4 Methodenentwicklung

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Basierend auf dem unter 4.1 beschriebenen Meßsystem wurde ein Methode entwickelt, um arbeitswissenschaftliche Fragestellungen anhand objektiver Kennwerte zu beantworten.

4.1 Beschreibung der Messtechnik

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Das für die Untersuchungen verwendete Echtzeit-Bewegungsanalysesystem (Extrac) wurde von der Firma Wente/Thiedig (Braunschweig) Anfang der 90’er Jahre entwickelt.

Abb. 2 : Aluminium-Profil mit Messkameras (CCD-Kameras links und rechts, V i deokamera Mitte)

Mit Hilfe von an der Versuchsperson befestigten Infrarot-Leuchtdioden werden die Bewegungen ausgewählter Punkte aufgezeichnet. Die Aufzeichnung erfolgt mit einer Gesamtfrequenz von 50 Hz, es können maximal acht Leuchtdioden verwendet werden. Diese blitzen nacheinander auf und werden optisch registriert, wofür eine Kabelverbindung der Dioden mit dem Signalgeber notwendig ist. Je mehr Leuchtdioden verwendet werden, desto niedriger ist die Aufzeichnungsfrequenz der einzelnen Dioden (Gesamtfrequenz / Anzahl verwendeter Dioden = Aufzeichnungsfrequenz der einzelnen Diode). Im sogenannten Multiplex-Modus können die Leuchtdioden in 16 Schritten einzeln angewählt werden, wodurch sie verschieden häufig aufleuchten. Dadurch können Prioritäten gesetzt oder es kann unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeiten Rechnung getragen werden. Die Einzelfrequenz muss dann für jeden Marker entsprechend berechnet werden.

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Die Aufnahme der Lichtpulse erfolgt über zwei CCD-Kameras, die links und rechts in ein Aluminium-Profil eingebaut sind (Abbildung 1). Der Abstand zwischen den beiden Kameras beträgt 1760 mm.

Eine erfolgreiche Aufnahme einer Raumkoordinate setzt die Sichtbarkeit der Leuchtdiode für beide Kameras voraus. Diese Vorraussetzung stellt sich als limitierende und für den Erfolg wesentlich verantwortliche Größe dar.

In die Mitte des Aluminium-Profils ist eine Videokamera eingebaut, die den Arbeitsvorgang ebenfalls aufzeichnet. Jede der ermittelten Raumkoordinaten ist durch einen Zahlencode gekennzeichnet, der ursprünglich, übereinstimmend mit dem Timecode des Videorecorders, innerhalb der Systemsoftware ein sekundengenaues Wiederfinden der entsprechenden Videosequenz für einen Punkt der Bewegungslinie ermöglichen sollte (wurde vom Hersteller leider nicht realisiert). Jedes beliebige Videobild kann als Standbild gespeichert und mit einem ausgewählten Bewegungsspurbild überlagert werden.

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Die Raumkoordinaten werden im ASCII-Format vom System gespeichert. Innerhalb des Systems lassen sich die Bewegungslinien zweidimensional in zwei Ansichten betrachten. Jeder Kanal erhält eine eigene Farbe. Ein Messprotokoll gibt Informationen über die benötigte Zeitdauer und den prozentualen Anteil aller sichtbaren Messpunkte, der jedoch wenig Aussagekraft besitzt. Erst eine separate Betrachtung der sichtbaren Messpunkte für die einzelnen Kanäle ermöglicht die Beurteilung der Messgüte für die einzelnen Marker.

Das Kameramodul ist an einen die Koordinaten generierenden Computer angeschlossen, der seine Ergebnisse an einen weiteren PC leitet, auf dem die Systemsoftware installiert ist.

Das als Online-Motografie bezeichnete System zeigt bereits während der Messung die aufgezeichneten Punkte auf dem Bildschirm an, so dass eine erste Kontrolle der Erfassung bzw. eventueller Fehlmessungen online möglich ist.

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Das beschriebene System trägt der Vorraussetzung für eine moderne arbeitswissenschaftliche Messmethode, die eine nur geringe oder keine Einflussnahme der Methode auf den Arbeitsablauf erlaubt, durchaus Rechnung.

Der Einsatz beschränkt sich auf ortsfeste Arbeitsplätze innerhalb des kalibrierten Raumes.

4.2 Vorgehensweise

Das Vorgehen bei der Durchführung einer Bewegungsanalyse hängt sowohl von der Art der untersuchten Arbeitsaufgaben als auch vom Untersuchungsziel ab. Im Mittelpunkt der Analyse steht die Beobachtung des Ist-Ablaufes und seine Beschreibung über geeignete Indikatoren. Es können wahlweise bis zu acht Stellen am bewegten Objekt mit Hilfe der Leuchtdioden verfolgt werden. Die Qualität der Ergebnisse ist abhängig von einer Vielzahl von Einflussfaktoren. Es ist deshalb sinnvoll, in Vorversuchen einige Parameter zu überprüfen, welche im Standardprogramm für die Durchführung von Bewegungsanalysen an ortsfesten Arbeitsplätzen aufgeführt sind (siehe Anhang). Eine exakte Lagebeschreibung der ausgewählten Körperpunkte ist wichtig für die Reproduzierbarkeit und für den Vergleich der Messwerte verschiedener Varianten und Personen.

