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1. Von der Zeichenschablone zum Man-Model-System
1.1 Methodensicherheit
Auch wenn die Programmentwickler nicht ausdrücklich darauf hinweisen,
haben Zeichenschablonen bei fast allen Man-Model-Systemen Pate gestanden. Zwischen ihnen gibt es auffallende Ähnlichkeiten sowohl im generellen Denkansatz wie im Detail. Das zeigt sich u.a. in der Festlegung und
damit Beschränkung auf UNISEX- und männliche Modelle sowie auf wenige Perzentile (Körpergrößen), Körperteile und Gelenkpunkte. Eine beachtliche Übereinstimmung gibt es aber auch in der Qualität der Gelenke und der
sich daraus ergebenden Maßinkonsistenz sowie im Fehlen von Somatotypen und Disproportionalen oder in der unzureichenden Beachtung von Bewegungsgrenzen und Abhängigkeiten beim Bewegungszusammenspiel mehrerer
Körperteile innerhalb einer kinematischen Kette. Die fehlerfreie Anwendung von Zeichenschablonen und Ergonomieprogrammen setzt beim Anwender ein hohes Maß an ergonomischen Kenntnissen und Erfahrungen voraus. Denn
Fehler bleiben anfangs oft unerkannt und geben vielleicht den zweifelhaften Analyse- oder Gestaltungsergebnissen eine wissenschaftlich verbrämte Legitimation, die vor allem dann verhängnisvoll sein kann, wenn sie
als ergonomische Grundlage für die in den Markt einzuführenden Produkte verwendet wird. Ergonomiewerkzeuge sollten deshalb gerade für die in dieser Disziplin ungeübten Anwender ein Höchstmaß an Methodensicherheit
gewährleisten, indem Expertenwissen (Daten und ihre vielschichtigen Ver- knüpfungen) bereitgestellt wird, die Benutzerführung logisch aufgebaut und leicht nachvollziehbar ist und -das ist schon eine Forderung für
die Zukunft -Teile der Anwen- dung weitgehendst mechanisch oder gar automatisch funktionieren. Das werden vor allem die vielen Firmen und Behörden begrüßen, die nicht über erfahrene Ergonomen verfügen. Oft müssen
andere Mitarbeiter Aufgaben der Ergonomie in Personalunion mit übernehmen, ohne daß sie über umfassende Spezialkenntnisse und Hintergrundinfor- mationen verfügen oder in der sicheren Anwendung ergonomischer Methoden
trainiert sind. Es reicht jedoch nicht aus, Anforderungen zu formulieren und diese programmtech- nisch umzusetzen. In gleicher Weise sollte sichergestellt sein, daß die Ergebnisse, d.h. alle Leistungen des
Programmes einschließlich der Benutzeroberflächen und der Doku- mentation vor der Markteinführung (Beta-Version) und vor jeder Folgeversion auch von Anwendern getestet werden. Dieser zusätzliche Aufwand stellt
sicher, daß nicht nur die Entwickler und Ergonomie-Experten, sondern auch Betriebspraktiker die neuen Analyse- und Gestaltungswerkzeuge effizient und fachlich richtig nutzen können.
1.2 Zeichenschablonen
Als den Arbeitsplatzgestaltern vom Markt 2D-Zeichenschablonen zur Verfügung gestellt wurden, sind diese als wertvolle Bewertungs- und Planungswerkzeuge dankbar angenommen worden. Denn mit ihrer Hilfe war es
möglich, innerhalb technischer Zeichnungen menschliche Figuren, die die ergonomischen Probleme oder deren Lösungen in akzeptabler Weise visualisierten, in ausreichender Qualität darzustellen. Das umständliche Suchen
nach perzentilabhängigen Distanzmaßen, Reich- und Greifweiten in anthropometrischen Datenbanken konnte unterbleiben. Übliche Fehler bei der Übertragung und Umsetzung der Körpermaße in die Zeichnung wurden dadurch
vermieden. Der anfänglich zu beobachtenden Akzeptanz der Schablonen in den Abteilungen Ergonomie, Design und Konstruktion folgten bald erste Anzeichen der Unzufriedenheit in Teilbereichen und schließlich mit der
Methode insgesamt. Unzufrieden war man vor allem deshalb, weil räumliche Beweisführungen unmöglich waren oder nur mit großem Zeitaufwand unter gleichzeitiger Anwendung der Darstellenden Geometrie (Jenik:
Somatographie) erreicht werden konnten. Die Beschränkung der Figuren auf wenige Maßstäbe, Körperhöhen und Unisex-Typen sowie die Reduzierung der Beweisführung oft nur auf die Seitenansicht, haben mit dazu
beigetragen, daß sich die Zeichenschablonen nicht überall durchsetzen konnten. Dies würde sich auch nicht mehr ändern, wenn die Anwender der Schablonen ihre berechtigten Anforderungen formuliert hätten, und die
Entwickler die Wünsche realisieren könnten. Die Konstruktionsmethode bzw. das Konstruktionsmedium Papier und Reißbrett wurden zu einem großen Teil von den veränderten Arbeitsbedingungen am Computer überholt und
abgelöst. Damit finden -auch wenn man das bedauern mag -die Zeichenschablonen kaum noch Verwendung. Andere und effizientere Methoden müssen an ihre Stelle treten, von Anwendern geprüft und nach ihren Wünschen und
Anregungen von den Entwicklern insoweit optimiert werden, daß sie sowohl dem Ergonomen wie dem ergonomischen Laien gleichermaßen nützen. Das wird aber nur dann erreicht, wenn neben dem Experten auch der ergono-
misch interessierte und hoch motivierte Laie den Leistungskatalog eines Ergonomie- programmes mit festlegt.
