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Überall in Mensch-Maschine-Umwelt-Systemen, z.B. im Haushalt, im Kraftfahrzeug, bei
Unterhaltungselektronik oder im Straßenverkehr, müssen Informationen vom Menschen
wahrgenommen oder technische Systeme überwacht oder benutzt werden. Die Beispiele
zeigen – und jeder hat wohl schon die Erfahrung gemacht -, dass die Gestaltung der den
Menschen umgebenden Systeme nicht immer optimal, d.h. benutzergerecht, ist. Dass die
Eigenschaften und Fähigkeiten der späteren Benutzer beachtet werden, ist aber
zwingend notwendig, um eine für den Menschen gefährdungsfreie Bedienung und eine
fehlerfreie Mensch-Maschine-Interaktion zu gewährleisten. Daneben hat die
ergonomische Gestaltung von Produkten eine nicht unerhebliche Bedeutung für die
Akzeptanz von Geräten. Beispielsweise ist ein Mobiltelefon, das im Vergleich zu
Konkurrenzprodukten zu kompliziert zu bedienen ist, weil fundamentale ergonomische
Gestaltungsprinzipien nicht beachtet wurden, heute nicht mehr wettbewerbsfähig. Das
frühzeitige Einbeziehen ergonomischer Aspekte in der Produktentwicklung führt also
auch zu einer besseren Marktstellung und einer Reduktion von Kosten aufgrund späterer
Produktänderungen.
Die Gestaltung von Produkten wird allerdings nicht selten Konstrukteuren und Designern
überlassen, die nicht über ergonomische Kenntnisse verfügen. Besonders deutlich wird
dies beispielsweise in der Gestaltung aktueller Produkte der Unterhaltungselektronik,
Computer-Software und mobilen Telekommunikation: Der Benutzer ist hier durch das
Übermaß an Funktionalität und sehr komplexe Systemstrukturen (z.B. verschachtelte
Menüs, versteckte Funktionen) häufig überfordert.
Was ist Produktergonomie?
Die Produktergonomie beschäftigt sich also damit, Produkte so an die Eigenschaften und
Fähigkeiten des Menschen anzupassen, dass ein erleichterter Umgang mit dem Produkt
ermöglicht wird.
Die Anthropometrie umfasst in der Produktergonomie primär die Berücksichtigung der
Maße und Maßverhältnisse des Menschen zur Gestaltung künftiger Produkte und
Arbeitsplätze. Auf Grundlage der Körpermaße werden bspw. bei Fahrzeugen die
Sitzgeometrie, die Anordnung von Stellteilen (Lenkrad, Schalter, Pedale), ihre jeweiligen
Betätigungskräfte und auch die Sichtbarkeit von Instrumenten und Anzeigen ausgelegt.
Die bei der informationstechnischen Gestaltung vorgestellten Prinzipien lassen sich in
den meisten Fällen auf die Gestaltung von Software übertragen.
Die Auslegung eines Fahrzeugcockpits (hier: innovative Konzeptstudie von Daimler) stellt
hohe Anforderung an die anthropometrische Gestaltung. Diese umfasst die Sichtbarkeit,
also Außensicht, Sichtbarkeit und Lesbarkeit von Anzeigen und Instrumenten,
Verdeckungen (bspw. durch das Lenkrad oder Stellteile) sowie die Reichweite
(Erreichbarkeit und Betätigung von Stellteilen) oder die Stellkräfte (Betätigung von
Pedalen, Schaltern und Lenkungselementen). Ferner sind Betrachtungen zum (Dis-)
Komfort aufgrund der einzunehmenden Sitzhaltung anzustellen, welche besonders bei
Langstreckenfahrten wichtig sind.
Wichtige Innovation der im Bild dargestellten Konzeptstudie Imagination ist ein neuartiges
Fahrdynamiksystem, bei dem der Autofahrer alle Bewegungen seines Wagens mithilfe so
genannter Side-Sticks steuert, die in den Türinnenverkleidungen und in der Mittelkonsole
der Coupé-Studie platziert sind. Zum Lenken bewegt er die Side-Sticks nach links oder
rechts, zum Bremsen zieht er sie nach hinten, zum Beschleunigen drückt er die Hebel
nach vorne. Herkömmliche Bedien- oder Verbindungselemente wie Lenkrad, Lenksäule
oder Pedale gibt es nicht. Die Übertragung der Fahrerbefehle erfolgt ausschließlich auf
elektronischem Wege. Deshalb verwenden Fachleute bei diesem System den Begriff
"Drive-by-Wire" ("Wire" bedeutet dabei natürlich nicht wörtlich "Draht", sondern bezieht
sich auf die Stromkabel zur Übermittlung elektronischer Signale).
In die markanten Edelstahlblenden am Glasdach haben die Mercedes-Ingenieure
Kameras eingebaut, die Innen- und Außenspiegel ersetzen. Der Autofahrer wird
stattdessen durch Bildschirme im Cockpit der Coupé-Studie umfassend über das
Verkehrsgeschehen hinter seinem Wagen informiert.
