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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
6 - 3 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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.
6 - 4 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Ziele der räumlichen Arbeitsplatzgestaltung und
–analyse (Beispiel Flugzeugcockpit)
Anthropometrie •Sichtbarkeit
(Außensicht, Anzeigen,
Verdeckung)
•Reichweite (Erreichbarkeit von Stellteilen)
•(Stell-)kraft (Pedalkräfte, Schalterkräfte,
Lenkkräfte)
•Haltung & Komfort
Biomechanik
•Bewegung (Freiräume)
•Crashverhalten (Sicherheit)
6 - 5 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Ziele der räumlichen Arbeitsplatzgestaltung und
–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)
6 - 6 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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.
6 - 7 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 8 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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"
6 - 9 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 10 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Zeichenschablonen
Bosch-Schablone "Kieler Puppe"
6 - 11 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 12 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 13 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Digitale Menschmodelle
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
6 - 14 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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"
6 - 15 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Modelle
Ziel:
Modellierung der Körpermaße
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
6 - 16 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Menschmodelle:
Modellierung der Körpermaße
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)
6 - 17 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Menschmodelle:
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
6 - 18 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 19 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Menschmodelle:
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
6 - 20 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Menschmodelle:
Haltungs- und Komfortanalyse
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
6 - 21 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Anthropometrische Menschmodelle:
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
6 - 22 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 23 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 24 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
Schnelle, grobe Annäherung
an das Ziel ohne Regelung
Motorik
Ballistische
Bewegungsphase
Schnelle, grobe Annäherung
an das Ziel ohne Regelung
Motorik
Visuell
kontrollierte
Phase
Feinabstimmen
Zielerreichen
Perzeption,
Kognition,
Motorik
Visuell
kontrollierte
Phase
Feinabstimmen
Zielerreichen
Perzeption,
Kognition,
Motorik
???
Verhältnis 2/3 zu 1/3
6 - 25 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 26 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 27 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 28 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 29 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 30 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 31 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 32 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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.
6 - 33 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 34 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Mehrkörpersysteme
mehrere (starre) Körper
verbunden durch Gelenke
Baumstruktur
Reduktion der Freiheitsgrade durch
Zwangsbedingungen (kinematic constraints)
Mechanische Modelle
VRML-Modell
HIRO
Fractal Design
Poser
6 - 35 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 36 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 37 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 38 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Validität der Ergebnisse
Stimmen Ergebnisse des Modell
mit der Realität überein?
Statik
Körpermaße
Haltungen
Kinematik
Bewegungsbahnen
Gelenkwinkel
Dynamik
Kräfte
Momente
Deformation
6 - 39 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 40 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 41 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 42 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 43 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
6 - 44 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Aktuelle digitale Menschmodelle - UGS VIS JACK
JACK
Menschmodell zur
Produktgestaltung und in
Bereichen der Ausbildung
Hauptanwendungsbereich
- Virtuelle Umgebungen (VU),
- Computergrafik,
- Produktgestaltung
Datenbank (primär US)
Analysen
- Sehen, Erreichen, Haltung,
Bewegungen
http://www.ugs.com/products/tecnomatix/human_performance/jack
6 - 45 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Aktuelle digitale Menschmodelle - DELMIA / Safework
Safework
Mensch-Modell (SW) und
komplexe CAD-Simulations-
umgebung (DELMIA).
Hauptanwendungsbereich
- Produktgestaltung / Fahrzeuge
Komplexe Datenbank
Statistische Modellierung
Analysen
- Sehen, Erreichen, Haltung,
Bewegungen
- MTM, Kraft- und
Leistungsanalyse
http://www.safework.com/delmia/delmia_sw.html
6 - 46 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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)
6 - 47 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
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
(Bildquelle: http://www.anybodytech.com)
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Aktuelle digitale Menschmodelle - Anybody
(Bildquelle: http://www.anybodytech.com)
Windows-Oberfläche
mit Kommandoelementen
Grafische
Darstellung
der
Geometrie Grafische
Darstellung
von Kraft-
und
Momenten-
verläufen
Programmierung
mittels
AnyScript
Aufgaben
und Status
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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)
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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
t' (rel ative Bewegungszeit)
.
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
t' (rel ative Bewegungszeit)
.
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
t' (rel ative Bewegungszeit)
.
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.
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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
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Intelligente Anthropomorphe Benutzungsinterfaces
Avatare und intelligente Agenten
Wissenstransfer
Reaktion auf Benutzeraktionen
Intelligente, natürliche Interfaces
STEVE
ICT
MAX
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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
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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?
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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.
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Übung der Lehreinheit 9
Digitale Menschmodelle
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)
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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
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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
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Auswahl der Datensammlung und der Körpermaße
Direkte Eingabe der Körpermaße
Datenbankabfrage
Menschmodell im CAD
Automatische Generierung des Modells
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Aufgabenbeschreibung bei Innenraumgestaltung
Sitzposition durch
Hüftpunkt definiert
Füße auf den Pedalen
Hände am Steuerrad
Hintere Sitzposition
Blick durch Fenster
auf die Straße
6 - 61 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Positionierung des Modells im CAD
Definition der Aufgabe Festlegung der Körperteile Automatische Animation
6 - 62 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Sicht- und Reichweitenanalyse
Sichtbereiche (Kegel) und Außensicht Greifräume und Erreichbarkeit
6 - 63 © Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Haltungs- und Komfortanalyse
Körpermaße Winkel
Kräfte
Komfortanalyse
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Iteration mit weiteren digitalen "Benutzern"
Problem !