Synthese und Simulation dreidimensionaler Hand-Arm-Bewegungen an manuellen Montagearbeitsplätzen

Um die Belastungen der oberen Extremitäten des Menschen an Arbeitsplätzen rechnergestützt ermitteln zu können, müssen deren Bewegungsabläufe realitätsnah nachgebildet werden. In der vorliegenden Arbeit wird ein Modell vorgestellt, das menschliche Hand-Arm-Bewegungen mit hinreichender Genauigkeit synthetisiert. Dazu wird zunächst ein kinematisches und kinetisches Modell des Hand-Arm-Systems entwickelt, das die einfache Integration externer Muskel- und Ermüdungsmodelle erlaubt. Im zweiten Schritt wird ein Algorithmus entwickelt, mit dessen Hilfe der unterbewußte Vorgang der Steuerung menschlicher Bewegungen nachgebildet werden kann. Die Glieder des Hand-Arm-Systems, die Muskeln und das Gehirn bilden dabei ein geregeltes System. Das Gehirn als Regler wird durch einen Optimierungsalgorithmus abgebildet, der den verschiedenen Anforderungen durch die geeignete Wahl von Zielfunktionen und Nebenbedingungen gerecht wird. Bei der Synthese der Bewegungen werden für jeden Bewegungsschritt zustands abhängig die Nebenbedingungen formuliert und die Parameter für die einzelnen Zielfunktionen und ihre Eingangsgewichte bestimmt. Damit wird jeweils lokal derjenige Zielpunkt ermittelt, der die gestellten Anforderungen im beschriebenen Sinne optimal erfüllt. Das entwickelte Simulationsmodell wird durch Experimente mit einem Probandenkollektiv unter Einsatz einer Bewegungsmeßeinrichtung validiert. Es wird angezeigt, daß durch die Kombination der genannten Zielfunktionen und Verwendung geeigneter Parameter die resultierenden Bewegungen des Simulationsmodells den Bewegungen des Probanden entsprechen. Damit ergibt sich die Möglichkeit, aufgrund einer vorgegebenen Bewegungsaufgabe, einen Bewegungsablauf zu generieren und die für die Umsetzung dieser Bewegung notwendigen Muskelkräfte mit externen Muskelmodellen, die über die eine Schnittstelle integriert werden können, zu ermitteln. Das Modell erlaubt so die Bestimmung der Gelenkbelastungen bei Hand-Arm-Bewegungen bereits in der Planungsphase