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Zur Bearbeitung und Darstellung der Messwerte wurde eine spezielle Software entwickelt. Die Programmierung der Auswertesoftware nach arbeitswissenschaftlichen Anforderungen erfolgte in der auf die ASCII-Daten zurückgreifenden Programmiersprache IDL (Interactive Data Language, Research Systems, Inc.). Dadurch ist die Auswertesoftware für andere im ASCII-Format vorliegende Raumkoordinaten zu verwenden.

Die neu entwickelte Software gliedert sich in zwei funktionale Bereiche:

Ein Bereich ermöglicht eine umfangreiche grafische Darstellung der Bewegungen, der andere Bereich die Errechnung der Indikatoren. In Abhängigkeit von der Fragestellung werden verschiedene Vergleichsgrößen für die Interpretation der Bewegungen benötigt. Die Beschreibung der Indikatoren unter Nennung der ihnen zugrunde liegenden Algorithmen ist ebenfalls ein wesentlicher Bestandteil für die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Kapitel 4.4 beschreibt eine Auswahl der Indikatoren. Der mögliche Informationsgewinn über die definierten Vergleichsgrößen erfolgt ausführlich im Diskussionsteil der Arbeit.

4.3 Genauigkeit und Beurteilung der Güte einer Messung

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Die erfolgreiche Berechnung einer dreidimensionalen Raumkoordinate setzt voraus, dass die IR-Leuchtdiode zum Aufnahmezeitpunkt von beiden Kameras gesehen wird. Die dritte Dimension wird aus den von zwei Seiten aufgezeichneten Lagen der Dioden errechnet. Die dem System dabei zugrunde liegende Genauigkeit kann nur erreicht werden, wenn sich die Marker bei der Aufzeichnung innerhalb des kalibrierten Raumes befinden.

In dynamischen Prozessen, insbesondere bei Drehbewegungen, lässt sich die Sichtbarkeit des Markers für beide Kameras nicht immer realisieren. Sobald eine Kamera den Lichtblitz der Leuchtdiode nicht erkennen kann, wird keine dreidimensionale Raumkoordinate errechnet. Dadurch entstehen Lücken in den Aufzeichnungen. Fehlende Messwerte können jedoch unbegrenzt interpoliert werden (siehe Anhang, Approximation), die Ergebnisse spiegeln dann nicht die echten Bewegungen wider. Die Beurteilung, ab wann die Menge der Ausfälle nicht mehr akzeptabel ist, obliegt dem Nutzer. Vergleicht man beispielsweise die Ergebnisse der Bewegungssummen aus beiden Interpolations-Algorithmen und stellt eine große Abweichung fest, so ist davon auszugehen, dass die Messgüte gering ist. Je weiter der letzte sichtbare und der erste wieder sichtbare Punkt zeitlich oder bezogen auf den Weg voneinander entfernt sind, desto stärker schlagen sich die verschiedenen, der Interpolation zugrunde gelegten, Rechenwege im Ergebnis nieder. Die beiden Möglichkeiten der Interpolation ergeben größere Unterschiede, wenn Ausfälle über einen längeren Zeitraum auftreten, da die ihnen zugrunde gelegten Algorithmen einmal Strecken bilden und im anderen Falle eine der menschlichen Bewegung entsprechende, gekrümmte Bewegungsbahn berechnet wird.

Die Interpolationsgüte ist im wesentlichen davon abhängig, wie lang und wie bewegungsintensiv die fehlenden Sequenzen waren. Hohe Bewegungsgeschwindigkeiten und eventuelle Richtungsänderungen innerhalb längerer Aufzeichnungslücken können die Ergebnisse verfälschen. Die geschätzten Bewegungen orientieren sich jeweils am letzten und ersten sichtbaren Punkt. Die sogenannte „speed based approximation“ berücksichtigt die jeweiligen Bewegungsgeschwindigkeiten und –richtungen und berechnet daraus einen elliptischen Linienverlauf. Die „straight approximation“ verbindet den letzten und ersten sichtbaren Punkt auf kürzestem Wege (siehe Anhang).

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Besonders häufige Sichtbarkeitsausfälle wurden dann registriert, wenn die Dioden auf den Händen befestigt wurden und diese Drehbewegungen ausführten.

Ein weiteres Problem wird deutlich, wenn ein sehr kleiner Arbeitsbereich mit langsamen Bewegungen untersucht wird. Die Messgenauigkeit der Raumkoordinaten liegt nur bei etwa einem Zentimeter. Bei kleinen Abständen wird eine gerade Bewegung als Zick-zack-Linie abgebildet, weil die vom System errechneten Koordinaten nur innerhalb des die Genauigkeit abbildenden Raumes wiedergefunden werden.

Abb. 3 : Beispiel einer „zittrigen“ Bewegungslinie aufgrund hoher Aufzeichnung s frequenz (50 Hz) und langsamen Bewegungen mit erklärender Ausschnittvergr ö ßerung

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In Abbildung 3 wird das Entstehen einer solchen Linie verdeutlicht. Ein zufällig ausgewählter Punkt innerhalb der Kugel wird mit einem Punkt in der nächsten Kugel verbunden. Die Summe aller so entstandenen Strecken ist immer größer als die Summe der Strecken, die sich bei der Verbindung der jeweiligen Kugelmittelpunkte ergeben würde. Die Größe des Kugeldurchmessers wird durch die Genauigkeit des Systems bestimmt.