Quelle: http://www.daimler.com
Zweites Beispiel ist ein Flugzeugcockpit für ein mehrmotoriges Passagierflugzeug auf
Basis der AIRBUS-Cockpitpkonzeption. Durch die äußere Flugzeugstruktur wird die
Außensicht und die Position des Piloten im Cockpit vorgegeben. Charakteristisch für
Cockpits sind neben der Vielzahl an SAE-, JAR-, FAA-Normen besonders die lange
Betriebsdauer und das breite Spektrum an globalen Nutzern. Aus anthropometrischer
Sicht sind die Sichtbarkeit, d.h. Außensicht bei Start und Landung und beim Taxiing auf
dem Flugfeld und Sichtbarkeit von Instrumenten genauso wie die Erreichbarkeit von
Stellteilen unter unterschiedlichen Gurt-/Anschnallfunktionen mit einem 5-Punkt-Gurt zu
berücksichtigen. Beim „Fly-by-Wire“ wirken zudem künstliche Führungskräfte zur
Erleichterung der Steuerung. Besonders bei Langzeitflügen (Transatlantik) ist eine
Betrachtung des Haltungskomforts besonders wichtig.
Ein vergleichbares Konzept findet sich bei sämtlichen AIRBUS-Flugzeugen wieder und
erleichtert das Umlernen der Piloten von einem Typ auf einen anderen. Dies ist bspw. im
Rahmen des beruflichen Werdegangs / Aufstiegs bei nahezu allen Fluggesellschaften
erforderlich. De facto kann man nur an Designs das Bedienkonzept eines A319/320/321
von einem A330, A340 oder A380 unterscheiden. Trotz der gleichen Elemente ist aber
wichtig, dass sich das Flugverhalten und die Flugdynamik der unterschiedlichen
Flugzeuge deutlich voneinander unterscheidet.
In der Praxis herrscht häufig eine Mischform bei der Gestaltung vor:
Rein prospektive/planerische Ergonomie ist z.B. im Fahrzeugbau de facto unmöglich, da
Normen (SAE, JAR, FAA) sowie Vordesigns als Basis berücksichtigt werden müssen.
Vorteil eines Vordesigns ist neben der Identifikation mit der Marke auch der leichte
Übergang von einem Typ auf den nächsten: Dies minimiert die Trainingszeit und erhöht
die Zuverlässigkeit. Zusätzlich werden bekannte Fehler vermieden, die beim Vordesign
von einer großen Stichprobe an Benutzern entdeckt wurden.
Es erfolgt deshalb häufig eine kontinuierliche Modifikation bestehender
Fahrerarbeitsplätze, was zu einer Mischform der unterschiedlichen ergonomischen
Ansätze führt.
6 - 6
Prospektive und korrektive Ergonomie
Prospektive Ergonomie:
Verwirklichung ergonomischer
Forderungen im
Gestaltungsprozess
vorhandenes
Produkt
erforderliche
Nachbesserungen
unzulängliche
Arbeitsbedingungen
Korrektur des
vorhandenen
Produktes
Korrektive Ergonomie:
Nachträgliche Korrektur von
ergonomischen Problemen;
aufwendig und häufig
begrenzter Erfolg
ergonomische Bewertung
Lösung
Konzipieren
Entwerfen
Ausarbeiten
Planen und Klären
der Aufgabe ergonomische Bewertung
ergonomische Bewertung
(in Anlehnung an Pahl & Beitz , 1997)
Je später Änderungen erkannt und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden müssen, desto
höher sind die anfallenden Kosten und Folgen eventuell erforderlicher Rückrufaktionen.
Vor allem in Hinblick auf die steigende Relevanz der "Just in time" Auslieferung und die
Folgen von Verzögerungen ist eine sichere Termineinhaltung bei gleichzeitig hoher
Qualität immer schwieriger.
Zwischen den allgemeinen ergonomischen Gestaltungskriterien (die vier
Beurteilungsebenen des Schemas von Hacker 1998, siehe auch AW1, LE 1, Folie
21) und der anthropometrischen Gestaltung bestehen enge Beziehungen. Nach
dem Schema von Hacker sind zunächst die Kriterien tieferer Ebenen zu erfüllen,
bevor übergeordnete in die Betrachtung einbezogen werden. Hier ist zunächst die
Ausführbarkeit durch eine sinnvolle Anordnung der Stellteile (Erreichbarkeit,
Betätigung) und Instrumente (Sichtbarkeit) unbedingt sicherzustellen. Ein Produkt
wie beispielsweise ein Fahrzeug kann nicht geführt werden, wenn wichtige
Elemente wie das Lenkrad oder die Pedale für einen Großteil der Benutzer nicht
erreichbar sind. Für die Schädigungslosigkeit sind auf jeden Fall die auf den
Menschen wirkenden Maximalkräfte zu berücksichtigen. Offensichtlich kann eine
fehlende Berücksichtigung leicht zu direkten Gesundheitsschäden (bspw.
Bandscheibenvorfall beim Heben) führen. Hinsichtlich der höheren Kriterien wie
Erträglichkeit und Beeinträchtigungsfreiheit sind Komfortbetrachtungen
erforderlich, denn sie erhöhen die Kundenzufriedenheit. Auch der
Informationsfluss und die Gestaltung der Informationsdarstellung sind hier zu
optimieren. Die Persönlichkeitsförderlichkeit spricht schließlich allgemeine Fragen
des Designs und des "Wohlfühlens" an. Hier gehen dann Aspekte der farblichen
Gestaltung der Instrumente sowie Designaspekte eher auf einer künstlerischen
Ebene ein. Wichtig ist hier auch eine Individualisierung des Informationsflusses,
so dass der Benutzer das Produkt optimal an die jeweilige Aufgabe und seine
persönlichen Präferenzen anpassen kann.
Es lassen sich die drei in Folie 10-10 dargestellten Anforderungen an die ergonomische
Gestaltung von Produkten ableiten.
