Planungsmethode ema : Ueberblick und Workflow

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Überblick zur prinzipiellen Funktionsweise von ema

Das Softwarewerkzeug ema ist ein Hilfsmittel und gleichzeitig eine Methode für Planung, Gestaltung und Optimierung von Prozessabläufen in der industriellen Fertigung innerhalb früher Planungsphasen.

In der Software wird zunächst ein abstraktes digitales Abbild des Arbeitssystems (Begriff Arbeitssystem: s. DIN EN ISO 6385: 2014-10) erstellt, welches Arbeitsmittel (z. B. Werkzeuge, Maschinen, Anlagen, Möbel, Einrichtungen), Arbeitsgegenstände (be- oder verarbeitete Objekte: Stoffe, Güter) und die im Rahmen von Arbeitsaufgaben agierende Zielpopulation umfasst und als 3D-Geometrien visualisiert. Die Zielpopulation wird durch Menschmodelle repräsentiert, die anthropometrische Eigenschaften und eine kinematische Skelettstruktur aufweisen.

Danach wird der Arbeitsablauf, d. h. die zeitliche und räumliche Abfolge menschlicher Arbeitshandlungen (technologische Arbeitsverrichtungen) modelliert. Dabei erfolgt die Bewegungsgenerierung des Menschmodells nicht über lokale Gelenkpunktanimation und/ oder über Vorwärts- und inverse Kinematik, die der Nutzer über Targets oder Winkeleinstellungen ansteuert, sondern über sogenannte Verrichtungen, die dann programmintern durch einen Bewegungsgenerator verarbeitet und in Bewegungen überführt werden. Diese Verrichtungen sind in einer Bibliothek enthalten. Der Nutzer stellt die Verrichtungen gemäß der prozessbedingten Vorgangsreihenfolge zusammen und parametrisiert diese. Das geschieht über die Angabe von Rahmenbedingungen (z. B. Zielpositionen, Objekthandhabung, zugelassene Körperbewegungen etc.).

Diese zunächst "in Warteschlange" befindlichen Verrichtungen werden anschließend einem Simulationsmodell zugeführt und einer (internen) Plausibilitätsprüfung unterzogen. Sind alle Kenngrößen in ihrer Ausprägung vollständig und stimmig, werden die Ergebnisdaten in aufbereiteter, übersichtlicher und verständlicher Form ausgegeben.

ema besitzt Ergebnis-Tools für verschiedene Anwendungsaspekte:

  • Visualisierung der Posen des Menschmodells als fließende Bewegungen bei Ausführung der einzelnen synthetischen Verrichtungen
  • Ermittlung der an MTM angelehnten Richtwertzeiten
  • Bestimmung zeitlicher Verschwendung im Prozess
  • Darstellung von Strukturdiagrammen des Arbeitsablaufs, auch simultaner und verketteter Prozessabschnitte
  • Ergonomiebewertung multipler physischer Belastungen nach dem Ergonomieverfahren EAWS
  • Speicherung und Verwaltung aller Ergebnisdaten sowie Bezugsetzung zu allen Einzelverrichtungen
MTM (Methods-Time Measurement) MTM
Arbeitsablauf-Zeitanalyse
Methode zur Planung der Dauer von Arbeitsabläufen und darüber zur Planung und Gestaltung produktiver Arbeit
Fokus des MTM: prospektive Prozessbeschreibung: d. h. Vorwegnahme einzelner Bewegungen für einen geplanten Prozess
Methode zur Modellierung menschlicher Bewegungen
Zerlegung manueller Tätigkeiten in elementare Grundbewegungen mittels definierter Prozessbausteine und Zuordnung von Elementarzeiten
EAWS (Ergonomic Assessment Worksheet)
Risikobewertungsverfahren nach Ampelschema zur kombinierten Betrachtung körperlicher Belastungsarten
für überwiegend getaktete industrielle Fertigungsbereiche
Belastungspunkte für physische Beanspruchungen unter ergonomisch ungünstigen Arbeitssituationen

Beispielhafte Szene mit partiellen Analyseergebnissen:

Beispielszene_ema


Prozesssprache von ema

Eine Arbeitsaufgabe ist die Aufforderung an den Arbeitenden, Tätigkeiten auszuführen. Die Tätigkeiten bestehen aus einer Anzahl erforderlicher Aktivitäten/ menschlicher Arbeitshandlungen/ komplexer Verrichtungen, die wiederum untergeordnete Verrichtungen beinhalten. Die räumlich-zeitliche Abfolge dieser Tätigkeiten beschreibt den Arbeitsablauf.

Tätigkeiten in räumlich-zeitlicher Abfolge
--> komplexe Verrichtungen
--> untergeordnete Verrichtungen (Elementarverrichtungen)

Die Prozesssprache von ema bewegt sich größtenteils auf der Ebene der Elementarverrichtungen, jedoch auch teilweise auf der höheren Ebene der Komplexverrichtungen. Komplexe Verrichtungen wie z. B. das Einsteigen in ein Fahrzeug beinhalten den für die technologische Aufgabe wesentlichen und typischen Bewegungsablauf, umfassen dann jedoch eine steigende Anzahl beschreibender Parameter.