Der hieraus resultierende Fehler ist um so größer, je geringer der Abstand zwischen zwei Messpunkten ist (siehe Tabelle 2). Er kann sich in einem „zittrigen“ Erscheinungsbild der Bewegungslinien äußern. Diese Ungenauigkeit ist sowohl bei der Versuchsplanung als auch bei der Nutzung der Indikatoren zu berücksichtigen. Eine hohe Genauigkeit (Fehler < 1 %) der gemessenen Bewegungssumme ist bereits ab einer Bewegungslänge von 3 cm zwischen den Punkten gegeben, was ebenfalls aus Tabelle 2 hervorgeht. Da die Aufzeichnungsfrequenz der einzelnen Dioden von der verwendeten Gesamtzahl abhängt, ist bei langsameren Bewegungen eine durch Verwendung aller Dioden reduzierte Frequenz ratsam, um die Abstände zwischen den einzelnen Punkten zu vergrößern. Weiterhin besteht von Seiten des Systems die Möglichkeit, die Lichtblitze unterschiedlich häufig auftreten zu lassen. So kann verschiedenen Bewegungsgeschwindigkeiten zwischen den aufgezeichneten Markern Rechnung getragen werden. In einer Messung werden z.B. sieben Marker verwendet, sechs sitzen an den Armen, der siebte am Kopf. Die Arme sind im Arbeitsprozess aktiv, der Kopf weniger. Damit bietet sich an, die Lichtblitze wie folgt zu steuern: 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7.... Diese Reihenfolge wiederholt sich dann im Laufe der Messung. Es sind maximal 16 Schritte möglich. Wichtig ist es dann zu beachten, dass die Aufzeichnungsfrequenz der Marker nicht mehr der Gesamtfrequenz/Anzahl der Marker entspricht.

Tabelle 2: : Prozentuale Zunahme der gemessenen Streckenlänge zum wirklichen Abstand

Tatsächlicher Abstand zwischen zwei Punkten (cm)

Durchschnittlicher gemessener

Wert des Systems (cm)

Fehler

(%)

0,0

0,51

51, 47

0,5

0,69

38,39

1,0

1,10

10,03

1,5

1,57

4,43

2,0

2,05

2,66

2,5

2,54

1,50

3,0

3,03

0,99

4,0

4,03

0,71

5,0

5,02

0,41

6,0

6,02

0,38

7,0

7,02

0,25

8,0

8,01

0,16

9,0

9,01

0,10

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Von einer rechnerischen Glättung der auf der Ungenauigkeit basierenden künstlichen Streckenveränderung wurde bisher abgesehen.

Als weiterer Ansatz langsame Bewegungen genau aufzuzeichnen, wurden diese versuchsweise mit Hilfe von Antennen „verstärkt“ (Abbildung 4), d.h. die Bewegungslängen wurden künstlich vergrößert.

Die Verwendung eines solchen Hilfsmittels ist eine Möglichkeit, weniger intensive Bewegungen mit dem vorhandenen System aufzuzeichnen. Die Akzeptanz und der Tragekomfort derartiger Gebilde ist allerdings fragwürdig. Bequemlichkeit und fester Halt am Kopf wirken konträr zur natürlichen Beweglichkeit, ein Gefühl des Verrutschens kann den Probanden in seinen Bewegungen beeinflussen und ein von einem störungsfreien Ablauf abweichendes Bewegungsbild ergeben.

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Abb. 4 : Darstellung der Antennen zur B e wegungsverstärkung

Neben der vom System begrenzten möglichen Genauigkeit der Ortung von Markern sowie dem Umfang erfolgter Interpolationen sind noch andere Parameter zu berücksichtigen, beispielsweise die Befestigung der Marker an definierten Punkten.

In der Medizin oder im Sport werden die Marker in der Regel direkt auf der Haut angebracht, das heißt, die Probanden sind an den Stellen unbekleidet, und die Hautstellen können bei Bedarf für Messwiederholungen mit wasserfesten Markern gekennzeichnet werden. Diese Methode ist für einen praxisnahen Einsatz in der Arbeitswissenschaft nicht geeignet. Infolgedessen wurden die Marker bei den Laborversuchen auf der Kleidung angebracht. Das Wiederfinden bestimmter Körperpunkte unter einem Kleidungsstück entspricht jedoch nicht der Genauigkeit einer direkten Anbringung auf der Haut, die sich im Bedarfsfalle, wie bereits erwähnt, markieren lässt. Sowohl Kleidung als auch Haut verschieben sich bei der Bewegung mehr oder weniger stark über den Knochen, die in der Regel als Erkennungspunkte genutzt werden. Ein Kompromiss besteht in möglichst eng anliegender oder auf ein Minimum reduzierte Bekleidung.