Die Anthropometrie ist die Lehre von den Maßen, Maßverhältnissen und der Messung
des menschlichen Körpers (Körpermaße, Bewegung, Massen, Kräfte). Sie setzt sich
zusammen aus den Wortbestandteilen „anthropos“ Mensch und „metrein“ Ermittlung oder
Bestimmung.
Die weit zurückreichenden Grundlagen der Anthropometrie liegen neben der Darstellung
des Menschen in der Kunst besonders in der Architektur. Durch die Einbeziehung der
menschlichen Proportionen in die Gebäudeauslegung sollten auch hier perfekte
Proportionen und Erscheinen ermöglicht werden. Deshalb sind viele mittelalterliche
Bauwerke, besonders Sakralbauten, an menschliche Proportionen angelehnt.
Parallel wurden Körpermaße im täglichen Leben häufig als Maß eingesetzt. Grund hierfür
ist ein fehlendes, allgemeingültiges Bezugsmaß wie beispielsweise das "Ur-Meter".
Stattdessen wurden im Handwerk immer vorhandene Körpermaße verwendet: Der Zoll /
das Inch ist die Länge des ersten Daumengliedes, eine Elle die Strecke vom Ellenbogen
bis zur Fingerspitze, und Wege konnten durch die "Gerechte Feldrute" gemessen
werden, bei der sich 16 Personen "Fuß-an-Fuß" hintereinander aufstellten.
Mit der Renaissance wurde die Anthropometrie auch in der Medizin, speziell der
Anatomie, eingesetzt, um Skelettaufbau und inneren Aufbau des Menschen
reproduzierbar wissenschaftlich zu spezifizieren.
Mit konkreten Ergebnisse zum menschlichen Körperbau an sich beschäftigte sich
besonders da Vinci. Sein Ziel war eine realistische Darstellung in den schönen Künsten,
aber auch praktische Anwendung der erhaltenen anthropometrischen Erkenntnisse bei
der Gestaltung von Geräten. Waren Geräte oder Werkzeug bislang nur "evolutionär"
entwickelt worden, d.h. gute Auslegungen wurden weiterverfolgt, schlechte verworfen, so
wurde nun zunehmend eine zielgerichtete, fast schon ingenieurwissenschaftliche
Gestaltung möglich.
Es gibt eine Vielzahl anthropometrischer Maße. Heute gilt der Grundsatz: Was messbar
ist wird auch gemessen. Aus Sicht der Produktergonomie ist aber nur ein noch immer
großer Teil der Gesamtmaße interessant. Diese sind hier angegeben. Übersicht über
große Datensammlungen finden sich in den Normen. Hier werden neben den
Körpermaßen vor allem auch die Rahmenbedingungen bei der Datenerhebung
angegeben. Diese sind bei der Anwendung stets zu berücksichtigen, da ansonsten
Fehldesigns wahrscheinlich sind. Beispielsweise sind die meisten Körpermaße bei
unbekleideten Personen in normierten Standardhaltungen (rechtwinkliges Sitzen)
erhoben: Dieser Fall liegt in der praktischen Anwendung aber nur recht selten vor.
Deshalb sind Sicherheitsmargen beim Produktentwurf erforderlich. Ebenfalls sind die
Differenzierung/Charakterisierung der gemessenen Stichprobe zu beachten, denn es gibt
große Unterschiede bei absoluten Körpermaßen wie auch bei den Körperproportionen
zwischen den Geschlechtern, Altersgruppen und regionalen Gruppen. Zur allgemeinen
Charakterisierung des Körperbaus und der Korpulenz werden die verschiedenen
Körpermaße häufig zusammengefasst. So lassen sich korpulente, gedrungene Personen
leicht von aufgeschossenen, hageren Personen unterscheiden und bei der
Produktgestaltung besonders berücksichtigen.
Die Beschränkung auf einen einzelnen Wert (bspw. den Mittelwert) zur Beschreibung der
Körpermaße ist nicht sinnvoll, da später auch mehrere Benutzer ein Produkt sinnvoll
verwenden können sollen. Beim Mittelwert würden sich sonst beispielsweise jeder zweite
den Kopf an der Türe stoßen! Stattdessen werden in der Anthropometrie Perzentile
verwendet, die einen Bereich abdecken. Ein Perzentil gibt an, wieviel Prozent der
Gesamtbevölkerung ein Maß unterschreiten. Das 5. Perzentil entspricht dabei einem
kleinen Menschen, denn nur 5 % der Gesamtbevölkerung sind kleiner. Das 95. Perzentil
ist ein großer Mensch, denn 95% sind kleiner und nur 5 % größer. Längsmaße wie die
Körperhöhe sind normalverteilt, so dass ein einfacher Zusammenhang zwischen Perzentil
und Mittelwert/Standardabweichung besteht. Der Mittelwert entspricht einfach dem 50.
Perzentil (50% sind kleiner als das Maß) und das 5. bzw. 95% dem Mittelwert abzüglich,
bzw. zuzüglich dem 1,96-fachen der Standardabweichung. In der Praxis werden das 5.
und 95. Perzentil verwendet. Bei der Verwendung der Perzentils ist aber zu beachten,
dass sich das Perzentil nur auf EIN Körpermaß bezieht und nicht auf alle. Ein kleiner
Mensch, dessen Körpergröße dem 5. Perzentil entspricht, kann durchaus auch beim
Körpergewicht dem 95. Perzentil entsprechen (und entsprechend viel wiegen!).
Wie aus der Zeichnung ersichtlich gibt es weitere Unterschiede zwischen den
Benutzergruppen, die ebenso zu berücksichtigen sind: Geschlechtsunterschiede sind
hierbei besonders wichtig. So entspricht die Körperhöhe einer mittleren Frau (50.