1.3 Man-Model-Systeme
Geht man davon aus, daß Konstruktion und Arbeitsplanung
weitgehendst am Rechner erfolgen, dann sind auch rechnergestützte Werkzeuge zur ergonomischen Analyse und Gestaltung erforderlich. Und da es hierbei um die Erkennung und Darstellung menschlicher Faktoren geht,
müssen diese sowohl in vergleichbaren Daten als auch graphisch in Form menschlicher Figuren modellhaft visualisiert werden. Unter der allgemeinen Bezeichnung "Man-Model-System" sind in den letzten
Jahrzehnten namentlich mehr als 100 Versuche von Mensch-Modellierungen bekannt geworden. Sie wurden nach unterschiedlichen Zielsetzungen entwickelt. Überwiegend sind es anthropometrische Modelle. Versuche,
biomechanische, energetische, zeitbestimmende und zeitbewertende- sowie informationstechnische Modelle bzw. solche mit gemischten Leistungen zu entwickeln, sind ebenfalls bekannt. Leider stehen nur wenige
Man-Model-Systeme einer kommerziellen Nutzung zur Verfügung. Die vom oder für das Militär entwickelten Systeme werden der Öffentlichkeit grundsätzlich vorenthalten, während die Programme der Konzerne aus
Wettbewerbsgründen dem! Markt verschlossen bleiben. Und die in Promotionsverfahren ent- wickelten Systeme nutzen dem kaufbereiten Anwender auch nur wenig, weil meist nur der Doktorand damit umgehen kann. Verläßt er
die Hochschule, schläft die oft aus öffentlichen Mitteln geförderte Arbeit ein. Eine Gewährleistung für die Programmpflege ist deshalb nahezu ausgeschlossen. Somit schmilzt das Angebot auf wenige marktfähige
Produkte zusammen. Zusätzliche Einschränkungen ergeben sich durch die ausschließliche Nutzung auf bestimmten Rechnerkategorien oder gar Rechnerfabrikaten sowie ihre exclusive Anbindung an jeweils nur ein CAD-System.
So ist nach unserer Information das Man-Model-System SAMMlE (Universität Nottingham) gemeinsam mit der CAD-Software MEDUSA nur auf einer Workstation von PRIME zu verwenden, während die 3D-Ergonomie-Schablone ANYBODY
(IST-GmbH Gernsheim) nur mit dem CAD-Programm CADKEY auf PC (DOS) oder auf Workstation von SILICON GRAPHICS arbeiten kann. Mit allen anderen Man-Models ist es ähnlich. Das ist bedauerlich, aber leider auch nicht
sehr viel besser zu lösen. Standardisierte Schnittstellen könnten vielleicht Abhilfe schaffen. Leider sind sie nicht 100-prozentig sicher. Mit einer neu zu schreibenden Schnittstelle ein CAD-Programm und ein
Man-Model- System zu verbinden, ist zwar möglich, diese muß jedoch für eine andere Kombination wieder aufs Neue entwickelt werden. Gleichzeitig sollte immer bewußt bleiben, daß Schnittstellen meist einem Nadelöhr
gleichen und nicht nur Verbindungsglied sondern auch Schwachstelle zwischen zwei leistungsfähigen Programmen sein können. So wird ihre Benutzerführung nur ganz selten an die der Hauptprogramme heranreichen.
Supportprobleme komplizieren die Anbindungen zusätzlich. Da viele CAD-Systeme immer noch keine Schnittstelle mit einer verbreiteten höheren Programmiersprache, Z.B. C, zur Verfügung stellen, und statt dessen meist
eine mit Mängeln behaftete systemeigene Programmiersprache bereithalten, ziehen es Entwickler vor, ihr Man-Model mit dieser in ein CAD-Programm einzubinden. Auf diese Weise gibt es zwar die von vielen bedauerte
Exclusivität, aber gleichzeitig auch eine überproportion ale Leistungssteigerung. Sie wird dadurch erreicht, daß das Man-Model-System jederzeit alle Leistungen des Partnerprogramms nutzen kann, ohne sie selbst zur
Verfügung stellen zu müssen. Und umgekehrt vervielfacht das Ergonomieprogramm mit seinen speziellen Qualitäten auch noch die des CAD-Systems. Auf diese Weise können Man-Model-Programme relativ klein gehalten werden.
Und wenn es gelingt, die Menüführung des Ergonomie-Programmes gleich der CAD-Menüführung zu gestalten, und ganz schnelle Programmwechsel und Datentransfers in die jeweilige Partnerdatei zu ermögli- chen, dann sind
einige wichtige Voraussetzungen für ein leistungsfähiges Paket geschaffen. Das sind jedoch nur periphere Überlegungen. Der Planungsansatz insgesamt ist umfassender und schließt auch Anforderungen mit ein, die nicht
schon in den ersten Versionen verwirklicht sein müssen.
2. Man-Model-Entwicklung
2.1 Planungsansätze
<> Zielrichtung
Adressat und Branche, Ergonomie-, Analyse- und Gestaltungsschwerpunkte, Input-
Output- Qualität
<> Programmstruktur
Baum- oder Ringstruktur, Programmgeneratoren zum Codieren bestimmter
Problemlösungen, Dialog- oder Interaktivsystem (Menü), Programmentwicklungsstufen, Programmiersprache
<> Rechnerkategorien
Rechnergröße, Betriebssystem
<> CAD-Einbindung
2D-,
2.5D- oder 3D-Dialog- oder Interaktivprogramme, Applikationsvielfalt, systemeigene Pro- grammiersprachen, Draht-, Flächen- oder Volumenmodeliierung im CAD-Programm
<> Daten und Datenbanken
nationale/internationale aus Anthropometrie, Biomechanik, Energetik, Informationsverarbeitung, Zeiterfassung, offene Datenlisten und ergonomisch-sicherheits- technische Datenbanken, graphische Datenbanken
<> Methoden und Verfahren
Modifizierung bewährter Ergonomiemethoden (MTM, OWAS etc.)
