Einführung in die Arbeitswissenschaft

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Einführung in die Arbeitswissenschaft
(Alter Titel: Industrial Engineering
Arbeitswissenschaft
I / Betriebsorganisation)
Lehreinheit
9
Produktergonomie I:
Anthropometrie und digitale Menschmodelle
Sommersemester 2017
Univ.-Prof. Dr.-Ing. Frank Flemisch
Dipl.-Ing. Christopher Brandl
Dr.-Ing. Dr. rer. medic. Dipl.-Inform. Alexander Mertens
Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft
RWTH Aachen
Bergdriesch 27
52062 Aachen
Tel.: 0241 8099440
E-Mail: [email protected]
© Lehrstuhl und Institut für Arbeitswissenschaft, RWTH Aachen
Lernziele
 Notwendigkeit der ergonomischen Gestaltung zu erkennen
 Gestaltungskriterien und Anforderungen zu verstehen
 Anthropometrische Grundlagen zu erfahren
 Möglichkeiten der Bewegungs-, Sicht- und Reichweiten-
Analysen nachzuvollziehen
 Computergestützte Verfahren und Modellierungshilfen kennen
zu lernen
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9-2
Einleitung - Ergonomische Produktgestaltung?
http://www.baddesigns.com
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9-3
Was ist Produktergonomie?
„ergon“
„nomos“
„producere“
Ergonomie
Usability
Engineering
Aspekte: •
•
•
•
•
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Arbeit oder Tätigkeit
Regel, Ordnung oder Gesetz
vorführen, hervorbringen
Wissenschaft von der Anpassung der Technik an
den Menschen zur Erleichterung der Arbeit
bezeichnet den Produktentwicklungsprozess,
dessen Ziel ein ergonomisch gestaltetes Produkt ist
Anthropometrische Gestaltung (Reichweiten, Sichtbereiche)
Energetisch-effekt. Gestaltung (Krafterzeugung, Wirkungsgrad)
Informatorische Gestaltung (Anzeigen, Stellteile)
Gestaltung von Software (Dialoggestaltung, Visualisierung, Gestik)
Farb- und Formgestaltung (Industrial Design)
9-4
Ergonomische Gestaltung – Beispiel 1
Anthropometrie
• Sichtbarkeit
(Außenansicht, Anzeigen,
Verdeckung)
• Reichweite
• Stellkräfte
(Pedalkräfte, Schalterkräfte,
Lenkkräfte)
• Komfort
Informatorische
Gestaltung
• Anzeigekonzept
(für Multifunktionsdisplay)
• Stellteilereduzierung
(Pedal und Lenkrad)
Teilautonomes Fahren
und Assistenzsysteme
(Konzeptstudie F 015 Imagination von Daimler, 2015)
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9-5
Ergonomische Gestaltung – Beispiel 2
Anthropometrie
• Sichtbarkeit
(Programmierbares
Mehrfachansichtssystem, Infrarot
Nachtsichtsystem)
• Reichweite
• Stellkräfte
(Pedalkräfte, Schalterkräfte,
Lenkkräfte)
• Komfort
Informatorische
Gestaltung
• Anzeigekonzept
• Stellteile
(Side-Stick-Steuerung,
„Fly-by-Wire“)
(Cockpit eines Airbus A380)
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V10-1
Cockpit A380
9-6
Prospektive und Korrektive Ergonomie
Produktidee und Zielgruppe definieren
Entwicklungsauftrag erteilen
Planen und Klären
der Aufgabe
Konzipieren
Entwerfen
Ausarbeiten
ergonomische
Bewertung
ergonomische
Bewertung
ergonomische
Bewertung
Lösung
Prospektive Ergonomie
Verwirklichung ergonomischer
Forderungen im
Gestaltungsprozess
vorhandenes
Produkt
unzulängliche
Arbeitsbedingungen
erforderliche
Nachbesserungen
Korrektur des
vorhandenen
Produktes
Korrektive Ergonomie
nachträgliche Korrektur von
ergonomischen Problemen;
aufwendig und häufig
begrenzter Erfolg
(in Anlehnung an Pahl & Beitz, 1997)
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9-7
Änderungskosten im Produktentwicklungsprozess
Änderungskosten
MassenFertigung
SerienFertigung
Qualitätsprüfung
EinzelFertigung
Zeit
Idee
VorFertige
Erprobung ArbeitsFertigung
entwurf Konstruktion
vorbereitung
Gebrauch
(Ehrlenspiel, 1995)
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9-8
Ergonomische Gestaltungskriterien
Realisierung
+
-
4
Allgemeine ergonomische
Gestaltungskriterien
Persönlichkeitsförderlichkeit/-entfaltung*
Anthropometrische
Gestaltungskriterien
Designfragen, Individualisierung der