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Da es sich bei der Interpretation der Ergebnisse nicht um standardisierte Auswertevorgänge handelt, sondern um an die Fragestellung angepasste Einzelfallinterpretationen, sollten die erzielten Ergebnisse eine gewisse Transparenz aufweisen, d.h. methodisch exakt dokumentiert sein. Inhalt dieser Dokumentation ist die Erfassung der anthropometrischen Grunddaten der untersuchten Probanden, die zum einen für die Berechnung bestimmter Indikatoren bekannt sein müssen und die zum anderen die Bewertungsbasis für die Übertragbarkeit von Messergebnissen sind.

Die Güte einer jeden Messung unterliegt somit dem Produkt einer Vielzahl von Einflussfaktoren, das sich aus der Genauigkeit des Systems, der Versuchsdurchführung und den Berechnungsfunktionen ergibt. Als besonders wichtig für die Erzielung aussagekräftiger Ergebnisse ist ein möglichst hoher prozentualer Anteil sichtbarer Punkte für jeden Kanal, damit die Anzahl der interpolierten Werte gering ist. Des weiteren ist ein Mindestmaß an Bewegung notwendig, welches ab etwa 3 cm Streckenabstand zwischen zwei Punkten den Lokalisierungsfehler unter ein Prozent senkt. Die Wiederholungen einzelner Versuchsvarianten sollten durchgeführt werden, ohne die Dioden vom Probanden zu entfernen, um innerhalb der Variante den Fehler durch Lageveränderung der ausgewählten Körperpunkte auszuschließen. Neben diesen Faktoren werden die absoluten Werte vom Berechnungsalgorithmus beeinflusst, der sowohl die Größe selbst betrifft als auch deren Beeinflussung durch die Art der Interpolation fehlender Messwerte. Je nach Indikator sind die Einflüsse durch System, Versuchsaufbau und Algorithmus verschieden stark. Im Ergebnisteil wird der quantitative Einfluss beispielhaft aufgezeigt.

4.4 Analysesoftware

Als Messergebnis der Aufzeichnung von Lichtblitzen der Infrarot-Leuchtdioden liegen Raumkoordinaten vor, welche die Lage der Lichtblitze im Raum beschreiben. Sie werden chronologisch für bis zu acht Messpunkte gespeichert. Aus diesen Daten lassen sich unterschiedliche Indikatoren gewinnen. Die hierfür entwickelte Software gliedert sich in zwei Teilbereiche. Sie ermöglicht quantitative sowie qualitative Interpretationsmöglichkeiten durch eine umfangreiche grafische Darstellung und über die Errechnung von Vergleichsgrößen, die als Indikatoren bezeichnet werden. Von arbeitswissenschaftlichem Interesse sind beispielsweise der Zeitaufwand, der Bewegungsaufwand sowie die Bewegungsgeschwindigkeit, die Art der Bewegung oder ihre räumliche Lage im Verhältnis zum Arbeitsplatz.

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Die Ermittlung der Raumkoordinaten sowie die Betrachtung der Bewegungslinien allein ermöglichen noch keinerlei objektive Aussagen über die Bewertung von Arbeitsverfahren. Erst über die als Indikatoren bezeichneten Vergleichsparameter können Aussagen getroffen werden.

Im Ergebnisteil werden die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten beispielhaft aufgezeigt. Im Anhang ist eine Dokumentation der mathematischen Grundlagen ausgewählter Funktionen sowie eine Gliederung des gesamten Menus der Auswertesoftware abgelegt. Die im folgenden aufgezählten Messgrößen sind nur eine Auswahl aus den über die Software realisierten Vergleichsparametern.

4.4.1 Quantitative Messgrößen

Aus den aufgezeichneten dreidimensionalen Raumkoordinaten sollen für eine Bewertung der Bewegung relevante Indikatoren ermittelt werden, um einen objektiven Vergleich unterschiedlicher Bewegungsabläufe zu ermöglichen. Verschiedene Fragestellungen erfordern die Interpretation unterschiedlicher Indikatoren.

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Als Messergebnisse liegen die Raumkoordinaten in einer zeitlichen Folge für bis zu acht Messpunkte vor. Aus diesen Daten lassen sich verschiedene Indikatoren bilden. Sie werden in der Gruppe der quantitativen Messgrößen zusammengefasst.

4.4.1.1 Zeit

Der am häufigsten genutzte Wert, der in der Arbeitswissenschaft zum Vergleich von Arbeitsprozessen eingesetzt wird, ist die Zeitdauer. Sie ist als Vergleichsgröße vielfach ausreichend, und sie ist leicht zu ermitteln.

Die Gesamtzeit ist ein grobes Maß für die Beurteilung eines Arbeitsprozesses, weil sie u.a. durch die Bewegungsgeschwindigkeit beeinflusst wird. Die Software errechnet die Gesamtaufnahmezeit automatisch aus der Anzahl der aufgezeichneten Messwerte und der dem System zugrunde liegenden Aufzeichnungsfrequenz.

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Durch die Arbeit vom REFA (Verband für Arbeitsstudien und Betriebsorganisation e.V.) hat die Arbeitszeitanalyse an Wert gewonnen, indem der Leistungsgrad des arbeitenden Menschen mit einbezogen wird. Über den Leistungsgrad werden personenspezifische Variationen in der Ausführungszeit, die in vielen Faktoren begründet liegen können, nivelliert. So wird die Basis geschaffen, eine von den Fertigkeiten und persönlichen Eigenschaften unabhängige Zeit zu ermitteln, die ein Arbeitsablauf in Anspruch nimmt. Grundlage der Leistungsgradbestimmung ist die Beurteilung des Erscheinungsbildes einer Bewegung.