<> Graphische Leistungen
Linien-, Polyline-, Linien-Bogen-, Flächen-, Volumen- oder Polygon-Gummimodelle
<> Mensch-Modelle
Unisex oder Mann und Frau, Normaltypen, Somatotypen, Disproportionale, Kinder, Nationali- täten,
Schwangere, Behinderte als statische Modelle oder Typen, Körpergrößen und Propor- tionen jeweils neu modelliert aus Datenbanken (proportionale und allometrische Skalierung) Anzahl der Körperteile, inneres und
äußeres Modell (Skelett und Muskel), Qualität der Ge- lenke und kinematischen Ketten
<> Modell-Zusätze
Bekleidung und Schutzkleidung, Handwerkszeug, vordefinierte und definierbare Umgebung
<> Sehen
Kamerafunktion axonometrisch oder perspektivisch, modulare Sehentfernung (Zoomen) mit oder ohne Augenbewegung, Fokusierung, Kombination von Sehen und Reflexanimation
<> Animation
im globalen und/oder lokalen Koordinatensystem, Drehgelenke oder Dreh-Bahnen-Gelenke, Winkelbegrenzungen, offene und geschlossene kinematische Ketten, 2D- und/oder 3D-Dateneingabe und/oder
2D-3D-Cursororientierung, Reflexanimation mit oder ohne Kamerafunktion, Phasenbewegung (Inkrements) Animationsspeicherung und Animationsreport Animationsgrundmuster (Körperhaltungen)
<> Gravitation
Schwerpunktberechnung des Gesamtkörpers oder seiner Teile, Gleichgewichtsausgleich in- teraktiv oder automatisch mit oder ohne Lastgewicht
<> Kräfte und Momente
Kraftmessungen an einzelnen Gelenken
und/oder in definierten kinematischen Ketten, Kraft- Weg-Abhängigkeit, Zeit und Häufigkeit, Typ- oder Individuum-bezogen,
Ergebnisse in Promptzeile oder Report (Protokoll), Modifizieren bewährter Verfahren
<> Analyseverfahren
bemaßen, beschriften, markieren, visuelle Kontrolle am Modell, am Objekt und zwischen bei- den, in Ansichten und räumlich, zeichnen mit einfacher und/oder komplexer Graphik,
ein Modell in Umgebung oder gleichzeitig mehrere, Protokoll, Report In- und Output-Qualität
<> Objektbibliotheken
Bereitstellung und Anleitung zur Konstruktion von analyse relevanten technischen
Objekten, (Werkzeuge, Fahrzeuge, Möbel etc.)
<> Organisation
Organisationsformen für Entwicklung und Marketing, Expertenberatung (Physiologie,
Ortho- pädie), Programmieraufwand und Zeit,
Programmpflege und Parallelentwicklungen, Handbuch, Hotline, Schulungen, Publikationen; Kosten
2.2 Planungsaufwand
Mit Sicherheit kann man davon ausgehen, daß der Beratungs- und Planungsaufwand
für die Entwicklung älterer Man-Model-Systeme nicht so umfangreich war, wie o. beschrieben. Aber ebenso sicher ist mit einer Zunahme der Planungsvorbereitung bei zukünftigen Systemen zu rechnen. Dafür sorgen die
steigenden Ansprüche der potentiellen Anwen- der sowie die wachsende Verfügbarkeit der Entwickler über Expertenwissen. Nach Abschluß der Planungs- und Entscheidungsphase nimmt die Phase der Datensammlung,
-auswertung und -aufbereitung einen besonders breiten Raum ein. Durch auftretende Widersprüche in den zu vergleichenden Daten und durch Ermittlung zwingend erforderlicher neuer Daten wird diese Phase zeitlich
zusätzlich verlängert. Denn parallel dazu sind bewährte Ergonomiemethoden dahingehend zu prüfen, ob und mit welcher Modifikation sie evtl. in das Man-Model-Programm übernommen werden können. Und nicht zuletzt
interessieren sich die Entwickler auch für die Leistungen konkurrierender Systeme sowie für die Leistungen der CAD-Programme, mit denen die Neuentwicklung arbeiten soll. Darüberhinaus wird es nützlich sein, die
Finanzierung der Entwicklung und der daran an- schließenden Programmpflege zu sichern. Die Aufnahmefähigkeit des Marktes muß, wenn Aufträge an entsprechende Forschungsinstitute nicht bezahlbar sind, durch umfassende
Diskussionen mit potentiellen Anwendern abgeschätzt werden.
3. Konkrete Leistungen
Leistungsansprüche an Man-Model-Systeme lassen sich abstrakt diskutieren, mit der Gefahr, den realen Möglichkeiten
zeitgemäßer Technologie weit vorauszueilen. EDV-Unkundige verlieren sich leicht in Uthopien, indem sie Rechnerleistungen überschätzen und Z.B. videoähnliche Animationen mit umfangreichen Graphiken auf einem AT
erwarten. Ihre Enttäuschung ist groß, wenn sie bei Bewegungsdarstellungen menschlicher Figuren bei dieser Maschinen-Kategorie viel zu lange auf den Bildschirmaufbau warten müssen. Graphik ist grundsätzlich sehr
rechenintensiv. Komplexe Menschdarstellungen, vielleicht gleichzeitig mit einer detaillierten Umgebung (Stuhl, Schaltpult mit Armaturen) erfordern vom Anwender bei der Verwirklichung auf DOS-Rechnern etwas Geduld.