Perzentil) in etwa der eines kleinen (5. Perzentil) Mannes. Genauso gibt es
geschlechtsspezifische Unterschiede auch bei anderen Körpermaßen und Proportionen.
Ein Vermischen der Daten für Mann und Frau würde kein Sinn machen, da die
Unterschiede so nicht mehr ausreichend berücksichtigt würden. Stattdessen sind hier
unterschiedliche Analysen der Produktergonomie erforderlich.
Bei sicherheitsrelevanten Maßen wird normalerweise das 1.- bzw. 99.-Perzentil
verwendet.
Körpermaße des unbekleideten, stehenden Mannes
Die in den Tabellen wiedergegebenen Werte beruhen auf statistisch abgesicherten
Messungen an Personen der Bundesrepublik Deutschland (DIN33402).
In der Industrie können Arbeitsmittel und Arbeitsplätze, deren Abmessungen auf die
Körpermaße des Menschen abgestimmt sein sollten, aus wirtschaftlichen Gründen nicht
immer für jeden einzelnen Benutzer gestaltet werden. Es ist deshalb notwendig, aus
statistischen Erhebungen der Körpermaße der Bevölkerung eine Grundlage für die
Anpassung der Arbeitsmittel und des Arbeitsplatzes an die Körperform möglichst vieler
Benutzer zu erarbeiten. Dabei wird man je nach Aufgabenstellung und Benutzungsart zu
verschiedenen Arbeitsplatzgrößen, zu Verstellmöglichkeiten oder zu einer für alle
Benutzer brauchbaren Gestaltung des Arbeitsplatzes kommen (DIN33402 Teil 2,
Beiblatt). Die Normung wird derzeit auf ISO-Norm umgestellt.
Neben der Geschlechtsdifferenzierung sind auch die Unterschiede zwischen
Altersgruppen, Region und Bekleidung einzubeziehen. Dies gilt umso stärker wenn die
Produkte für globale Märkte ausgelegt werden müssen.
Regions-/ Kulturabhängigkeit der Maße: Ein 95.-Perzentil-Inder, und damit ein
ausgesprochen großgewachsener Mann dieser Region kommt gerade etwa einen 10.-
Perzentil-Mitteleuropäer gleich. Die Spannweite von 5.- bis zum 95.-Perzentil-Mann der
Region “Südostasien” beträgt 153.5-174.5 cm.
(siehe auch: Sanders & McCormick, 1993, pp. 420ff)
Im Laufe der Zeit ist insbesondere in den Industrienationen eine allgemeine Zunahme der
Körpermaße zu verzeichnen. Diese als Akzeleration bezeichnete Erscheinung wird vor
allem auf die Verbesserung der Lebensumstände (Hygiene, Ernährung, Arbeits-
bedingungen) zurückgeführt.
Eine Extrapolation zur Angleichung älterer Tabellen oder zur Abschätzung zukünftiger ist
jedoch problematisch, da die Größenzunahme nicht kontinuierlich erfolgt und keine
zuverlässige Prognose über ein mögliches Ende der Akzeleration vorliegt.
Allerdings wurde beispielsweise beim Airbus A380 die Akzeleration bis ins Jahr 2050 für
die Auslegung der Kabine eingerechnet, um den Passagieren auch dann noch
angenehme Platzverhältnisse zu ermöglichen
(Bauch, 2001, www.haw-hamburg.de/pers/Scholz/dglr/ bericht0101/Bauch.pdf).
Körpermaße sind nicht unabhängig voneinander, sondern korrelieren unterschiedlich
stark miteinander. Körpermaße innerhalb einer Gruppe (bspw. Höhen- und Längenmaße
sowie Reichweiten) besitzen hohe Korrelationen zueinander, während die Korrelation
zwischen Körpermaßen unterschiedlicher Gruppen praktisch nicht vorhanden ist: Nicht
jede große Person ist übergewichtig!
Das statistische Instrument der Faktorenanalyse kann auf Basis der Zusammenhänge
eingesetzt werden, um ähnliche Maße zusammenzufassen. Vergleichbares geschieht in
der Anthropometrie auch durch die Verwendung von Indexwerten. Es zeigen sich drei
Bereiche von Körpermaßen: der Längenwuchs, die Korpulenz und die Proportion
(Sitzriese/Sitzzwerg).
Eine optimale Produktgestaltung berücksichtigt also nicht nur kleine oder große Personen
(Längenwuchs), sondern berücksichtigt ebenso die Korpulenz und die Proportionen. Statt
zwei Werten (groß-klein) gibt es derer also 8:
groß, schlank, kurzbeinig,
groß, korpulent, kurzbeinig,
groß, schlank, langbeinig,
groß, korpulent, langbeinig
und dasselbe für die kleinen Personen.
Weiterhin sind Geschlechtsunterschiede und die Differenzierung nach Altersgruppen zu
beachten.
