VDI 4499 Blatt 4-2015 Digital factory - Ergonomic representation of humans in the digital factory.pdf

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1、ICS 03.100.50, 13.180, 35.240.50 VDI-RICHTLINIEN Mrz 2015 March 2015 VEREIN DEUTSCHER INGENIEURE Digitale Fabrik Ergonomische Abbildung des Menschen in der Digitalen Fabrik Digital factory Ergonomic representation of humans in the digital factory VDI 4499 Blatt 4 / Part 4 Ausg. deutsch/englisch Issu

2、e German/English Die deutsche Version dieser Richtlinie ist verbindlich. The German version of this standard shall be taken as authori-tative. No guarantee can be given with respect to the English translation. VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) Fachbereich Fabrikplanung und -betrieb VDI-

3、Handbuch Fabrikplanung und -betrieb, Band 2: Modellierung und Simulation Vervielfltigungauchfrinnerbetriebliche Zwecke nicht gestattet /Reproductionevenforinternalusenot permittedFrhere Ausgabe:04.12 Entwurf,deutschFormeredition:04/12Draft,in German onlyZu beziehen durch /Available atBeuth Verlag Gm

4、bH,10772 BerlinAlle Rechte vorbehalten /Allrightsreserved Verein DeutscherIngenieuree.V.,Dsseldorf2015Inhalt Seite Contents Page Vorbemerkung . 2 Einleitung . 2 1 Anwendungsbereich . 6 2 Normative Verweise 9 3 Begriffe 9 4 Grundlagen 12 4.1 Arten digitaler Menschmodelle 12 4.2 Rechtliche Rahmenbedin

5、gungen 14 5 Aspekte ergonomischer Analysen 16 5.1 Geometrie . 16 5.2 Menschmodell 17 5.3 Arbeitsplatzmodell . 22 5.4 Kinematik . 26 5.5 Statik 34 5.6 Dynamik . 38 5.7 Kollisionen . 42 6 Anwendungsbeispiele 44 6.1 Anthropometrische Analyse und Gestaltung (Geometrie und Kinematik) 45 6.2 Arbeitsphysio

6、logische Analyse und Gestaltung (Statik und Dynamik). 47 Schrifttum 50 Preliminary note . 2 Introduction 2 1 Scope . 6 2 Normative references . 9 3 Terms and definitions 9 4 Basics 12 4.1 Types of digital human models 12 4.2 Legal framework 14 5 Aspects of ergonomic analyses 16 5.1 Geometry . 16 5.2

7、 Human model 17 5.3 Workplace model . 22 5.4 Kinematics . 26 5.5 Statics 34 5.6 Dynamics . 38 5.7 Collisions . 42 6 Application examples . 44 6.1 Anthropometric analysis and design (geometry and kinematics). 45 6.2 Work physiology analysis and design (statics and dynamics) 47 Bibliography 50 B55EB1B

8、3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8DD9NormCD - Stand 2015-03 2 VDI 4499 Blatt 4 / Part 4 Alle Rechte vorbehalten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 Vorbemerkung Der Inhalt dieser Richtlinie ist entstanden unter Beachtung der Vorgaben und Empfehlungen der Richtlinie VDI 1000. Alle Rech

9、te, insbesondere die des Nachdrucks, der Fotokopie, der elektronischen Verwendung und der bersetzung, jeweils auszugsweise oder vollstn-dig, sind vorbehalten. Die Nutzung dieser VDI-Richtlinie ist unter Wah-rung des Urheberrechts und unter Beachtung der Lizenzbedingungen (www.vdi.de/richtlinien), di

10、e in den VDI-Merkblttern geregelt sind, mglich. Allen, die ehrenamtlich an der Erarbeitung dieser VDI-Richtlinie mitgewirkt haben, sei gedankt. Eine Liste der aktuell verfgbaren Bltter dieser Richtlinienreihe ist im Internet abrufbar unter www.vdi.de/4499. Preliminary note The content of this standa

