Menschmodelle und Mensch-Maschine-Interaktion

Lösungen für Bewegungssimulationen

Zahlreiche High-End-Produkte werden nach wie vor – und voraussichtlich auch in Zukunft – von Menschen gefertigt. Überall da, wo Geschicklichkeit, Intelligenz und Erfahrung für eine hohe Produktqualität unverzichtbar sind, sind Menschen im Einsatz. Das gilt nicht nur für die Fertigung, sondern auch für die Nutzung von Produkten wie Fahrzeugen, mobilen Arbeitsmaschinen, Sport- oder Medizintechnik. Wie der Mensch eine Steuerungs- oder Bewegungsaufgabe löst, hat wesentlichen Einfluss auf die körperliche Belastung – und damit auf Komfort, Sicherheit und Qualität.

Die Digitalisierung des Produktentstehungsprozesses erfordert passende Simulationswerkzeuge. Einerseits braucht es Modelle, die menschliche Arbeitstätigkeit so realitätsnah abbilden, dass sich der Einfluss des »Faktors Mensch« auf die Produktqualität zuverlässig bewerten lässt. Auch die ergonomische Gestaltung von Arbeitsplätzen spielt eine wichtige Rolle: Sie unterstützt erfahrene Mitarbeitende dabei, gesund zu bleiben – und trägt gleichzeitig zur Sicherung der Produktqualität bei.

Andererseits sind Simulationswerkzeuge gefragt, die den Menschen als Bediener von Produkten realistisch abbilden, um deren Effizienz und komfortable Nutzung zu optimieren. Digitale Bewertungen reduzieren die Zahl erforderlicher physischer Prototypen und beschleunigen so den Entwicklungsprozess.

EMMA Software Heckklappe
© Fraunhofer ITWM
Dynamisches Menschmodell EMMA: Software zur Simulation menschlicher Bewegungen. Beispiel: Schließen einer Heckklappe am Auto.

Menschmodelle für die digitale Fabrik

Mit unserem digitalen Menschmodell IPS IMMA lassen sich Mensch-Maschine-Interaktionen bei Montagearbeiten simulieren. Das Softwaremodul IPS IMMA bietet schnelle und effiziente Algorithmen zur einfachen Bewertung der Ergonomie von Montageprozessen. Die simulierten Bewegungen des IPS IMMA-Manikins basieren auf einem biomechanischen Modell, das die menschliche Bewegungsfreiheit abbildet. Dabei entstehen keine Kollisionen mit dem eigenen Körper oder der Umgebung – die Bewegungen sind so gestaltet, dass sie möglichst komfortabel ablaufen. Dabei optimieren wir »biomechanische Komfortfunktionen«, die es ermöglichen, menschliche Bewegungen auch für gänzlich neue Szenarien verlässlich vorherzusagen.

 

Aktive dynamische Bewegungsmodelle

Für die Berechnung dynamischer Bewegungen, bei denen zudem auch äußere Einflüsse wie Kräfte oder Beschleunigungen abgefangen werden müssen, braucht man ein Menschmodell mit erweiterten biomechanischen Funktionalitäten. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn Insass:innen während eines Fahrmanövers simuliert werden, beim Schließen einer Heckklappe oder beim Gehen mit Prothesen.

Für solche Anwendungsfälle entwickeln wir unsere Simulationssoftware EMMA. Das Menschmodell in EMMA ist ein Mehrkörpermodell ähnlich wie das in IPS IMMA. Die größten Unterschiede bestehen in der Einbeziehung von Antriebselementen, die die Eigenschaften des menschlichen Muskelapparats abbilden und somit eine realistische Kraftgenerierung gewährleisten, sowie einer mathematischen Methodik für die Vorhersage aktiver Bewegungen.

Beispielprojekte

 

DYMARA

Im Verbundprojekt DYMARA entwickeln wir ein digitales Menschmodell (Manikin) mit detaillierter Modellierung der Skelettmuskulatur und schnellen numerischen Algorithmen.

 

EMMA-CC

Im Fraunhofer-Projekt haben unser Institut und FCC Simulationsmethoden zur Erzeugung voll dynamischer menschlicher Bewegungsabläufe eines digitalen Menschmodells entwickelt.

 

EMMA4Drive

Um die Erwartungen der Kund:innen an autonome Fahrzeuge zu verstehen, ihr Vertrauen zu stärken und die Sicherheit nachzuweisen, werden neue Tools benötigt. Im Projekt EMMA4Drive entsteht dazu ein dynamisches Menschmodell.