Hybride Modelle zur Entwicklung von technischen Systemen für die direkte Interaktion mit dem Menschen am Beispiel für Einheiten aus Power-Tools und Oberkörper-Unterstützungssystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Sven Matthiesen; Professor Dr.-Ing. Sandro Wartzack; Professor Dr.-Ing. Robert Sebastian Weidner
• Fachliche Zuordnung: Arbeitswissenschaft, Ergonomie, Mensch-Maschine-Systeme ; Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung ; Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 435242218

Ziel des vorliegenden Forschungsvorhabens ist die Entwicklung einer Methodik für die durchgängige Entwicklung von körper- und handgetragenen technischen Systemen, welche mit dem Menschen im gemeinsamen Leistungsfluss stehen. Die Methodik beinhaltet die Verknüpfung von Methoden der Modellierung von Anwendungsfällen, Unterstützungs-systemen, biomechanischen Menschmodellen und multikriterielle Optimierung von Komponenten. Durch die Kombination und Erweiterung bewährter Simulationsansätze und biomechanischen Menschmodellen entstehen hybride Modelle für die Produktentwicklung körpergetragener technischer Systeme (z. B. Exoskelette) in Kombination mit technischen Systemen die direkt im Leistungsfluss zum Menschen stehen (z. B. Power-Tools). Durch dieses Forschungsvorhaben können beide Systeme, im Gegensatz zu heute, zukünftig gemeinsam für die jeweiligen Anwendungsfälle integriert entwickelt werden. Die direkte Kopplung von Unterstützungssystemen und Power-Tools mit dem Menschen stellt Entwickler vor besondere Herausforderungen. Gründe hierfür sind neben der Berücksichtigung der menschlichen Anatomie und der Auswahl geeigneter Kraftangriffspunkte am Menschen, insbesondere die komplexen menschlichen Bewegungsmuster. Die Einheit aus Nutzer, Anwendungsfall und technischem Unterstützungssystem muss in ihrer Gesamtheit betrachtet werden. Eine solche systemisch ausgerichtete Entwicklung lässt sich bislang nicht mittels der vorhandenen Simulationsmodelle abbilden und ist daher in weiten Teilen auf intuitives Einschätzen der Randbedingungen von Bewegungsexperten und Ingenieuren angewiesen. Eine Evaluation intuitiv entwickelter Systeme erfolgt erst am Ende der Entwicklung mit Hilfe des physischen Prototyps mittels biomechanischer Analysen.Die zu entwickelnde Methodik greift an dieser Lücke an und unterstützt durch Nutzung hybrider Modelle die Entwicklung von Unterstützungssystemen und Power-Tools. Diese hybriden Modelle entstehen durch eine Verschmelzung von Methoden der Anwendungsfallmodellierung und Methoden der Mensch-Technik-Simulation. Folglich besteht ein Kern des Forschungsvorhabens in der Kopplung von Simulationsmodellen des Teilsystems Mensch und dynamischen Modellen seriell und parallel zum Menschen angeordneter Unterstützungssysteme. Es werden klassische, simulationsgestützte Entwicklungsumgebungen für Ingenieure mit muskuloskelettalen Menschenmodellen über Co-Simulationen gekoppelt, um auf deren Basis technische Unterstützungssysteme multikriteriell zu evaluieren und zu optimieren.Als geplanter exemplarischer Anwendungsfall, an der die Methodik dargelegt und evaluiert wird, dient die Entwicklung eines Oberkörper-Unterstützungssystems (Exoskelett) mit systemisch interagierendem Schrauber als Beispiel für Power-Tool gestützte Montageprozesse in und über Kopfhöhe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen