Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004) Funktionelle Ausleg...
Author: Reiner Gerstle
27 downloads 2 Views 622KB Size
Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen Gewährleistung der Arbeitssicherheit Prof. Dr.-Ing. Martin Schmauder et al.

Dr. rer.nat. Hanna Zieschang et al.

Technische Universität Dresden

Berufsgenossenschaftliches Institut Arbeit und Gesundheit www.hvbg.de/d/bgag/

www.tu-dresden.de/mw/iaw/

Stellteile in Erdbaumaschinen sind eine wichtige Schnittstelle der Mensch - Maschine Interaktion. Aktuelle Multifunktionssteuerungen mit Joysticks bieten gute Voraussetzungen für die Gestaltung attraktiver, nutzergerechter Bedienstände bei integrativer Anordnung von Maschinenfunktionen. Hierbei müssen jedoch die menschlichen Leistungsvoraussetzungen beachtet werden. Zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit ist die Frage zu beantworten, wie viele Zusatzfunktionen auf den Multifunktionsstellteilen von Erdbaumaschinen angeordnet werden können und wie diese gestaltet sein sollten. In diesem Beitrag werden Ergebnisse von Feldstudien vorgestellt, die in einem Projekt des Berufsgenossenschaftlichen Institutes Arbeit und Gesundheit

(BGAG)

in

Dresden

unter

Beteiligung

der

TU

Dresden,

der

Tiefbau-

Berufsgenossenschaft (TBG) und von Erdbaumaschinen-Herstellern erarbeitet worden sind. Es werden Schlussfolgerungen für die zukünftige Gestaltung von normativen Regelungen zu Multifunktionsstellteilen gezogen und Empfehlungen zur Gestaltung dieser Stellteile gegeben. In Erdbaumaschinen werden Joysticksteuerungen benutzt, die oft mit mehreren Zusatzfunktionen belegt sind. Bei solchen „Multifunktionsstellteilen“ ist die maximale, sicher bedienbare Anzahl an Zusatzfunktionen noch nicht erforscht. Die Frage nach der Bediensicherheit von Erdbaumaschinen ist jedoch von unmittelbarem Interesse sowohl für den Hersteller als auch für den Betreiber, die Berufsgenossenschaften und die Gewerbeaufsicht.

1

Einführung

Stellteile in Erdbaumaschinen sind eine wichtige Schnittstelle der Mensch -Maschine Interaktion. Neben herkömmlichen Stellteilen (wie z.B. Lenkrad, Pedale, Tasten, Stellhebel) werden hier Steuerhebel, die rechts und/oder links vom Fahrersitz angeordnet sind, zur Steuerung von Maschinenfunktionen verwendet. Unter den Grundfunktionen der Steuerhebel (Joysticks) sind die möglichen Stellteilbewegungen des Joysticks (vorn, hinten, rechts, links) zu verstehen. Die typische Belegung der Grundfunktionen mit häufig und kontinuierlich genutzten Maschinenfunktionen ist in der ISO 10968: 1995 „Erdbaumaschinen - Stellteile“ aufgezeigt. Neben diesen Grundfunktionen werden aber zunehmend Zusatzfunktionen auf den Joysticks angeordnet. Dies geschieht z.B. durch Anbringen zusätzlicher Stellteile auf dem Joystick (Taster, Wippen u.ä.) oder durch Umschalten auf eine andere Bedienebene (Belegen der Grundfunktionen mit anderen Maschinenfunktionen). Das Umschalten kann als Zusatzfunktion auf den Joystick (zusätzliches Stellteil) oder auf die Fahrerkonsole integriert werden. Im Gegensatz zu den Grundfunktionen kann die Bestückung mit Zusatzfunktionen je nach Hersteller und Sonderausrüstung stark variieren. Durch die Integration von Zusatzfunktionen wird der Joystick zum Multifunktionsstellteil (MFST) und ist im folgenden auch so benannt (Bild 1). Es hat sich als sinnvoll erwiesen, die Betätigungsausprägung einer Funktion (z.B. Ausleger heben und senken) als „Funktionseinheit“ zusammenzufassen. 1

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

Bild 1:

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Multifunktionsstellteil eines Radladers

