Werkzeuge der digitalen Ergonomie

Zur optimalen ergonomischen Gestaltung der Arbeitssysteme ist es erforderlich, personenbezogene Merkmale der Beschäftigten bzw. der Nutzerpopulation zu erfassen. Die wesentliche Grundlage liefern digitale Menschmodelle, die modellhaft geometrische und biomechanische Eigenschaften und Fähigkeiten des Menschen oder auch einzelne Elemente davon abbilden und simulieren. Digitale Ergonomie-Lösungen bestehen oft aus mehreren Teilsystemen. Hier spielen insbesondere Softwarelösungen eine Rolle, die digitale Menschmodelle simulieren, Computer-Aided-Design (CAD)-Programme, die die Arbeitsumgebung modellieren und Motion Capture-Lösungen. Digitale Menschmodelle können auch bereits in CAD-Programme integriert sein (KAN 2023). Digitale Menschmodelle können mithilfe von CAD- oder Virtual Reality-Tools in einer Umgebung platziert und manipuliert werden, beispielsweise in Bezug auf Haltungen, Bewegungen oder Kräfte. Somit können arbeitswissenschaftlich relevante Parameter ermittelt und bewertet werden. Zur Arbeitsplatzbewertung, Gefährdungsbeurteilung sowie für Beratungs- und Schulungszwecke haben sich in den letzten Jahren vermehrt digitale Technologien etabliert, die einen sinnvollen Einsatz an unterschiedlichsten Arbeitsplätzen finden können. Dazu gehören z.B. sensor- und kamerabasierte Systeme zur Bewegungsanalyse (Motion capturing), Eyetracking sowie Virtual-Reality-Anwendungen. Größtenteils handelt es sich um Einzellösungen, deren Schnittstellen nicht zwingend mit anderen Lösungen kompatibel sind.

Motion Capturing (MoCap) ist eine Technologie zur Erfassung und Analyse von Bewegungen durch die Verwendung von Sensoren, Kameras und Markern, die an den Körper angebracht werden. Diese Daten werden dann in digitale Modelle umgewandelt, die detaillierte Bewegungsanalysen ermöglichen. Es stehen sensorbasierte und kamerabasierte Technologien zur Verfügung. Sensorbasierte Systeme erfassen und verarbeiten den Datenstrom mehrerer am Körper angebrachter Sensoren, die Beschleunigungen und Änderungen der Gelenkwinkel erfassen. Optische Systeme arbeiten mit Kameras, die am Körper angebrachte Marker (Referenzpunkte) erkennen oder den Bewegungsablauf markerlos aus mehreren Einzelbildern berechnen.

Vorteile: 

• Liefert präzise und detaillierte Bewegungsdaten. 
• Ermöglicht Echtzeitanalysen und Feedback.
• Nützlich für eine Vielzahl von Anwendungen von Sport bis Rehabilitation.

Nachteile: 

• Kostenintensive Hardware und Software.
• Aufwendige Kalibrierung und Vorbereitung.
• Mögliche Bewegungsbeschränkungen durch Equipment.

Virtuelle Realität (VR) bezieht sich auf computergenerierte Simulationen, die eine immersive Umgebung schaffen, in der Benutzer interagieren können, als wären sie physisch anwesend. Diese Technologie findet in vielen Bereichen Anwendung, darunter z.B. Spiele, Bildung, Architektur und zunehmend auch in der Ergonomie. In der Ergonomie wird VR genutzt, um Arbeitsplätze, Produkte und Arbeitsabläufe zu analysieren und zu optimieren. Sie ermöglicht es, ergonomische Prinzipien in einer kontrollierten, aber realitätsnahen Umgebung zu testen, ohne dass physische Prototypen oder reale Arbeitsplätze erforderlich sind. Für ihren Einsatz sind Komponenten aus dem Bereich Hardware und Software erforderlich. Beispiele für Hardware-Komponenten sind:

• VR-HEADSETS: Diese Geräte versetzen den Benutzer in eine immersive Umgebung. Sie bieten eine stereoskopische Sicht, die dem Benutzer ein räumliches Seherlebnis ermöglicht.
• BEWEGUNGSSENSOREN: Diese Sensoren erfassen Kopf-, Hand- und Körperbewegungen und übertragen diese in die virtuelle Umgebung, sodass der Benutzer mehr oder weniger natürlich interagieren kann.
• CONTROLLER: Handheld-Geräte, die es den Benutzern ermöglichen, Objekte in der virtuellen Welt zu greifen, zu bewegen und zu manipulieren.

Beispiele für Software-Komponenten sind:

• 3D-RENDERING-SOFTWARE: Erzeugt realitätsnahe und interaktive 3D-Umgebungen, die auf die Hardware ausgegeben werden. 
• ERGONOMIESOFTWARE: Spezialisierte Programme, die die Analyse und Simulation ergonomischer Szenarien in der VR unterstützen. Diese Tools ermöglichen die Modellierung von Mensch-Maschine-Interaktionen, die Bewertung von Arbeitsplätzen und die Optimierung von Bewegungsabläufen.