Muskelkraft ist eine Körperkraft, die durch Aktivität der Muskeln innerhalb des
Körpers wirkt. Es wird unterschieden nach statischer und dynamischer
Muskelkraft. Statische Muskelkraft ist die Muskelkraft, die ohne
Längenveränderung des Muskels durch seine Aktivität entsteht, wohingegen
dynamische Muskelkraft während der Längenveränderung des Muskels erzeugt
wird. Massenkraft ist eine Körperkraft, die als Trägheitskraft wirkt, z.B. dynamisch
als Beschleunigungs-, Verzögerungs- bzw. Zentrifugalkraft bei mobilen
Arbeitsplätzen oder statisch als Eigengewicht. Aktionskraft ist eine Körperkraft, die
nach außen vom Körper aus wirkt. Sie ergibt sich aus der Massenkraft und der
Muskelkraft. Massen- und Muskelkraft können sich je nach Betrag und Richtung in
ihrer Wirkung verstärken oder abschwächen. Nach den kraftabgebenden
Körperteilen wird die Aktionskraft z.B. in Arm-, Hand-, Bein- oder Fingerkraft
eingeteilt; nach der Kraftrichtung wird die Aktionskraft z.B. nach Vertikal- oder
Horizontalkraft eingeteilt. Nach dem Kraftrichtungssinn wird die Aktionskraft
unterschieden nach Zug- und Druckkraft.
Die Angaben der DIN 33411-4 gelten für aufrechte freie Körperhaltung mit
unversetzter paralleler Fußstellung bei einem Fußabstand von 30 cm. Die
angegebenen Werte der maximalen statischen Aktionskräfte wurden an ortsfest
angeordneten Handgriffen bei kurzfristiger maximaler Kraftanspannung der
Arbeitspersonen ermittelt. Verwendet wurde ein zylindrischer Griff mit einem
Durchmesser von 30 mm, der ohne Hilfsmittel betätigt wurde. Es handelt sich um
Mittelwerte der maximal erreichbaren statischen Aktionskräfte, die für bestimmte
Personenkollektive gelten (z.B. Männer im Alter von 20 bis 25 Jahren) und nicht
repräsentativ für die Gesamtbevölkerung sind. Die Darstellung erfolgt in Form von
Isodynen. Für abweichende Betätigungsfälle (z.B. hinsichtlich der Körperhaltung
oder der geforderten Kraftrichtung) muss die Übertragbarkeit der angegebenen
Daten überprüft werden. In der DIN 33411-3 und der DIN 33411-5 werden
beispielsweise maximale statische Aktionskräfte anderer Betätigungsfälle
dargestellt.
Körperkräfte des Menschen spielen für alle mechanischen Verrichtungen eine Rolle. Sie
treten auf beim Einhalten von Körperstellungen, bei der Durchführung freier oder
geführter Bewegungen des Körpers oder seiner Extremitäten, beim Umgang mit
Werkzeugen, bei der Betätigung von Stellteilen oder bei der Manipulation von Lasten.
Körperkräfte werden als Muskelkräfte innerhalb des Körpers entwickelt, wirken als
Massenkräfte (Trägheitskräfte) von außen auf den Körper ein oder werden vom Körper
als Aktionskräfte nach außen übertragen.
Körperkräfte des Menschen können im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit für die Gestaltung
von Arbeitsmitteln mit unterschiedlicher Zielsetzung erhoben werden. So könnte bspw. für
die Frage der Auslegung der Betätigungswiderstände von Stellteilen, die in einem
Kraftfahrzeug bedient werden müssen, eine Datenerhebung unter dem Gesichtspunkt
einer komfortablen Bedienung erfolgen. Für die kontinuierliche manuelle Regelung von
dynamischen Prozessen steht dagegen die Frage im Vordergrund, welchen
Betätigungswiderstand Stellteile mindestens haben müssen, um eine angemessene
propriozeptive (Wahrnehmung aus dem eigenen Körper vermittelnd) Rückmeldung über
den Bewegungsvorgang zu liefern.
Funktionsmaße: Wirkraum des Hand-Arm-Systems
Neben den Maßen für die Funktionsausführung (Wirkbereiche, Bewegungsbereiche der
Gelenke) können auch Sicherheitsmaße (Sicherheits-, Mindest- und Maximalabstände)
sowie Raumbedarfsmaße (Platzbedarf, Ausgleichsbewegungen) unterschieden werden.
Neben der statischen Anthropometrie ist es bei der Produktgestaltung zunehmend auch
wichtig, die Dynamik zu berücksichtigen. Haltungen sind in der Realität schließlich auch
nie statisch, sondern schwanken geringfügig um die Mittellage. Besonders Arbeit ist
immer mit willentlichen Bewegungen verbunden.
Zur Berücksichtigung der Bewegung ist allerdings also wichtig zu bemerken, dass eine
zusammenfassende Methodik zur Erfassung und Dokumentation von Bewegungen wie
bei der Anthropometrie nicht vorhanden ist. Während bei der statischen Anthropometrie
Perzentile oder Körperbautypen die Variabilität innerhalb von Personengruppen
beschreiben, gibt es solches bei der Bewegungsmessung nicht.
Dabei herrscht eine noch stärkere Streuung und Variablität zwischen unterschiedlichen
Bedingungen. Sogar der selbe Mensch führt eine Bewegung nie zweimal exakt gleich
aus. Es gibt damit neben der inter-individuellen Streuung auch einer intra-individuelle. Bei
der Berücksichtigung von Bewegungen ist folglich der Ergonom auf Abschätzung des
Raumbedarfs oder auf einzelne Bewegungsbahnen angewiesen.
Eine zielgerichtete Bewegung ist in mehrere Phasen untergliedert. Der eigentlichen
Bewegung geht eine Planungsphase voraus, in der eine Bewegungsvorprogrammierung
durchgeführt wird. Die Bewegung an sich gliedert sich wiederum in zwei Phasen: Die
ballistische und die visuell-kontrollierte Phase. Die erste Phase dient der schnellen
Heranführung an das Ziel, während in der zweiten Phase eine kontrollierte Feinjustierung
stattfindet.