Moderne Multifunktionsstellteile in Erdbaumaschinen bieten gute Voraussetzungen für die Gestaltung attraktiver, nutzergerechter Bedienstände. Allerdings ist anzunehmen, dass mit zunehmender Funktionsbelegung die Leistungsvoraussetzungen des Menschen stärker in Anspruch genommen werden und sich dabei das Risiko von Fehlbedienungen erhöht. Damit ist zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit die Frage zu beantworten, wie viele Zusatzfunktionen oder Zusatzfunktionseinheiten auf den Multifunktionsstellteilen von Erdbaumaschinen angeordnet werden können und wie diese zu gestalten sind. Im Zuge der Überarbeitung der ISO 10968 erörterte die Arbeitsgruppe „Multifunktionsstellteile“ des Arbeitsausschusses Erdbaumaschinen im DIN das dargelegte Problem. Zur Beantwortung wurde ein Projekt des Berufsgenossenschaftlichen Institutes Arbeit und Gesundheit in Dresden und der TiefbauBerufsgenossenschaft (TBG) unter Beteiligung des Institutes für Arbeitsingenieurwesen der TU Dresden durchgeführt. Die Ziele dieses Projektes waren: 1. Feststellen der maximal bedienbaren Anzahl von Zusatzfunktionseinheiten auf Multifunktionsstellteilen 2. Ableiten von Empfehlungen für die Normung und 3. Ableiten von Hinweisen für die Gestaltung von Multifunktionsstellteilen. In einem stufenartigen Vorgehen sind typische Baumaschinen mit unterschiedlich gestalteten Multifunktionsstellteilen untersucht worden. Es werden Ergebnisse aus Felduntersuchungen, die zum einen auf

Baustellen

und

zum

anderen

unter

definierten

Versuchsbedingungen

bei

Bauma-

schinenproduzenten stattfanden, in diesem Beitrag vorgestellt. Das Projekt wurde in enger Absprache mit verschiedenen Baumaschinenherstellern durchgeführt. Durch ihre Einbindung war gewährleistet, dass sich die Durchführung der Untersuchungen und die Aufbereitung der Ergebnisse tatsächlich an der Praxis orientierten.

2

Methodik

Ausgangspunkt für die Untersuchungen bildete eine intensive Bestandsaufnahme zur Gestaltung von Multifunktionsstellteilen (u.a. Literaturanalyse, Herstellerbefragungen, s. Bild 2). Nach der Bestandsaufnahme wurde eine Pilotuntersuchung zur Erprobung der Versuchsmethodik der eigentlichen Hauptuntersuchung durchgeführt. In der Hauptuntersuchung wurde die Tätigkeit der Baumaschinenführer mit Hilfe von Videoaufzeichnungen erfasst 2

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

­

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

auf dem Gelände von Erdbaumaschinenherstellern mit Vorführern als Testpersonen. Hierbei konnten Messungen anhand einer Art Drehbuch vorgenommen werden, wodurch die beeinflussenden Parameter relativ gezielt für die Untersuchungen variierbar waren.

­

auf Baustellen, um sehr praxisnah zu arbeiten. Dabei variieren die Einfluss-Parameter stärker und weniger definiert, man erhält aber genauere Informationen über den tatsächlichen Praxiseinsatz der Erdbaumaschinen.

Der Schwerpunkt der Studie lag bei den Untersuchungen auf Baustellen, um möglichst nah an der Praxis die reale Arbeitssituation zu erfassen. Da die Bedingungen auf den Baustellen sehr unterschiedlich und die Vielfalt der eingesetzten Maschinentypen groß waren, war von vorne herein klar und wurde bewusst in Kauf genommen, dass die Ergebnisse nur Stichproben beschreiben und nicht als Grundlage einer statistischen Auswertung dienen können. Es wird nicht der Anspruch erhoben, wissenschaftlich gesicherte Erkenntnisse zu liefern, dafür aber eine genaue Beschreibung der Praxis zu geben. An allen Untersuchungen nahmen erfahrene Maschinenführer teil.

B e s ta n d s a u fn a h m e

P ilo tu n te rsu c h u n g

H a u p tu n te rsu c h u n g - F a lls tu d ie n -

- D o k u m e n te n a n a lys e - H e rs te lle rb e fra g u n g e n - A u s w e rtu n g z u g ä n g lic h e r B e d ie n u n g s a n le itu n g e n - A n a lys e d e s R e g e l- u n d N o rm u n g s w e rk e s V o rb e re itu n g d e r H a u p tu n te rs u c h u n g (F e ld s tu d ie ) F e ld s tu d ie n z u r U n te rs u c h u n g d e r A rb e its ic h e rh e it b e i B a g g e rn u n d R a d la d e rn m it fu n k tio n e ll h o c h b e le g te n M u ltifu n k tio n s s te llte ile n

A b le itu n g v o n S ch lu s s fo lg e ru n g e n fü r d ie G e s ta ltu n g d e r B e d ie n s tä n d e v o n E rd b a u m a s c h in e n

Bild 2:

- H in w e is e fü r A n fo rd e ru n g e n a n d ie G e s ta ltu n g v o n M u ltifu n k tio n s s te llte ile n - H in w e is e fü r d ie Ü b e ra rb e itu n g d e r N o rm IS O 1 0 9 6 8

Untersuchungsbestandteile

Sowohl in die Pilot- als auch in die Hauptuntersuchung sind gegenwärtig auf dem Markt verfügbare Hydraulikbagger und Radlader mit einer möglichst großen Anzahl von Zusatzfunktionen auf den Multifunktionsstellteilen in die Untersuchung einbezogen worden. Die Pilotuntersuchung wurde an zwei Tagen auf einer repräsentativen Großbaustelle in Dresden jeweils mit einem typischen Hydraulikbagger (B1) und einem Radlader (RL1) realisiert. Beide Tätigkeiten fanden unter dem Einfluss von Störungen statt. So mussten sich die Maschinenführer z.B. dem Straßenverkehr unterordnen und Oberleitungen der Straßenbahn beachten. Während der Hauptuntersuchung wurden bei den Herstellern ein Radlader (RL2) und zwei Bagger (B2, B4) eingesetzt. Bei den Baustellenuntersuchungen kamen drei Bagger (B1, B3, B4) zum Einsatz. Die Maschinen stammten von den Firmen O&K Orenstein & Koppel AG, Liebherr Hydraulikbagger GmbH, Zeppelin Baumaschinen GmbH (deutscher Vertragshändler der Firmen Caterpillar) und ATLAS-TEREX GmbH. Die Baumaschine mit der höchsten Funktionsbelegung war der mit 8 Zusatzfunktionseinheiten ausgestattete Bagger B 2 (Bild 3, Tafel 1).

3

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

RL 2 Rechtes Mfst (2 GFE und 4 ZFE)

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

B4 Linkes Mfst (2 GFE und 2 ZFE)

Rechtes Mfst (2 GFE und 3 ZFE)

B2 Linkes Mfst (2 GFE, 3 ZFE)

Rechtes Mfst (2 GFE und 5 ZFE)

B1 Rechtes und linkes Mfst baugleich (je 2 GFE und insgesamt 1 ZFE)

B3 (2 GFE, 2 ZFE)

(2GFE, 3 ZFE)

GFE: Grundfunktionseinheit ZFE: Zusatzfunktionseinheit

Bild 3:

Funktionsbelegung bei den Erdbaumaschinen der Hauptuntersuchung

Tafel 1: Funktionsbelegung von untersuchten Erdbaumaschinen (vgl. Sommer, 2002: detaillierte Beschreibung der Art der Stellteile, Beschreibung der Zusatzfunktionseinheiten bezogen auf den untersuchten Maschinentyp) A: Zusätzliche Stellteile für Zusatzfunktionen auf dem MFST B: Zusatzfunktionseinheiten Linkes MFST

Radlader: RL1 RL2 Hydraulik - Bagger: B1 B2 B3 B4

Rechtes MFST

Anzahl der Zusatzfunktionseinheiten insgesamt

A

B

A

B

0

0

4 7

2 4

2 4

3 3 3 4

0,5 3 2 2

3 3 2 3

0,5 5 3 3

1 8 5 5

Für die Herstelleruntersuchungen ist ein einheitliches Versuchsdesign mit möglichst gleichen Versuchsbedingungen gewählt worden. Zur Gewährleistung der Praxisrelevanz wurde der Versuchsablauf gemeinsam mit den Maschinenherstellern modelliert. Es sind bewusst schwierige Versuchsabläufe gewählt worden, welche eine intensive Nutzung der Zusatzfunktionen erforderten. Als Störung fungierte ein plötzlich auftretendes Objekt im Arbeitsbereich.

4

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Mit dem Radlader ist ein obererdiger Erdwall bzw. -haufen umgelagert, das Werkzeug gewechselt (von Schaufel auf Gabelzinken) und anschließend ein mit Wasser gefüllter Behälter auf eine erhöhte, räumlich begrenzte Ablage gestellt worden (Bild 4).

Bild 4:

Genaues Ablegen des gefüllten Wasserbehälters (1000 l) auf einem ca. 3m hohem Regal mit dem Radlader

Die Baggeraufgabe bestand im Ausheben eines engen, räumlich exakt fixierten Kanals, wobei u.a. Oberleitungen der Straßenbahn simuliert wurden, die nicht zu berühren waren (Bild 5).

Bild 5:

Versuchsanordnung beim Hersteller mit einem Mobilbagger (1): simulierte Oberleitung

Natürlich repräsentieren die modellierten Versuchstätigkeiten bei den Herstelleruntersuchungen nur begrenzt reale Arbeitsanforderungen. Aus diesem Grunde sind Felduntersuchungen auf realen Baustellen mit vergleichbaren Hydraulikbaggern und dem gleichen Indikationsinventar durchgeführt worden.

5

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Als Leistungsindikatoren wurden bei allen Untersuchungen Zyklusdauern, Bedienhäufigkeiten und Bedienfehler ausgewertet. Fehler sind Abweichungen vom vorgegebenen Arbeitsablauf und falsche oder unangemessene Reaktionen auf Störungen des Arbeitsablaufes. Neben dem §

unbeabsichtigten, unangemessenen oder falschen Bedienen einer Funktion (Bedienfehler) kommen u.a.

