Virtuelles Planen und Bewerten menschlicher Arbeit

Digitale Menschmodelle zur virtuellen Ergonomiebewertung

Erkrankungen des Muskel- und Skelettsystems verursachen laut des BBK Gesundheitsatlas 2017 (Bogai 2017) fast jeden vierten krankheitsbedingten Arbeitsausfall. Neben dem entstandenen Schaden für den Einzelnen erwächst aus diesen Ausfällen ein erheblicher volks- und betriebswirtschaftlicher Schaden. Dies wurde von Seiten der Arbeitgeber längst erkannt, weshalb branchenübergreifend verstärkt der Fokus auf eine ergonomische Gestaltung des Arbeitsumfelds gelegt wird. Gerade im industriellen Umfeld wird mit zunehmender Sorgfalt daran gearbeitet, die Arbeitsplätze in den Fertigungs- und Montagehallen ergonomisch zu gestalten und die Werker mit entsprechenden Hilfsmitteln zu entlasten. Die Gestaltung von ergonomischen Arbeitsplätzen erfordert jedoch arbeitswissenschaftliche Expertise sowie die finanziellen Mittel, um entstehende und bestehende Arbeitsplätze sukzessive zu optimieren. Vor allem für kleine und mittelständische Unternehmen ist dies, neben dem Alltagsgeschäft, nur bedingt zu leisten. Abhilfe schaffen Softwaretools, die eine virtuelle und damit kostengünstige Planung und Bewertung von Arbeitsplätzen ermöglichen.

Der Editor menschlicher Arbeit (ema) ist ein solches Planungstool. Darin wird sowohl die Fabrikumgebung als auch der Mensch virtuell abgebildet ( Abb. 1). Die Abbildung des Menschen geschieht durch ein digitales arbeitswissenschaftliches Menschmodell, das selbstständig Bewegungen (sprich Arbeitsanweisungen) ausführen kann (Leidholdt et al. 2016). Auf Basis der dabei eingenommenen Körperhaltungen können etablierte Ergonomie-Bewertungsverfahren, z.B. anhand des Ergonomic Assessment Worksheet (EAWS), durchgeführt werden. Damit bietet der ema die Möglichkeit, menschliche Arbeit bereits während der Fertigungsplanung zu simulieren und zu bewerten. Arbeitsplätze und -prozesse können so präventiv optimiert und komplexe Produktionsabläufe frühzeitig effizient und ergonomisch gestaltet werden.

Die Forschungslandschaft rund um digitale Menschmodelle hat sich über die letzten Jahrzehnte rasant weiterentwickelt. Neben arbeitswissenschaftlichen Menschmodellen bestehen so genannte muskuloskelettale Menschmodelle, die vor allem auf dem Gebiet der Biomechanik eingesetzt werden. Muskuloskelettale Menschmodelle sind sehr detaillierte digitale Menschmodelle, mit denen sich menschliche Bewegungen auf biomechanischer Ebene analysieren lassen. So ermöglicht beispielsweise das AnyBody Modeling System (Damsgaard et al. 2006) die realitätsnahe Berechnung der körperinneren Beanspruchungen (z.B. Muskel- und Gelenkreaktionskräfte) für beliebige Bewegungen unter einer bestimmten äußeren Belastung. Muskuloskelettale Menschmodelle wurden ursprünglich für Ganganalysen entwickelt, werden aber mittlerweile für zahlreiche Fragestellungen, wie der Komfortbewertung von Produkten oder dem Auslegen von Exoskeletten (Miehling et al. 2018), angewandt.

Die Fähigkeit zur Berechnung von Gelenkreaktionskräften, Muskelaktivität oder Metabolismus erschließt disziplinübergreifend neue Möglichkeiten. Beispielsweise lassen sich zu jedem Zeitpunkt die körperinneren Beanspruchungswerte berechnen, die während der Verrichtung von Arbeit auftreten (z.B. intradiskale Kompressionskräfte beim Heben eines Gegenstands). Diese Werte können zur Bewertung menschlicher Arbeit verwendet werden. Etablierte Bewertungsverfahren, wie das EAWS, basieren auf empirisch ermittelten Werten die nur für den ermittelten Anwendungs- und Lastfall gültig sind. Die Bewertung findet auf Grundlage der eingenommenen Köperhaltungen, der wirkenden Aktionskräfte bzw. Lasten und der Repetivität eines Arbeitsvorgangs statt (Schaub et al. 2012). Im Vergleich dazu erlaubt eine biomechanische Analyse durch die muskuloskelettale Simulation eine weit differenzierte und direktere Bewertung.