Die bewegungsanalytisch erfassten Grunddaten ermöglichen über die Indikatorbildung eine dem Leistungsgrad ähnliche Bewegungsbeschreibung.

4.4.1.2 Bewegungssumme

Die Bewegungssumme versteht sich als Summe aller Einzelstrecken zwischen zwei aufgezeichneten Raumkoordinaten. Sie wird für jeden Kanal separat errechnet und stellt die Länge des zurückgelegten Weges der markierten Körperpunkte im Arbeitsprozess dar. Die Bewegungssumme ist die wichtigste Größe, die sich aus der digitalen Bewegungsanalyse errechnen lässt. In Kenntnis dieser Größe lassen sich verschiedene Aufgaben oder Gestaltungsvarianten miteinander vergleichen. Der Umfang der energetischen Arbeit innerhalb der Aufgabe lässt sich abschätzen.

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Die Genauigkeit der Werte hängt vom Umfang der notwendigen Interpolation ab, die aufgrund verdeckter Messwerte erfolgen musste und von den Abständen zwischen den Messpunkten (siehe Tabelle 2 und Kapitel 4.3).

4.4.1.3 Bestimmung des Arbeitsbereiches im Raum

Neben der relativen Geschwindigkeit der Bewegungen lässt sich die relative zeitliche Verteilung der Koordinaten in definierten Bereichen darstellen. Dafür wird der gemessene Raum in Quader beliebig auszuwählender Größe unterteilt, die Gesamtaufenthaltsdauer in diesen Quadern errechnet und nach der Häufigkeit ihrer Frequentierung in unterschiedlichen Graustufen dargestellt. Diese Darstellung ist zweidimensional, d. h., man betracht entweder von oben oder von vorn. Die Berechnung erfolgt für jeweils einen Messpunkt am Körper.

Um die Lage des erkannten Bereichs mit der Person oder dem Arbeitsmittel in Bezug zu setzen, besteht die Möglichkeit, einen Referenzkanal abzubilden. Die Vergleiche können somit entweder innerhalb der Varianten erfolgen oder aber die verschiedenen Gestaltungsformen charakterisieren. Effiziente und weniger effiziente Arbeitsweisen unterscheiden sich z.B. in der Kompaktheit der aufgezeigten Flächen.

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Abb. 5 : Darstellung des Arbeitsbereiches der rechten Hand beim Auflegen von Porree auf ein Förderband (je dunkler, desto häufiger frequentierter B e reich)

4.4.1.4 Ermittlung der Länge einzelner Bewegungsabschnitte

Die Aufzeichnung längerer Bewegungssequenzen steigert über eine mögliche statistische Absicherung die Aussagekraft des Gesamtergebnisses. Einzelne Ablaufabschnitte innerhalb der aufgezeichneten Tätigkeit können in ihren Bewegungssummen jedoch nicht mehr voneinander abgegrenzt werden. Das Endergebnis ist die Gesamtsumme aller Bewegungs-Wiederholungen innerhalb einer Aufzeichnung.

Um eine Weglänge zwischen zwei charakteristischen Punkten im Arbeitsprozess (z.B. Aufnehmen und Ablegen eines Gegenstandes) zu quantifizieren, lassen sich über die Software die Bewegungssummen bestimmter Abschnitte errechnen, innerhalb derer eine definierte Richtungsänderung von Punkt zu Punkt nicht überschritten wird. Dabei wird vorausgesetzt, dass die Bewegung zwischen den definierten Punkten flüssig erfolgt, da sie sonst, gemäß der gewählten Definition von Bewegungen, in mehrere Abschnitte zerlegt wird.

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Nach Angabe einer frei wählbaren Länge in cm ermittelt die Softwarefunktion alle Bewegungsabschnitte, die der angegebenen Länge entsprechen oder kürzer sind. Die Bewegungsabschnitte werden mit markierten Anfangs- und Endpunkten grafisch dargestellt (siehe Abbildung 6, oben) oder als Längenmaße in einer Tabelle aufgelistet und gespeichert. Aus der grafischen Darstellung können die Abschnitte bestimmten Tätigkeiten zugeordnet werden.

Die Streckenlängen, welche die Länge des gesamten Bewegungsabschnittes repräsentieren, sind länger als der direkte Abstand zwischen Anfangs- und Endpunkt, da menschliche Bewegungen nicht geradlinig erfolgen. Eine Bewegung, die in ihrer Länge exakt dem gemessenen Abstand am Arbeitsplatz entspricht, ist ausführbar, jedoch widernatürlich und zeitaufwendiger.

Eine weitere Softwarefunktion ermöglicht die Bestimmung der Scheitelpunkte für die ermittelten Bewegungsabschnitte. Wie beschrieben erfolgen menschliche Bewegungen nicht geradlinig, sondern sie zeigen einen bogenförmigen Verlauf. Der Scheitelpunkt des Bogens wird als der im Bewegungsverlauf am weitesten von der Arbeitsoberfläche entfernte Punkt definiert. Je länger die Strecken sind, desto größer ist der Abstand zur Arbeitsoberfläche. Es können daher nur Bewegungen ähnlicher Längen miteinander verglichen werden.