§

das falsche Abschätzen von Abständen, Geschwindigkeiten und Bodenverhältnissen

§

das Nichtwahrnehmen von Objekten (z.B. von Leitungen im Erdreich durch Sichtverdeckung) und

§

das Nichtbeachten von Betriebsanleitungen, Regelungen, Normen und Betriebsanweisungen als Fehlerursachen

in Betracht. Zur Erfassung von Bedienfehlern ist die simultane Aufzeichnung und Auswertung der Bedienung der Maschinenfunktionen und des Arbeitsvollzuges erforderlich. Dazu erfolgte die gleichzeitige Videoaufzeichnung der Stellteile und des Arbeitsbereiches (Bild 6).

Innenkameras

Kontrollmonitor

Bild 6:

Aufzeichnungsgeräte

Außenkamera

Anordnung der Aufzeichnungstechnik (Mitsubishi) zur Erfassung des Arbeitsbereiches und der Bedienung der MFST

Bei der Auswertung hat sich gezeigt, dass es insbesondere problematisch war, schnelle und sich überlagernde Betätigungen zu erkennen und auszuwerten. Ein generelles Problem bei der Auswertung war das Erkennen von Störungen und Bedienfehlern. Deshalb erfolgte eine Begutachtung der Aufzeichnungen durch erfahrene Experten, die sowohl die Maschinen als auch die Arbeitstätigkeiten gut 6

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

kannten. Zusätzlich wurde schon während der Durchführung der Versuche der jeweilige Maschinenführer nach Fehlern und deren möglichen Ursachen befragt. Als Umgebungsparameter wurden die Lufttemperatur und die Luftfeuchte sowie der Lärmpegel aufgezeichnet. Insgesamt erfolgten 8 Untersuchungen (2 Voruntersuchungen, 3 Untersuchungen auf dem Herstellergelände und 4 Untersuchungen auf den Baustellen). Parallel sowohl zur Pilot- als auch zur Hauptuntersuchung wurden physiologische und psychologische Indikatoren zur Beschreibung der Beanspruchung der Maschinenführer erfasst. Bei den Baggerfahrern war jedoch keine abgesicherte Zunahme des biologischen Aufwandes und der empfundenen Beanspruchung festzustellen. Auch psychische Fehlbeanspruchungen waren nicht nachzuweisen. Damit ergab sich in diesen Indikationsbereichen kein Hinweis auf eine signifikante Zunahme der Beanspruchung der Maschinenführer. Deshalb wird in dieser Veröffentlichung auf die Ergebnisse zu den physiologischen und psychologischen Untersuchungen im Detail nicht eingegangen.

3

Ergebnisse

3.1

Bestandsaufnahme und Pilotuntersuchung

Gestaltungshinweise für Stellteile im allgemeinen liegen in Normen, Vorschriften und der Literatur vor, jedoch fehlen sie für Multifunktionsstellteile (MFST). Einige dieser Erkenntnisse lassen sich durchaus auf die Gestaltung von MFST übertragen (vgl. Zieschang et al., 2002). Da jedoch bei MFST in Erdbaumaschinen die Hand des Maschinenführers in der Regel am Joystick zur Bedienung der darauf integrierten Stellteile fixiert ist, ergeben sich spezielle Anforderungen, die bisher kaum untersucht wurden (Schmauder et. al., 2001). Aus den Ergebnissen der Bestandsaufnahme wurde eine Checkliste zusammen gestellt, anhand der die in den untersuchten Baumaschinen vorgefundenen MFST aus ergonomischer Sicht beurteilt wurden. Sie beinhaltet in Tabellenform §

das zu prüfende Merkmal (unter Angabe der jeweiligen Quelle)

§

die anzuwendende Prüfmethode sowie

§

eine Sollzustandsbeschreibung

und ermöglicht so dem Anwender die Erfassung und Beurteilung des jeweiligen Ist - Zustandes.

7

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

Bild 7:

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Ausschnitt aus der in der Bestandsaufnahme zusammengestellten und in den Untersuchungen verwendeten Checkliste zur Beurteilung der MFST aus ergonomischer Sicht

Zur Frage nach der maximal bedienbaren Anzahl von Zusatzfunktionseinheiten konnten keine Literaturbefunde recherchiert werden. Die gegenwärtig produzierten Erdbaumaschinen sind mit MFST ausgerüstet, die in der Regel weniger als fünf Zusatzfunktionseinheiten umfassen (Ausnahme Bagger B2, s. Tafel 1). Radlader und Bagger repräsentieren zwei unterschiedliche Typen der Funktionsbelegung von Joysticks. Radlader haben in der Regel ein Multifunktionsstellteil, welches rechts vom Fahrer angeordnet ist. Auf dem Multifunktionsstellteil sind als Grundfunktionen für den Arbeitsbetrieb die Bewegungen der Arbeitsausrüstung (Schaufel ein- und auskippen, Hubgerüst anheben und absenken) abgelegt und in der Regel die Bedienelemente für die Zusatzfunktionen konzentriert. Insbesondere werden auf diesem MFST über Zusatzfunktionen die Fahrbewegungen (vor- und rückwärts fahren) gesteuert. Über ein Zusatz-Stellteil neben dem MFST werden zusätzliche Funktionen bedient (z. B. Ver-/ Entriegeln der Schnellwechseleinrichtung). Eine wichtige Zusatzfunktion beim Radlader stellt u.a. auch die Aktivierung der Schwimmstellung dar.