Um unrealistischen Erwartungen zu entgehen, sollen hier Leistungsansprüche erörtert werden, die in den Systemen ANYBODY (1988/89) und ANTHROPOS (1990) verwirklicht
wurden. Sie haben sich in der internationalen Praxis bewährt und sind Grundlage für
weitere Optimierungen und Anregungen für ähnliche Entwicklungen.
3.1 Zielrichtung
Wegen der enormen
Entwicklungskosten ist eine umfassende Planung zwingend erforderlich, an der alle Team-Mitglieder und Vertreter potentieller Anwenderkreise beteiligt sein sollten. Exakte Teilziele am Anfang eines Planungsprogramms
festzulegen, kann sehr leicht zu einer Einengung der Gesamtleistungen führen. Deshalb ist es besser, nur Zielrichtungen zu formulieren und Teilziele erst im Verlauf der Entwicklung festzuschreiben. Auf diese Weise
sind neue Erkenntnisse und Erfahrungen leichter in den Prozeß mit ein- zubeziehen, und sprunghaften Weiterentwicklungen auf der Hardwareseite kann sofort Rechnung getragen werden.
Am ehesten ist der Kreis
potentieller Anwender (Berufe, Branchen-Abteilungen) festzulegen. Das angestrebte Niveau (industrielle Praxis > Forschung) sowie ausgewählte ergonomische Schwerpunkte (Anthropometrie / Energetik /
Vorgabezeitanalyse / Datenbanken) werden im Planungsverlauf seltener einer Revision zu unterwerfen sein. Erfahrene Teams benötigen für die Entwicklung eines marktfähigen Programms ein bis zwei Jahre. Zwei weitere
Jahre sind erforderlich, um das in den Markt eingeführte Produkt zur vollen Leistung zu bringen und der Fachwelt bekannt zu machen. Die Festlegung der offenzuhaltenden Ziele ist für den Erfolg eines
Man-Model-Systems von einer nicht zu unterschätzenden Bedeutung.
3.2 Programmstruktur
Damit bei zukünftigen Systemen die Weiterentwicklung mit steter Aufnahme von Expertenwissen über viele Jahre
garantiert werden kann, wird es zweckdienlich sein, den modularen Programmaufbau nicht mehr in einer hierarchischen Baumstruktur (ANYBODY), sondern in Ringstruktur (ANTHROPOS) anzulegen, wobei um einen Kern
(Datenbanken) beliebig viele Module angeordnet werden, die über diesen miteinander korrespondieren können. Das Ausbrechen eines Moduls aus dem Ring oder dessen Vergrößerung oder Erweite- rung in Untermodule darf das
System genau so wenig beeinflussen, wie das Hinzufügen beliebig vieler neuer Module (Leistungen).
3.3 Rechnerkategorie
Um höchstmögliche Leistungen verwirklichen zu können, sollten Man-Model-Systeme
nur für Mainframes entwickelt werden. Dem stehen jedoch mehrere hohe Hindernisse entgegen. Die Maschinen und die entsprechenden CAD-Systeme sind sehr teuer und nur eingeschränkt benutzerfreundlich. Nur große
Unternehmen können sie deshalb einsetzen. Das mögen auch die Gründe dafür sein, daß die meisten Ergonomie-Programme für die mittlere Rechentechnik verwirklicht wurden. Große Maschinenleistungen und rückläufige
Preise werden diese Entwicklung noch einige Zeit aufrecht erhalten, und der Anwenderkreis wird immer größer werden. Dennoch ist nicht abzusehen, wann und in welchem Umfang auch dort solche Maschinen eingesetzt
werden, wo man Man-Models dringend benötigt. Das sind mittelständische Betriebe und Hochschulinstitute, Ergonomieabteilungen der Großindustrie, Behörden und Berufsgenossenschaften, Berufsschulen und betriebliche
Ausbildungsstätten sowie kleine Beratungsbüros. Die Chance, daß man sich dort zu preisgünstigeren PC's 386 oder 486 durchringen wird, ist größer, als die Wahrscheinlichkeit, Workstations einzusetzen. Das kann eine
zusätzliche Motivation sein, Man-Models auf PC zu verwirklichen. Sich für DOS zu entscheiden, geschieht nicht, weil man von der Leistung des Betriebssystems überzeugt ist. Es ergibt sich aus dem Verbreitungsgrad und
dem ausgewählten CAD-System.
3.4 CAD-Einbindung
Man-Models sind nur dann sinnvoll, wenn sie in einer leistungsfähigen CAD-Umgebung leben. Dabei müssen beide Systeme zu einem einheitlichen
Werkzeug vereint werden. Die Leistungen eines Programmes wiederholen sich nicht im anderen, werden aber vom jeweiligen Partnersystem voll genutzt. Die Qualität des CAD-Proramms bestimmt u.a. auch die Qualität des
Man-Models. So wird in einem 20- oder 2.5D-CAD-System kein 3D-Man-Model genutzt werden können. Und wenn in CAD keine beliebigen Konstruktionsebenen definiert werden können, wird die Man-Model-Animation nur mit
größtem Aufwand in Lokalkoordinaten zu verwirklichen sein. Desgleichen ist die Entscheidung wichtig, ob das Man-Model in einer pixelorientierten Umgebung arbeiten soll (das Ergebnis sind schöne Dias), oder ob es in
einer vektororientierten Umgebung genutzt werden kann und korrekt bemaßte Zeichnungen als Analyseergebnis zur Verfügung stellt. Entscheidend für eine Partnerschaft ist aber auch die Benutzerfreundlichkeit
(Interaktiv- oder Dialogsystem) und der Verbreitungsgrad einer CAD-Software sowie die Qualität der für die Vereinigung zur Verfügung stehenden (System-) Schnittstelle. Nach sorgfältiger Prüfung aller relevanten
Bedingungen hat das IST-Team für seine beiden Systeme die CAD-Software CADKEY ausgewählt und Einbindungsmöglichkeiten in andere Pro- gramme vorbereitet.