Um die Möglichkeiten muskuloskelettaler Simulationen für die Planung von Arbeitsplätzen zu erschließen, wird das Planungstool ema im Rahmen des staatlich geförderten Forschungs- und Entwicklungsprojekts „ema2AnyBody“ um ein muskuloskelettales Menschmodell erweitert. Die imk automotive GmbH, die CADFEM GmbH sowie der Lehrstuhl für Konstruktionstechnik (KTmfk) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg arbeiten gemeinsam an dieser Erweiterung des ema, die durch eine Einbindung des AnyBody Modeling System umgesetzt wird. Ziel ist die Entwicklung eines Softwaretools, das die Möglichkeiten beider Softwarelösungen sinnvoll vereint. Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin (BAuA) prüft im Rahmen des Projekts den Mehrwert einer Kopplung zwischen arbeitswissenschaftlichen und muskuloskelettalen Menschmodellen.

Editor menschlicher Arbeit

Das Planungswerkzeug ema ist eine eigenständige Softwarelösung der imk automotive GmbH zur Planung, Simulation und Visualisierung von Arbeitsabläufen (Fritzsche et al. 2011). Voraussetzung zur Simulation menschlicher Arbeit ist eine virtuelle Fabrik- bzw. Montageumgebung. Der Arbeitsplatz sowie die zu nutzenden Werkzeuge und Bauteile müssen darin als virtuelle 3D-Modelle hinterlegt sein. Herzstück des Systems ist das erwähnte arbeitswissenschaftliche Menschmodell und eine neuartige Methode zur Erzeugung humanmotorischer Bewegungen. Die Bewegungserzeugung basiert auf dem Auswählen und Aneinanderreihen so genannter Verrichtungen. Eine Abfolge von Verrichtungen könnte beispielsweise „Hole Bauteil“ und „Montiere Bauteil“ lauten. Möchte der Montageplaner diese Verrichtungen simulieren, muss er das zu montierende Bauteil in der virtuellen Fabrikumgebung auswählen und spezifizieren, wo es angebracht werden soll. Mit diesen Angaben berechnet der im ema hinterlegte Algorithmus anschließend eine Bewegung, die sodann von dem Menschmodell ausgeführt wird. Durch eine Aneinanderreihung mehrerer Verrichtungen können ganze Arbeitsprozesse erzeugt und im Nachgang visualisiert und bewertet werden. Auf Basis dessen ist eine Arbeitsplatzoptimierung in Hinblick auf Prozesszeiten, eine bessere räumliche Anordnung, aber auch ergonomische Aspekte möglich.

AnyBody Modeling System

Das AnyBody Modeling System der Firma AnyBody Technology ist eine Softwarelösung zur biomechanischen Analyse experimentell ermittelter Bewegungsdaten. Diese werden üblicherweise mittels Motion-Capturing-Verfahren aufgenommen. Dabei werden zumeist die Interaktionskräfte zwischen Mensch und Umwelt, die während der entsprechenden Bewegung auftreten, miterfasst. Bei der Aufnahme des Ganges werden beispielsweise Kraftmessplatten genutzt, um die Bodenreaktionskräfte während des Fuß-Boden-Kontakts zu messen. Dies ist notwendig, da die muskuloskelettale Simulation die Bewegung und die Interaktionskräfte als Eingangsgrößen benötigt.

Zur biomechanischen Analyse wird ein muskuloskelettales Menschmodell verwendet, das den aktiven und passiven Bewegungsapparat abbildet. Der passive Bewegungsapparat wird vereinfacht durch starre (nicht deformierbare) Knochen modelliert, die mit klassischen mechanischen Gelenken verbunden sind. Die Muskeln und Sehnen, die den aktiven Bewegungsapparat bilden, werden mithilfe mechanischer Elemente modelliert. Dieses Menschmodell kann durch die aufgenommene Bewegung animiert und die gemessenen Kräfte virtuell auf das Modell aufgebracht werden ( Abb. 2). Ein spezielles Berechnungsverfahren ermittelt zu jedem Zeitpunkt der Bewegung die körperinneren Kräfte (Muskel- und Gelenkreaktionskräfte), die zur Realisierung dieser Bewegung bei gegebenen äußeren Lasten erforderlich sind.