Die zeitliche Aufteilung dieser beiden Phasen beträgt ungefähr 2/3 zu 1/3.
Zur Charakterisierung der Bewegung existieren Ansätze unterschiedlicher Komplexität:
Zeitliche und räumliche Kennwerte sind zwar einfach zu benutzen, vereinfachen eine
Bewegung aber sehr stark und eignen sich deshalb nur für eng umrissene
Spezialbereiche (bspw. Methods-Time-Measurement- oder Work-Factor-Verfahren im
Rahmen der Produktionsplanung).
Bewegungsbahnen, bzw. Trajektorien, geben die räumlichen Verhältnisse deutlicher
wieder. Problem ist die Zusammenfassung und sinnvolle Aufbereitung und Darstellung
der Vielzahl an möglichen Bewegungsbahnen.
Biokinematische Modelle basieren auf unterschiedlichen Ansätzen (bspw. Biomechanik
oder Inverse Kinematik) und erlauben eine genaue Nachbildung einzelner Bewegungen
für Digitale Menschmodelle oder in Simulationen. Das Problem ist auch hier die
Variabilität der Bewegungen. Trotzdem haben sie sich aufgrund der hohen
Anschaulichkeit und der Augenscheinvalidität bei Präsentationen derzeit durchgesetzt
und werden von nahezu allen Menschmodellen unterstützt.
Sichtbereiche (oben links: verschiedene Bereiche des Gesichtsfeldes –
Farbabhängigkeit beachten!) und damit die Erkennbarkeit und Lesbarkeit von
Instrumenten (abhängig von Sehschärfe – Visus 1 (normal): 1 Bogenminute
Auflösung) sind mindestens von gleich großer Bedeutung wie die Körpermaße. So
wird bei der Gestaltung von Fahrzeugen stets von einem fiktiven Augenpunkt
(Design-Eye-Point, Flugzeug) oder einer Augenellipse (Auto) ausgegangen, in
welchem sich das Auge des späteren Benutzers befindet.
Flugzeug (unten links):
Design Eye Position (Augenpunkt):
... ist ein relativ zur Flugzeugstruktur festgelegter Punkt, an dem sich die Augen
des Piloten in der normalen Sitzposition befinden sollen (SAE ARP 4202);
Festlegung der Position des Piloten im Cockpit; Sitzverstellbereich ist so
festzulegen, dass alle Piloten Position im DEP erreichen.
Line of Sight (Sichtlinie)
Sichtlinie gibt die Blickrichtung bei der Landung vor; nach unten geneigt (wg.
Anstellwinkel bei Landung)
In der Praxis kann die Überprüfung der Sichtbedingungen auch durch Sichtlinien
im CAD oder der technischen Zeichnung erfolgen. Einfacher ist dies mit
Menschmodellen (rechts unten), welche die Sichtbereiche als Kegel darstellen
oder direkt die Sicht des Benutzers berechnen.
Somatographie (grieschisch): Körperzeichnen
Bei der Schablonen-Somatografie wird eine Körperumrissschablone einer Zeichnung
oder einem Modells des Arbeitsplatzes maßstäblich überlagert. Schablonen wurden in
der Vergangenheit häufig zur Abschätzung der anthropometrischen Gestaltung
eingesetzt. Auch in den Anfangstagen des CAD wurden sie auf Ausdrucken der
Arbeitsplätze verwendet. Aufgrund der Verbreitung und der höheren Funktionalität im
CAD wurden sie in der Vergangenheit weitgehend durch digitale Menschmodelle ersetzt.
Körperumrissschablonen existieren für verschiedene Körperhöhen in der Vorderansicht,
Seitenansicht und Draufsicht. Die Angabe von Gelenkmittelpunkten erlaubt eine einfache
Darstellung verschiedener Körperstellungen zur Überprüfung der maßlichen Gestaltung
von Arbeitsplätzen.
Körperumrissschablonen: DIN 33408 Teil 1, siehe auch: Pahl et al., 1996, p. 306; Pahl &
Beitz, 1997, S. 368; Luzak & Volpert, 1997, S. 382
somatography: Sanders & McCormick, 1993, pp. 419-420
physical models: Sanders & McCormick, 1993, pp. 422-423
(links unten): Bosch-Schablone – 4 einfache Schablonen für: 5. Perz. Frau, 50. Perz
Frau/5. Perz. Mann, 95. Perz Frau/50. Perz Mann, 95. Perz. Mann. Regeln des
technischen Zeichnens gelten, deshalb in technischer Zeichnung auch dreidimensionale
Ergebnisse möglich. Starke Vereinfachung der Gelenke (Punktgelenke), aber mit Angabe
von Maximalwinkeln.
(rechts unten): Kieler Puppe – 6 komplexe Schablonen für 5., 50., 95. Perz. Frau und
Mann. KP in Seitenansicht für unterschiedliche Maßstäbe vorhanden (genormt unter DIN
33408). Charakteristisch sind Kulissengelenke für Schulter, Hüfte, Knie, die genaue
Reichweitenergebnisse ermöglichen. Eingeschränkter Einsatzbereich, da Ergebnisse
auch nur für Schulterebene gelten, also nicht bei Bewegungen zur Seite (was in der
Realität der Normalfall ist).
Heute haben sich digitalen Menschmodelle aufgrund der Verbreitung im CAD weitgehend
durchgesetzt. Wurden in der Anfangsphase noch maßstäbliche CAD-Ausdrucke
angefertigt, in die dann die Schablonen eingefügt wurden, so werden durch die digitalen
Menschmodelle die Körpermaße direkt im CAD berücksichtigt.