Beispiel: Arbeitsaufgabe Fahrradmontage

Tätigkeit Nr. xyz:

Ablegen eines Fahrradrahmens auf einem Förderband

Komplexverrichtungen:

Ablegen

Elementarverrichtungen:

Laufen zum Objekt Fahrradrahmen - Fahrradrahmen aufnehmen - Laufen zum Förderband - Platzieren Fahrradrahmen auf dem Förderband

Grundbewegungen zu ´Laufen zum Objekt Fahrradrahmen´:

Drehen in Vorgaberichtung - Aufrichten - Fuß zu Ziel bewegen


Im obigen Beispiel der Fahrradmontage sieht die Prozesssprache folgende Elementarverrichtungen vor, die über eine Parametrisierung weiter untersetzt werden:

Prozesssprache_ema


ema-Prozesssprache in Bezug zur arbeitsorganisatorischen Strukturierung des Prozessablaufs

--> siehe hierzu (Schönherr, 2014)

Nach REFA wird der Prozessablauf vertikal in folgende Stufen gegliedert, wobei die unterste Hierarchieebene die größte Granularität aufweist.

Das arbeitsorganisatorische Strukturierungsmodell für Systeme vorbestimmter Zeiten gemäß MTM folgt ebenfalls einer vertikalen Hierarchie und lässt sich dem REFA-Modell gegenüberstellen.

ema definiert tätigkeitsunabhängige parametrische Bewegungsbausteine, mit denen sich beliebige Elementarverrichtungen zusammensetzen lassen. Die Bewegungssynthese in ema beruht auf der untersten Hierarchieebene von REFA/ MTM: der Grundbewegung.

Hierarchie_Prozess und ema_Verrichtung


Im ema besteht die Verrichtungshierarchie aus den vier Ebenen:

  • Komplexverrichtung
    • Elementarverrichtung
      • Grundbewegung (Zusammensetzung aus Grundposen --> "Animation")
        • Grundpose (Körperhaltung, -stellung)

Man könnte diese Verrichtungshierarchie aber gedanklich auch wie folgt erweitern:

  • Komplexverrichtung
    • Elementarverrichtung
      • Bewegung (Animation: Aneinanderreihung von Posen)
        • Grundpose/ Pose (Körperstellung/ Körperhaltung)
          • Grundbewegung (von Körpergliedern)

Die Begriffe Körperhaltung und Körperstellung sind in der Literatur nicht eindeutig definiert und werden zumindest umgangssprachlich oft synonym verwendet.

Körperstellungen (als Arbeits- und auch Ruhestellungen) sind geometrisch gesehen ganz allgemein räumliche Beziehungen einzelner Körpergliedmaßen zueinander. So können die prinzipiellen Grundstellungen wie Liegen, Hocken, Knien, Sitzen, Stehen als übergeordnet angesehen werden.

Körperhaltungen sind hingegen Bewegungsvarianten oder Bewegungsformen einer Körperstellung, z. B. Armhaltung, Kopfhaltung innerhalb der Grundstellung Sitzen. DIN EN 1005-1: 2009-04 definiert Körperhaltung "...als Lage von Körper, Körperteil(en) oder Gelenk(en)." Damit können gleiche Körper(grund)stellungen unterschiedliche Körperhaltungen aufweisen.

Eine Animation ist eine Aneinanderreihung von Einzelbildern, die ein bewegtes Bild ergeben.

Nach dieser Begriffsverwendung entsprechen die Grundposen in ema in etwa den Körpergrundstellungen, jedoch beliebige Posen im ema den Körperhaltungen. Die allgemeine ema-Pose ist eine Kombination aus Position und Orientierung von Körperteilen. Die Grundbewegung in ema führt zur Körperhaltung (Bewegungsvariante). Grundbewegungen (z. B. Fingerbewegung, Kopfdrehung, Rumpfflexion) führen die menschlichen Funktionsträger/ Körperbereiche Arme, Beine, Hände, Füße, Kopf, Oberkörper, Hüfte aus. Die Grundbewegungen dieser Körperabschnitte (der Bewegungsgruppen) führen zu Übergängen zwischen Körperstellungen. Damit führen Grundbewegungen einerseits zu Grundposen und mehrere Grundbewegungen zu Elementarverrichtungen. So besteht die Grund-Pose Sitzen beispielsweise aus den Grundbewegungen Hüft- und Beinbewegung. Auch ist das Hinlangen zu einem Objekt eine Grundbewegung. Die Elementarverrichtung Objekt aufnehmen kann sich bereits aus mindestens zwei Grundbewegungen zusammensetzen: z. B. aus Hinlangen zum Objekt und aus Kopfbewegung (durch Blickrichtung, Sichtkontakt). Eine Komplexverrichtung, z. B. Montage des Objekts an einem Verbauort besteht i. allg. wiederum aus mehreren Elementarverrichtungen (z. B. Objekt aufnehmen, Objekt platzieren, Objekt festdrücken).