3.5 Daten und Datenbanken
Zwei
Grundforderungen wird man nicht widersprechen können. So muß es selbstverständlich sein, immer die jeweils neuesten menschbezogenen Daten zu verwenden, alle Upgrates ihnen anzupassen und gleichzeitig jede
Datenquelle zu benennen. Das bezieht sich aber nicht nur auf die im Programm verwendeten Daten zur Modeliierung und Animation der Figuren, sondern auch auf die für die Programmanwender bereitgehaltenen modifizierten
Daten (Listing) sowie auf die aufgaben- und bereichsbezogenen Datenbanken, die als Zusatzmodule zur Verfügung gestellt werden.
3.5.1 Programminterne Daten
Für die Man-Model-Generierung müssen, wenn
nicht abweichende Ziele entgegenste- hen, Anthropometriedaten aus folgenden Bereichen genutzt werden.
a) Somatometrie (anthropometrisch-statisch-statistische Daten) b) Somatotypie
(Menschentypen)
c) Nationalitäten (entsprechend a. und b.)
d) Allometrie (proportionale Abweichungen über das Alter)
e) Proportionalitäten (disproportionale Abweichungen z.B. Sitzriesen, Sitzzwerge) f)
Akzelerationen (totale und proportionale Veränderungen über Generationen)
Wenn ein Programm für den internationalen Markt entwickelt werden soll, werden zuerst auch nationale Daten herangezogen werden müssen.
Für die Anthropometrie ist das in erster Linie das "Handbuch der Ergonomie", DIN 33402 und der "Anthropologische Atlas" (Flügel, Grein, Sommer 1983). Für Somatotypen, Disproportionale sowie
Allometrie bieten sich Daten des o. Autorenkollektivs an. Für verwendbare internationale Daten sollen aus dem Gesamtangebot "bodyspace" (Stephen Pheasant, 1986) und Dreyfuss erwähnt werden. Darüberhinaus
wird man für Biomechanik auf Daten von Kampandji, Debrunner und Miltenyi zurückgreifen müssen, während man für den kom- plexen Bereich Energetik die DIN 33 411, ergonomische Handbücher (z.B. Schmidtke) und div.
Bewertungsverfahren zu Rate ziehen sollte.
3.5.2 Datenlisten Auch dann, wenn die Anwender der Ergonomie-Programme die meisten
Informationen aus den Bildschirmgraphiken und deren
Dokumentationsverfahren erhalten, ist es sinn- voll, ihnen wichtige Daten als "Listing" zusätzlich anzubieten. Sie dienen der Ergänzung und Vertiefung der vom Bildschirm erhaltenen Werte. Dabei sollten die
Daten jed<?ch in einer sinnvolleren Form angeboten werden, als sie z.Zt. in Veröffentlichungen vorliegen. Zumeist werden dort pro Druckseite ein oder zwei Maße (z.B. Augenhöhe, Schulterhöhe) für die 5., 50. und
95. Perzentile altersabhängig aufgeführt. Bei der alleinigen Verwendung von Datenbanken für ergonomische Analysen kann das nachteilig sein. Benötigt man viele Maße für ein bestimmtes Alter, müssen diese von
entsprechend vielen Druckseiten abgelesen werden. Die Mehrzahl der dabei gebotenen Informationen benötigt man nicht, sie stören sogar; Lese- und Übertragungsfehler sind unausbleiblich. Das IST-Team bietet deshalb
DIN-Datenlisten anwendungsfreundlicher, d.h. nur jeweils auf ein Lebensalter bezogen, an. Unterschieden in männlich und weiblich können alle Daten perzentilabhängig im durchgehenden Katalog abgerufen, verglichen und
aus- gedruckt werden. Als Vergleich stehen diese Daten auch in Gegenüberstellung zu den Daten des Handbuchs der Ergonomie und des Anthropologischen Atlas' zur Verfügung. Dieser Service soll um Daten aus anderen
Datenbanken erweitert werden. Im ASCII- Format kann der Anwender selbst die Listen ergänzen oder betriebsinterne Datenbanken anlegen. Im Gegensatz zu den internen Daten greifen die Arbeitsprogramme für Animation,
Körpergrößen und Proportionen nicht auf die hier empfohlenen Daten zu. Der Listeninhalt dient allein den Anwendern als Zusatzinformation und zur Maßkontrolle in der nicht graphischen Beweisführung.
3.5.3 Ergonomisch-sicherheitstechnische Datenbanken
Man-Model-Systeme werden neben den konstruktionsrelevanten Bereichen in Maschinenbau und Fahrzeugtechnik ihre Anwendung vor allem in der
Arbeitsplatzgestaltung und im Arbeitsschutz finden. Aber gerade in den beiden letzteren Bereichen kann und will ein Man-Model-System bei weitem nicht alle erforderlichen Antworten geben, die viele Anwender
benötigen. Aus diesem Grund kann es nützlich sein, unabhängige oder integrierte Datenbanken für allgemein ergonomische Leitregeln und für spezielle Problemfelder der Ergonomie und Sicherheitstechnik (Arbeitsschutz)
als optionale Module bereitzustellen. Dabei sollten die Anforderungen an die zu erstellenden Datenbanken nicht hinter denen des Hauptprogrammes zurückstehen, das betrifft die Aktualität der aufbereiteten Daten
ebenso, wie die Qualität der Graphik und des gesamten Layouts.
