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© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme (Arbeitswissenschaft II)

Dr. Thomas Alexander (Fraunhofer-FKIE)

Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher M. Schlick

Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft

RWTH Aachen

Bergdriesch 27

52062 Aachen

Tel.: 0241 80 99 440

E-Mail: [email protected]

Lehreinheit 9

Digitale Menschmodelle

Sommersemester 2012

6 - 2 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Lernziele

Ziel dieser Lehrveranstaltung ist es:

Hintergründe der ergonomischen Arbeitsplatzgestaltung und

–analyse verstehen und vertiefen

Bedeutung der Körpermaße (Anthropometrie) und menschlichen

Bewegungen (Biomechanik) für die Arbeitswissenschaft erkennen

Entwicklung der Digitalen Menschmodelle und der jeweiligen Hintergründe

lernen

Praktische Anwendungen zur Sicht-, Reichweiten- und Komfortanalyse

kennen lernen

Verstehen der aktuellen Möglichkeiten und Beschränkungen Digitaler

Menschmodelle


Ziele der räumlichen Arbeitsplatzgestaltung und

–analyse

Ziel der ergonomischen Arbeitsplatzgestaltung

ist die Optimierung des räumlichen Layouts

hinsichtlich

Sichtbarkeit,

Reichweite,

Kraft,

Haltung

und Komfort der jeweiligen Benutzer.

Benutzer sind Fahrzeugführer, -insassen,

Konstruktions-/Wartungsarbeiter etc.



–analyse (Beispiel Flugzeugcockpit)

Anthropometrie •Sichtbarkeit

(Außensicht, Anzeigen,

Verdeckung)

•Reichweite (Erreichbarkeit von Stellteilen)

•(Stell-)kraft (Pedalkräfte, Schalterkräfte,

Lenkkräfte)

•Haltung & Komfort

Biomechanik

•Bewegung (Freiräume)

•Crashverhalten (Sicherheit)



–analyse (Beispiel Shuttle Cockpit)

Anthropometrie •Sichtbarkeit

(Außensicht, Anzeigen,

Verdeckung)

•Reichweite (Erreichbarkeit von Stellteilen)

•(Stell-)kraft (Pedalkräfte, Schalterkräfte,

Lenkkräfte)

•Haltung & Komfort

Biomechanik

•Bewegung (Freiräume)

•Externe Kräfte (Sicherheit)


Normen, Richtlinien und Rahmebedingungen

Vielzahl an technischen Normen der

JAA: Joint Aviation Authorities

EASA: European Aviation Safety Agency

FAA: Federal Aviation Administration

DIN/ISO – Normen

SAE: Society of Automotive Engineers int.

…

Vordesigns & Designs

(konzernspezifisch)

Grundtenor:

Mindestvoraussetzungen,

von denen bei Verbesserungen abgewichen werden kann.


Modellierung unterschiedlicher Aspekte des Menschen

Anthropometrie

(Körpermaße)

Biomechanik

(Bewegungen)

Psychologie, KI

(Verhalten)

Zuverlässigkeit

(Arbeitsabläufe)

Modell

des Menschen

Produkt- und

Arbeitsplatzgestaltung

Modellierung und

Simulation von MMS

Ausbildung und

Training (Virtuelle Sim.)

Einsatz in der

Prozessplanung Anatomie, Physiologie

(Reha, Strahlenschutz)

Aussehen

(Animation)

Psychophysik

(Verhalten)


Anthropometrie und Biomechanik

Einsatz von Maßen und Verfahren der

Anthropometrie:

Lehre von der Messung und den

Maßverhältnissen des menschlichen Körpers

Biomechanik:

Modellierung der menschlichen Bewegungen

durch Anwendung der Regeln und Gesetze der

technischen Mechanik

auf den menschlichen Körper

da Vinci's

Divina proportione, 1509

Anthropometrie in der Kunst

und erste Ansätze in der

Produktgestaltung

Mittelalterliche Bauwerke die "Gerechte Feldrute"


Anthropometrische Tabellen

5. 50. 95.

F 1510 1619 1725

M 1629 1733 1841

F 1402 1502 1596

M 1509 1613 1721

F 1234 1339 1436

M 1349 1445 1542

F 957 1030 1100

M 1021 1096 1179

F 664 738 803

M 728 767 828

F 616 690 762

M 662 722 787

F 323 355 388

M 367 398 428

Perzentilmaße

1.4 Körperhöhe Türöffnungen

Maßbezeichnung Anwendungsbeispiele

1.5 Augenhöhe

Anordnung von Anzeigen,

Arbeitsbereiche visueller

Perzeption

1.6 SchulterhöheStadion-Stehplatz,

Rampen

1.7 Ellenbogenhöhe

Arbeitsplatten für

Steharbeit, Theken und

Bars

1.9Höhe der Hand

(Griffachse)Koffer, Taschen, "Rollis"

1.1Reichweite nach

vorne

Bedienelemente,

Tastenfelder

1.10 Schulterbreite

Fluchtöffnungen, Fenster,

Gitterweite in

Gefängnissen


Anthropometrische Zeichenschablonen

Bosch-Schablone "Kieler Puppe"


Motivation der Entwicklung digitaler Menschmodelle

5. 50. 95.

F 1510 1619 1725

M 1629 1733 1841

F 1402 1502 1596

M 1509 1613 1721

F 1234 1339 1436

M 1349 1445 1542

F 957 1030 1100

M 1021 1096 1179

F 664 738 803

M 728 767 828

F 616 690 762

M 662 722 787

F 323 355 388

M 367 398 428

Perzentilmaße

1.4 Körperhöhe Türöffnungen

Maßbezeichnung Anwendungsbeispiele

1.5 Augenhöhe

Anordnung von Anzeigen,

Arbeitsbereiche visueller

Perzeption

1.6 SchulterhöheStadion-Stehplatz,

Rampen

1.7 Ellenbogenhöhe

Arbeitsplatten für

Steharbeit, Theken und

Bars

1.9Höhe der Hand

(Griffachse)Koffer, Taschen, "Rollis"

1.1Reichweite nach

vorne

Bedienelemente,

Tastenfelder

1.10 Schulterbreite

Fluchtöffnungen, Fenster,

Gitterweite in

Gefängnissen

direkt

direkt

„Experte“

„Laie“

„Experte“ indirekt

Menschmodell

Innenraumgestaltung


Vorgehen beim Einsatz digitaler Menschmodelle

Digitales

Menschmodell

CAD-Modell des

Arbeitsplatzes

Sicht

Erreichbarkeit

Komfort

a-priori Wissen

Rapid-Prototyping

Analyse im CAD (d.h. frühe Planungsphase)



Computergrafik und Animation

Illustration und Präsentation

Realismus (statisch/dynamisch)

Bewegungsmodellierung

Anthropometrische Modelle

Arbeitsplatz-/Fahrzeuggestaltung

Interface zu CAD-Systemen

Modellierung der Körpermaße

Biomechanische Menschmodelle

Fahrzeuggestaltung/Sicherheit

Interface zu CAD-Systemen

Modellierung der Kräfte

Pixtar Studios www.welt.de: Farcry

Human Solutions Siemens PLM Dassault

PAM MADYMO

http://www.welt.de/


Computergrafik und Animation

Ziel:

Integration von "virtuellen" Menschen in Illustrationen und Präsentationen

Anwender:

Filmindustrie, Spieleindustrie, Ausbildung und Training, …

Anforderungen:

Hoher Realismus für Aussehen, Bewegungen und Verhalten

Abbildung von statischen und dynamischen Materialeigenschaften und ihrer Auswirkung auf die Visualisierung

Computergrafik, Animation

Relevanz

Motion Capture,

Bewegungsanimation

VRLab, Univ. Lausanne

MiraLab, Univ. Geneva

urbanmodellinggroup

Virtual-Humans

DI-GUY

Weta Digitals "Gollum"


Anthropometrische Modelle

Ziel:


Modellierung der Variabilität

Reichweiten-/Sichtanalyse

Haltungs- und Komfortanalyse

Ergebnisdarstellung und Illustration (für Entscheidungsträger / Manager)

Anwender:

Industrie, Produkt-/Arbeitsplatzgestalter

Anforderungen:

Usability der Implementierung

Genauigkeit und Präzision

Validität der Ergebnisse

Siemens PLM

JACK

Human Solutions RAMSIS


Anthropometrische Menschmodelle:


Aus individuellen oder kollektiven Körpermaßen werden Modellparameter abgeleitet und eingesetzt.