ema2AnyBody

Im Forschungsprojekt ema2AnyBody werden die vorgestellten Einzellösungen zu einem Softwaretool vereint. Die Kombination der beiden Einzellösungen ist deshalb so interessant, da der ema mit seiner Bewegungserzeugungskomponente und der Möglichkeit, Montagekräfte zu definieren, alle benötigten Eingangsgrößen für die muskuloskelettale Simulation bereitstellt. Dadurch können die vom ema erzeugten Arbeitsprozesse im AnyBody Modeling System dynamisch nachgestellt und biomechanisch analysiert werden. Dies gestattet dem Anwender, bereits während der virtuellen Arbeitsplatzgestaltung, in den Werker hineinzublicken und die körperinnere Beanspruchung abzuschätzen, die ein geplanter Arbeitsablauf hervorrufen wird. Die Bedienung des Tools erfolgt nach wie vor rein über den ema, da die biomechanische Analyse vollautomatisch im Hintergrund vonstatten geht ( Abb. 3). Der Montageplaner gestaltet wie bisher im ema den Arbeitsplatz und definiert die bei der Arbeitsaufgabe durchzuführenden Verrichtungen. Auf deren Basis wird durch den ema eine Bewegung bzw. ein Arbeitsprozess erzeugt. Dieser kann nun, neben den konventionellen Methoden zur Arbeitsplatzbewertung, auch biomechanisch evaluiert werden. Hierzu werden die erzeugte Bewegung und die zugehörigen Montagekräfte an das AnyBody Modeling System übergeben. Bevor die Bewegung biomechanisch analysiert wird, findet eine Bewegungsoptimierung statt. Diese ist notwendig, da die Bewegung für eine muskuloskelettale Analyse höhere Anforderungen erfüllen muss als für die implementierten Bewertungsverfahren des ema notwendig sind. So muss die Bewegung beispielsweise im dynamischen Gleichgewicht sein (Menschmodell darf nicht aus der Balance fallen) und dynamische Konsistenz aufweisen (keine abrupten Richtungswechsel o.Ä.). Der optimierte Bewegungsablauf kann an den ema rückübertragen und dort visualisiert werden. Diese optimierte Bewegung wird mit den übergebenen Montagekräften biomechanisch analysiert. Die Ergebnisse der Analyse werden bewertet, an den ema rückübertragen und dem Anwender visualisiert. In der ersten Entwicklungsstufe wurden zunächst Werker des 5. Perzentils (weiblich), des 50. Perzentils (männlich) sowie des 95. Perzentils (männlich) – bezogen auf die Körpergröße – hinterlegt. Damit können nahezu 95% der Körpergrößenverteilung der Werkerpopulation berücksichtigt werden.

Zur Realisierung dieser Herangehensweise gilt es, technische Herausforderungen zu überwinden und sich mit wissenschaftlichen Fragestellungen auseinanderzusetzen. Die imk automotive GmbH und die CADFEM GmbH entwickeln eine bidirektionale Schnittstelle zwischen den Programmen und den darin verwendeten Menschmodellen. Hierfür werden technische Lösungen, vor allem für die verlustfreie Übergabe der Bewegung zwischen zwei andersartigen Menschmodellen, identifiziert und umgesetzt. Am Lehrstuhl für Konstruktionstechnik wird ein Verfahren zur automatisierten muskuloskelettalen Simulation der übergebenen Bewegungs- und Kraftdaten entwickelt. Kern dieses Verfahrens ist die erwähnte Bewegungsoptimierung. Die Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin untersucht in einer Studie die Vergleichbarkeit computergenerierter Bewegungen gegenüber experimentell erhobenen Bewegungsdaten von Versuchspersonen. Ein wichtiger Aspekt hierfür ist die Güte der erzeugten und optimierten Bewegungen (Peters et al. 2019). Ferner ist relevant, mit welchen Modellen und Methoden die Bewertung von Muskel- und Gelenkreaktionskräften im ergonomischen Sinne erfolgen kann.

ema2AnyBody in der Anwendung

Mit voranschreitendem Entwicklungsstand wird das Softwaretool sukzessive anhand vordefinierter Anwendungsszenarien evaluiert. Eines dieser Szenarien ist das Heben verschieden schwerer Kisten von unterschiedlichen Höhen.  Abbildung 4 zeigt Ausschnitte aus diesem Anwendungsszenario. Die Hebebewegungen wurden mithilfe des ema erzeugt, an das AnyBody Modeling System übergeben und dort auf das muskuloskelettale Menschmodell aufgebracht. Daraufhin wurden die Bewegungsabläufe optimiert und analysiert. Als relevante Größen zur ergonomischen Bewertung wurden sowohl die intradiskale Kompressionskraft zwischen dem vierten und fünften Lendenwirbel (L4/L5) als auch die Distraktionskraft im Schultergelenk identifiziert. Abbildung 4 zeigt das Integral über den zeitlichen Kraftverlauf der L4/L5-Kompressionskraft (Dosiswert) sowie deren Maximalwert (Absolutwert) für die unterschiedlichen Bewegungen bei verschiedenen Gewichten. Die Ergebnisse dieses Falls lassen erkennen, dass bei der Arbeitsplatzgestaltung eher darauf geachtet werden sollte, das Heben von einer erhöhten Position zu gewährleisten, als das Gewicht des zu hebenden Objekts zu reduzieren.