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Der untere Teil der Abbildung 6 zeigt die jeweiligen Scheitelpunkte der Bewegungsabschnitte in chronologischer Abfolge. Der Scheitelpunkt könnte beispielsweise ein Maß für den Übungsgrad darstellen, er kennzeichnet die jeweilige Bewegungseffizienz verschiedener Personen oder arbeitsgestalterische Einflüsse auf die Bewegungen. Bei geübten Personen verlaufen repetitive Abläufe gleichmäßig, die Schwankungen in den Scheitelpunkten wären gering.

Abb. 6 : Darstellung von Einzelbewegungen (oben) und ihre als Scheite l punkte definierten maximalen Abstände zur Arbeitsoberfläche in cm (u n ten)

4.4.1.5 Abstand zwischen zwei Punkten verschiedener Kanäle

Über die Software ist es möglich, alle Bewegungen in Echtzeit zu durchlaufen. Zwei oder mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Punkte unterschiedlicher Leuchtdioden können kontinuierlich durch eine Linie miteinander verbunden werden, um beispielsweise die Bewegung des Oberkörpers im Vergleich zu den Beinen oder dem Öffnungswinkel eines Armes darzustellen. Bei geschickter Anbringung der Leuchtdioden am Körper können diese über die Verbindungslinien so dargestellt werden, dass bestimmte Körpersegmente versinnbildlicht werden (Abbildung 7). Die Bewegungen werden dann in diesen Segmenten durchlaufen und können als Videodatei abgespeichert werden.

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Neben der bildlichen Darstellung zweier miteinander verbundener Punkte kann die Länge des Abstandes zwischen den Leuchtdioden berechnet und in einer gesonderten Datei gespeichert werden.

Die jeweiligen Abstände werden außerdem als Minimum, Durchschnitt und Maximum in der automatischen Statistikdatei gespeichert und auf dem Bildschirm angegeben. Für quantitative Bewertungen kann der Verlauf der Abstände aus der gesonderten Datei verwertet werden. Aus dieser Funktion ergeben sich sehr vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.

Abb. 7 : Sechs Leuchtdioden, durch deren Verbindung die Unterarme, Obe r arme und der Schulte r gürtel schematisch dargestellt werden

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Die bildliche Darstellung der miteinander verbundenen Leuchtdioden dient der Bewegungserklärung. Die Berechnung der Abstände zwischen ausgewählten Körperpunkten ermöglicht eine Verwendung als Vergleichsgröße.

Die Verwendung der Messwerte dieses endoskelettären Konzeptes entspricht jedoch nur einem Primitivskelett (Aune & Jürgens 1989), nämlich lediglich einer Annäherung an die realen Gelenksituationen.

4.4.1.6 Entfernung zur Arbeitsoberfläche

Das Bezugsobjekt (siehe Anhang), das durch Einmessen in einer separaten Messung in Form eines Rechtecks dargestellt wird, ist ein wesentlicher Bezugspunkt für die Bewertung der Arbeitsausführung. Bei der Berechnung der Entfernung zur Arbeitsoberfläche wird der kürzeste Abstand des im Aktionsmodus stehenden Kanals zum Bezugsobjekt für jeden Messpunkt ermittelt und in Form von Längenmaßen in einer Liste gespeichert.

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Sehr verschiedene Fragestellungen können die Ermittlung des Abstandes von einem Punkt zum Bezugsobjekt erfordern. Die Abstände können im Verlauf dargestellt werden. Diese Funktion erbringt einen ähnlichen Nutzen wie die unter 4.4.1.4 dargestellte Ermittlung der Scheitelpunkte. Die Berechnung ist jedoch unabhängig von Bewegungsabschnitten, sie ermittelt die Abstände für jeden Punkt in der Bewegungslinie.

4.4.1.7 Anzahl der Bewegungen

Angeregt durch eine Untersuchung von Datta et. al. (2001) zur Beurteilung der technischen Fertigkeiten von Chirurgen, wurde die Ermittlung von Einzelbewegungen realisiert. Im Gegensatz zur manuellen Ermittlung von Bewegungsabschnitten durch Eingabe von Längen wird hier die Gesamtbewegung automatisch in einzelne Bewegungen unterteilt.

Die gemessene Anzahl der Bewegungen ist davon abhängig, wie die Bewegung definiert wird. In der Literatur ist keine eingeführte Definition für eine Bewegung bekannt. Die Auswertesoftware bietet daher die Möglichkeit, mit zwei unterschiedlichen Definitionen zu arbeiten. Die den Untersuchungen von Datta zugrunde liegende Annahme ist, dass eine Bewegung als beendet gilt, wenn sich die Bewegungsgeschwindigkeit verändert. Eine andere Möglichkeit ist, eine Bewegung als beendet zu betrachten, wenn sich die Bewegungsrichtung deutlich ändert. Als Bemessungsgrundlage für eine deutliche Richtungsänderung wurde zunächst ein Winkel von 45° angenommen. Es muss untersucht werden, welche der beiden Definitionen die geeignetere ist und in wieweit die Eignung von der Arbeitsaufgabe abhängt. Im Rahmen von Untersuchungen zum Energieumsatz fanden Grandjean (1991) und Bouisset und Monod (1964) heraus, dass bei Bewegungen von 60 Grad nach rechts (gemessen an der Horizontalen) die elektrische Aktivität der Muskulatur am geringsten ist. Über die beschriebene Funktion ließen sich so Bewegungsabschnitte herausfiltern, deren Energieverbrauch unnötig hoch ist. Die winkelabhängige Bemessungsgrundlage berücksichtigt somit den energetischen Aufwand.