8

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Beim Bagger werden beim Aufnehmen und Abladen des Arbeitsgutes beide MFST gleichzeitig benutzt. Die Zusatzfunktionen sind in Form von Tastern oder Schaltern auf beide Joysticks verteilt. Auch kommen Funktionsumschaltungen der Bedienelemente vor (z.B. bei Mobilbaggern das Ein- und Ausfahren der Abstützung). Die Zusatzfunktionen werden beim Bagger u.a. für §

die Bestimmung der Fahrtrichtung (Schalter mit drei Positionen: vorwärts, rückwärts, Neutralstellung)

§

das Drehen der Greifer nach links oder rechts

§

die kurzzeitige Erhöhung der Grabkräfte

§

Ver- und Entriegeln der Schnellwechseleinrichtung

§

die Erhöhung oder Senkung der Motordrehzahl

§

einfache Funktionen (u.a. Hupe)

verwendet. Für sicherheitsrelevante Funktionen (z. B. Schnellwechseleinrichtung Ver- und Entriegeln) sind die Zusatzfunktionen mit einem optischen oder akustischen Signal gekoppelt. Die Arbeitsaufgabe beim Baggern führt in der Regel zu sich wiederholenden Arbeitszyklen. Die Zyklusanzahl pro Zeiteinheit ist ein Maß für die erbrachte Arbeitsleistung. Dieser Indikator hat eine hohe Variabilität, die durch eine Vielzahl von Einflussfaktoren (u.a. kurzfristig wechselnde Arbeitsbedingungen, Art des Materialtransports, äußere Störungen, individuelle Einflüsse) verursacht wird. Dadurch ist ihre Auswertung als Leistungsindikator bei den Feldversuchen nur bedingt möglich. Die Baggerzyklen bestehen aus dem §

eigentlichen Baggern (z.B. Graben)

§

Ausheben des Baggergutes, Schwenken in den Abladebereich mit der Positionierung des Baggerlöffels am Abladeort und dem

§

Abladen des Baggergutes.

Beim Lader gibt es nur wenige zyklische Arbeitsabläufe. Nach Erfahrungen der TBG treten typische zyklische Arbeitsabläufe u.a. beim Aufnehmen des Materials mit der Schaufel und dem anschließenden Verladen auf den LKW oder auf die Halde (Y-Betrieb) und beim Materialtransport auf.

3.2

Pilot- und Hauptuntersuchung

3.2.1 Leistungsindikatoren Zyklusdauer Insbesondere bei den Herstellerversuchen zeigte sich, dass auch ein geübter Maschinenführer eine Einarbeitungsphase benötigt (Bild 8). Sie ist u.a. beim Maschinen- und Werkzeugwechsel von Bedeutung und ein Argument für eine Normierung der Bedienfunktionen, um die erforderliche Umstellungsund Einarbeitungsphase des Beschäftigten zu verkürzen. Fehler konnten in diesem Zeitraum nicht nachgewiesen werden.

9

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

120 in %

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Relative Zyklusdauer

100 BAGGER 80 RADLADER 60

40

5

1

Bild 8:

10 Arbeitszyklen

15

20

Relative Zyklusdauer zu Beginn des Versuches beim Radlader RL2 und Bagger B4 (1. Wert = 100%, entspricht beim Radlader: 24 Minuten (relativ lange Transportfahrt bis zur Entladestelle), beim Bagger: 2,3 Minuten)

Die Auswertung sowohl der Pilotstudie als auch der Hauptuntersuchung ergab Zyklusdauern ab 14 Sekunden. Entsprechend der relativ komplizierten Arbeitsaufgabe war die Zyklusdauer in der Hauptuntersuchung größer als in der Pilotuntersuchung. Sie betrug hier bei eingearbeiteten Maschinenführern bis ca. 2 Minuten. Diese große Spannweite ist auch u.a. durch die unmittelbare Abhängigkeit der Zyklusdauer von den wechselnden Arbeitsbedingungen begründet.