11、rd has been developed in strict accordance with the requirements and rec-ommendations of the standard VDI 1000. All rights are reserved, including those of reprint-ing, reproduction (photocopying, micro copying), storage in data processing systems and translation, either of the full text or of extra

12、cts. The use of this standard without infringement of copyright is permitted subject to the licensing con-ditions (www.vdi.de/richtlinien) specified in the VDI Notices. We wish to express our gratitude to all honorary contributors to this standard. A catalogue of all available parts of this series o

13、f standards can be accessed on the Internet at www.vdi.de/4499. Einleitung Digitale Menschmodelle spielen bei der Planung von Teilefertigungs- und Montagesystemen eine immer bedeutendere Rolle, erlauben sie es doch, zuknftige Arbeitssysteme im Vorhinein in ergo-nomischer und zeitwirtschaftlicher Hin

14、sicht zu bewerten. Vor diesem Hintergrund wendet sich diese Richtlinie vorrangig an die Planer von Teile-fertigungs-, Montage- und Logistiksystemen, da-rber hinaus aber auch an alle Verantwortliche und Interessierte aus den Bereichen Ergonomie, Ar-beitsplatzgestaltung und Personalwirtschaft. Nachfol

15、gend wird auf Anwendungsbereiche derar-tiger Modelle eingegangen. Im Anschluss an eine inhaltliche Abgrenzung dieser Richtlinie werden notwendige Begriffe definiert, Arten digitaler Menschmodelle im Anwendungsbereich der Fa-brikplanung, insbesondere der ergonomischen Ar-beitsplatzgestaltung, dargest

16、ellt und auf wesentli-che rechtliche Aspekte der Menschmodellierung hingewiesen. Methoden und Werkzeuge der Digitalen Fabrik (1; Definition siehe VDI 4499 Blatt 1) waren ursprnglich vorrangig darauf ausgerichtet, Fabrik-gebude und deren Infrastruktur sowie das Zusam-menwirken von Maschinen und Mater

17、ialflussein-richtungen zunchst statisch, spter dann auch in ihrem dynamischen Ablauf zu analysieren und zu visualisieren. Da die Ablufe in einer Fabrik in der Realitt aber nicht ohne Mitwirkung des Menschen vonstattengehen knnen, ist die Abbildung des Menschen in den Methoden und Werkzeugen der Digi

18、talen Fabrik von Bedeutung. Die Ursprnge dieser Entwicklung lagen dabei in CAD-Draht-modellen, die sowohl den Arbeitsplatz als auch den Introduction Digital human models (also referred to as digital manikins) play an increasingly important role in the planning of parts manufacturing and assembly sys

19、-tems, as they allow the planner to evaluate the fu-ture work systems beforehand in terms of ergonom-ics and time management. With this in mind, this standard is intended mainly for planners of parts manufacturing, assembly, and logistics systems, but also for those in charge of and interested in er

20、gonomics, workplace design, and human re-sources management. In the following, we will deal with the scopes of application of such models. After delineating the content of this standard, the necessary terms and definitions, present the types of digital human models used in factory planning applicati

21、ons, espe-cially in ergonomic workplace design are listed, and relevant legal aspects in the modelling of hu-mans are pointed out. The methods and tools of the digital factory (1; for definition see VDI 4499 Part 1) have originally been geared primarily towards the analysis and visualisation of fact

22、ory buildings and their infra-structure as well as the interaction of machines and material flow equipment, which has first been static and later on also viewed in its dynamic flow. How-ever, as the processes in a factory cannot happen without the assistance of humans, it is important to also repres

23、ent humans in the digital factorys meth-ods and tools. CAD wireframe models have been the origin of this development; they have repre-sented both the workplace and the person working in it, and they have enabled the performance of first B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8DD9NormCD - Stand 20

24、15-03All rights reserved Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 VDI 4499 Blatt 4 / Part 4 3 dort ttigen Menschen abbildeten und erste ergo-nomische Bewertungen ermglichten, vor allem hinsichtlich der Erreichbarkeit und Einsehbarkeit von Arbeitsgegenstnden, Anzeigen und Stellteilen (vgl. zu