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Die Anzahl der benötigten Bewegungen könnte Aufschluss geben über die individuellen Fertigkeiten, die Schwierigkeit der Aufgabe, den Ermüdungszustand oder den Lernerfolg. Sie könnte ein objektives Teilkriterium für die Leistungsgradbeurteilung darstellen.

Die Klärung, welche der genanten Definitionen besser geeignet ist sowie die Validierung des Indikators, ist nicht Bestandteil dieser Arbeit.

4.4.1.8 Winkelfunktionen

Die Berechnung von Winkeln setzt die durch Verbinden markierter Körperpunkte entstehende Bildung von Strecken (siehe Abbildung 8) voraus, die in ihrem Bezug zueinander durch Winkel beschrieben werden. Für eine Winkelberechnung müssen mindestens zwei Körperpunkte verfolgt werden.

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Die Bewegungen der Arme oder Beine lassen sich beispielsweise durch den Gelenköffnungswinkel um Knie oder Elle beschreiben, wofür jeweils die Aufzeichnung dreier Marker notwendig ist. Werden die drei Marker miteinander verbunden, ergeben sich drei Strecken (a, b und c), deren Stellung zueinander wiederum durch Winkel beschrieben wird (Abbildung 8).

Die mathematischen Grundlagen der Winkelberechnung setzen voraus, dass drei Informationen vorhanden sind (Winkelgrößen oder Streckenlängen), um über den Sinus- oder Kosinussatz die fehlende Information zu errechnen:

Sinussatz:

Kosinussatz:

a2 = b2+c2-2bc cos

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Abb. 8 : Berechnung des Gelenköffnungswinkels ( ) basierend auf den Messpun k ten an Schultern (B), Ellen (A) und Händen (C); Grauschattierung spi e gelt die Häufigkeit wider (je dunkler, desto häufiger)

Da die Funktion einen Winkel berechnen soll, werden jeweils die Längen der Dreiecksseiten (a, b, c) benötigt und der Kosinussatz entsprechend umgeformt.

Der erste Berechnungsalgorithmus für die Winkelgröße basiert auf den jeweils aktuellen Raumkoordinaten in den Punkten A, B und C. Die drei ausgewählten Kanäle bilden ein Dreieck (siehe Abbildung 7), dessen Winkelgröße berechnet wird (siehe auch Berechnungsalgorithmen im Anhang).

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Die zweite Methode basiert auf der Annahme, dass sich die Grundseiten b und c des Dreiecks in ihrer Länge nicht verändern. Für die Berechnung des Winkels werden die Längen von b und c über die gesamte Messung berechnet und daraus ein Durchschnittswert für beide Grundseiten ermittelt. Anwendungsmöglichkeiten für diese Methode bestehen beispielsweise dann, wenn der Winkel um die Ellenbeuge, beschrieben durch die Teilabschnitte des Ober- und Unterarms, berechnet werden soll.

Bei der dritten Möglichkeit, den Winkel zu berechnen, werden die Längen der Grundseiten b und c am Probanden gemessen und später manuell eingegeben. Nur noch a (Strecke zwischen B und C), die dem zu berechnenden Winkel gegenüberliegende Seite, basiert auf Messwerten.

Die Wahl des jeweiligen Berechnungsverfahrens obliegt dem Nutzer und ist u.a. abhängig von der Messgüte der ausgewählten Kanäle. Die Qualität der Messung wird, wie unter 4.3 beschrieben, durch mehrere Faktoren beeinflusst. Auch hier ist die Sichtbarkeit das wichtigste Kriterium. Eine gute Sichtbarkeit reduziert die Notwendigkeit der Interpolation fehlender Werte.

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Neben der Berechnung von Winkeln, die auf drei beweglichen Punkten basieren, können die Winkel zu einer in einem Punkt gebildeten Senkrechten berechnet werden. Hierfür werden zwei Kanäle (B, A) ausgewählt. Vom ersten ausgewählten Kanal wird eine Senkrechte (a) gebildet (siehe Abbildung 9). Auf dieser Senkrechten wird ein beliebiger Punkt (C) gewählt und für die Berechnung der Dreiecksseite a verwendet (Abbildung 9).

Als Anwendungsbeispiel wäre das Anheben des Oberarms zu nennen, wobei Punkt B einen Marker an der Schulter repräsentiert und Punkt A die Koordinaten des Ellbogens darstellen.

Nach Berechnung erhält der Nutzer zunächst eine grafische Darstellung der berechneten Winkelgrößen und ihrer Häufigkeit (wie Abbildung 8). Die jeweiligen Winkelverläufe lassen sich außerdem in separaten Dateien speichern.