geometrischen sowie biomechanischen
Auslegung und des Informationsflusses
+
3
-
Beeinträchtigungsfreiheit
(Zumutbarkeit)
Komfortbetrachtungen, Optimierung des
Informationsflusses, (zumutbarer Schallpegel,
zumutbare Blendung)
+
-
2
Schädigungslosigkeit
1
Ausführbarkeit
Berücksichtigung von Maximalkräften auf
die Bandscheiben, Vermeidung schädlicher
Körperhaltungen und Überbeanspruchung
+
-
Erreichbarkeit von Stellteilen,
Sichtbarkeit von Instrumenten, maximale statische
Aktionskräfte
* Das Recht auf freie Entfaltung der Persönlichkeit ist im Grundgesetz festgeschrieben.
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9-9
Ergonomische Anforderungen
Funktionale Anforderungsmerkmale
z. B. - Zweckmäßigkeit und Einfachheit der Ausführung
- keine Fehlhandlungs- bzw. Fehlbetätigungsmöglichkeiten des Menschen
- leichte, schnelle Erlernbarkeit der Benutzung bzw. des Einsatzes
- gute Wahrnehmbarkeit bzw. Erkennbarkeit von Informationen oder Objekten
- genaue und sichere Einstellung von Stellgrößen durch Stellteile
Beanspruchungsbezogene Anforderungsmerkmale
z. B. - erträgliche Beanspruchung
- keine Belästigung (wie Lärm) für den Benutzer
- Bequemlichkeit für den Menschen
- keine Verletzungsgefahr für den Menschen,
Aus Nebenbedingungen abzuleitende Anforderungsmerkmale
z. B. - Berücksichtigung der Häufigkeit, Wichtigkeit, Reihenfolge von Vorgängen
- Hygiene und Hautfreundlichkeit von Materialien
- Ästhetik / emotionale Wirkung
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9 - 10
Anthropometrie
Anthropometrie
Lehre von den Maßen, Maßverhältnissen und der Messung des
menschlichen Körpers (Körpermaße, Bewegung, Massen, Kräfte).
da Vinci's
Divina proportione, 1509
Anthropometrie in der Kunst
und erste Ansätze in der
Produktgestaltung
Mittelalterliche Bauwerke auf Basis menschlicher Proportionen
"Gerechte Feldrute" (Kupferstich)
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Anthropometrie in der Medizin/Anatomie
9 - 11
Anthropometrische Maße
 Körpermaße
 Höhen- und Längenmaße
 Breiten- und Tiefenmaße
 Extremitätenmaße / Reichweiten
 Umfangmaße
 Korpulenzmaße
 Bewegungswinkel
 Kräfte
 Umfangreiche Normensammlung (DIN 33402 ff)
 Datenerhebung
(Haltung, Bekleidung,
Messpunkte, Messinstrument)
 Beschreibung der Stichprobe
(Geschlecht, Alter, Region)
 Anwendungsbereiche
 Indexwerte
 Beurteilung des Körperbaus und der Korpulenz
VITUS 3D-Laserscanner
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9 - 12
Verteilung der Körperhöhen nach DIN 33402
Altersgruppe 16-60-Jährige
Männer
Frauen
100
1
2
4
3
90
Summenhäufigkeit [%]
80
Frauen
70
Männer
KörpergrößenKlassen
60
1 5. Perzentil Frau
50
2 5. Perzentil Mann
3 95. Perzentil Frau
40
4 95. Perzentil Mann
30
20
10
0
1500
1510
(DIN 33402)
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1600
1629
1700
1725
1800
1841
1900
2000
Körperhöhe [mm]
9 - 13
Körpermaße des unbekleideten, stehenden Menschen
Maßbezeichnung
1.4
Körperhöhe
Perzentilmaße Anwendungsbeispiele
5.
50. 95.
F 1510 1619 1725
Türöffnungen
M 1629 1733 1841
1.5
Augenhöhe
1.6
Schulterhöhe
1.7
Ellenbogenhöhe
1.9
Höhe der Hand
(Griffachse)
1.1
1.10
Reichweite nach
vorne
Schulterbreite
F 1402 1502 1596 Anordnung von Anzeigen,
Arbeitsbereiche visueller
M 1509 1613 1721 Perzeption
F 1234 1339 1436 Stadion-Stehplatz,
M 1349 1445 1542 Rampen
957 1030 1100 Arbeitsplatten für
Steharbeit, Theken und
M 1021 1096 1179 Bars
F
F
664
738
803
M 728
767
828
F
616
690
M 662
722
762 Bedienelemente,
787 Tastenfelder
F
323
355
M 367
398
Koffer, Taschen, "Rollis"
388 Fluchtöffnungen, Fenster,
Gitterweite in
428 Gefängnissen
Werte von 16-60-jährige Deutschen, unbekleidet
Daneben gibt es auch Körpermaßtabellen für sitzende Personen sowie
Maßtabellen für Größen von Fingern, Händen, Füßen und Köpfen.
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9 - 14
(DIN 33402)
Differenzierung der Benutzergruppe
 Geschlechtsdifferenzierung