Parametrisierung des Menschmodells

Körpermaße basieren auf äußeren, tast- oder sichtbaren Messpunkten

Interne Modelle benötigen Stablängen und Gelenkmittelpunkte

Umrechnung berechnet Stablängen aus Maßdifferenzen von Höhen-/Längenmaßen

Modellierung und Ergebnisberechnung

Modellierung basiert auf internem Modell

Anwender benötigt Außen-/Konturmaße

Zusatzwert für Weichteilanteil wird hinzugefügt (z.B. korpulenzabhängig für Bauch)



Oberflächen- und Konturmodelle

Konturmodelle bauen auf äußeren

Maßen auf und können deshalb

Ungenauigkeiten minimieren

Problem besteht

in der präzisen Parametrisierung

Moderne 3D-Scanner

liefern 3D-Punktewolken

Optische Scanner

Laserscanner

Intelligente Parametrisierung

zur automatischen Anpassung eines

Konturmodells an Punktwolke

Algorithmen aus der CG

Iterative Anpassung eines Menschmodells VITUS 3D-Laserscanner


Anthropometrische Menschmodelle

Modellierung der Varianz einer Stichprobe

Varianz der Stichprobe

absolute Körpermaße

Körperproportionen

Kräfte

(Bewegungen)

Differenzierung nach

Alter, Geschlecht

Region

Bekleidung

Modellierung der Variabilität

Perzentile und Kombinationen

Körperbautypen und -faktoren

- Längen- und Höhenmaße, Reichweiten

- Breiten-, Tiefen- und Korpulenzmaße

- Proportionalitätsmaße (Sitz-/Standmaße)

Frauen

Sum

menh

äufigkeit

[%]

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Körperhöhe [mm](einschließlich 30 mm für gebräuchliches Arbeitsschuhwerk)

Frauen Männer

3 41 2

200019001800170016001500 1870176016601540

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Frau

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Frau

3

4

1

2

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Frau

Körpergrößen-

Klassen

5. Perzentil Frau

5. Perzentil Mann

95. Perzentil Frau

95. Perzentil Frau

3

4

1

2

Altersgruppe 16-60-Jährige



Sicht- und Reichweitenanalyse

Sichtanalyse

Konstruktiv vorgegebener Augenpunkt

Sichtbarkeit berücksichtigt Verdeckungen durch

- konstruktive Elemente (z.B. Stellteile)

- Körperteile (z.B. Arm)

Allgemeine (Sichtstrahlen) und anwendungsorientierte Analyse (bei Arbeit)

Reichweitenanalyse

Maximalreichweiten (Hüllkurven)

beengte Räume (z.B. Wartung)

Beschränkung durch Gelenkgrenzen

Anwendungsfeld

Festlegung von Reichweiten (Gestaltung)

Erreichbarkeit prüfen (Analyse)

JACK (vlnr): Comfort solids,

Constraint driven (horizontaler Winkel 200°),

Joint angle driven

Sichtbereich

(Sichtkegel) bei JACK

Simulierte Sicht

bei RAMSIS




Realhaltungen stimmen nicht mit Standardhaltungen überein!

Modellierung der Haltung erforderlich

Variable Einsatzbereiche

Präzise und valide Ergebnisse

Modellierung der Varianz

Haltungsoptimierung

Standardhaltungen

Wahrscheinlichkeitsmodell

Optimierungsfunktion

Einfluss des Komforts

(Dis-)Komfort als Basis der Haltung

(Dis-)Komfort als Kriterium der Haltungsanalyse

HUMOSIM, Univ. of Michigan,

RAMSIS, Human Solutions



Ergebnisdarstellung und Illustration

Konstruktion

Vordesign existiert

Position von Instrumenten und Stellteilen wird anhand von Sichtbereichen und Reichweiten festgelegt

Analyse

Gestaltung ist festgelegt

Entwurf wird iterativ analysiert und so optimiert

RAMSIS,

Human Solutions


Biomechanische Menschmodelle

Ziel:

Modellierung der Bewegungskräfte

- Wirkung von Muskelkräften auf Bewegungen

- Wirkung externer Kräfte auf Menschen

Einsatzbereich in

- Optimierung von Bewegungsabläufen

- Sicherheitsanalyse (virtuelle Crashtests)

Anwender:

Industrie (Fahrzeugindustrie),

Sportwissenschaft, Medizin (Rehabilitation, Prothetik)

Anforderungen:

Integration in CAD-Pakete, Usability

Genauigkeit und Validität der Ergebnisse

Verbindung zu MotionCapture

Individuelle Analysen und Ergebnisse

Mehrkörpersimulation (MADYMO)

AnyBody

Finite-Elemente-Modelle (PAM)