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Abb. 9 Berechnung des Armhebewinkels ( ) basierend auf den Markern an Schu l ter (B) und Elle (A)

Bei zyklischen Bewegungsabläufen werden bestimmte Phasen durch entsprechende Winkelgrößen charakterisiert. Betrachtet man die gleichzeitige Veränderung zweier Winkel (z.B. Anheben des Oberarmes und dem Öffnungswinkel um die Elle), so kann dieser Verlauf in sogenannten Winkel-Winkel-Diagrammen dargestellt werden. Die Kongruenz solcher Verläufe ist ein Zeichen harmonischer Arbeitsausführung und günstiger Gestaltung. Als Grundlage für die Darstellung der Winkel-Winkel-Diagramme müssen die Winkelverlaufsdateien angelegt werden.

Die Betrachtung von kombinierten Winkelverläufen berücksichtigt, dass es sich beim Menschen um einen komplexen Bewegungsapparat handelt, d.h. dass beispielsweise Änderungen beim Bewegungsverlauf der Hand gleichzeitig Änderungen der Ellen- oder Schulterbewegung hervorrufen können.

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In Abhängigkeit vom Interpolationsalgorithmus, nämlich der sog. „speed based“ oder „straight approximation“, erhält man sowohl innerhalb einer Berechnungsmethode als auch zwischen den beschriebenen Winkel-Algorithmen eventuell voneinander abweichende Ergebnisse. Dies ist beispielhaft in Abbildung 29 im Ergebnisteil dargestellt.

4.4.2 Qualitative Bewertungskriterien

Neben den aufgeführten Messgrößen, die teilweise grafische Darstellungen beinhalten, gibt es Funktionen mit ausschließlich grafischem Charakter. Sie dienen dem besseren Verständnis der Bewegungen und der übersichtlichen Darstellung von Zusammenhängen. Ihre Interpretation bleibt rein qualitativer Art.

4.4.2.1 Räumliche Darstellung der Bewegungslinien

Gegenüber der im Messcomputer dargestellten, zweidimensionalen Ansicht der Bewegungsspuren ermöglicht die neue Software eine dreidimensionale Ansicht der Bewegungslinien. Dabei können entweder die definierten Ansichten im Menu gewählt oder durch Anklicken und Ziehen des Mauszeigers Ansichten jeder beliebigen Position erzeugt werden. Für die Beurteilung von Bewegungen im Raum bieten sich die voreingestellten Ansichten der Bewegungslinien von vorn („Front“), von oben („From top“) oder die Ansicht von rechts („From right side“) an. Erst der Wechsel in den Ansichten ermöglicht eine vollständige Nutzung der gemessenen dritten Dimension.

4.4.2.2 Messkanalweise Darstellung der Bewegungslinien

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Die Bewegungslinien werden einzeln für jeden Kanal abgebildet oder aber alle gemeinsam, wobei jeweils ein Kanal im Auswertungsmodus steht. Für das bessere Verständnis der Lage im Raum wird ein Bezugsobjekt abgebildet, welches durch eine Eichmessung vor jeder Messreihe nach genauen Vorgaben gebildet wird. Diese Vorgaben sind im Programm abgelegt.

Jede Bewegungsmessung kann pro Kanal in ihrer Gesamtheit abgebildet oder unter Vorgabe einer bestimmten Abbildungslänge durchlaufen werden. Eine Bewegung im Track von Punkt zu Punkt ist ebenfalls möglich.

Die Bewegungslinien lassen sich wahlweise als Gesamtbild oder in definierter Länge als Teilstücke darstellen. Durchläuft man den Track, so kann jederzeit gestoppt und schrittweise vor oder zurück gegangen werden. Es können auch alle Kanäle gleichzeitig durchlaufen werden.

4.4.2.3 Visualisierung von Geschwindigkeiten einzelner Bewegungsabschnitte innerhalb des Arbeitsvorganges

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Die Bewegungslinien können in unterschiedlichen Farben abhängig nach Geschwindigkeiten dargestellt werden (Abb. 9). Die Farben werden in einem Menupunkt nach Bedarf vom Nutzer selbst bestimmt. Die Geschwindigkeiten sind in fünf Stufen unterteilt und orientieren sich innerhalb einer Messdatei an der schnellsten und langsamsten Bewegung. Das heißt, für jeden Messzyklus werden alle Farbabstufungen in vollem Umfang genutzt. Dadurch sind die Geschwindigkeiten zwischen Messungen jedoch nicht vergleichbar.

Für den Vergleich verschiedener Messungen wurde eine Funktion realisiert, welche die Darstellung der absoluten Geschwindigkeiten ermöglicht. Hierzu muss eine Referenzgeschwindigkeit bestimmt werden. Die Farbgebung orientiert sich dann an ihr.

Allen grafischen Funktionen liegen Messwerte zugrunde, aus denen die Indikatoren berechnet werden. Die Grafik dient somit der besseren Visualisierung von Messergebnissen und fördert das Verständnis der auf die Linien reduzierten Bewegungen.

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Abb. 10 : Räumliche Darstellung der Bewegungslinien der rechten Hand von vorn in g e schwindigkeitsabhängiger Färbung


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07.06.2005