Analyse der Arbeitshaltungen bei Nutzung eines forstwirtschaftlichen Pflanzpfluges

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Autor: Dr.-Ing. Christiane Kamusella

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Zielstellung

Ausgangssituation:

• Zum Wiederaufforsten landwirtschaftlich genutzter Flächen werden Setzlinge manuell durch einen auf einem Pflanzpflug sitzenden Beschäftigten in den Boden eingebracht.

Der betrachtete Pflanzpflug ist als Anhänger für einen herkömmlichen Traktor konzipiert. Eine Pflanzschar an der Unterseite des Pflugs erzeugt eine Furche im Boden, in die die Setzlinge durch den Beschäftigten auf dem Pflug per Hand eingesetzt werden. Andruckrollen am Ende der Maschine schließen die Furche wieder. Der Beschäftigte sitzt dabei rückwärts auf dem Pflug, entnimmt die Setzlinge aus einem Behälter neben dem Sitz und setzt sie zwischen seinen Beinen in die Furche ein. Zum Abstützen der Beine befinden sich am Rahmen der Maschine Fußstützen.

Ziel:

• Ergonomische Überprüfung der konstruktiven Auslegung hinsichtlich Nutzerbelastung und Charakterisierung gefundener Mängel
• schwerpunktmäßige Bewertung der Arbeitshaltung des Pflanzers nach ergonomischen Gesichtspunkten
• rechnerunterstützte Arbeitsweise
• Ableitung und Begründung ergonomischer Anforderungen
• Diskussion von Gestaltungsalternativen
• In der Übung werden Methodik, Ergebnisse und Schlussfolgerungen vertiefend diskutiert

Nutzergruppe:

• Männer, Frauen: 25-60 Jahre (getroffene Annahme)
• In die Analyse einzubeziehende Referenzpersonen: kritische Grenzperzentile mit einem repräsentativen Spektrum anthropometrischer Eigenschaften (Geschlecht, Alter, Perzentil)

Lernziel:

• Kennenlernen von Funktionalitäten des Ergotyping^®-Tools Körperhaltungsbewertung (s. auch ↗)
• methodische Schulung
• Beschreiben relevanter Einflussgrößen und notwendige Vorbereitungen der 3D-Geometrie und Szene
• digitale Ergonomiebewertung der gegebenen Arbeitssituation mit Funktionalitäten des Ergotyping^®-Tools Posture Analysis
• Diskussion von Fehlereinflüssen und Genauigkeitsanforderungen im Vergleich zur Papier- und Bleistift-Methode
• rechnerunterstützter Soll-Ist-Vergleich nach Umgestaltung des Pflanzpfluges

Vorgehen

Beschreibung der Tätigkeit des Pflanzens

• Entnehmen eines Setzlings aus dem Vorratsbehälter rechts oder links vom Körper, Einsetzen des Setzlings in die Furche durch Vorbeugen des Oberkörpers, Überprüfen des Abstandes der einzelnen Setzlinge sowie Beobachtung, ob Pflanze richtig mit Erde bedeckt wird. Der Pflanzabstand wird nach Erfahrung abgeschätzt. Der Fahrer des Traktors und der Pflanzer verständigen sich durch Rufe, das Fahrtempo wird vor Beginn eines Pflanzzyklus empirisch ermittelt.
• Restriktionen: Der Beschäftigte sitzt rückwärts auf der Maschine und setzt die Setzlinge zwischen seinen Beinen in die Furche. Die Setzlinge haben eine maximale Länge von 50 cm und müssen ca 30 cm an den Boden herangeführt werden. Die Höhe der Sitzfläche beträgt 40 cm über dem Boden und ist weder horizontal noch vertikal verstellbar. Am Rahmen der Maschine befinden sich fest verankerte Bügel, auf denen der Pflanzer die Füße abstützt. Der Pflanzabstand beträgt etwa 100 cm.