Bedienhäufigkeiten Es ist anzunehmen, dass die Häufigkeit von Bedienfehlern mit der Nutzungshäufigkeit von Bedienfunktionen auch beim geübten Beschäftigten zunimmt. In diesem Zusammenhang ist allerdings zu beachten, dass bei selten benutzten Funktionen, u.a. infolge eines Mangels an Übung, die Zuverlässigkeit der Arbeitsleistung abnehmen kann. Entsprechend ihrer Definition kann weiterhin angenommen werden, dass prinzipiell die Grundfunktionen häufiger als die Zusatzfunktionen betätigt werden. Natürlich hängt die Betätigung der Zusatzfunktionseinheiten von der Arbeitsaufgabe, den Einsatzbedingungen und dem betätigten Arbeitswerkzeug ab. Relativ häufig wird u.a. die Zusatzfunktion „Greifer öffnen/schließen“ in Anspruch genommen (Bild 9). Die Grundfunktionen auf dem Multifunktionsstellteil wurden bei den untersuchten Baggern mehr als 30mal in der Minute betätigt. Beim Bagger lag die Spannweite der Betätigung aller Zusatzfunktionen im Bereich von 3 bis 11 Betätigungen in der Minute. Die Betätigung der Zusatzfunktionselemente des Laders erfolgte 1- bis 9-mal in der Minute. Somit hat sich bestätigt, dass die Zusatzfunktionen der Multifunktionsstellteile in der Regel wesentlich weniger als die Grundfunktionen genutzt worden sind, wobei beim Bagger eine höhere Betätigung als beim Radlader vorlag. Bild 9 zeigt die Bedienhäufigkeiten der Grundfunktionen (dünne Linien) im Vergleich zu denen der Zusatzfunktionen (starke Linien) beim Versuch mit dem Bagger auf einem Herstellergelände.

10

Bedienhäufigkeit pro Minute

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

40

a

30

b c d

20

e f g

10 0

0

Bild 9:

20

40

60 Zyklus 80

Grundfunktionen: Stiel ein-/ ausfahren (a) Ausleger heben, senken (b) Greifer drehen (c) Oberwagen dehen (d) Zusatzfunktionen: Greifer öffnen, schließen ( e) Umschalten Schild ( f) Schild heben, senken ( g)

Bedienhäufigkeiten von Grund- und Zusatzfunktionen beim Bagger

Bedienfehler Ausgehend von der Bestandsaufnahme und der geringen Bedienhäufigkeit der Zusatzfunktionen wurde von der Hypothese ausgegangen, dass bei den derzeit verwendeten Multifunktionsstellteilen und bei normal belastenden Arbeitsaufgaben kaum Bedienfehler auftreten werden. Das hat sich sowohl bei der Pilotuntersuchung als auch bei den Feldstudien bestätigt. Es konnte nur ein Bedienfehler während der Untersuchungen beim Hersteller identifiziert werden. Während eines Zyklusses hatte der Maschinenführer vergessen, vom Ausleger-Schwenklager auf den Löffel umzuschalten. Dies hatte zur Folge, dass das Ausleger - Schwenklager ein Stück nach rechts geschwenkt wurde, anstatt dass der Löffel abkippte. Der Bagger, mit dem in diesem Fall gearbeitet wurde, besaß im Unterschied zu allen anderen untersuchten Erdbaumaschinen, die insgesamt nicht mehr als fünf Zusatzfunktionseinheiten aufweisen, 8 Zusatzfunktionseinheiten (von denen 7 regelmäßig genutzt wurden). Dies könnte ein erster Hinweis bezüglich einer Höchstzahl von Zusatzfunktionseinheiten auf Multifunktionsstellteilen sein. Alle anderen identifizierten Fehler resultieren aus Umgebungsfaktoren, u.a. aus Fehleinschätzungen von Abständen der Erdbaumaschine zu Hindernissen. Diese Fehlerarten stehen nicht im Zusammenhang mit der zu untersuchenden Problematik. Auch auf plötzliche Störungen im Arbeitsbereich (z.B. durch andere Baustellen – Fahrzeuge) reagierten die Maschinenführer unverzüglich und fehlerfrei.

3.2.2 Störvariablen Die als Störvariablen aufgenommenen Umweltbelastungen Klima (Lufttemperatur und Luftfeuchte) und Lärm lagen im normativ zulässigen Bereich, womit eine umweltbedingte Beeinflussung der Zuverlässigkeit der Arbeitstätigkeit weitgehend auszuschließen ist.