Perzentil
Männer
Frauen
Werte
5.
50.
95.
1629
1733
1841
1510
1619
1725
DIN 33402 (Körperhöhe [mm]: Teil 1 – Wertedefinition, Teil 2 - Werte )
 Altersdifferenzierung




18-19 m
20-25 m
26-40 m
Werte
1681
1789
1906
1683
1788
1912
1665
1764
1870
Handbuch der Ergonomie (Körperhöhe [mm])
 Region / Land






USA
S
D
F
JP
IND
1640
1630
1629
1600
1560
1535
1755
1740
1733
1715
1655
1640
1870
1850
1841
1830
1750
1745
 Bekleidung – ca. 3-4 cm für Schuhe, etc.
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alle Körperhöhen unbekleidet und in
[mm]
9 - 15
Akzeleration – Ist die Grenze erreicht?
Staub et al. (2013)
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9 - 16
 Körpermaße sind nicht unabhängig,
sondern korrelieren unterschiedlich
stark miteinander
Längenwuchs
Verteilung der Körperdimensionen:
Längenwuchs und Korpulenz
 Statistische Faktorenanalyse belegt
drei Variationsreihen
 Längenwuchs (klein – groß)
 Korpulenz (schlank – korpulent)
 Proportion (langbeinig – kurzbeinig)
Korpulenz
Körpermaßkoordinaten im Längen/Korpulenz-System
 Bei Produktergonomie also nicht nur
Körperhöhe, sondern auch weitere
Variationsreihen berücksichtigen
 2 x 2 x 2 = 8 Werte für
Gesamtpopulation
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9 - 17
Körperkräfte des Menschen nach DIN 33411-1
„Körperkraft [...] ist die Kraft, die im Zusammenhang mit dem menschlichen Körper entsteht.
Körperkräfte können in Muskel-, Massen- und Aktionskräfte eingeteilt werden.“ (DIN 33411-1)
Muskelkraft: Wirkt durch Aktivität der Muskeln innerhalb des Körpers
Massenkraft: Kraft, die durch die Körpermasse als Eigengewichts- oder Trägheitskraft wirkt
Aktionskraft: Die Körperkraft, die nach außen vom Körper aus wirkt,
z.B. Arm-, Hand-, Finger-, Bein, Knie-, Fuß- und Ganzkörperkraft
Aktionskraft
(wirkt auf den Griff)
Eine Körperkraft wird durch folgende
Bestimmungsgrößen festgelegt:
Muskelkraft
Muskelmoment
Massenkraft
(Unterarm)
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
Betrag der Kraft F in Newton [N],

