Humboldt-Universität zu Berlin

Dissertation

Bewertung von Arbeitsprozessen im Gartenbau mit Hilfe der dreidimensionalen Bewegungsanalyse

zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum agriculturarum (Dr. rer. agr.)

Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät

Dipl. Ing. agr. Martina Jakob

Dekan: Prof. Dr. Uwe Jens Nagel

Gutachter:
1. Professor W. Bokelmann
2. Professor S. Kleisinger
3. Dr. M. Geyer

eingereicht:3. Juni 2004

Datum der Promotion:3. Februar 2005

Die vorliegende Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft unterstützt.

Die Grundlagen für die Arbeit wurden in den vergangenen vier Jahren am Institut für Agrartechnik Bornim e.V. mit Sitz in Potsdam erarbeitet.

Mein ganz besonderer Dank gilt Herrn Prof. Bokelmann für die freundliche Annahme des Themas sowie für seine Betreuung seitens der Universität. Des weiteren möchte ich mich bei Herrn Dr. Geyer für die Unterstützung am Institut für Agrartechnik bedanken.

Ein weiteres Dankeschön gilt Herrn Dr. Geyer und Herrn Professor Kleisinger für ihre Gutachter-Bereitschaft.

Erwähnt werden soll auch die von Dr. Ivanov durchgeführte Programmierung der Auswertesoftware, die in vielen anregenden Diskussionen entstanden ist und sukzessiv im praktischen Einsatz erweitert wurde.

Für die Versuchsergebnisse maßgeblich verantwortlich waren die hochmotivierten studentischen Hilfskräfte Karin und Nicole, bei denen ich mich ebenfalls herzlich bedanken möchte.

Besonders erwähnen möchte ich auch meinen ehemaligen Kollegen Dr. Oberbarnscheidt, der sich im wohlverdienten Ruhestand für konstruktive Kritik verdient gemacht hat.

Inhaltsverzeichnis

• 1 Einleitung
  • 1.1 Problemstellung
  • 1.2 Zielsetzung
• 2 Grundsätze der Gestaltung und Bewertung von Arbeitssystemen
  • 2.1 Besonderheiten der gartenbaulichen Arbeitsgestaltung
  • 2.2 Grundlagen der arbeitswissenschaftlichen Beurteilung
• 3 Bewegungsanalyse
  • 3.1 Rückblick auf die Entwicklung der Bewegungsanalyse
  • 3.2 Einsatz der Bewegungsanalyse in der Medizin und im Sport
  • 3.3 Einsatz der Bewegungsanalyse in der Arbeitswissenschaft
• 4 Methodenentwicklung
  • 4.1 Beschreibung der Messtechnik
  • 4.2 Vorgehensweise
  • 4.3 Genauigkeit und Beurteilung der Güte einer Messung
  • 4.4 Analysesoftware
    • 4.4.1 Quantitative Messgrößen
      • 4.4.1.1 Zeit
      • 4.4.1.2 Bewegungssumme
      • 4.4.1.3 Bestimmung des Arbeitsbereiches im Raum
      • 4.4.1.4 Ermittlung der Länge einzelner Bewegungsabschnitte
      • 4.4.1.5 Abstand zwischen zwei Punkten verschiedener Kanäle
      • 4.4.1.6 Entfernung zur Arbeitsoberfläche
      • 4.4.1.7 Anzahl der Bewegungen
      • 4.4.1.8 Winkelfunktionen
    • 4.4.2 Qualitative Bewertungskriterien
      • 4.4.2.1 Räumliche Darstellung der Bewegungslinien
      • 4.4.2.2 Messkanalweise Darstellung der Bewegungslinien
      • 4.4.2.3 Visualisierung von Geschwindigkeiten einzelner Bewegungsabschnitte innerhalb des Arbeitsvorganges
• 5 Ergebnisse
  • 5.1 Versuch 1 (Steharbeitsplatz Produkthandling)
    • 5.1.1 Material und Methode
    • 5.1.2 Ergebnisse
    • 5.1.3 Diskussion
  • 5.2 Versuch 2 (Sitzplatz auf Spargelerntehilfen)
    • 5.2.1 Material und Methode
    • 5.2.2 Ergebnisse
    • 5.2.3 Diskussion
• 6 Abschließende Bewertung der Methode
  • 6.1 Vergleich mit bisher angewandten Methoden
  • 6.2 Informationsgewinn
  • 6.3 Ausblick
  • 6.4 Fazit
• 7 Zusammenfassung
• 8 Summary
• 9 Quellenverzeichnis
  • 9.1 Literaturquellen
  • 9.2 Internetquellen
• 10 Anhang
  • 10.1  Algorithmen zur Berechnung ausgewählter Indikatoren
    • 10.1.1 Interpolation von Bereichen mit nicht sichtbaren Punkten
    • 10.1.2 Bewegungssumme
    • 10.1.3 Winkelberechnung für drei ausgewählte Kanäle
    • 10.1.4 Bestimmung des Arbeitsbereiches
    • 10.1.5 Bezugsobjekt
  • 10.2  Menustruktur der Analysesoftware
  • 10.3  Vorgehensweise für die Durchführung der Bewegungsanalyse an ortsfesten Arbeitsplätzen
  • 10.4 REFA-Standardprogramm Systeme vorbestimmter Zeiten
• Erklärung

Tabellen

• Tabelle 1: : Auswahl von Methoden zur Aufzeichnung von Bewegungslinien
• Tabelle 2: : Prozentuale Zunahme der gemessenen Streckenlänge zum wirklichen Abstand
• Tabelle 3: : Auflistung der Versuchsvarianten

Bilder

• Abb. 1 : Ablauf eines Standspagats
• Abb. 2 : Aluminium-Profil mit Messkameras (CCD-Kameras links und rechts, V i deokamera Mitte)
• Abb. 3 : Beispiel einer „zittrigen“ Bewegungslinie aufgrund hoher Aufzeichnung s frequenz (50 Hz) und langsamen Bewegungen mit erklärender Ausschnittvergr ö ßerung
• Abb. 4 : Darstellung der Antennen zur B e wegungsverstärkung
• Abb. 5 : Darstellung des Arbeitsbereiches der rechten Hand beim Auflegen von Porree auf ein Förderband (je dunkler, desto häufiger frequentierter B e reich)
• Abb. 6 : Darstellung von Einzelbewegungen (oben) und ihre als Scheite l punkte definierten maximalen Abstände zur Arbeitsoberfläche in cm (u n ten)
• Abb. 7 : Sechs Leuchtdioden, durch deren Verbindung die Unterarme, Obe r arme und der Schulte r gürtel schematisch dargestellt werden
• 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)
• Abb. 9 Berechnung des Armhebewinkels ( ) basierend auf den Markern an Schu l ter (B) und Elle (A)
• Abb. 10 : Räumliche Darstellung der Bewegungslinien der rechten Hand von vorn in g e schwindigkeitsabhängiger Färbung
• Abb. 11 : Steharbeitsplatz bei der Aufbereitung von Porree
• Abb. 12 : Streubreite der über die Versuche gemessenen Leistungen aufgelegter Sta n gen/h in Abhängigkeit von der Maschinenkapazität
• Abb. 13 : Personenspezifische Leistungsunterschiede aufgelegter Sta n gen im Durchschnitt aller Varianten
• Abb. 14 : Bewegungssummen der oberen Extremitäten eines Probanden in m für einen Durchgang (li. Schulter 1, li. Elle 2, li. Hand 3, re. Hand 4, re. Elle 5, re. Schulter 6) bei niedriger Bandhöhe (schwarz) und optimaler Ban d höhe (hellgrau)
• Abb. 15 : Kopfbewegung und durchschnittliche Bewegungsgeschwindigkeit bei unterschiedl i cher Produktbereitstellung, Variante 1: Kiste auf Bandhöhe, Variante 2: Kiste nahezu e benerdig
• Abb. 16 : Aufgelegte Stangen pro Stunde bei zwei Probanden und unterschiedlicher Anor d nung der Kisten
• Abb. 17 : Bewegungsaufwand von Person C für den Kopf und beide Hände bei unterschiedl i cher Bandlaufgeschwindigkeit und Produktbereitste l lung
• Abb. 18 : Öffnung des rechten Armes während der Arbeit in Abhängigkeit von der Bandlau f geschwindigkeit
• Abb. 19 : Anheben des Oberarmes während der Arbeit in Abhängigkeit von der Bandlaufg e schwindigkeit
• Abb. 20 : Winkelverlaufsdiagramm des rechten Armes für das Greifen (G) und A b legen (A) eines g e griffenen Bundes Weidenabschnitte
• Abb. 21 : Sitzkonstruktionen: Kniesitz Praxis (links), Labor (Mitte) und Oberkörpe r stütze Labor (rechts)
• Abb. 22 : Sitzplätze im Arbeitsprozess, Kniesitz in der Praxis (links), im Labor (Mi t te) und Oberkörperstütze Praxis (rechts)
• Abb. 23 : Anordnung der Felder in der Mörtelwanne, X ist der Standort des Probanden (u n tere Abbildung); Kniesitz im Labor mit Felderbezeichnung in der Mörtelwanne und gekennzeichneten Dioden (obere Abbi l dung)
• Abb. 24 : Vergleich der aufgezeichneten Bewegungssummen der rechten Hand von zwei Pr o banden für beide Sit z platzvarianten
• Abb. 25 : Bewegungssummen in m für das Stechen von 50 Stangen für den Sitz mit Oberkö r perstütze, Unterschiede der verschiedenen Interpolationsalgorithmen „speed b a sed“ und „straight appr o ximation“
• Abb. 26 : Darstellung des Verlaufs der Oberkörperwinkel für die Oberkörperstü t ze (links) und den Kniesitz (rechts)
• Abb. 27 : Ausschnitt der gemessenen Rumpf- und Armöffnungswinkel im Zeitve r lauf beim Stechen auf dem Kniesitz
• Abb. 28 : Verlauf von Armöffnungswinkel und Rumpfwinkel für das Stechen einer Stange auf dem Kniesitz (linke Körperhälfte)
• Abb. 29 : Prozentuale Anteile der Armöffnungswinkel (rechts) auf dem Kniesitz bei Verwe n dung von unterschiedlichen Algorithmen zur Winkelberechnung
• Abb. 30: Prozentualer Anteil der Armwinkelöffnungswinkel (links) bei zwei Personen im Arbeitsverlauf auf dem Sitz mit Oberkörperstütze
• Abb. 31 : Darstellung der typischen Doppel-S-Krümmung der Wirbelsäule (aus: http://www.biomedicus.de/krankheit/wirbels1.htm)
• Abb. 32 : Verlauf der Abweichungen des Schulter-Hüft-Abstandes vom Referenzwert bei Pe r son K auf dem Sitz mit der Oberkörperstütze
• Abb. 33 : Summe aller Schulter-Hüftabstände (in mm) < Null auf den verschied e nen Sitzen bei zwei Probanden
• Abb. 34 : Schematischer Ablauf der Methodenentwicklung
• Abb. 35 : Geschwindigkeitsabhängige Interpolation fehlender Messwerte
• Abb. 37 : Beispiel der räumlichen Zuordnung einer Strecke p,q
• Abb. 38 : Bezugsobjekt ausgehend von Punkt (0,0,0)