Berücksichtigung biomechanischer Zusammenhänge in der nutzergruppenspezifischen virtuellen Produktentwicklung

Produktbeschreibung

Zusammenfassung
Die nutzerzentrierte Entwicklung von Produkten gewinnt immer mehr an Bedeutung. Kundenzufriedenheit und Kaufentscheidungen hängen immer mehr von Aspekten wie der Nutzbarkeit, dem Komfort, dem Nutzungserlebnis, aber auch von der Ästhetik oder dem Markenwert eines Produkts ab. Neben physiologischen Aspekten bedarf es in der Produktentwicklung auch immer mehr der Berücksichtigung
psychologisch-emotionaler Aspekte. Ganz im Gegensatz zum Bereich der klassischen Produktentwicklung, findet die nutzerzentrierte Produktentwicklung bisher vorwiegend mittels realer Nutzerstudien statt.
Gelungene nutzerzentrierte Entwicklungsprozesse zeichnen sich allerdings durch die frühe Fokussierung auf den Nutzer und die Nutzungsszenarien, den Einsatz empirischer Messungen sowie hochiterative Vorgehensweisen aus. Dies macht die Entwicklungsprozesse sehr langsam und aufwendig, weshalb diese den Bedürfnissen des
heutigen hochkompetitiven Marktumfelds nur sehr schwer gerecht werden. Darunter leidet nicht selten die Nutzerzentrierung. Falls virtuelle Methoden zur Anwendung kommen, so beschränken sich diese zumeist auf die Berücksichtigung der Anthropometrie der Nutzer. Es sind aber gerade biomechanische Aspekte, die beispielsweise Muskel-Skelett-Erkrankungen bedingen.
Als Antwort auf diese Herausforderungen stellt die vorliegende Arbeit eine umfassende, aber dennoch stets anwendbare Vorgehensweise zur Berücksichtigung biomechanischer Aspekte in der nutzergruppenspezifischen virtuellen Produktentwicklung zur Verfügung. Diese ermöglicht durch die Nutzung empirischer Populationsdaten
in der virtuellen Welt die Simulation und Auslegung von Nutzer-Produkt- Interaktionen für virtuelle Nutzergruppen. Der vorgeschlagene Ansatz zur Erzeugung virtueller muskuloskelettaler Nutzergruppen
berücksichtigt neben der Heterogenität der Körpermaße beispielsweise auch Stärke- und Beweglichkeitsverteilungen. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit erarbeitete Vorgehen zur Konfiguration und Simulation zufälliger Nutzer- Produkt-Konfigurationen zielt auf die Identifikation möglichst optimaler Produktmerkmalsausprägungen für jeden der virtuellen Nutzer ab. Die resultierenden Parameterverteilungen
dienen schließlich als Handlungsvorschlag für die weitere Ausdetaillierung des entsprechenden Produkts.
Mittels zweier Anwendungsbeispiele aus der Sportgeräteindustrie werden der Nutzen und die Anwendbarkeit der vorgestellten Vorgehensweise aufgezeigt.

Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung ……………………………………………………………………………………. 1
1.1 Motivation ……………………………………………………………………………………………… 1
1.2 Zielsetzung und Forschungsbedarf ……………………………………………………………. 3
1.3 Aufbau der Arbeit …………………………………………………………………………………… 4
2 Stand der Technik und Wissenschaft ……………………………………………… 7
2.1 Grundlagen der Produktentwicklung ………………………………………………………… 8
Methodische und Integrierte 2.1.1 Produktentwicklung ………………………………….. 8
2.1.2 Virtuelle Produktentwicklung (VPE) ………………………………………………….. 11
2.1.3 Nutzerzentrierte Produktentwicklung ………………………………………………….. 13
2.1.3.1 Nutzer-Produkt-Beziehung ……………………………………………………………. 13
2.1.3.2 Nutzerorientierter Gestaltungsprozess ……………………………………………. 15
2.1.3.3 Universal Design und Mass Customization …………………………………….. 21
2.1.3.4 Subjektive Faktoren in der Produktentwicklung ……………………………… 22
2.2 Ergonomie/Human Factors Engineering ………………………………………………….. 23
2.2.1 Ziele nutzerorientierter Gestaltung ……………………………………………………… 23
2.2.2 Erweitertes Belastungs-Beanspruchungs-Konzept…………………………………. 26
2.2.3 Klassische Herangehensweisen ……………………………………………………………. 27
2.2.4 Virtuelle Methoden und Werkzeuge ……………………………………………………. 29
2.3 Biomechanik und muskuloskelettale Modellierung ……………………………………. 31
2.3.1 Anwendungsgebiete …………………………………………………………………………… 32
2.3.2 Bewegungsapparat …………………………………………………………………………….. 33
2.3.3 Muskuloskelettale Mehrkörperdynamik ……………………………………………….. 35
2.3.4 Muskelphysiologie und Muskelmodellierung …………………………………………. 36
2.4 Muskuloskelettale Simulation …………………………………………………………………. 40
2.4.1 Modellanpassung ………………………………………………………………………………. 40
2.4.2 Berechnungsmethoden ……………………………………………………………………….. 41
2.4.3 Konventionelle Vorgehensweise ………………………………………………………….. 44
2.4.4 Bewegungssynthese …………………………………………………………………………… 45
2.4.4.1 Bewegungsbibliotheken…………………………………………………………………. 45
2.4.4.2 Kinematische Bewegungserzeugung ……………………………………………….. 46
2.4.4.3 Dynamische Bewegungssynthese ……………………………………………………. 48
2.5 Ausgewählte Ansätze zum Design for Human Variability …………………………. 48
2.6 Ableitung des Handlungsbedarfs …………………………………………………………….. 49

3 Vorgehensweise zur nutzergruppenspezifischen VPE …………………….. 52
3.1 Vorgehensweise im Überblick …………………………………………………………………. 52
3.2 Erzeugung virtueller muskuloskelettaler Nutzergruppen ……………………………. 54
Entwicklung generischer muskuloskelettaler 3.2.1 Ganzkörpermodelle ……………. 55
3.2.1.1 Assemblierung vorhandener Teilmodelle ………………………………………… 55
3.2.1.2 Anthropometrische Skalierung ………………………………………………………. 56
3.2.1.3 Überprüfung der resultierenden generischen Menschmodelle …………….. 58
3.2.1.4 Virtuelle Marker zur Identifikation von Interaktionspunkten ……………. 60
3.2.2 Konzeption biomechanischer Menschmodelle ……………………………………….. 60
3.2.2.1 Vorgehen im Überblick …………………………………………………………………. 60
3.2.2.2 Populationspyramide ……………………………………………………………………. 62
3.2.2.3 Körpergröße ………………………………………………………………………………… 64
3.2.2.4 Body Mass Index …………………………………………………………………………. 65
3.2.2.5 Stärke …………………………………………………………………………………………. 66
3.2.2.6 Beweglichkeit ………………………………………………………………………………. 67
3.2.3 Anthropometrische Anpassung …………………………………………………………… 68
3.2.4 Algorithmus zur Stärkeanpassung ………………………………………………………. 69
3.2.4.1 Problemstellung und Vorgehensweise …………………………………………….. 69
3.2.4.2 Simulation vordefinierter Körperhaltungen …………………………………….. 72
3.2.4.3 Identifikation maximaler Gelenkmomente ………………………………………. 74
3.2.4.4 Bestimmung der Muskelbeiträge ……………………………………………………. 75
3.2.4.5 Berechnung der Skalierungsfaktoren ………………………………………………. 76
3.2.5 Überprüfung demographisch angepasster Modelle ………………………………… 77
3.2.5.1 Verifikation …………………………………………………………………………………. 77
3.2.5.2 Validierung ………………………………………………………………………………….. 78
3.3 Parametrische Produktmodellierung ……………………………………………………….. 79
3.4 Statistische Versuchsplanung …………………………………………………………………. 80
3.4.1 Erzeugung statistischer Merkmalskonfigurationen ………………………………… 80
3.4.2 Ableitung der Nutzer- und Produktmerkmale ……………………………………… 81
3.5 Vorhersage der Nutzer-Produkt-Interaktionen …………………………………………. 82
3.5.1 Geometrische Kopplung der Nutzer mit dem Produktmodell ………………… 82
3.5.2 Kinematische Bewegungserzeugung …………………………………………………….. 84
3.5.3 Abschätzung externer Reaktionskräfte ………………………………………………… 85
3.6 Muskuloskelettale Simulation …………………………………………………………………. 86
3.6.1 Methode zur kinetischen Kopplung von Nutzer- und Produktmodell ……… 86
3.6.2 Inverse Dynamik unter statischer Optimierung ……………………………………. 88
3.7 Analyse und Interpretation der Simulationsergebnisse ………………………………. 88
3.7.1 Metamodellierung ……………………………………………………………………………… 89
3.7.2 Optimierung der Produktparameter für die virtuellen Nutzer ……………….. 90

4 Erzeugung und Überprüfung der muskuloskelettalen Menschmodelle 93
4.1 Virtuelle Nutzergruppe ………………………………………………………………………….. 93
Verifikation der 4.1.1 Modellparameter ……………………………………………………….. 94
4.1.2 Validierung der Stärkeverteilung ………………………………………………………… 95
4.2 Virtuelles Individuum ……………………………………………………………………………. 99
5 Anwendungsbeispiele ………………………………………………………………… 101
5.1 Allgemeine Vorbemerkungen ………………………………………………………………… 101
5.2 Simulationsstudie 1: Radfahren …………………………………………………………….. 102
5.2.1 Nutzerindividuelle Simulation …………………………………………………………… 102
5.2.1.1 Aufzeichnung der Radfahrbewegung …………………………………………….. 102
5.2.1.2 Inverse Kinematik ………………………………………………………………………. 103
5.2.1.3 Abschätzung des Kurbeldrehmoments ………………………………………….. 104
5.2.1.4 Muskuloskelettale Simulation ………………………………………………………. 106
5.2.2 Parametrisches Fahrradmodell …………………………………………………………. 108
5.2.3 Nutzergruppenspezifische Simulation ………………………………………………… 110
5.2.3.1 Erzeugung der Nutzer-Produkt-Interaktionen ……………………………….. 110
5.2.3.2 Simulation der Nutzer-Produkt-Konfigurationen …………………………… 114
5.2.3.3 Metamodellierung und Optimierung der Produktparameter …………… 117
5.2.4 Evaluation und Interpretation der Simulationsergebnisse ……………………. 121
5.3 Simulationsstudie 2: Rudern …………………………………………………………………. 122
5.3.1 Nutzerindividuelle Simulation …………………………………………………………… 122
5.3.1.1 Aufzeichnung der Ruderbewegung und der Zugkraft ……………………… 122
5.3.1.2 Inverse Kinematik ………………………………………………………………………. 123
5.3.1.3 Muskuloskelettale Simulation ………………………………………………………. 124
5.3.2 Parametrisches Ruderbootmodell ……………………………………………………… 126
5.3.3 Nutzergruppenspezifische Simulation ………………………………………………… 127
5.3.3.1 Erzeugung der Ruderbewegungen ………………………………………………… 127
5.3.3.2 Simulation der Nutzer-Produkt-Konfigurationen …………………………… 130
5.3.3.3 Metamodellierung und Optimierung der Produktparameter …………… 131
5.3.4 Evaluation und Interpretation der Simulationsergebnisse ……………………. 135
6 Diskussion ………………………………………………………………………………… 139
6.1 Ergebnisse der Forschungsarbeit …………………………………………………………… 139
6.2 Implikationen für die Anwendung und weitere Forschung ………………………. 142
6.3 Limitationen und Potenziale zur Weiterentwicklung ………………………………. 144
7 Zusammenfassung und Ausblick…………………………………………………. 148
Literatur ……………………………………………………………………………………….. 151

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