3.6 Methoden und Verfahren
Jedes Entwicklerteam wird sich darum bemühen, bewährte Ergonomiemethoden und -bewertungsverfahren modifiziert
und aktualisiert mit in das Man-Model-System aufzunehmen. Das ist u.a. erfolgreich gelungen mit der OWAS-Methode zur Bewertung von Körperhaltungen in dem Produkt HEINER (TH Darmstadt) und mit der MTM-UAS- Methode
zur Taktzeitanalyse im Produkt ERGOMAS (DELTA-GmbH). In das Programm ANYBODY wurde eine Methode zur Ermittlung von Grenzlasten beim Heben und Tragen von Lasten integriert, die auf BURANDT/SIEMENS/REFA zurückzuführen
ist.
3.7 Graphische Leistungen
Graphische Leistungen lassen sich vordergründig nach ästhetischen und informatorischen Qualitäten bewerten. Erstere haben einen großen Einfluß auf die Akzeptanz eines
Modells; denn "menschlich" aussehende Figuren werden roboterähnlichen mit Sicherheit vorgezogen werden. Ohne informatorische Qualität hat das allein schöne Modell aber nur eine geringe Bedeutung. Erst der
Informationsgehalt macht -in Kombination mit einer hohen ästhetischen Qualität -den Wert der Graphik aus. Beide Kategorien im Man-Model-System haben sich im Laufe der letzten beiden Jahrzehnte, auch rechnertechnisch
bedingt, verändert. So finden wir Systeme mit Linien- oder Polylinienmodellen, Linien-Bogenmodellen, Flächen- oder Volumenmodellen.
3.8 Menschmodelle
Im Gegensatz zu den bisher üblichen Verfahren sollten die Figuren nicht nur mittels
Ska- lierung veränderbare und über Gelenkpunkte in Körperhaltungen animierbare statisch feste Modelle sein. Durch die getrennte
Behandlung von Daten und Graphiken ist viel- mehr anzustreben, die Modelle in unterschiedlicher graphischer Qualität sowie in Abwei- chung von Körpergröße und -typ, Geschlecht und Alter aus der jeweiligen Datenbank
immer neu aufzubauen. Damit wäre nicht nur eine unendliche Vielfalt, sondern auch die zu Recht geforderte proportionale Exaktheit der Körper- und Körperteilmaße mit großer Annäherung zu erreichen. Die verschiedenen
Denkansätze, statische Modelle einerseits und aus Datenbanken jeweils neue Modeliierungen andererseits, zeigen beispielhaft die System-Graphiken der Man-Models ANYBODY und ANTHROPOS, deren Entstehungs- zeiten nur
zwei Jahre auseinander liegen. In der zentralen Einheit von ANYBODY sind die statischen Figuren als 3D-Drahtmodelle angelegt. Sie liegen als verschiedene Typen (Mann, Frau, Kind, Somatotyp und Nationa- lität) in
einer Datenbank und können jederzeit maßlich linear in der Körpergröße oder in ausgewählten Porportionen verändert werden. Darüberhinaus verfügt ANYBODY als einziges System über einen Editor zur Modelländerung oder
zur Neumodeliierung anderer Figuren (Individuen, Behinderte etc.). Um die statisch fixierten Figuren herum gruppieren sich alle anderen Leistungen. Das sind 20- und 3D-Animationen in Globalkoordinaten und korrekten
Exkursionswinkeln durch Dateneingabe (Winkel) sowie zielpunktorientierte Animation in der Ebene mittels Cursor durch Angabe von Körperteil, Ausgangs- und Endwinkel (Zielpunkt), ebenso 20- und 3D-Transformation
zielpunktorientiert oder durch Dateneingabe. Animationen und Transformationen lassen sich speichern und zu jeder anderen Figur in Grundstellung wieder aufrufen. Da ANYBODY mit einer eigenen Datenbank arbeitet,
können Bildschirminhalte jederzeit als Temporärfile (quasi leihweise) nach CADKEY portiert werden. Dort lassen sich Umgebungselemente (Möbel, Werkzeuge, Maschinen) gemeinsam mit der Figur zu einer Analyseeinheit
arrangieren. Nachdem der veränderte Bildschirminhalt nach ANYBODY zurückgeführt wurde, kann die Figur weiter manipuliert werden. Nach Beendigung der Ar- beit läßt sich ANYBODYi in die CADKEY-Datenbank kopieren, mit
CADKEY-Routinen weiter bearbeiten und dokumentieren. Als Weiterarbeit wird das Messen und Bemaßen, das Markieren von ergonomischen Schwachstellen sowie das Texten verstanden, aber auch das Bekleiden der Figuren und
die Anbindung von sichtgeometrischen Kegeln oder Werkzeugen. Dazu gehört ebenfalls das Erstellen von meßbaren Bewegungsphasen oder Hüllkurven durch verschiedene Kopierverfahren. Durch die beschriebenen Leistun- gen