3.3

Gestaltungsempfehlungen für Multifunktionsstellteile in Erdbaumaschinen

Funktionell zusammengehörige Zusatzfunktionen sind prinzipiell bei Beachtung der Bedienhäufigkeit auch räumlich zusammengehörig zu gruppieren. Das ist besonders wichtig für häufig genutzte Zusatzfunktionen. In diesem Zusammenhang ist auf die Beanspruchung des Baggerfahrers (u.a. der Beanspruchung der Finger) hinzuweisen, die u.U. ansteigt. So haben die Baggerfahrer einer Firma bei der

11

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

relativ häufig benutzten Funktion „Greifer drehen“ infolge der Gruppierung eine höhere Beanspruchung des rechten Daumens bemängelt. Die Hup - Funktion muss bei besonderen Gefährdungen schnell zur Verfügung stehen. Sie sollte deshalb generell auf dem Multifunktionsstellteil angebracht werden. Spezielle Hinweise für die Gestaltung der Maschinen konnten aus der Befragung der Maschinenführer bei den Versuchen abgeleitet werden. So sollte beim Bagger ein Umschalten der Grundfunktion (z.B. Ausleger heben/senken) in eine andere Ebene zur Steuerung einer Zusatzfunktion (z.B. Schild heben/senken) zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit möglichst unterbunden werden. Um eine eindeutige Bedienung der Maschine bzw. ein Verwechseln der Zusatzfunktionen zu vermeiden, ist es u.U. bei Gewährleistung einer sinnfälligen und beanspruchungsoptimalen Bedienung günstig, Zusatzfunktionen von dem Multifunktionsstellteil auf die Steuerkonsole zu verlagern. Das betrifft insbesondere Funktionen, die nicht permanent im Arbeitsspiel benötigt werden und bei denen keine Nutzung der Joysticks erfolgt. So wird zum Beispiel ein zusätzlicher Joystick in der Bedienkonsole rechts neben dem Maschinenführer für die Funktionen „Schild heben/senken“, „Schwenklager schwenken“ als sinnvoll eingeschätzt. Damit werden u.a. Fehlbedienungen durch Verwechslung der Stellteile erschwert. Die Projektierung der Funktionsverteilung im Bedienbereich stellt eine generelle Aufgabenstellung bei der Bedienstandgestaltung dar. Sie bezieht sich u.a. auf die Verteilung der Funktionen zwischen Multifunktionsstellteil, seitlichen Bedienflächen und speziellen Bedienkonsolen. So sollte die Zusatzfunktionseinheit für „Greifer drehen“ bzw. „Böschungslöffel neigen“ im Daumenbereich eines Multifunktionsstellteiles angeordnet werden, da man sie relativ häufig benötigt. Üblicherweise wird hier der linke Joystick gewählt. Beim Radlader kommt in der Regel nur ein Multifunktionsstellteil zum Einsatz, welches aber relativ hoch mit Zusatzfunktionen belegt ist. Hier gelten generell gleiche grundsätzliche Gestaltungsanforderungen wie beim Bagger. Bei den durchgeführten Untersuchungen gab es Hinweise auf die Gestaltung der Fahrtrichtungsvorwahl. Es ist eingeschätzt worden, dass die Funktion im Daumenbereich durch zwei nebeneinander liegende Taster realisiert werden sollte (häufiges Benutzen). Die Anordnung der Taster ist ebenfalls festzulegen. Ergänzend zu dieser Forderung kann empfohlen werden, die Taster mit Pfeilen, welche in die vorgewählte Fahrtrichtung zeigen, zu kennzeichnen oder alternativ den Taster für die Vorwahl „vorwärts fahren“ erhöht bezüglich des Tasters zur Vorwahl „rückwärts fahren“ anzuordnen. Bei diesen Gestaltungsempfehlungen handelt es sich noch nicht um gesicherte arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse. Dazu sind weitere absichernde Untersuchungen (siehe Zusammenfassung) notwendig. Diese Studie zielte auf die Beschreibung der Arbeitssituation vor Ort und die Erarbeitung praktischer Hinweise für diese Tätigkeit bzw. die Erarbeitung von Gestaltungshinweisen für Hersteller und Normer von MFST und Erdbaumaschinen. Die Checkliste zur Beurteilung der MFST aus ergonomischer Sicht dient hierzu als praktisches Hilfsmittel. Sie wird im Endbericht des BGAG zum hier beschriebenen Projekt enthalten sein.

12

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

3.4

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Schlussfolgerungen für die zukünftige Gestaltung von normativen Regelungen zu Multifunktionsstellteilen in Erdbaumaschinen

Normative Regelungen zur §

ergonomisch – arbeitswissenschaftlichen Gestaltung der funktionellen Integration der Joysticks in die Bedienung der Maschine („Benutzer – Aufgaben-Beziehung“ nach DIN EN 894, Interaktionsbeziehung „Mensch – Maschine“)

§

Anordnung der Stellteile im Bedienstand

§

funktionellen Ausstattung der Multifunktionsstellteile

§

ergonomischen Gestaltung der Stellteile (u.a. Griffigkeit, Bedienkräfte, Wahrnehmbarkeit, Farbgestaltung, ...)