Die Menschmodelle beinhalten Datenbanken mit anthropometrischen Maßen
(Körpermaße, Sichtbereiche, Gelenkwinkel, Kräfte), eine Bewegungssimulation und
weitere Analysetools, die Analysen von Erreichbarkeit und Sicht, aber auch
weitergehende Komfortbetrachtungen ermöglichen.
Je nach Modell unterscheiden sich zwei grundsätzliche Vorgehensweisen:
1 – Modell im CAD:
Hier ist das Digitale Menschmodell in die CAD-Umgebung integriert (bspw. Anthropos in
CATIA). Die Geometrie des Produkts muss nicht erst exportiert und gewandelt werden,
sondern ist stets vollständig und im korrekten Layer-Format vorhanden. Änderungen
können direkt in der Urversion des Designs ausgeführt werden. Vorteil ist, dass keine
Verluste beim Transfer des Designs in eine andere CAD-Umgebung auftreten und
Änderungen durchgängig sind. Nachteil ist eine ggf. langsamere Berechnung des CAD-
Modells, welches hier nur als Modul der CAD-Umgebung implementiert wurde.
2 – Designanalyse in der Umgebung des Menschmodells:
Das Design wird (teilweise) aus der ursprünglichen CAD-Umgebung exportiert und in
eine eigene Menschmodell-Umgebung (mit deutlich weniger Optionen als im CAD)
importiert. Hier werden dann die Analysen durchgeführt. Vorteil sind schnellere
Berechnungen (da nicht stets die gesamte CAD-Umgebung im Hintergrund läuft),
Nachteil allerdings Probleme beim Transfer des Designs aus dem CAD in das
Menschmodell.
Es folgt ein Beispiel für die allgemeine Vorgehensweise bei der anthropometrischen
Produktgestaltung. Als Beispiel zur Illustration dient das Menschmodell RAMSIS der Fa.
Human Solutions. Die Vorgehensweise gilt aber auch für alle weiteren Menschmodelle.
Im ersten Schritt erfolgt die Generierung des ersten Menschmodells:
Grundsätzliche Optionen (links):
(1) Generieren eines ersten, repräsentativen Menschmodells durch eine
Datenbankabfrage (im Menschmodell meist vorhanden). Wichtig ist dabei der Bezug zur
Benutzergruppe, d.h. Differenzierung nach Geschlecht, Nation, Alter, Akzeleration,
Längenwuchs, Korpulenz und Proportion.
Oder
(2) Generierung eines eigenen Menschmodells auf der Basis anthropometrischer Maße.
Hierbei wird das Modell durch die Eingabe von unterschiedliche vielen Leitmaßen
extrapoliert und berechnet.
Das Modell wird dann zusammen mit dem (vereinfachten) Produktdesign in einer
Umgebung dargestellt.
Im zweiten Schritt wird die Aufgabe und Restriktionen definiert:
1. Zunächst werden die Sitzhaltung durch Angabe des Sitzreferenzpunkts/Hüftpunkts
und der Neigung der Sitzebenen/-lehnen festgelegt. Es werden ferner Kontaktflächen
und die Position von Stellteilen definiert und in das Menschmodell eingegeben
2. Dann werden die Körperteile und die Haltung (bspw. Kontakt- oder Umfassungsgriff)
festgelegt.
3. Schließlich erfolgt die Animation (Berechnung der Haltung) durch das Menschmodell
und eine erste visuelle Plausibilitätsprüfung
"Einfache" Analysen wie Sichtbereiche und Greifräume/Erreichbarkeiten werden dann
vom Modell ausgeführt.
Sichtbereiche werden zum Einen für "Außenstehende" durch Kegel dargestellt, zum
Anderen auch für das jeweilige Modell. Durch Ändern des Modells wird so ein plastischer
Eindruck der späteren Sicht erzielt.
Greifräume können für die planende Ergonomie direkt dargestellt werden und so bei der
Positionierung von Stellteilen berücksichtigt werden. Für die prüfende Ergonomie kann
die Erreichbarkeit von Stellteilen direkt überprüft werden, indem sie in die Aufgabe (siehe
vorangegangene Folie) eingehen. In diesem Fall wird auch die korrekte Haltung
berücksichtigt.
WICHTIG: CAD-Umgebungen lassen eine beliebige Genauigkeit bei solchen
Untersuchungen zu (1/10 mm sind hier kein Problem). Allerdings sind die
anthropometrischen Daten wie auch die Haltungsdaten bei weitem nicht so genau. In der
Praxis sollte deshalb besonders bei Reichweiten oder Kollisionen mit dem Produkt mit
Sicherheitsmargen von mindestens 1 cm gerechnet werden.
Die Analyse des Haltungskomfort ist komplexer. Hier gehen Größen wie die Körpermaße
(diese sind allgemeingültig und unabhängig vom Produkt), Gelenkwinkel (diese sind
abhängig vom Produkt) und Kräfte auf die Gelenke (dabei handelt es sich um Details) mit
ein.
Durch Regression bzw. umfangreiche Komfortmodelle wird aus den unterschiedlichen
Größen ein (Dis-)Komfort berechnet, der dann angezeigt wird.
WICHTIG: Bei dieser Angabe nicht unkritisch alles übernehmen, sondern prüfen, für
welche Rahmenbedingungen Diskomfort-Berechnung validiert worden sind. So können
Fahrzeugüberlegungen (bspw. Automobilbau) nicht problemlos auf alle Bereiche (bspw.
