eines Arbeitsablaufes
• Analyse der Erreichbarkeit beispielsweise von Stellteilen
• Analyse der Sichtfelder
• Analyse der räumlichen Situation (Maßuntersuchungen beispielsweise bezüglich eines Abstandes)
• Untersuchung der Körperhaltung
• Analyse auftretende Kräfte
• Zeitanalysen
• Untersuchung von Lastenhandhabungsvorgängen

Dabei sind wiederum je nach Menschmodell verschiedene Manipulationsfunktionen für den Planer zur Anpassung der Körpermaße, der Körperhaltung, der Handhaltung sowie zur Animation des Modells verfügbar. Ebenso können in der Regel aus Bibliotheken vordefinierte Körperhaltungen, Handhaltungen oder Animationen genutzt werden. Zum Teil sind die Simulation Mehrpersonen-Interaktion sowie ein Anpassen des Aussehens verfügbar [2].

Herausforderungen beim Einsatz

Hinsichtlich des Einsatzes solcher Systeme ist festzuhalten, dass sie aktuell, insbesondere für die Planung komplexer Produkte sowie Arbeitsabläufe genutzt werden. Dies liegt zum Teil darin begründet, dass es sich hierbei um Softwaresysteme für Expertinnen und Experten handelt. Die Systeme ersetzen nicht ergonomisches Wissen, sondern unterstützen zielgerichtet dessen Anwendung. Dabei liegt der Vorteil digitaler Menschmodelle auch in der gleichzeitigen Berücksichtigung verschiedener Körpermaße (beispielsweise Sitzhöhe sowie Reichweite nach vorne) und ihre multivariaten Zusammenhänge.

Hier wird jedoch gleich deutlich, dass diese Softwaresysteme nur dann sinnvoll eingesetzt werden können, wenn ergonomisches Wissen um die Zusammenhänge zwischen Produkt bzw. Prozess und den jeweiligen Körpermaßen bekannt ist und das Menschmodell entsprechend dimensioniert ist. Soll beispielsweise die Erreichbarkeit von Stellteilen virtuell überprüft werden, so ist sicherzustellen, dass bei Auswahl des Menschmodells 5. Perzentil Frau (lediglich 5% der Frauen haben ein kleineres Bezugsmaß) dieses auch die 5. Perzentil-„Reichweite nach vorne“ als höchst relevantes Maß abbildet und sich die Bezeichnung nicht nur auf die Körperhöhe bezieht (vergleiche hierzu auch [8]).

Auch muss die Zielpopulation bekannt sein und das Menschmodell entsprechend eingestellt werden, denn nur so stellt dieses auch die gewünschten körperlichen Eigenschaften dar (vorausgesetzt, die Daten sind verfügbar).

Wenn Bewertungsfunktionen des Softwaresystems zur Ermittlung der ergonomischen Belastung des Menschen verwendet werden, muss bekannt sein, ob das Bewertungsverfahren für die betrachtete Aufgabe geeignet ist. 

Künftige Entwicklungen

Die Frage, inwiefern sich Digitale Menschmodelle weiterentwickeln werden, um künftig auch eingeschränkt von Nicht-Experten genutzt werden zu können, war Teil der Delphi-Studie „Digitale Ergonomie 2025“ [9] der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) und wurde von den befragten Expertinnen und Experten in diesem Themengebiet als wichtiger Entwicklungsschritt mit dem zeitnahen Realisierungshorizont 2015-2020 genannt. Als weitere wichtige Entwicklungsschritte innerhalb dieses Zeitraums wurden 

• „der Ausbau der Möglichkeiten zur Berücksichtigung anthropometrischer und biomechanischer Varianz,
• die Wettbewerbsvorteile durch den Einsatz digitaler Ergonomietools,
• die Validität und die Gebrauchstauglichkeit der Softwaresysteme,
• die stärkere Nutzung von „Motion Capturing“,
• die Einbindung in Systeme der erweiterten und / oder virtuellen Realität,
• die Verfügbarkeit von Kosten- / Nutzenrechnungen [des Softwareeinsatzes],
• die stärkere Einbindung in die universitäre Lehre sowie
• eine stärkere Modularisierung der [Softwaresysteme]“ [9]
• aufgezeigt.

Für den Folgezeitraum (2020-2025) sah die Expertengruppe Aspekte wie

• „die Verfügbarkeit digitaler mentaler Modelle,
• die Substitution von Realversuchen durch virtuelle Simulationen,
• die umfassende virtuelle Gestaltung auf Regionen der Welt angepasster Arbeitssysteme,
• die Möglichkeiten eines verlustarmen Datenaustausches zwischen den Softwaresystemen,
• die Integration muskulärer Analysefunktionen,
• die automatische virtuelle Ableitung von Bewegungsabläufen aus Aufgabenbeschreibungen,
• die Qualität der graphischen Darstellung,
• die organisatorische Verankerung in Ablaufstrukturen der Unternehmen sowie
• die Standardisierung digitaler Menschmodelle“ [8]

als bedeutsam.

Gefragt nach der Wettbewerbsposition bezüglich der Entwicklung bzw. der Anwendung digitaler Menschmodelle sah die Expertengruppe Deutschland in einer mitführenden Rolle.
 

Fazit

Digitale Menschmodelle können insbesondere bei komplexen Planungssituationen von großer Hilfe sein und ergonomisches Wissen rechnergestützt zur Verfügung stellen, sofern die Systeme auf entsprechend geschultes Personal treffen. Es ist darauf zu achten, dass die Einstellung der Modelle für die Zielpopulation erfolgt und nur für den jeweiligen Kontext geeignete Bewertungsfunktionen genutzt werden, da nur so eine Planung und Analyse erfolgen kann, die der Realität möglichst nahe kommt und somit Fehlplanungen bereits frühzeitig aufzeigt und verhindern hilft.
 

Quellen

[1] Ehrlenspiel, K.: Integrierte Produktentwicklung: Denkabläufe, Methodeneinsatz, Zusammenarbeit. München & Wien: Carl Hanser Verlag, 2009, S. 11.
[2]  Mühlstedt, J.: Entwicklung eines Modells dynamisch-muskulärer Arbeitsbeanspruchungen auf Basis digitaler Menschmodelle. Dissertation, TU Chemnitz, 2013.
[3] Erstellt mit der Software MTpro der Fa. Bosch Rexroth
[4] http://www.ergotyping.de
[5] Wischniewski, S.: Bivariate Parametrierung digitaler Menschmodelle mittels Körperhöhe und Körpergewicht. In: Bericht zum 59. Arbeitswissenschaftlichen Kongress der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft, 2013, S. 363-366.
[6] Robert Koch Institut 2000, Bundesgesundheitssurvey 1998, Public Use File BGS98, Berlin.
[7] Menschmodelle erzeugt mit www.bodyvisualizer.com, vgl. auch Hirshberg, D. A. et al.: Evaluating the Automated Alignment of 3D Human Body Scans. In: Proceedings of the 2nd International Conference on 3D Body Scanning Technologies, 2011, S. 76-86.
[8] http://koerpermass.kan-praxis.de
[9] Wischniewski, S.: Delphi-Studie „Digitale Ergonomie 2025“. Dortmund: Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, 2013.

 

Der Autor

Dr.-Ing. Sascha Wischniewski ist Leiter der Gruppe 2.3 "Human Factors, Ergonomie" bei der Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA).

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