Ableitung ergonomischer Fragestellungen

Die Fragestellungen beziehen sich immer auf eine Betrachtung der gesamten Nutzergruppe:

1. Welche Sitzposition ergibt sich auf dem Pflug?

2. Sind die Fußstützen erreichbar?

3. Wie sind die Körperhaltungen für den gesamten Pflanzvorgang zu bewerten?

4. Ist das Ergreifen der Setzlinge im Vorratsbehälter gewährleistet?

5. Ist der Bewegungsablauf vom Ergreifen der Pflanzen bis zu ihrem Einsetzen in die Furche ausführbar?

6. Wie sind die Sichtbedingungen beim Überprüfen des Pflanzabstandes?

Formulierung allgemeiner ergonomischer Anforderungen

• Haltung und Sitzposition:

Die Körperhaltung wird hier zunächst nur in der Grundposition betrachtet, das heißt ohne Berücksichtigung des Bewegungsablaufs beim Pflanzen der Setzlinge. Als Grundposition wird eine aufrechte Sitzposition festgelegt. Dem Beschäftigten sollte es möglich sein, mit geradem Oberkörper mit leichter Vorneigung zu sitzen und sein Gewicht an der Rückenlehne abzustützen. Die Arme sollten auf den Armlehnen abgestützt werden können. Günstig wäre auch die Möglichkeit, verschiedene Haltungen, insbesondere von Armen und Beinen, einnehmen zu können.

• Fußstützen:

Fußstützen sollten durch alle Nutzer der Maschine erreichbar sein. Die Füße sollten dabei mit der gesamten Fußfläche und in leicht wechselnder Haltung aufgesetzt werden können. Ein unbeabsichtigter Kontakt zwischen Beinen und den rotierenden Andruckrollen muss verhindert werden. Zum anderen ist eine geringe Spreizung der Oberschenkel anzustreben, die Spreizung sollte so gering wie möglich ausfallen. Die Abstützung sollte sicher erfolgen, ein Abrutschen ist unter Beachtung der Witterungs- und Einsatzbedingungen zu verhindern.

• Vorratsbehälter:

Der Vorratsbehälter sollte eine ergonomisch günstige Entnahme der Setzlinge für alle Nutzer gewährleisten, auch aus den Randbereichen des Behälters. Weiterhin sollte die Entnahme der Setzlinge mit Bewegung des Oberkörpers im Komfortbereich, also ohne eine Verdrehung der Wirbelsäule, möglich sein. Entnahme und Vereinzeln der Setzlinge sollte weitestgehend ohne bzw. mit nur gelegentlicher Sichtkontrolle erfolgen können. Neigung und Drehung des Kopfes sollten in der Nähe des Komfortbereiches liegen.

• Bewegungsablauf:

Die Körperbewegung während des Einbringens der Setzlinge in die Furche sollte aus der oben beschriebenen Sitzposition heraus erfolgen. Dazu muss zum einen die Erreichbarkeit der Setzlinge im Vorratsbehälter, zum anderen die Erreichbarkeit der geforderten Absetzposition 30 cm über dem Boden für alle Nutzer gesichert sein. Ein ungehinderter und kontinuierlicher Transport des Setzlings auf kurzem Weg ist sicherzustellen.

Festlegung eines Ergonomiebewertungsverfahrens

• Bewertung von Einzelkörperhaltungen: OWAS-Verfahren
• Bewertung der Körperhaltungen im zeitlichen Bewegungsablauf für den gesamten Pflanzvorgang und zur Ableitung einer Schichtbelastung: OWAS-Verfahren
• Bewertung der Pflanzpfluggeometrie in Bezug zur Anthropometrie der Nutzer: Festlegung zulässiger Körperhaltungen und Gelenkwinkelstellungen: Ermittlung der Abweichung und Veränderungsnotwendigkeiten

Ermittlung einer Schrittfolge, von Arbeitsannahmen und Restriktionen

• Vorbereitung der Szenengeometrie und Konfiguration einer ersten Referenzperson

1. Ziel- und Kontaktpunkte an der Geometrie des Pflanzpfluges mit Helferobjekten (Dummys) oder einfachen Ersatzgeometrien versehen, evtl. Verknüpfungen erstellen
   • Arbeitsannahme:

   - Kontaktpunkte Fußraste: Oberkante, mittig

   - Pflanze: Länge 500 mm; Griffpunkt in Höhe 400 mm bis 450 mm

   - Hilfsebene 200 mm unter der Bodenebene: Pflanze bis zu dieser Ebene heranführen

   - Behälter: ca. 15 Pflanzen: kritische Kontaktpunkte: hinten oben; günstigste Kontaktpunkte: vorn oben

2. Kontaktpunkte am Menschmodell einrichten: Handmitte, Fußballen

• Festlegung von Referenzpunkten an der Objektgeometrie des Pflanzpfluges und von Einfügepunkten für das Menschmodell