Modellierung von Bewegungen

Modellierung von Bewegungen

Willentliche, kontrollierte Bewegungen

Interne Muskelkräfte bewirken Bewegung

Ballistische und visuell-kontrollierte Phase

Regelfall in täglicher Praxis

Unwillkürliche Bewegungen

Externe Kräfte bewirken Bewegung

Rein ballistische Phase

Unfall- und Crashversuche

Mehrkörpersimulation (MADYMO)

Mechanische Modelle Finite-Elemente-Modelle (PAM)

RAMSIS

AnyBody


Willentlich kontrollierte Bewegung

Stim

ulu

sS

tim

ulu

s

G E S A M T B E W E G U N GG E S A M T B E W E G U N G

PlanungPlanung AusführungAusführung Zie

lZ

iel

Erkennen,

Erfassen

Wahr-

nehmung

des Ziels

Perzeption

Erkennen,

Erfassen

Wahr-

nehmung

des Ziels

Perzeption

Erkennen,

Erfassen

Wahr-

nehmung

des Ziels

Perzeption

Bewegungs-

planung

Intention

Bewegungspro-

grammierung

Kognition

Bewegungs-

planung

Intention

Bewegungspro-

grammierung

Kognition

Bewegungs-

planung

Intention

Bewegungspro-

grammierung

Kognition

Ballistische

Bewegungsphase

Schnelle, grobe Annäherung

an das Ziel ohne Regelung

Motorik

Ballistische

Bewegungsphase



Motorik

Ballistische

Bewegungsphase



Motorik

Visuell

kontrollierte

Phase

Feinabstimmen

Zielerreichen

Perzeption,

Kognition,

Motorik

Visuell

kontrollierte

Phase

Feinabstimmen

Zielerreichen

Perzeption,

Kognition,

Motorik

???

Verhältnis 2/3 zu 1/3


Anatomie und Physiologie als Grundlage der

Bewegung

Anatomie:

ca. 64 Knochen

durch verschiedene Gelenke und Gelenktypen verbunden

Bewegung durch Muskeln

> 100 mechanische FG

Physiologie:

Unterschiedliche Ebenen der Bewegungsausführung

Verschiedene kognitive und kortikale Zentren

Schultergürtel

Oberarm

Unterarm

Hand


Simulation der kontrollierten Bewegungen

Manuelle Animation

Direkte Eingabe der Gelenkwinkel

Motion Capture

Abspielen von realen Sequenzen

Keyframe-Animation

Interpolation zwischen

Schlüsselhaltungen

Inverse Kinematik

nur Endglied wird geführt,

Zwischenglieder simuliert

(Minimum Winkelinkremente etc)

(Inverse Dynamik)

dito, mit Berücksichtigung von

Kräften und Momenten

Zervikale

Xyphiale

Suprasternale

Akromiale

Klavikulare

Rotations-

achse

Zervikale

Xyphiale

Suprasternale

Akromiale

Klavikulare

Rotations-

achse

Zervikale

Xyphiale

Suprasternale

Akromiale

Klavikulare

Rotations-

achse


Manuelle Animation

Starten mit einer Anfangshaltung

Iteratives Anpassen der Haltung an Zielhaltung

Modifizieren der Gelenkwinkel der beteiligten Gelenke (Kardanwinkel xyz, Eulerwinkel zxz)

Sichtprüfung der Endhaltung

Haltungen zwischen Start- und Endhaltungen werden als Keyframes angenommen und Zwischenhaltungen interpoliert


Motion Capture

Markerlose Verfahren - Videobasiert

(Videosomatografie, PC-MAN)

Markerbasierte Verfahren

Aktiv

- Ultraschall (Zebris)

- Elektromagnetisch (Ascension, Polhemus)

- Funk (z.B. RFID) (ABATEC)

- Optisch/IR (Selspot)

Passiv

- Inertial/Trägheit (Intersense)

- Optisch/IR (ART, Vicon)


Motion Capture: Markerlose, videobasierte Verfahren

Haltungen werden manuell bildweise in ein Modell übertragen

Geringe Anforderungen an Datenerfassung, hochvariabler Einsatz

Problem beim Übertrag auf internes Modell (z.B. Gelenkwinkel)

Zeitaufwändige Datenanpassung und Analyse


Motion Capture: Markerbasierte Verfahren

Kalibrierung des Messsystems im Experimentalraum

Anforderung an Experimentalumgebung (Innenlicht etc.)

Versuchspersonen werden mit Markern ausgerüstet

Fehler durch Markerpositionen möglich (Hautverschiebungen etc.)

