Hybrid Models for the Development of Technical Systems for Direct Interaction with Humans - Units with Power Tools and Upper Body Support Systems as an Example (ExoMePT)
Third party funded individual grant
Acronym: ExoMePT
Start date : 01.11.2020
End date : 30.05.2023
Project details
Short description
Im Fokus des Antrags steht die Entwicklung einer Methodik für die durchgängige Entwicklung von körpergetragener und handgehaltener technischer Systeme, welche mit dem Menschen im gemeinsamen Leistungsfluss stehen. Die direkte Kopplung eines Unterstützungssystems mit dem Menschen stellt Entwickler dieser Systeme vor besondere Herausforderungen, da die Einheit aus Nutzer, Anwendungskontext und technischem Unterstützungssystem hierfür in ihrer Gesamtheit betrachtet werden muss. Die Konzeption von angepassten Unterstützungssystemen erfordert dabei die Berücksichtigung auftretender spezifischer Interaktionen zwischen Mensch und System im Anwendungskontext. Eine solche systemisch ausgerichtete Entwicklung lässt sich bislang mittels der vorhandenen Methoden und Simulationsmodelle nicht abbilden, da diese entweder auf den Menschen oder auf die Technik fokussiert sind. Das führt zu dem Problem, dass die Entwicklung bisher in weiten Teilen auf das intuitive Einschätzen der Randbedingungen durch die Ingenieure und die Ansätze der Bewegungswissenschaftler angewiesen ist, ohne eine integrative Verbindung beider Disziplinen zu haben. Das zu entwickelnde Vorgehen greift an dieser Lücke an und unterstützt eine gesamtheitliche Gestaltung entsprechender Systeme durch eine Verschmelzung von Methoden der Anwendungsfallmodellierung, Methoden der hybriden Mensch-Technik-Simulation und Methoden zur Gestaltung technischer, körpergetragener und handgehaltener Systeme. Der Stand der Forschung wird mit der zu entwickelnden Methodik um die Möglichkeit erweitert, klassische simulationsgestützte Entwicklungsumgebungen für Ingenieure mit biomechanischen Menschmodellen über eine Co-Simulation zu koppeln und auf deren Basis technische Unterstützungssysteme abgesichert zu gestalten und zu optimieren. Damit knüpft es zum einen an konventionelle Modelle zur Simulation der muskuloskelettalen Beanspruchung und zum anderen an die Simulation der Mensch-Maschine Kollaboration, bspw. für die Programmierung, Ergonomiebewertung oder Bewertung der Sicherheit, an.
Scientific Abstract
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.
