Ergotyping-Tool: Sichtanforderungen für optische Anzeigeeinrichtungen

Autor: Dr.-Ing. Christiane Kamusella

Das Ergotyping^®-Tool wird unter Verwendung des digitalen Menschmodells "CharAT-Ergonomics" entwickelt und realisiert. CharAT-Ergonomics ist eine virtuelle Menschmodell-Software und als Plugin zum Animations- und Modellierungsprogramm 3dsmax2010 vorgesehen. Durch seine relativ offene Programmstruktur lässt es eine Ausführung eigener Programmscripte zu.

Im ersten Schritt erfolgte an der TU Dresden, Arbeitswissenschaft die Entwicklung und eine prototypische Umsetzung des Ergotyping-Tools durch Erarbeitung aller Grundlagen sowie Datenaufbereitung und Programmierung eines 3dsmax-Scripts und dessen Anbindung an CharAT Ergonomics(s. Bergk, Pirger, 2009; Kamusella 2010a; Kamusella 2010b). Bilder hier im Text beziehen sich auf das Script.

Im zweiten Schritt erfolgte in Zusammenabeit zwischen der TU Dresden, Arbeitswissenschaft und der VHE GmbH eine programmtechnische Übertragung des Tools in CharAT Ergonomics.

Siehe dazu Tutorial Visibility -->> PDF (Stand 03.06.2011) "Tutorial Visibilty_TU Dresden Arbeitswissenschaft"

Das Ergotyping-Tool^® "Sichtanforderungen für optische Anzeigeeinrichtungen" behandelt ergonomische Anforderungskriterien für Elemente zur Informationsverarbeitung, die den optischen Sinneskanal ansprechen. Die Sicht betreffende nutzerorientierte Merkmale stehen in enger Wechselwirkung zu Produktmerkmalen der Anzeigeeinrichtung und müssen daher im Zusammenhang betrachtet werden. Anzeigeeinrichtungen werden u. a. in Cockpits, Anlagen, Mess- und Bildschirmgeräten, Instrumententafeln, Steuer- und Überwachungskonsolen eingesetzt. Die Sehbedingungen daran sowie die Darstellung der Informationen beeinflussen Arbeitsleistung und Wohlbefinden der Nutzer. Für die prospektive Auslegung von Komponenten und zur Bewertung vorhandener Lösungen wird die systematisierte Erfüllung ergonomischer Anforderungen durch das Ergotyping-Tool unterstützt.

Optische Anzeigeeinrichtungen gliedern sich nach der Art der Sehzeichen in digitale und analoge Anzeigen, wobei digitale Anzeigen allg. in Form von Bildzeichen und alphanumerische Zeichen vorkommen.

Bildzeichen können durch eine quadratische Form verkörpert werden, da das Auge in vertikaler und horizontaler Richtung ein gleiches Auflösungsvermögen besitzt. Als alphanumerisches Element wird der Buchstabe „L“ verwendet, um die wesentlichen abhängigen Parameter abzubilden. So ist neben der Höhe des Zeichens auch das Höhe-Breite-Verhältnis entscheidend für Identifikation und Vermeidung von Fehlinterpretationen. Ebenso spielt der Zusammenhang zwischen einzelnen Zeichen eine Rolle. Der Zeichenabstand ist mit der Strichbreite eines alphanumerischen Zeichens vergleichbar.

Analoge Anzeigen werden nach ihrer Form in Linear- und Radialbauweise differenziert. Nach ihrer Anordnung unterscheidet man in der Gruppe der Linearskalen Quer- und Hochskalen. Linearskalen werden häufig dann verwendet, wenn auch die gemessene Größe eine lineare Änderung vollzieht. Grundsätzlich sind sie für jede Wahrnehmungsaufgabe geeignet. Im Programmmodul wurde die analoge Anzeige zunächst als Linearskale in Einer-, Zweier-, Fünferteilung repräsentiert. Je feiner die Einteilung ist, desto genauer kann der Messwert abgelesen werden. Eine grobe Einteilung erfolgt bei der Orientierungsteilung. Der Messwert wird qualitativ abgelesen. Dies trifft auf entdeckende Sehaufgaben zu.

Die Zeichengröße hängt vom Sehwinkel und der Sehentfernung des Zeichens zum Auge ab. Der Sehwinkel ist der Winkel, dessen Scheitel am Auge liegt und dessen Schenkel das Sehobjekt einschließen. Für den Sehwinkel gibt es physiologisch bedingt optimale und zulässige Werte.

Sehzeichen werden daher mit optimalen und zulässigen Parametern hinterlegt.

Alle Zeichen werden auf einer Anzeigefläche dargestellt und berechnete Daten in Messageboxen dynamisch ausgegeben.

Die in den Datenquellen nach Stufenmodell identifizierten ergonomischen Anforderungen liegen in Form qualitativer und quantitativer Aussagen vor.

• Übersicht der untersuchten Quellen und Literatur nach Stufenmodell (Auszug, nicht vollständig):

Stufe 1 – Stand der Technik

Abschn. 1: Harmonisierte A- und B-Normen:
DIN EN 614-1:2009-01 
DIN EN 614-2:2008-02
DIN EN 894-1:1997-04
DIN EN 894-2:1997-04
DIN EN 842:2009-01 
DIN EN 60073:2003-05
DIN EN 981:1997-01
DIN EN ISO 13406-2:2003-06
DIN EN 61310-1:2008-10

Abschn. 1: Harmonisierte C-Normen: Beispiel CEN/TC 143
DIN EN 12417 Sicherheit von Werkzeugmaschinen - Bearbeitungszentren
Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 614; DIN EN 894
DIN EN 12478 Sicherheit von Werkzeugmaschinen - Große numerisch gesteuerte Drehmaschinen und Drehzentren
Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 614; DIN EN 894
DIN EN 12717 Sicherheit von Werkzeugmaschinen - Bohrmaschinen 

Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 614; DIN EN 894; DIN EN 842
DIN EN 13736 Sicherheit von Werkzeugmaschinen - Pneumatische Pressen
Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 614; DIN EN 894
DIN EN 13985 Werkzeugmaschinen - Sicherheit – Tafelscheren
Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 614; DIN EN 894; DIN EN 61310
DIN EN 692 Mechanische Pressen – Sicherheit
Verweis auf A- und B-Normen: DIN EN 842; DIN EN 61310
DIN EN 12077-2:2008-12 
DIN EN 12644-2:2000-08

Abschn. 2: Nationale Normen, technische Spezifikationen
Keine passenden Angaben

Stufe 2 – allg. anerkannte Regeln der Technik, andere Wissensstände

DIN 1450:1993-07
DIN 15996:2006-02
DIN EN 80416-1:2009-11
DIN EN 80416-3:2003-08
DIN EN 80416-2:2002-05
DIN 43790:1991-01
DIN ISO 20282-1:2008-10 
DIN Fachbericht 124:2006-07 
VDI 2259:1990-06 
VDI 3546-3:1988-11
VDI 3546-5:1991-09 
VDI 6008:2006-08 
BGI 650:2006-08 
GUV 50.12:2001-01 
Weitere Literaturquellen 
(z. B. (Barz, N., 2008. Europäische Sicherheitsvorschriften für elektrische Betriebsmittel.
Abruf 09.03.2009 www.vde-verlag.de/buecher/leseprobe/lese2341.pdf),
(Cakir, A.,1980. Bildschirmarbeitsplätze. Berlin: Springer Verlag),
(Schierz, C.,2001-10. Mensch-Computer Interaktion. Sehen und Bildschirm . Zürich),
(Schierz, C.,2002-10. Physiologie II: Sinnesorgane. Skript zur Vorlesung im Departement Umweltnaturwissenschaften.Zürich),
(Strasser, H. Ergonomie - Umgebungseinflüsse. Beleuchtung.Siegen 1993),
(Murrell, K., 1971. Ergonomie-Grundlagen u. Praxis der Gestaltung optimaler Arbeitsverhältnisse.Düsseldorf:Econ Verlag),
(Lorenz, D.,2008-08. Arbeitswissenschaft/Ergonomie.Gestaltung der Informationsausgabeschnittstelle.Gießen: FH Gießen-Friedberg), 
(Krüger;Hessen;Zülch: Bedeutung der Akkommodation für das Sehen am Arbeitsplatz. Z. Arb.wiss.36(8NF)159-163.1982) u. a. m.)

Es sind Merkmalsaussagen, Gestaltungsverfahren zur An- und Zuordnung von Anzeigen sowie Gestaltungsleitsätze zu finden:

• Gestaltungsleitsätze für Operator-Aufgaben-Beziehungen
• Gestaltungsverfahren zur An- und Zuordnung von Anzeigen
• nutzer- und produktorientierte Parameter der Anzeige

Gestaltungsleitsätze nennen die unter Berücksichtigung der individuellen Leistungsfähigkeit der Nutzer zu beachtenden Parameter, die in das Ergotyping-Tool eingeflossen sind. Die Tabelle zeigt die quantifizierbaren Merkmale:

• Nutzerorientierte Parameter - körperhaltungsabhängige Sehstrahllage

Sehaufgaben können nach Entdeckungs- und Überwachungsaufgaben unterschieden werden.

Überwachungsaufgaben erfordern eine erhöhte Aufmerksamkeit vom Nutzer, Informationen sind zu identifizieren, was quantifiziertes Sehen voraussetzt. Bei Überwachungsaufgaben liegt innerhalb eines bekannten zu identifizierenden Bereiches eine entspannte Sehachse vor (Augen- und Kopfmuskulatur in entspannter Haltung, Sehachse daher unterhalb der Horizontalen). Der Nutzer sucht von dieser entspannten Position aus aktiv nach Informationen und verarbeitet sie.

Bei Entdeckungsaufgaben erfolgt i. allg. eine direkte Aufgabenunterstützung durch das System (z. B. Warnung durch das System). Es handelt sich demnach um qualitatives Sehen, indem festzustellen ist, ob Signale vorhanden sind. Die Sehachse ist in ihrer Ausrichtung daher extern determiniert und hängt vom wahrzunehmenden Zentrum der Aufmerksamkeit ab.

Flash-Animation: Auge-Kopf-Körper-Motorik

Im Ergotyping-Tool wird zur Realisierung von Überwachungsaufgaben die Ausrichtung der Sehachse auf ein Sehziel als eine serielle Auge-Kopf-Körper-Motorik umgesetzt. D. h., ein Sehziel wird sequentiell durch Auge-Kopf-Körpereinsatz angesteuert. Körpersegmente setzen also nicht alle gleichzeitig in eine Bewegung ein, sondern erst nach Überschreitung ihrer elastischen Muskelspannungsgrenzen. Erst wenn die Augen ihr Bewegungslimit erreicht haben, versucht CharAT-Ergonomics Kontakt zum Sehobjekt über Bewegung des Kopfes und später des Rumpfes herzustellen.

Für die Bewegung der beteiligten Körperglieder gibt es Komfort- und Grenzwinkel, welche interaktiv voreingestellt werden können. Dem Nutzer werden Daten aus der Fachliteratur bzw. aus Normen vorgeschlagen, ansonsten nutzt das Programmmodul die enthaltenen Standardgrenzwinkel. Unsinnige Eingaben werden unterbunden und mit Standardgrenzwinkeln überschrieben, die in einer Messagebox angezeigt werden.

Der Sehstrahl ist mit einem Steuerelement verbunden, welches Kontakt zu einem Sehziel herstellt und dabei zuerst die Augen, dann Kopf und Körper nacheinander hinter sich herführt. Darüber kann geprüft werden, ob sich Sehobjekte innerhalb eines definierten festgeschriebenen Bewegungslimits von CharAT-Ergonomics befinden. Eine Körperbewegung kann unterbunden werden, indem die Torsowinkel einen voreingestellten Wert Null im entsprechenden Gelenkfreiheitsgrad erhalten. Möglich ist es, das Steuerelement mit Sehobjekten zu verknüpfen und diese innerhalb gewünschter Winkellimits zu platzieren. Diese Steuerungen beziehen sich auf ein Mittelauge.

• Nutzerorientierte Parameter - fusionale Vergenzen

hier im Sinne von:

fusionale Vergenz: gegensinnige Augenbewegung

Zusätzlich ist es möglich, rechtes und linkes Auge mit dem Steuerelement derart zu verknüpfen, dass die Augenachsen bei Fokusierung eines Sehobjektes in der Nähe gegensinnige Augenbewegungen ausführen und sich parallel ausrichten, sobald das Sehziel vom Auge wegrückt (fusionale Vergenz). Damit können demnach Vergenzen simuliert werden. Das spielt z. B. eine Rolle, wenn das aus den beiden monokularen Sichtkegeln sich ergebende überlappende Sichtfeld betrachtet wird.

Flash-Animation: fusionale Vergenz

• Nutzerorientierte Parameter - Akkommodation und Sehschärfe

hier im Sinne von:

akkommodative Vergenz: Bildschärfe bei Annäherung und Entfernung eines Sehobjektes zum Auge

Das menschliche Auge besitzt die Fähigkeit, auf unterschiedliche Sehabstände fokussieren zu können (sog. Akkommodation). Im Ergotyping-Tool ist die Nahakkommodation mit Bewertungskriterien verknüpft. Die Berechnung und Bewertung des Akkommodationsnahpunktes erfolgt für 3 Alterstufen:

• für 25-Jährige
• für 40-Jährige
• für 50-Jährige.

Bei der Altersgruppe der 40- bis 50-Jährigen nimmt die Akkommodationsfähigkeit schleichend, jedoch kontinuierlich ab, es wird aber gerade noch keine Brille vorausgesetzt. Der Nahpunkt, bei dem Sehobjekte scharf gesehen werden, wandert vom Auge weg. Dieser veränderte Sehabstand muss berücksichtigt werden.

Ältere Menschen mit Presbyopie besitzen i. allg. eine Altersbrille und werden etwa auf Akkommodationswerte 40-Jähriger korrigiert. Damit wird diese Altersgruppe der über 50-Jährigen in der Bewertung mit erfasst, indem für sie Bewertungsgrößen der 40-Jährigen zugrunde gelegt werden können.

Das Steuerelement wird mit einer 10 Zoll großen Anzeigefläche verknüpft. Bei interaktiver Platzierung dieser Sehfläche vor dem CharAT-Auge wird der Sehabstand für

a) die Gebrauchsakkommodation und

b) die maximale Akkommodation bewertet.

Unterschreitet das Sehobjekt die Sehentfernung der Gebrauchsakkommodation, bei der bequem, ermüdungsfrei, über längere Zeit scharf gesehen werden kann, erscheint ein Hinweis in einer Messagebox mit Angabe des zulässigen Sehabstandes für die betreffende Altersgruppe.

Wird der Nahpunkt der maximalen Akkommodation unterschritten, bei dem gerade noch und nur temporär scharf gesehen wird, erhält der Nutzer ebenfalls eine Meldung mit Angabe des zulässigen altersabhängigen kürzest möglichen Sehabstandes.

Der Nahpunkt bei maximaler Akkommodation wird einem Visuswert=1 (100% relative Sehschärfe) gleichgesetzt. Eine Unterschreitung des kleinst möglichen Sehabstandes ist mit einer Defokussierung, d. h. Verminderung der Sehschärfe verbunden. Die Sehschärfe spielt u. a. auch für bestimmte Berufsgruppen sowie z. B. für das Führen von Fahrzeugen im Straßenverkehr (beispielsweise Mindestvisuswerte von 0.5 bzw. 0.7) eine Rolle. Die sehabstandsabhängige abnehmende Sehschärfe wird als relativer Wert für die Altersgruppe der 50-Jährigen berechnet und angezeigt. Eine Berechnung für jüngere Altergruppen ist nicht sinnvoll, da deren Nahpunkt Sehabstände umfasst (100 mm bis 200 mm), die nicht mehr praxisrelevant sind.

• Nutzerorientierte Parameter - Betrachtungswinkel

Weiterhin geht in das Ergotyping-Tool eine Bewertung von horizontalem und vertikalem Betrachtungswinkel ein. Idealerweise sollte eine Anzeigefläche immer im rechten Winkel zur Sehachse ausgerichtet sein, d.h. die Sehachse sollte bei Blick auf eine Sehfläche dem Verlauf der Flächennormalen folgen.

Abweichungen führen zu Parallaxenfehlern und Verzerrungen der dargestellten Zeichen. In Abhängigkeit von den visuellen Anforderungen der Sehaufgabe sind allerdings bestimmte Grenzabweichungen zulässig. Diese Winkel werden dynamisch berechnet, kontrolliert und bewertet. In Abhängigkeit von der Höhe der Qualitätsbewertung innerhalb der Sehaufgabe sollte der Beobachter demnach eine Anzeigefläche in einem zulässigen Winkel horizontal und vertikal zur Flächennormalen betrachten. Um die Überschreitung der Grenzabweichungen zu vermeiden, sind Sehflächen vertikal anzukippen bzw. horizontal in die Sehachse einzudrehen. Unterschieden werden die Qualitätsbewertungen hoch, mäßig und niedrig.