Vorteile:

• Bietet realitätsnahe Simulationen und Interaktionen. 
• Erlaubt risikoarme Tests und Schulungen.
• Verbessert das Benutzerengagement und das Verständnis ergonomischer Prinzipien.

Nachteile: 

• Hohe Entwicklungskosten und technischer Aufwand.
• Kann bei manchen Nutzern zu Unwohlsein führen.
• Erfordert spezialisierte Hardware und Software.

Spezialisierte Ergonomiesoftware unterstützt die Analyse und Optimierung von Arbeitsplätzen und Aufgaben. Sie bietet u. a. Tools zur Risikobewertung, Simulation und Gestaltung ergonomischer Lösungen. Einige Softwarelösungen sind bereits seit vielen Jahren verfügbar und werden in der Planung von Arbeitssystemen verwendet, wie z.B. EAWS, mtm etc.

Vorteile:

• Umfangreiche Analyse- und Optimierungsfunktionen. 
• Integration in bestehende Arbeitsabläufe.
• Unterstützung durch umfangreiche Datenbanken und Algorithmen.

Nachteile: 

• Hohe Kosten und Lernkurve. 
• Erfordert kontinuierliche Aktualisierungen und Wartung.
• Abhängigkeit von der Datenqualität.

Digitale Ergonomietools ermöglichen 

• die Realisierung kürzerer Entwicklungs-/beziehungsweise Planungszeiten (z.B. durch die Einsparung von erforderlichen Prototypen), 
• grundsätzlich eine Erhöhung der Transparenz im Planungsprozess, 
• eine frühzeitige Absicherung der Gestaltungslösung (z.B. durch eine Humansimulation),
• das Bewerten verschiedener Gestaltungsalternativen,
• die Einsparung von Kosten sowie
• eine gezielte Visualisierung im Planungsprozess.

Richtig implementiert können digitale Ergonomie-Lösungen somit zu einer umfassenderen und effizienteren Erfassung, Bewertung und Optimierung von Produkten, Arbeitsprozessen und Arbeitsplätzen beitragen, was die Ergonomie, den Arbeits-und Gesundheitsschutz signifikant verbessern kann (vgl. dazu auch Offensive Mittelstand 2019). Trotz der zahlreichen Vorteile und der bereits vorhandenen technologischen Möglichkeiten und Lösungen ist die Verbreitung in der Praxis noch begrenzt und sind in der Regel nur Experten die Potenziale der digitalen Menschmodelle und digitaler Ergonomie bewusst (Demirel et al. 2022).
Hemmnisse bei der Anwendung und damit Defizite digitaler Ergonomietools resultieren aus 

• der hohen Komplexität der Softwaresysteme,
• der zum Teil unklaren Validität, 
• dem Fehlen von Standards für digitale Ergonomietools im Allgemeinen sowie 
• für den Datenaustausch im Speziellen,
• den hohen Anschaffungskosten,
• dem hohen Zeitaufwand für die Durchführung virtueller Simulationen sowie
• den hohen Betriebskosten, insbesondere für das erforderliche geschulte Personal.

Vereinzelt wurden des Weiteren die fehlende Möglichkeit zur Integration in die bestehende Softwarelandschaft in Unternehmen sowie die fehlende Akzeptanz dieser Softwaresysteme innerhalb der Unternehmen genannt. Zwischen den verschiedenen Systemkomponenten, in der Regel CAD, Digitales Menschmodell und Motion Capture-Tools müssen Daten transferiert werden. Dies ist jedoch mangels Standardisierung und aufgrund einer Vielfalt verwendeten Optionen erheblich erschwert.
Eine aktuelle Studie der KAN (2023) identifiziert in diesem Zusammenhang insbesondere folgende Aspekte, die eine hohe Vielfalt und mangelnde Standardisierung aufweisen: 

• Dateiformate (für geometrische, kinematische und kinetische Daten) 
• anthropometrische Größen und Körpermaße
• Skalierung und Einheiten
• verschiedene globale und lokale Koordinatensysteme
• Konvention zur Schwerkraftachse 
• Definitionen der Grundstellung 
• Benennung von Segmenten, Knochen, Gelenken und Körpermerkmalen
• Konfiguration der hierarchischen Strukturen von Segmenten und Gelenken 
• Freiheitsgrade (DoF) in Gelenken, Orientierungen und Bewegungsumfänge der Gelenke 
• globale und lokale Position 
• Konventionen zur Reihenfolge der Rotation
• Sammlung von Bewegungserfassungsdaten aus verschiedenen Quellen in einer Datenbank 
• Markierungssets und -positionierungen
• arbeitswissenschaftliche Analysen
• Austausch von Kraftdaten über andere Dateiformate