werden die Modelle in hohem Maße aufgewertet, aber dennoch bleiben sie immer nur puppenähnliche Modelle. Im Gegensatz zu ANYBODY sind die ANTHROPOS-Modelle nicht der zentrale Kern des Programms. In dieser neuen
Entwicklung besteht die zentrale Einheit aus einem komplexen Raumsystem zur Animation und Translation von 3D-Modellen -nicht nur Menschfiguren -innerhalb von Lokalkoordinaten. In ihm lassen sich komplizierte
Bewegungen von "inneren Modellen" in einem immaginären Raum rechnen und anschließend mit Hilfe von Informationen aus umfassenden Datenbanken in akzeptablen Graphiken visualisieren. Je nach erforderlichem
und durch die Analyse zu bestimmendem Output wählt der Anwen- der die entsprechende Modellqualität. ANTHROPOS stellt dafür unterschiedliche Graphikroutinen zur Verfügung. Die Modelle können während der Arbeit gegen
andere ausgetauscht oder zu einer Modellgruppe von max. neun Figuren (Familie, Team) zusammengestellt werden. Alle "auf der Bühne", d.h. auf dem Monitor sichtbaren Modelle lassen sich nacheinander
animieren, und die Animation einer Figur ist auf jede andere zu übertragen. Vor und auch während der Analyse kann sich der Anwender zwischen unbe- kleideten oder bekleideten Figuren entscheiden, die er mit Hilfe des
Ikonenmenüs ein- fach auswechselt. Falls er einer Figur ein Handwerkszeug oder ein Transportmittel (Tablett, Karton, Sortierkasten) hinzufügt und die neue graphische Einheit kompiliert, läßt sich diese genau so
animieren, wie originale ANTHROPOS-Modelle. Besonders wichtig, und bei PC-Programmen nicht selbstverständlich, ist die alters- und perzentilproportionale Skalierung der Figuren. Der übliche Ansatz, daß der Mensch
zwischen 15 und 65 Jahren proportional gleich bliebe und die Proportionen aller Perzen- tile gleichen Skalierungsfaktoren unterliegen, ist falsch und wird in ANTHROPOS nicht mehr aufrecht erhalten.
3.9 Modell-Zusätze (Objektbibliotheken)
Die den Man-Models zugrundeliegenden anthropometrischen Daten wurden an nackten Menschen ermittelt. Demzufolge stellen die Modelle zumeist nackte Menschen dar. Für
besondere Anwendungsfälle kann es jedoch wichtig sein, die Figuren zu "bekleiden". Desgleichen müssen bei bestimmten Analysen die Modelle Handwerkszeuge, Sicht- kegel, Materialkisten etc. mitführen. Auch
div. Stühle, Möbel, Sortierkästen, Fahrzeug- armaturen u.v.m. abrufbereit zur Verfügung gestellt, kann die Arbeit beschleunigen. Bei ANYBODY und ANTHROPOS sind diese Forderungen erfüllt. Anwenderwünsche werden
permanent aufgegriffen und weitgehendst verwirklicht. Aus einer obligatorischen Objektbibliothek lassen sich Kleidung, Werkzeuge, Transportmittel (in 3D) laden. Der Anwender kann selbst die Bibliothek erweitern.
3.10 Sichtgeometrie
Einschlägige Literatur, die Zeichen schablonen und auch die Man-Model-Systeme suggerieren im allgemeinen, daß mit der Lösung geometrischer Probleme (Greifweiten und Greifbereiche) der
ergonomischen Gestaltung Genüge getan wäre. Dem ist nicht so. Weitaus wichtiger und dringender ist es, sich mit den Problemen des Sehens auseinanderzusetzen. Das muß von Man-Model-Systemen unterstützt werden. Eine
erste Hilfe bestand darin, daß den Figuren sichtgeometrische Kegel "angebunden" werden konnten, die sowohl die Sehentfernung, als auch die optimalen und maximalen Blickfelder graphisch und messend
nachvollziehbar darstellten. Modernere Systeme können die Modelle mittels Kamerafunktion ihre jeweilige Umge- bung fast so gut sehen lassen, wie ein Mensch diese sehen würde. Dafür gibt es in ANTHROPOS zwei
besondere Leistungen:
a) "AugeEin" aktiviert die Sehfunktion nur für einmal.
b) "AugeAuf" läßt das Auge während des gesamten Animationsvorganges offen, so daß der Anwender die
animationsbedingte sichtgeometrische Veränderung (Se- hentfernung, Sehwinkel etc.) am Bildschirm ständig verfolgen kann. Mit der "AufKam"- Funktion wird die Augenbewegung ohne Bewegung des Kopfes
simuliert. Dabei wird die momentane (innere) Augenposition im Verhältnis zur Kopfhaltung angezeigt. Selbstverständlich ist die Bewegung des Auges -wie in Wirklichkeit -begrenzt. Daß die Figur z.Zt. noch nicht
perspektivisch sieht, ist für den Nahbereich ohne Bedeutung. An weiteren Sonderheiten, z.B. Farbsehen, wird gearbeitet.