Lage des Kraftangriffspunktes relativ zum
Körper,

Richtung der Wirkungslinie der Kraft relativ
zum Körper sowie

Kraftrichtungssinn (mit oder gegen die
Schwerkraft).
9 - 18
Ermittlung maximaler statischer Aktionskräfte nach
DIN 33411-4
Die hier dargestellten Isodynen sind Kurven, welche
Kraftangriffspunkte in einer vertikalen Ebene durch
Schultergelenkbezugspunkte im Bewegungsraum des
Armes verbindet, in denen gleich große Mittelwerte
maximaler statischer Aktionskräfte gleicher Art ermittelt
wurden.
Kraftrichtung
P1:
P2:
P3:
α:
β:
Kraftangriffspunkt der
Armkräfte
Handmittelpunkt
Schultergelenkbezugspunkt
Höhenwinkel zwischen
Verbindungslinie P1-P3 und
Horizontalebene
Seitenwinkel zwischen
Verbindungslinie P1-P3 und
Körpersymmetrieebene
a:
amax:
Das Koordinatensystem legt den Bewegungsraum
des Armes mit Winkel α und relativer Arm-Reichweite
a/amax fest. Die Kraftrichtung und der Winkel β
müssen separat angegeben werden.
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Abstand P1-P3
maximaler Abstand P1-P3
(gestreckter Arm)
a/amax: relative Arm-Reichweite
9 - 19
Häufigkeit
Maximale isometrische Aktionskräfte
Frauen
Häufigkeit
5. Perzentil
(271)
5. Perzentil
(560)
50.
95.
(452)
(605)
50.
(829)
95.
(1051)
Aktionskraft
[N]
(DIN 33411-5)
Frauen
5. Perzentil
(1510)
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Männer
Männer
50.
(1619)
5. Perzentil
(1629)
95.
(1725)
50.
(1733)
95.
(1841)
9 - 20
Körperhöhe
[mm]
(DIN 33402-2)
Funktionsmaße: Wirkraum des Hand-Arm-Systems
Als Greifraum wird jener Bereich bezeichnet, in dem Gegenstände mit der Hand
berührt, gegriffen und bewegt werden können.
Einflussfaktoren
• Körperhaltung/ Stellung
• Bewegungsumfang der Gelenke
• Richtung von Bewegung und Kräften
• Notwendigkeit des Gleichgewichts
• reduzierte Bewegungsmöglichkeit bei
großen Muskelanspannungen
• Alter
Manueller Montagearbeitsplatz
(Sanders & McCormick, 1993)
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9 - 21
Funktionsmaße: Bewegungen
 Haltungen sind nie ausschließlich statisch, sondern haben
auch stets dynamische Anteile
 Arbeiten sind immer mit Bewegungen verbunden
 Bewegungen müssen in der Produktergonomie unbedingt
berücksichtigt werden
 Problem:
 Interindividuelle Streuung bei Bewegungen verstärkt Variabilität
der Körpermaße
 Freiheitsgrade der Bewegung liefert extrem viele mögliche
Bewegungsvarianten (z.B. Hand-Arm-System >100 FG)
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9 - 22
Erkennen,
Erfassen
Bewegungs planung
Wahrnehmung
des Ziels
Intention
Bewegungsprogrammierung
Perzeption
Ballistische
Bewegungsphase
Visuell
kontrollierte
Phase
Schnelle, grobe Annäherung
an das Ziel ohne Regelung Feinabstimmen
Zielerreichen
Kognition
???
Ziel
Ziel
G
GEESSAAM
MTTBBEEW
WEE G
GUUNNG
G
Ausführung
Planung
Ausführung
Planung
Motorik
Geschwindigkeit
Stimulus
Stimulus
Phasen des Bewegungsablaufs
Perzeption,
Kognition,
Motorik
Ballistische Phase
Visuell kontrollierte
Phase
Zeit
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9 - 23
Kennwerte einer Bewegung
Zielbewegung von definierter Ausgangsfläche nach schräg oben zu
definierter Zielfläche in der vertikalen Ebene.
Schmidtke: Handbuch der Ergonomie
 Zeitliche Kennwerte
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X
x(t)
0
-100
-200
-300
0
10
20
30
BILD
40
50
60
0
10
20
30
BILD
40
50
60
10
20
30
BILD
40
50
60
900
800
Yy( t)
700
600
500
400
300
200
800
700
600
Z z( t)
(Zugriffszeiten)
 Räumliche Kennwerte
(zu erwartende seitliche
Auslenkung)
 Bewegungsbahnen und
Trajektorien
(differenzierte Analysen)
 Biokinematische Modelle
(Simulation)
100
500
400
300
200
100
0
0
Zeigefinger-Bewegungsbahnen nach Alexander (2002)
9 - 24
Informationsaufnahme – Sichtanalyse – Sehfelder
Gesichtsfeld
Blick-Gesichtsfeld
(field-of-view, fov)
UmblickGesichtsfeld
(extended fov)
Fixierung
bei ruhendem Kopf
und ruhendem Auge
bei ruhendem Kopf
und bewegtem Auge
bei bewegtem Kopf
und bewegtem Auge