25、 frhen Verfahren 2; 3). Die Abbildung des Menschen in Methoden und Werkzeugen der Digitalen Fabrik ist inzwischen weiter vorangeschritten (siehe z. B. 4), sodass der Entwicklungsstand in dieser Richtlinie zusam-mengestellt werden kann. Gegenstandsbereich ist dabei die digitale Modellierung von Arbei

26、tsperso-nen im Zusammenwirken mit Arbeitsgegenstnden und Arbeitsmitteln in einer Arbeitsumgebung (also mit Maschinen, Vorrichtungen, Transportmitteln usw.). Dies dient dann dem Zweck, Arbeitssysteme unter ergonomischen, arbeitsmethodischen und zeitwirtschaftlichen Gesichtspunkten zu analysie-ren und

27、 zu bewerten, um so eine Hilfestellung bei der Planung zu geben. Die realittsnahe grafische Abbildung kann sowohl im Standbild (Visua-lisierung) als auch in bewegten Bildern (Video, Animation) erfolgen. In Bezug auf Bewegungsfolgen beschrnkt sich diese Richtlinie auf die Abbildung im Bereich von meh

28、reren Sekunden bis wenigen Minuten. Im Ge-gensatz zur Modellierung des Menschen in Video-spielen und Filmen geht es dabei nicht vorrangig um die mglichst fotorealistische Gestaltung des Menschen und seiner Umgebung. Vielmehr ist die Zielrichtung die ergonomische Bewertung von Arbeitsvorgngen hinsich

29、tlich Ausfhrbarkeit und Ertrglichkeit (siehe das Beurteilungskonzept der Arbeitswissenschaft nach 5; 6, ergnzend auch 7). Hieraus lassen sich dann erste Beurteilungen, z. B. im Hinblick auf Gesundheitsrisiken, ableiten. Nachfolgend werden die Modellierung und insbe-sondere die Prognose der auf den a

30、rbeitenden Men-schen wirkenden Einflsse aus der Arbeitsaufgabe betrachtet. Physikalische, chemische und biologi-sche Einflsse aus der Arbeitsumgebung werden hingegen nicht behandelt. Die Errterung derartiger Mglichkeiten im Rahmen von Methoden und Werkzeugen der Digitalen Fabrik soll Gegenstand eine

31、s weiteren Blatts der Richtlinienreihe VDI 4499 sein. Nicht behandelt werden in dieser Richtlinie auerdem organisatorische und soziale Einflsse. Die in dieser Richtlinie betrachtete Abbildung des Menschen grenzt sich von der personalintegrierten und -orientierten Simulation ab (siehe hierzu VDI 3633

32、 Blatt 6). Whrend die hier diskutierten Methoden und Werkzeuge eine hohe grafische Detailtreue und eine Visualisierung im Bereich von einigen Sekunden bis zu wenigen Minuten ermg-lichen, zielt die Simulation auf eine integrierte Be-trachtung des Menschen in einer Arbeitssituation ab, ergonomic evalu

33、ations, particularly concerning the accessibility and visibility of work objects, dis-plays, and controls (for historical methods see 2; 3). The representation of humans with the methods and tools of the digital factory has made considerable progress since (see e.g. 4), and this standard gives an ov

34、erview of the state of the art. Its application is the digital modelling of working persons acting together with work objects and equipment in a work environment (i.e. with machines, fixtures, vehicles, etc.). It serves the purpose of analysing and evaluating work systems under the aspects of ergono

35、mics, work methodology, and time man-agement, with the aim of providing planning sup-port. A realistic graphic representation can be done with both still images (visualisation) and moving images (video, animation). With regard to movement sequences, this standard focuses on representations with dura

36、tions between several seconds and a few minutes. Unlike in the modelling of humans in video games and motion pictures, it is not intended to render humans and their environment as photo-realistically as possible. The aim is rather to perform an ergonomic evalua-tion of work operations with regard to

37、 their execut-ability and tolerability (see the assessment concept from work science according to 5; 6, additionally also 7). This allows for deriving first assessments, e.g. concerning health risks. In the following, we will deal with modelling the work task and particularly with predictions of its