Eine Anzeigefläche ist mit der Augenkamera von CharAT-Ergonomics verbunden und steuert gleich-zeitig Augen-, Kopf- und Körperbewegung. Position und Rotation der Anzeigefläche in Bezug zum CharAT-Auge können über Transformationsregler oder über die direkte Werteeingabe im User-Interface des Programmmoduls beeinflusst werden. Überschreitet die zur CharAT-Sehachse ausgerichtete Anzeigefläche zulässige Grenzwinkel, erscheint eine Meldung in einer Message-Box.

Berechnungsergebnisse zu den Anzeigeparametern und weitere ergonomische Bewertungen werden in Rollouts und Message-Boxen ausgegeben. Zusätzlich können die Sehfelder Blickfeld, Farbgesichtsfeld blau und Hell-Dunkel-Gesichtsfeld in einer Szene eingeblendet werden. Bei eingeschalteter Kamera kann die Sicht aus dem CharAT-Auge und der Ausschnitt der Umgebung entsprechend Sehfeld gezeigt werden.

• Produktorientierte Parameter

Bildzeichen können durch eine quadratische Form verkörpert werden, da das Auge in vertikaler und horizontaler Richtung ein gleiches Auflösungsvermögen besitzt. Als alphanumerisches Element wird der Buchstabe „L“ verwendet, um die wesentlichen abhängigen Parameter abzubilden. So ist neben der Höhe des Zeichens auch das Höhe-Breite-Verhältnis entscheidend für Identifikation und Vermeidung von Fehlinterpretationen. Ebenso spielt der Zusammenhang zwischen einzelnen Zeichen eine Rolle. Der Zeichenabstand ist mit der Strichbreite eines alphanumerischen Zeichens vergleichbar. Die Zeichengröße hängt vom Sehwinkel und der Sehentfernung des Zeichens zum Auge ab. Der Sehwinkel ist der Winkel, dessen Scheitel am Auge liegt und dessen Schenkel das Sehobjekt ein-schließen. Für den Sehwinkel gibt es physiologisch bedingt optimale und zulässige Werte. Sehzeichen werden daher mit optimalen und zulässigen Parametern hinterlegt.

Alle Zeichen wie Bildzeichen, alphanumerische Elemente und analoge Linearskale mit Einer-, Zweier- und Fünferteilung werden auf einer Anzeigefläche dargestellt und berechnete Daten in Messageboxen dynamisch ausgegeben.

Analoge Anzeigen werden nach ihrer Form in Linear- und Radialbauweise differenziert. Nach ihrer Anordnung unterscheidet man in der Gruppe der Linearskalen Quer- und Hochskalen. Linearskalen werden häufig dann verwendet, wenn auch die gemessene Größe eine lineare Änderung vollzieht. Grundsätzlich sind sie für jede Wahrnehmungsaufgabe geeignet. Im Programmmodul wurde die analoge Anzeige zunächst als Linearskale in Einer-, Zweier-, Fünferteilung repräsentiert. Je feiner die Einteilung ist, desto genauer kann der Messwert abgelesen werden. Eine grobe Einteilung erfolgt bei der Orientierungsteilung. Der Messwert wird qualitativ abgelesen. Dies trifft auf entdeckende Sehaufgaben zu. Der Nachweis verwendeter ergonomischer Datenquellen erfolgt über Abruf von Informationsboxen. Es sind Datenquellen und zugehörige Stufe nach Stufenmodell genannt. Der Anwender erhält darüber eine Information und Orientierung, ob z. B. harmonisierte Normen zugrunde liegen. Ebenso lässt das Programmodul eine Dokumentation zu.

Quellen:

Bergk, Chr.; Pirger, A.: Erarbeitung eines ergonomischen Bewertungstools zur rechnergestützten Gestaltung optischer Anzeigesysteme der Mensch-Maschine-Schnittstelle unter Nutzung virtueller Menschmodelle. Großer Beleg 2009, TU Dresden, Professur für Arbeitswissenschaft

Kamusella, Christiane: Ergotyping-Tool Sichtanforderungen für optische Anzeigeeinrichtungen. – Wissensportal: www.baumaschine.de 02(2010)

Kamusella, Chr.; Schmauder, M.: Ergotyping-Tool „Sichtbewertung“. Dokumentation des 56. Arbeitswissenschaftlichen Kongresses der Gesellschaft für Arbeitswissenschaft in Darmstadt, 24.-26.03.2010, GfA-Press Dortmund 2010, S. 135-138.