Horizontal,
Hellreize
Monokular:
-60 bis +90°;
Binokular:
-60 bis +60°
(opt. 15°)
Monokular:
–75 bis +110°;
Binokular:
–75 bis +75°
(opt. 30°)
Monokular:
–125 bis +160°;
Binokular:
–125 bis +125°
(opt. 55°)
Horizontal,
Farbreize
-19 bis +32° grün
-20 bis +36° rot
-27 bis 47° blau/gelb
-34 bis +47° grün
-35 bis +51° rot
-42 bis +62° blau/gelb
-84 bis 97° grün
-85 bis +101° rot
-92 bis +112°blau/gelb
Vertikal,
Hellreize
-70 bis +50°
-85 bis +65°
-90 bis +110°
Sichtbereich Flugzeug
Sichtanalyse
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9 - 25
Somatographie und Körperschablonen
Schablonen-Somatografie
Körperumrissschablonen,
hier eine Seitenansicht zur
Beurteilung der Sitzhaltung
eines LKW-Fahrers
Bosch-Schablone
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"Kieler Puppe"
(DIN 33408, Teil 1;
Pahl & Beitz, 1997)
9 - 26
Vorgehen beim rechnergestützten Verfahren
Erreichbarkeit
Sicht
Komfort
CAD-Modell des Produkts
Digitales
Menschmodell
•Körpermaße
•Sichtbereiche
•Maximalkräfte
•Bewegungssimulation
•Analysetools
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Rapid-Prototyping
Analyse im CAD (frühe Planungsphase)
9 - 27
Generieren des ersten Menschmodells
Datenbankabfrage
Menschmodell RAMSIS im CAD
Direkte Eingabe der Körpermaße
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9 - 28
Festlegung der Rahmenbedingungen
zur Positionierung
1.Definition der Referenzpunkte/-ebenen
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2. Festlegung der Körperteile
3. Animation
9 - 29
Sichtanalyse und Reichweiten
Sichtbereiche (Kegel) und Außensicht
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Greifräume und Erreichbarkeit
9 - 30
Haltungskomfortanalyse (I)
Körpermaße
(allgemein)
Gelenkwinkel
(produktspezifisch)
Massen und Schwerpunkte
(detailspezifisch)
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9 - 31
Haltungskomfortanalyse (II)
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9 - 32
Wiederholung der Analyse mit weiteren Modellen
Problem !
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9 - 33
VORSICHT ... Auch Modelle machen Fehler
Beispiel: Berechnete, aber offensichtlich falsche Analyseergebnisse. Ähnliche Ergebnisse wurden
auch bei anderen kommerziellen Modellen beobachtet. (Conradi, 2002)
Menschmodelle sind zwar wichtige Hilfsmittel und Werkzeuge, aber sie
ersetzen nicht Fachkenntnisse des Ingenieurs.
Eine individuelle Prüfung und Einordnung der Ergebnisse ist stets
erforderlich, um fehlerhafte Analyseergebnisse zu identifizieren und zu
vermeiden.
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9 - 34
Rechnergestützte Verfahren - RAMSIS
RAMSIS - 3D-CAD-Werkzeug zur ergonomischen Konzeption
von Fahrzeuginnenräumen und Cockpitumgebungen.
• Aufgabenbasierte Haltungssimulation
• Animationsfunktionen
• Aufgabenbezogene Bewegungssimulation
• Typanalyse
• Gesundheits- und Komfortanalyse
• Sicht- und Spiegelsichtanalyse
• Kraftanalyse
• Gurtanalyse
• Erreichbarkeitsanalyse
(www.human-solutions.de)
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9 - 35
Rechnergestützte Verfahren – Siemens PLM JACK
JACK
Menschmodell zur
Produktgestaltung und in
Bereichen der Ausbildung
Hauptanwendungsbereich
- Virtuelle Umgebungen (VU),
- Computergrafik,
- Produktgestaltung
Datenbank (primär US)
Analysen
- Sehen, Erreichen, Haltung,
Bewegungen
http://www.plm.automation.siemens.com/en_us/products/tecnomatix/assembly_planning/jack/index.shtml
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9 - 36
Rechnergestützte Verfahren – DELMIA Human
DELMIA Human
Mensch-Modelle und
komplexe
CAD-Simulationsumgebung.
Hauptanwendungsbereich
- Produktgestaltung / Fahrzeuge
Komplexe Datenbank
Statistische Modellierung
Analysen
- Sehen, Erreichen, Haltung,
Bewegungen
- MTM, Kraft- und
Leistungsanalyse
http://www.safework.com/delmia/delmia_sw.html
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9 - 37
Lernerfolgsfragen