Positionen der Marker werden erfasst

Nachbearbeitung

Inertiale Zuordnung der Marker erfolgt teilweise manuell

Tracking/Nachverfolgen weitgehend automatisiert

Nachbearbeitung

Personal ComputerVideo- prozessoren

Ref lektoren

IR

IR

IR

Reflexion

Reflexion

Reflexion

CCD- Kameras


Keyframe-Animation

Einzelhaltungen einer

Bewegungssequenz sind

bekannt

Zwischenhaltungen werden

interpoliert, bzw. durch

Bewegungsmodell simuliert

Abhängige Variablen sind die Winkel

der Gelenke der kinematischen Kette

Variable Komplexität des Bewegungsmodells

Lineare Interpolation des Winkels

…

Kinematische Funktionen höherer Ordnung


Inverse Kinematik

Direkte Kinematik: Gelenkwinkel der Körperteilkette definieren Position des Endeffektors

Inverse Kinematik: Endeffektorposition definiert Gelenkwinkel

Problem: Häufig keine eindeutige Lösung, komplexes Gleichungssystem ermöglicht nur numerische Lösung

Hilfsfunktionen (stammen aus Robotik):

Minimale quadratische Summe der Winkelinkremente

Eine Bewegung wird modelliert, indem die Winkeländerungen sämtlicher beteiligter Gelenke der kinematischen Kette minimiert werden. Die Bewegung wird so auf mehrere Gelenke aufgeteilt.

Minimale potentielle Energie

Mittels dieser Rahmenbedingung wird der Einfluß der trägen Masse der Körperglieder sowie der Schwerkrafteinfluß einbezogen.


Biomechanische Modelle für unwillkürliche

Bewegungen

Anwendungsbereich:

Insassensicherheit

bei Fahrzeugen

Modellierung und Simulation

von Crash-Dummies

(z.B. Hybrid-III)

www.volpe.dot.gov

Hybrid-III Crash test dummy

Familie (Wikipedia.de)


Mehrkörpersysteme

mehrere (starre) Körper

verbunden durch Gelenke

Baumstruktur

Reduktion der Freiheitsgrade durch

Zwangsbedingungen (kinematic constraints)

Mechanische Modelle

VRML-Modell

HIRO

Fractal Design

Poser


Zervikale

Xyphi

ale

Suprasternal

e

Akromia

le Klavikula

re

Rotation

s-achse

Mehrkörpersysteme

Multiple Koordinatentransformationen

rj = r1 + r2 + r3 + r4

zur Berechnung der resultierenden

Gelenkmomente bei Aufbringen externer Kräfte

Kraftübergang durch einfaches Kontaktmodell

(keine Deformationen)

Einbezug der entsprechenden

Bewegungsgleichungen

BODY 1

BODY 2

BODY 3

BODY 4

iiiiii

iji

JnJ

frm

rj

r1

r2

r3

r4

m: Masse

r: Ortsvektor

J: Trägheitstensor

: Winkelgeschwindigkeit

n: resultierendes Moment


Finite-Elemente Modelle (FEM)

Primärer Einsatzbereich entsprechender Modelle ist die

Insassensicherheit

(Crashversuche, Sicherheitsgurte, Airbag-Auslegung)

Problem:

Komplexe Geometrie,

beschreibende Differenzialgleichungen nicht kontinuierlich analytisch lösbar.

Reduktion des Kontinuums

auf diskretes numerisches

Modell

Saab FEM modell


Vorgehensweise bei der FEM Methode

Diskretisierung:

Geometrie wird in n Elemente zerlegt (Knoten, Elemente),

Ansatzfunktionen definiert, Werkstoffkennwerte und –verhalten spezifiziert,

Randbedingungen und Belastungen definiert

Lösung des Gleichungssystems und Berechnung von

Deformationen / Verschiebungen,

Spannungen,

Kräften

Darstellung und Auswertung


Validität der Ergebnisse

Stimmen Ergebnisse des Modell

mit der Realität überein?

Statik

Körpermaße

Haltungen

Kinematik

Bewegungsbahnen

Gelenkwinkel

Dynamik

Kräfte

Momente

Deformation


Validität der statischen Anthropometrie

Auswahl relevanter

Körpermaße

• Oberschenkellänge

• Brustkorbbreite

• Brustkorbtiefe

• Unterarmlänge

• Reichweite - vorne

• Funktionelle Armlänge

• Handlänge

• Reichweite - oben

• Sitzhöhe (K)

• Körperlänge (K)

• Oberarmlänge

• Taillenumfang (K)

• Gewicht

20 Daten-

sätze

Bodybuilder

RAMSIS Mannequin

Real [mm]

Modell [mm]

Differenz [mm]

Korr. rPears.