Wartung) übernommen werden. Besonders problematisch sind unterschiedliche
Körperhaltungen (sitzend/stehend). Hier ist ein Transfer nicht möglich.
Ein unkritisches Vertrauen auf die Messwerte führt zu Fehlern!
Mit einem einzelnen Modell lässt sich kein Benutzerkollektiv abbilden. Folglich sind die
Analysen mit weiteren Modellen zu wiederholen. Je nach Komplexität des Kollektivs kann
das auch mehr als 10 Modelle umfassen. Nur so können aber Problembereiche (siehe
Kopfkollision in der Folie beim großen Mann mittlerer Korpulenz und mittlerer Proportion)
identifiziert und behoben werden.
Dass die von Menschmodellen simulierten Bewegungen oder Haltungen nicht
uneingeschränkt für die Auslegung von Produkten verwendet werden dürfen zeigen diese
Abbildungen. Hier sind einige Fehlinterpretationen des durch den menschlichen
Bewegungsapparat theoretisch zulässigen Freiheitsgrade abgebildet, die zwar
theoretisch durch die mathematischen Zusammenhänge des Menschmodells zulässig
sind, aber durch den Menschen so tatsächlich nicht eingenommen werden können.
Dies trifft vor allem auf die eingenommenen Körperwinkel oder –torsionen und
Durchdringungen mit angrenzenden Gegenständen zu.
RAMSIS ist das 3D-CAD-Ergonomiewerkzeug. Mit RAMSIS lassen sich Package- und
Designstudien während der Konstruktionsphase eines Fahrzeugs umfassend bearbeiten.
RAMSIS ist das weltweit führende CAD-Werkzeug zur ergonomischen Gestaltung und
Analyse von Fahrzeuginnenräumen und Arbeitsplätzen und wird bereits bei mehr als
60% der Automobilhersteller verwendet. Vorteil: Umfangreiche Analyse bereits in der
Vorentwicklung möglich, ohne das teuere physische Modelle gebaut werden müssen.
Anthropometrische Datenbank: 90 reale, statistisch abgesicherte Körperbautypen
Standardanimation: Translation/Rotation interaktiv oder numerisch, Gelenkanimation
numerisch oder interaktiv, schnelle automatische Zielpunktanimation für frei definierbare
Ketten von Körperteilen, Interaktives Nachziehen von Körperteilketten, Analyse von
Raumkoordinaten und Gelenkwinkeln
Restriktionsanimation: Grenzkörperhaltungsberechnung, typunabhängige Aufgaben-
beschreibung, interaktive Zieldefinition, Berücksichtigung von Grenzflächen, Tangen-
tialitätsbedingungen, Berücksichtigung von Selbstdurchdringung
Gesundheits- und Komfortanalyse: Analyse des Haltungskomforts, Haltungsabhängige
Körperteilkomfortbewertung, Ermüdungsanalyse, Orthopädische Bewertung der Wirbel-
säulenkrümmung
Sichtanalyse: Einbeziehung der Augen- Kopf- und Halsbewegungen in die Restriktions-
animation. Interne Sicht, Ergonomische Bewertung des Sichtfeldes, Berücksichtigung der
Sehentfernung, Simulation der Spiegelsicht
Gurtanalyse: Berechnung des Gurtverlaufs, Berechnung der Gurtablösepunkte,
Erreichbarkeitsanalyse: Typabhängige Berechnung der Erreichbarkeitsflächen, (auch) für
Extremitäten, Berechnung von Erreichbarkeitsflächen für Körperteilketten.
Das Menschmodell JACK besitzt einen Hintergrund primär in der Computergrafik,
beispielsweise in der Animation virtueller Menschen in Filmen. Es wird aber häufig auch
im englischsprachigen Raum zur Gestaltung von Produkten (primär: Fahrzeugen)
eingesetzt und dient darüber hinaus auch als Illustrationsmedium für Ausbildungsfilme.
Hauptanwendung ist heute neben der Produktgestaltung die Darstellung von Menschen
in Virtuellen Umgebungen. Dabei wird der JACK über bestimmte Hardware vom Benutzer
quasi ferngesteuert und folgt den Bewegungen des realen Menschen. Durch Darstellung
der "virtuellen" Sicht des Jack-Modells entsteht dann der Eindruck, im Fahrzeug selbst
anwesend zu sein. Dies ermöglicht sehr frühe und detaillierte Produktanalysen.
Die Datenbank für Körpermaße basiert primär auf US-amerikanischen Datensätzen; sie
werden als Perzentilpersonen abgebildet. JACK bietet Funktionen zur Analyse der Sicht,
Reichweite, Haltungen und Bewegungen.
Delmia (Digital Enterprise Lean Manufacturing Interactive Application) von Dassault
Systems ist eine Software zur Planung, Visualisierung, Simulation und Absicherung von
Produktionsplanungen. Dabei verfolgt Delmia erste Ansätze in Richtung Umsetzung der
Digiitalen Fabrik und beinhaltet ein integriertes Menschmodell, DELMIA Human.
Entwicklungsschwerpunkt war die Abbildung von Körpermaß-Variabilitäten für den
Einsatz in der Fahrzeuggestaltung. Ähnlich wie bei RAMSIS ist hierzu auch eine
umfangreiche Methodik vorhanden, die weit über einfache Perzentilpersonen
hinausreicht.
Die vorhandenen Analysefunktionen umfassen Sicht-, Reichweiten-, Haltungs- und
Bewegungsanalysen. Zusätzlich sind Funktionen zur Durchführung von MTM-, Kraft- und
Leistungsanalysen vorhanden.