1. Da im Beispiel kein konkreter Sitz mit vorgegebenem Bezugspunkt verwendet wird, ist ein theoretischer Bezugspunkt festzulegen. Dafür kann die Norm DIN EN ISO 5353 herangezogen werden. Darin wird der Sitzindexpunkt (SIP) mit seinen Raumkoordinaten beschrieben. Dieser SIP wird mit dem Hüftpunkt in Übereinstimmung gebracht. Der SIP selbst ist in Bezug zu einer Sitzmessmaschine beschrieben.
   • Arbeitsannahme: Vereinfachend wird die Kontur der Sitzmessmaschine mit der Kontur des Sitzersatzmodells in Übereinstimmung gebracht. Der festgelegte SIP ist lediglich ein geometrischer Punkt, der einen definierten vertikalen Abstand zur Sitzfläche und einen horizontalen Abstand zur Sitzlehne aufweist. Das Einsinken des Nutzers in den Sitz bleibt unberücksichtigt. Es ergibt sich eine unbekannte Ungenauigkeit bei Platzierung des Hüftzentrums auf dem Sitz. Damit wird von einer zu hohen und u. U. zu weit vorn liegenden Sitzposition ausgegangen. In Realität wird der Nutzer mindestens etwas tiefer sitzen, die horizontale Sitzlage wird maßgeblich vom Fußkontakt zu den Fußrasten bestimmt. I. S. worst case wird insgesamt mit den getroffenen Annahmen von einer ungünstigeren Sitz-Situation ausgegangen, was in Hinblick auf die Gestaltung nicht nachteilig ist. Bei Platzierung verschiedener Perzentile werden diese alle mit ihrem Hüftpunkt in Höhe SIP angeordnet und lediglich horizontal verschoben (keine vertikale Verschiebung in Bezug zum SIP möglich, da SIP-Höhe die Gesäßlage auf dem Sitz repräsentiert)
2. beim Menschmodell Einfügepunkt "Hüftpunkt" einrichten

• Umsetzung einer bestmöglichen Ausgangssitzposition für Referenzperson 1
• Ermittlung von Restriktionen für die Erstellung einer Bewegungsabfolge, um diese mit dem Ergonomietool OWAS innerhalb des Ergotyping^®-Tools Posture Analysis bewerten zu können

1. Die Bewertung nach OWAS mit dem digitalen Ergonomietool erfordert definierte Einzelposen, die in ihrer zeitlichen Abfolge eine Unterscheidung nach statischen und dynamischen Belastungen widerspiegeln müssen.
   • Konventionen für das Ergonomietool:

   - 1 Frame auf der Zeitleiste entspricht 1 s --> ≥ 4 s: statische Belastung --> < 4 s: dynamische Belastung

   - ab 1° Gelenkwinkeländerung während einer Zeiteinheit: Interpretation als dynamische Haltung

   - Verwendung folgenden Tangententyps für die Keyframe-Animation: Schritt-Tangenten: binäre Interpolation von einem Key zum nächsten; Animation einer abrupten Änderung des einen zum nächsten Wert; der Wert von einem zum nächsten Key bleibt konstant

• Vorbereitende Aufgaben zur Erarbeitung einer Bewegungsabfolge

1. Einstellung der Zeitkonfiguration für die Animation: benutzerdefiniert: 1 Frame/s; Schritt-Tangententyp; Key-Filter alle: es werden alle Spuren aufgenommen

• Produktion der Bewegungsabfolge

1. Ermittlung der Zeit/Vorgang
   • Arbeitsannahme: als Vorgang wird die Pflanzung von insgesamt 15 Pflanzen angenommen (eine Behälterleerung)
   • Ermittlung von Teiltätigkeiten und deren Zeitanteilen
2. Ermittlung aller Vorgänge/Schicht, um eine Schichtbelastung abzubilden

• Wechsel der Referenzperson unter vorläufiger Beibehaltung der Körperhaltung von Referenzperson 1: nachträgliche Korrektur für Zeitabschnitte/Teilvorgänge
• Bewertung der Körperhaltung mit dem OWAS-Egonomietool
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Vorbereitung von Szene und Referenzperson

• An zwei Pflanzen sind zunächst Helferobjekte in Zugriffhöhe zu platzieren, sinnvoll zu benennen und als übergeordnetes Objekt zur jeweiligen Pflanze zu verknüpfen. Diese Pflanzen sind im Behälter am hinteren und vorderen Behälterrand anzuordnen. Weitere Helferobjekte sind für die Fußbügel zu erstellen. Weiterhin ist eine Ebene unter Flur zu erzeugen.

1. BP > Erstellen > Helfer > Dummy
2. Verknüpfung: Pflanze_hinten (untergeordnetes Objekt) > HSL > Veknüpfen > nach Namen auswählen: Kontakt_hinten (übergeordnetes Objekt)

Schritt 1

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