38、 influences on the worker. Physical, chemical, and biological influences from the work environment will for now be neglected. Such aspects of the methods and tools of the digital factory will be discussed in a separate part of the series of stand-ards VDI 4499. Neither organisational nor social infl

39、uences are discussed in this standard. The representation of humans that is the topic of this standard differs from personnel-integrated and personnel-oriented simulation (see VDI 3633 Part 6). While the methods and tools discussed here allow a high degree of graphic detail and visualisa-tion durati

40、ons of some seconds to a few minutes, simulation aims at an integrated representation of humans in their work situation that goes well be-yond a few minutes and, especially for capacity B55EB1B3E14C22109E918E8EA43EDB30F09DCBB7EF8DD9NormCD - Stand 2015-03 4 VDI 4499 Blatt 4 / Part 4 Alle Rechte vorbe

41、halten Verein Deutscher Ingenieure e.V., Dsseldorf 2015 die weit ber den Minutenbereich hinausgeht und insbesondere bei der Kapazittsplanung und Pro-duktivittsanalyse bis in den Bereich von mehreren Monaten hineinreichen kann. Realittsnahe grafi-sche Reprsentationen treten dafr gegenber zeit-reihenb

42、ezogenen Darstellungen und statistischen Grafiken in den Hintergrund. Gliederung dieser Richtlinie Die Gliederung dieser Richtlinie orientiert sich an den mechanischen Phnomenen in gegenstnd-lichen Rumen in Verbindung mit einer ergonomi-schen Betrachtungsweise (Bild 1). Daher begin-nen die nachfolge

43、nden Ausfhrungen mit der Geometrie, wobei neben der geometrischen Gestalt eines Arbeitsplatzes auch dessen unmittelbare rumliche Umgebung Betrachtungsgegenstand ist (wie dies bereits in VDI 4499 Blatt 1 vorausgesetzt wird). Dabei ist einerseits die Geometrie des Ar-beitsgegenstands und der Einrichtu

44、ngsgegenstnde am Arbeitsplatz von Bedeutung. Andererseits ist die Geometrie des menschlichen Krpers zu be-trachten; Grundlage hierfr ist die Anthropometrie. Bild 1. Zusammenhang zwischen Begriffen der Mechanik und der Ergonomie (nach 8) Wesentliches Beurteilungskriterium geometrischer Untersuchungen

45、 sind die Erreichbarkeit und Ein-sehbarkeit von Orten, die fr die Durchfhrung des jeweiligen Arbeitsvorgangs von Bedeutung sind. Bei der geometrischen Analyse wird das Abbil-dungsobjekt zunchst als unbeweglich betrachtet, allein die Dimensionen von Lngen, Umfngen, Winkeln u. . sind magebend. Auer de

46、n Kr-permaen des Menschen (z. B. seine Krperhhe) sind demzufolge auch die Funktionsmae (z. B. maximale Reichweite des Arms nach vorn) von Bedeutung. Diese Thematik leitet ber zur Kinematik des Men-schen, bei der die Geschwindigkeit als weitere phy-sikalische Gre zur geometrischen Gestalt hinzu-kommt

47、. Somit ist die Bewegung von Arbeits-gegenstnden und Arbeitsmitteln, aber auch die des Menschen in seiner Gesamtheit (z. B. Gehge-planning and productivity analyses, can cover times of up to several months. It gives priority to time series-related representations and statistical graphs rather than r

48、ealistic graphic representations. Structure of this standard The structure of this standard is oriented towards the mechanical phenomena in physical space in combination with an ergonomic point of view (Figure 1). This is why the reflections below will begin with geometry, the object of observation

49、being the geometric structure of a workplace and its immediate spatial environment (as has already been assumed in VDI 4499 Part 1). On the one hand, the geometry of the object of work and the workplace equipment is of importance. On the other hand, the geometry of the human body must be examined, based on the principles of anthro-pometry. Figure 1. Relationship between concepts of me-chanics and ergonomics (according to 8) Major assessment criteria in geometric examina-t