Die von uns entwickelten Methoden und Algorithmen dienen dazu, dynamische Bewegungen von Arbeitenden in der Produktion besser als bisher ergonomisch zu bewerten. Wir schauen uns speziell Mon- tagetätigkeiten in der Automobilindustrie an. Hier im Bild zum Beispiel die Montage eines Motors.

Menschmodelle und Mensch-Maschine-Interaktion

Zahlreiche High-End-Produkte werden nach wie vor (und absehbar auch in naher Zukunft) von Menschen gefertigt. Überall da, wo Geschicklichkeit, Intelligenz und Erfahrung für eine hohe Produktqualität unverzichtbar sind, sind Menschen im Einsatz.

Die Digitalisierung des Produktentstehungsprozesses erfordert Simulationswerkzeuge. Diese sollten menschliche Arbeitstätigkeit so gut abbilden, dass man damit den Einfluss des »Faktors Mensch« auf die Produktqualität abbilden und die Produktqualität sichern kann. Die ergonomische Gestaltung von Arbeitsplätzen ist gleichermaßen wichtig, unterstützt erfahrener WerkerInnen bei der Erhaltung ihrer Gesundheit und kommt letztlich ebenfalls einer hohen Produktqualität zu Gute.

Menschmodelle für die digitale Fabrik

Mit einem digitalen Menschmodell wie IPS IMMA lassen sich Bewegungsabläufe bei Montagearbeiten simulieren. Unser Softwaremodul IMMA bietet schnelle und effiziente Algorithmen zur einfachen Bewertung der Ergonomie von Montageprozessen. Die simulierten Bewegungen eines IMMA-Manikins resultieren auf einem biomechanischen Modell. Sie sind so berechnet, dass es keine Kollision mit sich selbst und den Objekten in der Umgebung gibt und die Bewegungen so komfortabel wie möglich gestaltet sind. Dabei benutzen wir eine »Komfortfunktion«, die die Ergonomie der Haltung und der Bewegung des IMMA-Maninkins bewertet.
 

Mehrkörpermodell berechnet optimale Bewegungen

Als biomechanisches Modell verwenden wir ein Mehrkörpermodell, das von einer vereinfachten menschlichen Skelettstruktur abgeleitet ist. Das Modell besteht aus 82 Knochensegmenten, die durch Gelenke miteinander verbunden sind und insgesamt 162 kinematische Freiheitsgrade besitzen. Der User weist die Manikins mit einer Anweisungssprache an, in verschiedenen Körperhaltungen zu arbeiten und mit der Umwelt zu interagieren. Auf Basis des biomechanischen Mehrkörpermodells werden Bewegungen automatisch berechnet, und zwar so, dass sie nicht nur Kollisionen vermeiden, sondern u.a. Folgendes miteinbeziehen:

  • Gleichgewicht, der im Modell wirkenden Kräfte und Momente
  • kinematischer Zwangsbedingungen 
  • äußere Kontaktkräfte
  • Haltungskomfort

Die Ergebnisse einer solchen Bewegungssimulation analysieren wir anschließend unter ergonomischen Kriterien weiter. In IMMA können mehrere Manikins mit verschiedener Anthropometrie gleichzeitig berechnet werden. So lassen sich Simulationen leicht durchführen, die auch die Varianz menschlicher Körpermerkmale innerhalb einer Population berücksichtigen.

Handlungsmodelle und Mensch-Maschine-Interaktion

Der Mensch spielt nicht nur als Akteur/in in einer Arbeitsumgebung, sondern auch als Bediener/in eines Fahrzeugs oder einer mobilen Arbeitsmaschine eine entscheidende Rolle. Wie er die Arbeitsaufgabe löst, hat wesentlichen Einfluss auf die körperliche Belastung, die der Mensch dabei erfährt. Bediener- bzw. Handlungsmodelle sind mathematische Beschreibungen von Handlungsvorgängen mit Entscheidungsprozessen – mit denen Handlungssequenzen simuliert und nach ergonomischen Kriterien optimiert werden.

Unsere Forschungsarbeiten zum Thema »Handlungsmodelle« haben zum Ziel: auf Wahrnehmungen der Umgebung basierte menschliche Handlungsabläufe nachzubilden und die typischerweise zeitdiskret formulierten Handlungsmodelle mit Modellen der Systemdynamik zu koppeln. 

Eine Kopplung von Handlungsmodell und digitalem Menschmodell eröffnet die Möglichkeit:

  • grob spezifizierte Aufgaben in Handlungssequenzen umzusetzen (z.B. »Nimm ein bestimmtes Bauteil, montiere es an einer bestimmten Stelle« als Teil eines Montageprozesses)
  • einzelne Teilschritte einer solchen Sequenz mittels Optimalsteuerung zu berechnen
  • nach vorher festzulegenden Gütekriterien, z.B. ergonomisch möglichst günstig, gesundheitsschonend zu kategorisieren.

So können wir viele Arbeitsprozesse systematisch analysieren und z.B. hinsichtlich der körperlichen Belastung optimieren.