Sitzhöhe 918 (27.89)

969 (32.04)

+ 51 (4.56)

0.997

Armlänge 674 (29.58)

705 (25.76)

+ 31 (17.4)

0.761

Reichw. (vorne)

856 (32.69)

797 (27.85)

- 59 (20.99)

0.732

Reichw. (oben)

1411 (43.56)

1362 (46.40)

- 49 (20.04)

0.831


Validität der Haltungs- und Bewegungssimulation

Neutrales Sitzen:

Augenpunkt etwas erhöht (~ 2 cm)

Schulter & Ellenbogen horizontal ungenau (~ 3-5 cm)

Handgelenksposition mit geringem Fehler (~ 2-4 cm)

Fixiertes Sitzen:

Augenpunkt fixiert

Schulter & Ellenbogenpos. geringfügig verbessert (~ 3-4 cm)

Handgelenkposition genauer als frei (~ 1-3 cm)

Nahziel beim Sitzen:

Augenpunkt fixiert

Gute Übereinstimmung in Bewegungsrichtung (~ 0.9 - 3 cm)

Fehler bei Ellenbogenposition in seitlicher Richtung (4-5 cm)

Nur geringe Fehler für Schulter und Handgelenk (2-3 cm)

Entferntes Ziel beim Sitzen:

Große Fehler in Bewegungsrichtung (~4-10 cm)

Kleinere seitliche Fehler (~ 6 - 7 cm)

Gute Genauigkeit für Höhenpositionen (~ 2-3 cm)

Motion Capture

für Haltung und

Bewegung

Messpunkte :

• Interentokanthion

• Akromiale

• Radiale

• Stylion

• Daktylion II


VORSICHT ... Auch Modelle machen Fehler

Menschmodelle sind zwar wichtige Hilfsmittel und Werkzeuge, aber sie

ersetzen nicht Fachkenntnisse des Benutzers.

Eine individuelle Prüfung und Einordnung der Ergebnisse ist stets

erforderlich, um fehlerhafte Analyseergebnisse zu identifizieren und zu

vermeiden.

Beispiel: Berechnete, aber offensichtlich falsche Analyseergebnisse. Ähnliche Ergebnisse wurden

auch bei anderen kommerziellen Modellen beobachtet. (Conradi, 2002)


Aktuelle digitale Menschmodelle - RAMSIS

(www.human-solutions.de)

RAMSIS - 3D-CAD-Werkzeug zur ergonomischen Konzeption

von Fahrzeuginnenräumen und Cockpitumgebungen.

• Aufgabenbasierte Haltungssimulation

• Animationsfunktionen

• Aufgabenbezogene Bewegungssimulation

• Typanalyse

• Gesundheits- und Komfortanalyse

• Sicht- und Spiegelsichtanalyse

• Kraftanalyse

• Gurtanalyse

• Erreichbarkeitsanalyse


Aktuelle digitale Menschmodelle - ANTHROPOS

(www.human-solutions.de)

ANTHROPHOS

System zur ergonomischen

Analyse und Gestaltung der von

Menschen genutzten Technik.

Hauptanwendungsbereich

- Virtuelle Umgebungen (VU),

- High-End Visualisierung,

- Flugzeugbau (Airbus)

Datenbank (D)

Analysen

- Sehen, Erreichen

- Haltungsanalyse, Heben und

Tragen, Beinkraft


Aktuelle digitale Menschmodelle - UGS VIS JACK

JACK

Menschmodell zur

Produktgestaltung und in

Bereichen der Ausbildung


- Virtuelle Umgebungen (VU),

- Computergrafik,

- Produktgestaltung

Datenbank (primär US)

Analysen

- Sehen, Erreichen, Haltung,

Bewegungen

http://www.ugs.com/products/tecnomatix/human_performance/jack


Aktuelle digitale Menschmodelle - DELMIA / Safework

Safework

Mensch-Modell (SW) und

komplexe CAD-Simulations-

umgebung (DELMIA).