Nach der ema-Logik ist eine Bewegung eine Aneinanderreihung von Posen.

D. h. nochmals zusammengefasst: durch die Bewegung von Körpergliedern (Grundbewegungen) entstehen beliebige Posen (Körperhaltungen, Bewegungsvarianten), ein Teil davon sind Grundposen (Körperstellungen); die Aneinanderreihung von Posen führt erst einmal generell zu einer Animation; einzelne Posenkombinationen verkörpern Einzelverrichtungen, die Zusammenfassung mehrerer Einzelverrichtungen wiederum zu Komplexverrichtungen.

In ema existiert eine Verrichtungsbibliothek, die Elementarverrichtungen enthält. Diesen Elementarverrichtungen sind im Kontext der Tätigkeit charakteristische Eigenschaften zuzuordnen, die zur Parametrisierung von Grundposen führen, die dann durch programminterne Grundbewegungen ausgelöst (generiert) werden.


Workflow

Einer digitalen Untersuchung der Variantenentwürfe von Prozessabläufen liegt in ema die folgende Schrittfolge zugrunde:

Ermittlung und Aufbereitung von Ausgangsdaten des Projektes

  • Daten zum Arbeitssystem: Zielpopulation; Arbeitsmittel, Arbeitsgegenstände, räumlich-zeitliche Abfolge von Tätigkeiten
  • Modellbildung der Arbeitsplätze des Arbeitssystems
a) Erzeugung von 3D-Geometriemodellen in CAD-Systemen
b) Festlegung weiterer Geometrien und der Abmessungen als/ aus ema-Bibliotheksobjekt
  • Abstraktion bzw. Untersetzung der menschlichen Arbeitshandlungen gemäß ema-Prozesssprache (Beschreibung als untergeordnete Verrichtungen)
  • Bestimmung des Bewegungsverhaltens von Arbeitsmitteln, -gegenständen

Erzeugung eines digitalen Arbeitsplatzmodells (Kombination, räumliche Anordnung der Arbeitsmittel)

  • Laden / Erzeugen von Bibliotheksobjekten
  • Einbindung externer 3D-Objekte/ 3D-Geometriemodelle
  • Layoutaufbereitung

Einbindung von digitalen Menschmodellen

  • Konfiguration und Laden von Menschmodellen als Bibliotheksobjekt

Digitale Umsetzung geplanter Arbeitsabläufe: Überführung elementarer Verrichtungen in ema-Prozesssprache (digitales Verrichtungsmodell)

  • Auswahl von Verrichtungen des Werkers aus der Verrichtungsbibliothek
  • Parametrisierung der Verrichtungen gemäß dem Verhalten des Werkers
  • Festlegung von Objekteigenschaften (ergonomierelevant…)
  • Erstellung von Objektbewegungen
  • Erstellung von Hierarchien und der Synchronisation von Teilprozessen

Zuführung des Verrichtungsmodells zum Simulationsmodell

  • Simulation der Arbeitsaufgabe
  • Plausibilisierung
  • ggf. Änderung von Verrichtungsparametern, von Hierarchien

Ergebnisauswertung

  • Ermittlung von MTM-Richtzeit, von Prozessdaten; Ergonomiebewertung
  • Auswertung und ggf. Ausgabe (Excel-Export)

Modifikation und Optimierung des Arbeitssystems

  • Änderung des Arbeitsplatzlayouts
  • Änderung von Arbeits-Technologien
  • Änderung von Objekteigenschaften (Masse, Kräfte, Geometrien…)


Filmbeispiele zu Anwendungen von ema

(1) Einfache Montagearbeiten: Waschmaschinenmontage

siehe Waschmaschinenmontage

(2) Montage am bewegten Objekt: Der Arbeiter verrichtet körperliche Arbeiten an einem bewegten Objekt

siehe Montage am bewegten Fahrzeug

(3) Verkettete Arbeitsplätze: Ein Arbeiter verrichtet seine Arbeit in Abhängigkeit von einem vorgeschalteten Arbeiter, welcher Bauteile oder Arbeitsmittel liefert

siehe verkettete Arbeitsplätze

(4) Menschmodell-Roboter-Kollaboration: Ein Arbeiter kooperiert z.B. für eine Bauteilmontage (Fahrzeugtürmontage) mit einem Roboter

siehe Mensch-Modell-Roboter Kollaboration



Literatur:

Schönherr, Ricardo (2014): Simulationsbasierte Absicherung der Ergonomie mit Hilfe digital beschriebener menschlicher Bewegungen. Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2014

DIN EN ISO 6385: 2014-10 Grundsätze der Ergonomie für die Gestaltung von Arbeitssystemen. Berlin: Beuth Verlag

DIN EN 1005-1: 2009-04 Sicherheit von Maschinen - Menschliche körperliche Leistung - Teil 1: Begriffe. Berlin: Beuth Verlag