Zukünftige Herausforderungen

Das beschriebene Beispiel veranschaulicht die Potenziale des neuen Softwaretools. Es ermöglicht die Bewertung einzelner Arbeitsschritte bis hin zur Bewertung ganzer Arbeitsprozesse. Dabei kann, wie im Beispiel gezeigt, ein Vergleich zweier Arbeitsplatzvarianten stattfinden. Alternativ können absolute Werte (z.B. Kraftverläufe über die Bewegungsdauer) betrachtet und bewertet werden. Dadurch, dass die körperinnere Beanspruchung zu jedem Zeitpunkt einer Bewegung offengelegt werden kann, ergeben sich neue Möglichkeiten, aber auch Herausforderungen. Gegenwärtig bestehen keine allgemeingültigen Methoden, die eine Bewertung absoluter biomechanischer Größen in Hinblick auf die Ergonomie ermöglichen. Ob eine körperinnere Beanspruchung ergonomisch ist, hängt von vielen Faktoren ab. Beispielsweise spielt die interindividuelle Heterogenität der Werker in Bezug auf Anthropometrie, Stärke und Beweglichkeit oder die Häufigkeit einer Arbeitsausführung (einmalig oder repetitiv) eine entscheidende Rolle. Bestehende Methoden, die biomechanische Größen als Bewertungsgrundlage verwenden (wie das Mainz-Dortmunder Dosismodell), können das Potenzial digitaler Menschmodelle noch nicht voll ausschöpfen, weisen aber den Weg für die Entwicklung neuer Bewertungsmodelle.

Resümee

Das vorgestellte Softwaretool kombiniert die Vorteile zweier Menschmodelle, um die virtuelle Bewertung menschlicher Arbeit auf Grundlage biomechanischer Beanspruchungsgrößen zu ermöglichen. Durch die intuitive Bedienung und die zeiteffiziente Erzeugung von Arbeitsprozessen wird diese Möglichkeit einem breiten Feld von Anwendern erschlossen. Dadurch kann das vorgestellte Softwaretool einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung von arbeitsbedingten Muskel-Skelett-Erkrankungen leisten.

Danksagung. Diese Forschungs- und Entwicklungsarbeit wird mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert. Die Betreuung dieses Projektes wird von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) geleistet. Dafür sei an dieser Stelle gedankt. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt bei den Autoren.

Interessenkonflikt: Alle Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.

Literatur

Kliner K, Rennert D, Richter M (Hrsg.) mit Gastbeiträgen von D. Bogai [und 11 weiteren]: Gesundheit und Arbeit – Blickpunkt Gesundheitswesen (BKK Gesundheitsatlas 2017),. Berlin: Medizinisch Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, 2017.

Damsgaard M et al.: Analysis of musculoskeletal systems in the AnyBody Modeling System. Simulation Modelling Practice and Theory 2006; 14: 1100–1111.

Fritzsche L et al.: Introducing ema (Editor for Manual Work Activities) – A New Tool for Enhancing Accuracy and Efficiency of Human Simulations in Digital Production Planning. In: Duffy VG (Hrsg.): Digital Human Modeling Berlin Heidelberg: Springer , 2011, S. 272–281.

Leidholdt W, Fritzsche L, Bauer S: Editor menschlicher Arbeit (ema). Vom digitalen Menschmodell zum virtuellen Facharbeiter. In: Bullinger-Hoffmann AC, Mühlstedt J (Hrsg.): Homo Sapiens Digitalis – Virtuelle Ergonomie und digitale Menschmodelle. Wiesbaden: Springer Vieweg, , 2016, S. 355–362.

Miehling J, Wolf A, Wartzack S: Musculoskeletal Simulation and Evaluation of Support System Designs. In: Karafillidis A, Weidner R (Hrsg.): Developing Support Technologies. Cham: Springer International Publishing, , 2018, S. 219–227.

Peters et al.: Biomechanical Digital Human Models: Chances and Challenges to Expand Ergonomic Evaluation. In: Ahram T, Karwowski W, Taiar R (Hrsg.): Human Systems Engineering and Design. Cham: Springer International Publishing,2019, S. 885–890.

Schaub et al.: Ergonomic assessment of automotive assembly tasks with digital human modelling and the „ergonomics assessment worksheet“ (EAWS). International Journal of Human Factors Modelling and Simulation 2012; 3: 398–426.