- Produktgestaltung / Fahrzeuge

Komplexe Datenbank

Statistische Modellierung

Analysen

- Sehen, Erreichen, Haltung,

Bewegungen

- MTM, Kraft- und

Leistungsanalyse

http://www.safework.com/delmia/delmia_sw.html


Aktuelle digitale Menschmodelle - Anybody

AnyBody:

System zur biodynamischen Simulation menschlicher Bewegungen

simuliert das muskulo-skeletäre System oder den Gesamtkörper mit detailliertem Modell der Muskeln und Knochen des Körpers

Kein Programm, sondern Framework zur Simulation unter Windows (quasi Scriptsprache)

Derzeitige Anwendungsfelder: - Automobil

- Medizin/Rehabilitation

- Flugzeug/Aerospace

- Produktionsergonomie

- Sportwissenschaft

entwickelt von Aalborg University in Dänemark

aktuell vertrieben von AnyBody Technology (www.anybodytech.com)

(Bildquelle: http://www.anybodytech.com)


Aktuelle digitale Menschmodelle - AnyBody

Modellbasis:

(Inverse) Dynamik Berechnung von Bewegungen anhand des Kraftverlaufs in einzelnen Muskeln, bzw. Berechnung des Kraftverlaufs in Muskeln anhand von Bewegungen

Modell des muskulo-skeletären Systems (incl. Muskeln, Sehnen und Ansatzpunkten am Knochen)

Funktionalität:

Setzen von Markerpunkten (für Bewegungs erfassung)

Optimierungsfunktionen für Muskelrekrutierung und Bewegungsabläufe (bspw. Balance)

Programmierung erfolgt über Scriptsprache AnyScript

Möglichkeiten zur Auswertung (Grafik, numerisch) z.B. direkte Berechnung der Muskelbelastung



Aktuelle digitale Menschmodelle - Anybody


Windows-Oberfläche

mit Kommandoelementen

Grafische

Darstellung

der

Geometrie Grafische

Darstellung

von Kraft-

und

Momenten-

verläufen

Programmierung

mittels

AnyScript

Aufgaben

und Status


Modelle der menschlichen Zuverlässigkeit

Prozessmodelle und Zuverlässigkeitsmodelle

Anwendungsziele und Funktionalitäten

- Prozessplanung

- Teamarbeit

- Aufgabenteilung Mensch / Maschine

Verknüpfung mit anthropometrischen Modellen

- Arbeitsplatzgestaltung

- Einzelbenutzer

Modellierung von Prozessen und Handlungen

Verteilungen

- Wahrscheinlichkeiten/Zuverlässigkeiten

- Zeiten

Allgemeine Regeln der Psychophysik

- Weber‘s law (Sinneswahrnehmung)

- Fitts‘ law (Motorik)


Individuelle konsistente Menschmodelle

RAMSIS

M-/D-Kartoffeln

EU Proj. ARIS-ER

AnyBody

........

55° 90°

FA(t

‘) -

x-K

om

pone

nte

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

6

12

18

24

30

t' (rel ative Bewegungszeit)

.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

3

6

9

12

15


.

FA(t

‘) -

y-K

om

pone

nte

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

3

6

9

12

15

t' (relat ive Bewegungszei t)

.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 13

3.8

4.6

5.4

6.2

7


.

FA(t

‘) -

z-K

om

pone

nte

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

1.2

2.4

3.6

4.8

6


.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

3

6

9

12

15

t' (relative Bewegungszeit)

.

Kraftverläufe an Gelenken

RAMSIS:

FEM Humerus

Wayne State Univ.


Individuelle anatomische Modelle

Patient

Bildgebende Verfahren

CT, MR, PET, SPECT

Expertensystem

Wissensdatenbank

Generelles Modell

Adaptives Modell

Bildverarbeitung

Registrierung

Segmentierung

Funktionelles Modell

Korrelation externer und

interner Strukturen

Registrierung mit

Echtzeitdaten

Motion Capture

Ultraschall


Intelligente Anthropomorphe Benutzungsinterfaces

Avatare und intelligente Agenten

Wissenstransfer

Reaktion auf Benutzeraktionen

Intelligente, natürliche Interfaces

STEVE

ICT

MAX


Ausblick: Avatare und Intelligente Menschmodelle

Intelligente, operationelle

Produkt- und Arbeitsplatzgestaltung

Integration zur Bevölkerung

virtueller Umgebungen

Kinematics

Geometry of

motion

Genotics

Synthesis of motion goals

Teleotics

Selection of motion goals

Cybernetics

Control

of motion

Dynamics

Efficient cause

of motion


Lernerfolgsfragen

Welches sind neben der Anthropometrie die beiden weiteren wesentlichen

Anwendungsbereiche Digitaler Menschmodelle und wozu werden sie hier

verwendet?