3.11 Animation
Die Optimalanforderung vieler Systemanwender, daß sich die
Modelle genau so wie Menschen bewegen sollen, wird man in absehbarer Zeit nicht erfüllen können. Dafür
sind die menschlichen Bewegungsabläufe viel zu komplex und kompliziert. Und dennoch kann man gerade in
letzter Zeit in der Animation große Fortschritte und eine beachtliche Annäherung an die natürliche Bewegung feststellen. Dieser Fortschritt wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß in modernen Systemen die
Animation und Transformation in lokalen Koordinaten (Eulersystem) erfolgt. Dabei bleiben die der Figur zugeordneten Achsen erhalten, ganz gleich, wo und wie sich die Figur und ihre Extremitäten im Raum befinden. Zur
natürlichen Bewegung trägt auch bei, daß die kinematischen Ketten nun nicht mehr auf eine Extremität (Arm oder Bein) beschränkt bleiben, sondern als erweiterte oder geschlossene Ketten durch den ganzen Körper
gerechnet werden können und sich die Bewegungskombinationen voneinander abhängiger Gelenke, Z.B. Oberarm- Schlüsselbeingelenk automatisch einstellt. Und sobald alle bisherigen Punkt-Drehgelenke durch Gelenke ersetzt
sein werden, die auf Kulissen (Bahnen) geführt werden, wird man die Biomechanik der Modelle akzeptieren können. Dazu trägt auch die schon im ANTHROPOS verwirklichte Gravitationsberechnung bei. Mit und ohne getragene
Last kann das Modell, gleich wie es animiert ist, in sein eigenes Gleichgewicht gestellt werden. Die Auswahl der zu animierenden kinematischen Ketten erfolgt in modernen Systemen mittels Cursor in einem Ikonenmenü,
das die Gelenke darstellt. Der bereits animierte Winkel wird angezeigt. Die korrekt eingestellten Exkursionswinkel können im Animationsprogramm nicht überschrieben werden. Ein besonderer Fortschritt ist die
Reflexanimation in ANTHROPOS. Der Anwender bestimmt nur noch den zu erreichenden Punkt an der Maschine. ANTHROPOS entschei- det, mit welcher Hand der Punkt am bequemsten erreicht werden kann und bewegt diese Hand in
Richtung des Punktes. Ist die Reichweite des Armes zu kurz, wird der Oberkör- per mit in die Bewegung einbezogen. Parallel zu diesem Vorgang dreht die Figur den Kopf und richtet den Sehstrahl auf den ausgewählten
Punkt. Wenn vorher das Auge "eingeschaltet" wurde, kann nachvollzogen werden, wie das Modell den Punkt und seine Umgebung sieht (s. Sichtgeometrie). Mit dem Befehl "greif!" umschließt die Hand
das mit einem Punkt gekennzeichnete Objekt. Solche hier beschriebenen Leistungen sind keine Spielereien überdrehter Entwickler, sie beruhen vielmehr auf konkreten Wünschen vieler Anwender, die direkt oder indirekt
an der Produktoptimierung mitgewirkt haben. Sie möchten, daß alle Programmaktionen, die es zulassen, mechanisiert oder gar vollständig automatisiert ablaufen. Und das nicht nur wegen der dadurch erreichten
Zeitersparnis, sondern noch viel mehr wegen der Ge- wißheit, Anwendungsfehler zu vermeiden. Das Team hat sich anfangs heftig gegen das Ansinnen, Anwendungsautomatisierungen zu entwickeln, gewehrt. Jetzt sind wir
jedoch sicher, daß dies der richtige Weg zu einer noch größeren Anwenderakzeptanz ist. Nun können auch die in der Ergonomie nicht so erfahrenen Praktiker korrekte rechnerge- stützte Analysen erstellen. Die
außergewöhnlich gute Benutzerführung verkürzt die Lern- und Eingewöhnungszeit erheblich. Sowohl in ANYBODY als auch in ANTHROPOS lassen sich alle Animationen speichern und zu einer anderen Figur wieder aufrufen.
ANTHROPOS verfügt zusätzlich über die Möglichkeit, Bewegungsphasen zu speichern und Figuren in bestimmten Körperhaltungen (div. Sitzpositionen) aufzurufen. Darüberhinaus kann mit mehreren Modellen gleichzeitig
gearbeitet werden.
3.12 Gravitation
In ANTHROPOS kann man den Schwerpunkt animierter Figuren berechnen lassen und sie durch Nachanimation in den Schwerpunkt stellen. Bei der Reflexanimation und
eingeschaltetem Gravitationsmodul "stellt" sich das Modell selbst in seinen Schwerpunkt. Die Entwickler sind sich dessen bewußt, daß mit dieser leistung Neuland in der ManModel-Generierung betreten wurde.
An Verbesserungen wird gearbeitet.
3.13. Kräfte und Momente
Anthropometrische Modelle allein haben keine Bedeutung mehr. Bei vielen Analysen
müssen neben den Geometrien auch menschliche Kräfte in
Abhängigkeit von Zeit und Häufigkeit berechnet werden. Bei der Bewertung von Vorgabezeiten für div. Montagearbeiten o.ä. ist ein Kraftpaket schon heute unerläßlich. Im ersten Schritt hat sich das IST-Team zur
modifizierten Übernahme eines seit langem bewährten Systems zur Grenzlastermittlung entschlossen, das aber nicht nur die Grenzlastberechnung vornimmt, sondern die Ergebnisse gemeinsam mit der Graphik (Modell und
Umgebung) als Proto- koll-Print ausgibt. An weiteren Verfahren wird gearbeitet.
4. Ausblick
Parallel zu anderen Ergonomie-Methoden haben sich Man-Model-Programme mittler- weile in der Praxis bewährt;
ihre Akzeptanz im betrieblichen Alltag, in Forschung und lehre nimmt zu, und das nicht nur, weil sie preiswert und leicht handhabbar sind, son- dern weil sich ihre leistungen -verglichen mit anderen Systemen -in
kürzester Zeit vervielfacht haben und mit Sicherheit noch weiter zunehmen werden. Zukünftige CAD- Systeme im Bereich Konstruktion werden sich auf dem Markt nur durchsetzen und behaupten können, wenn sie gleichzeitig
über integrierte Kinematikmodule (Mechanik) verfügen. Vielleicht ist die Zeit bald reif, daß darüberhinaus auch Ergonomie-Module zum geforderten Standard gehören.
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