In welchem Zusammenhang stehen prospektive und korrektive
Ergonomie?

Welche Ebenen ergonomischer Gestaltungskriterien können
unterschieden werden?

Welche anthropometrische Maße werden unterschieden und
wofür werden sie genutzt?

Welche Einflussgrößen müssen beachtet werden und wie sieht
die Verteilung von Maßen aus?




Was ist ein Perzentil?
Welche Phasen des Bewegungsablaufs werden unterschieden?
Welche Sichtbereiche müssen unterschieden werden?
Wo liegen die Einsatzbereiche virtueller Menschmodelle und
welche Vorteile bieten sie im Produktentstehungsprozess?
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9 - 38
Literaturverzeichnis
Landau, K.; Luczak, H.: Ergonomie und Organisation in der Montage; Fachbuchverlag Leipzig, 2001, ISBN 9783446215078
Laurig, W.: Grundzüge der Ergonomie. Erkenntnisse und Prinzipien. Beuth; 4. Auflage; November 200; ISBN 9783410365808
Schmidt, L.; Schlick, C.; Grosche, J.: Ergonomie und Mensch-Maschine-Systeme; Springer Berlin; 1. Auflage, 25.
April 2008; ISBN 978-3540783305
Baber, C.: Human Factors Methods: A Practical Guide for Engineering and Design; Ashgate Publishing; 22.
Dezember 2005; ISBN 978-0754646617
Brookhuis, K.; Stanton, N.; Hedge, A.: Handbook of Human Factors and Ergonomics Methods; Routledge
Chapman & Hall; 16. Januar 2008; ISBN 978-0415287005
Salvendy, G.: Handbook of Human Factors and Ergonomics; Wiley & Sons; 3. März 2006; ISBN 978-0471449171
Sanders, M.; McCormick, E.: Human Factors in Engineering and Design; McGraw-Hill Science/Engineering/Math;
7. Auflage; Januar 1993; ISBN 978-0070549012
Staub, K., Woitek, U., & Rühli, F. J. (2013). Grenzüberschreitende Zusammenarbeit mit anthropometrischen und
medizinischen Daten der Rekrutierung. Swiss Rev Mil Disaster Med, 1, 41-45.
Tilley, A. R.: The Measure of Man and Woman: Human Factors in Design; Wiley & Sons; 13. Februar 2002; ISBN
978-0471099550
Wickens, C. D.: Introduction to Human Factors Engineering: International Edition; Pearson Education (US), 2.
Auflage; 11. Dezember 2003; ISBN 978-0131229174
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9 - 39
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