Welche Modellierungs- und Anwendungsziele werden mit

anthropometrischen Menschmodellen verfolgt?

Welche Analysen sind mit den heutigen Modellen möglich?

Skizzieren Sie kurz die Vorgehensweise beim Einsatz eines Menschmodells

bei der ergonomischen Produktgestaltung!

Welche unterschiedlichen beiden großen Bewegungsarten kennen Sie und

wie werden beide charakterisiert?

Was wird bei der Bewegung unter dem "Bernstein-Problem" verstanden?

Wie können Bewegungen erfasst und simuliert werden?


Literatur

Normen (Auswahl):

DIN EN ISO 6385:2004-05: Grundsätze der Ergonomie für die Gestaltung von Arbeitssystemen

EN ISO 7250 Wesentliche Maße des menschlichen Körpers für die technische Gestaltung

DIN EN 614 : Sicherheit von Maschinen - Ergonomische Gestaltungsgrundsätze

Literatur

Arlt, F. (1999): Untersuchung zielgerichteter Bewegungen zur Simulation mit einem CAD-Menschmodell. Dissertation an der Fakultät für Maschinenwesen der TU München.

Badler, N.I.; Phillips, C.B.; Webber, B.L. (1992): Simulating Humans. Computer Graphics, Animation, and Control. New York: Oxford University Press.

Flash, T. (1990): The Organization of Human Arm Trajectory Control. In: Winters & Woo (Eds): Multiple Muscle Systems: Biomechanics and Movement Organization. New York: Springer-Verlag.

Haggard, P.; Leschziner, G.; Mial,l R.C.; Stein, J.F. (1997): Local learning of inverse kinematics in human reaching movement. Human Movement Science 16 (1997), 133-147.

Jägersand, M.; Nelson, R.C. (1994): Adaptive Differential Visual Feedback for Uncalibrated Hand-Eye Coordination and Motor Control. Technical Report 579. Rochester, NY, USA: University of Rochester.

Luczak, H., Volpert, W. (1997): Handbuch Arbeitswissenschaft. Schäffer-Poeschel Verlag

Paul, R. (1981): Robot Manipulators. Mathematics, Programming, and Control. Cambridge: MIT Press.

Duffy, V. (2009): Handbook of Digital Human Modeling. Taylor & Francis, London.

Landau, C. (2000): Ergonomic Software Tools in Product and Workplace Design. Ergon Verlag, Stuttgart.

© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen

Übung der Lehreinheit 9


Sommersemester 2012

Dr. Thomas Alexander (Fraunhofer-FKIE) / Marcel Meyer

Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft

RWTH Aachen

Bergdriesch 27

52062 Aachen

E-Mail: [email protected]

Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme (Arbeitswissenschaft II)


Generierung eines Menschmodells

Modellierung des einzelnen Menschen

Statische Modellierung der Körpermaße

Maßerhebung

Berechnung von Körperteillängen

Haltungs-/ und Bewegungsmodellierung

Messung der Haltung

Berechnung von Gelenkwinkeln

Animation der Bewegung

Einsatz des Menschmodells,

bzw. allgemeiner Einsatz eines Menschmodells

Modellierung aus Datenbank

Festlegung der Aufgaben

Analyseergebnisse


Anthropometrische Arbeitsplatzanalyse

Auswahl

repräsentative Datensammlung

aufgabenspezifische Körpermaße

Positionierung des Modells im Design

grob durch Sichtbedingungen (Augenpunkt) und Aufgabe (Sitz, Stellteile) vorgegeben

Analyse des räumlichen Layouts

(Sicht-, Reichweite-, Haltung-, Komfortanalyse)

Abschließende Analyse

und Bewertung des Layouts

Verbesserung


Auswahl der Datensammlung und der Körpermaße

Direkte Eingabe der Körpermaße

Datenbankabfrage

Menschmodell im CAD

Automatische Generierung des Modells


Aufgabenbeschreibung bei Innenraumgestaltung

Sitzposition durch

Hüftpunkt definiert

Füße auf den Pedalen

Hände am Steuerrad

Hintere Sitzposition

Blick durch Fenster

auf die Straße


Positionierung des Modells im CAD

Definition der Aufgabe Festlegung der Körperteile Automatische Animation


Sicht- und Reichweitenanalyse

Sichtbereiche (Kegel) und Außensicht Greifräume und Erreichbarkeit



Körpermaße Winkel

Kräfte

Komfortanalyse


Iteration mit weiteren digitalen "Benutzern"

Problem !

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