sind die Plattform, um eine vereinheitlichte gestalterische Qualität zu gewährleisten. Ansonsten ist nicht garantiert, dass die Arbeitssicherheit eingehalten wird und es besteht bei den leistungsfähigen Erdbaumaschinen ein erhebliches Risikopotential im Arbeitsbereich bzw. in der Regel auch im angrenzenden öffentlichen Bereich. In der derzeit vorliegenden Fassung der ISO 10968 (1999-11-15) werden arbeitswissenschaftliche bzw. ergonomische Anforderungen in drei Abschnitten aufgeführt („control location“, „movement of controls“ und „operating and resistance force“). Es sind im wesentlichen relativ knapp gehaltene Empfehlungen zur Gestaltung der §

Entfernung zwischen den Stellteilen, zwischen den Stellteilen und dem Maschinenführer bzw. anderen Maschinenteilen

§

sicheren Anordnung der Stellteile (so dass sie nicht durch Krafteinwirkung zerstört oder bewegt werden können)

§

Kennzeichnung der Stellteile

§

akustischen und visuellen Signale

§

maximalen Betätigungskräfte

§

Oberflächen der Stellteile

§

Betätigungsrichtung der Stellteile

enthalten, die in weiteren Normen untersetzt werden. Insbesondere von der Tiefbau-Berufsgenossenschaft und den Betreibern, aber auch von den Herstellern der Arbeitsmaschinen wird eine vereinheitlichte Gestaltung der Grundfunktionen gefordert, um Sicherheitsprobleme zu vermeiden. Sicherheitsrisiken liegen beispielsweise vor, wenn der Maschinenführer die Arbeitsmaschine wechselt, auf der er sich eingearbeitet hat. Auch unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass selbst der geübte Maschinenführer beim Gerätewechsel eine Einarbeitungszeit benötigt. Es wird vorgeschlagen, Grundfunktionen im Interesse einer risikoarmen

Mensch – Maschine-

Schnittstelle in der Norm für die einzelnen Maschinenkategorien normativ festzulegen. Im Prinzip wird dieser Ansatz schon bei der gegenwärtigen Norm mit dem informativen Anhang C realisiert. Dieser Weg sollte weiter verfolgt werden. In der nächsten Stufe wäre der informative Charakter des Anhangs C in einen normativen Anhang zu qualifizieren. Zur Gewährleistung der Arbeitssicherheit ist auch hier eine vereinheitlichte Anordnung und Gestaltung

häufig genutzter

Zusatzfunktionen anzustreben.

13

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Dazu sind typische, häufig genutzte Zusatzfunktionen in Abhängigkeit von Maschinentypen herauszuarbeiten. Eine grundsätzliche Empfehlung über die maximale Anzahl von Zusatzfunktionen je Multifunktionsstellteil kann nicht gegeben werden, da diesbezüglich keine ausreichenden Erkenntnisse vorliegen. Im Entwurf zur Überarbeitung der ISO 10968 wird empfohlen, dass jeder Joystick mit maximal vier Zusatzfunktionseinheiten belegt werden kann. In unseren Untersuchungen mit Baggern und Radladern unter Einbeziehung von Multifunktionsstellteilen, die mit bis zu fünf Zusatzfunktionseinheiten belegt waren, wurden keine Beeinträchtigungen der Arbeitssicherheit (mit Ausnahme eines Bedienfehlers) und Fehlbeanspruchungen festgestellt. Wir können uns deshalb vorstellen, mehr als drei Zusatzfunktionseinheiten auf jedem MFST zuzulassen. Dies muss jedoch mit weiteren Untersuchungen abgesichert werden. Ein standardisiertes Verfahren für die ergonomische Prüfung von Joysticksteuerungen könnte sowohl Betreiber als auch Anwender unterstützen. Dazu wurde die weiter oben beschriebene Checkliste zur Aufdeckung von Gestaltungsmängeln bei MFST erarbeitet. Es erscheint sinnvoll, dass diese Checkliste in Form eines informativen Anhangs Eingang in die Norm ISO 10968 findet.

4

Zusammenfassung

Es war bei den untersuchten, derzeit produzierten Baggern und Ladern mit einer relativ hohen Belegung der Multifunktionsstellteile mit Zusatzfunktionen keine Beeinträchtigung der Bediensicherheit festzustellen. Damit ist noch nicht die Frage beantwortet worden, welche maximale Anzahl von Zusatzfunktionen auf den Joysticks angeordnet werden können. Die Bearbeitung dieser Aufgabenstellung bedingt die systematische Variation der Funktionsbelegung der Stellteile bis zur Leistungsgrenze der Probanden. Diese Aufgabenstellung ist mit den derzeit produzierten Arbeitsmaschinen nicht zu bearbeiten. Es werden laborexperimentelle Simulationen erforderlich, um so eine leistungsfähige und sichere Indikation vornehmen zu können. Bei Simulationsexperimenten können darüber hinaus ungeübte Probanden eingesetzt werden, um risikobehaftete Einarbeitungsprozesse bzw. Umorientierungen beim Wechsel von Ausrüstungen zu untersuchen. Weiterhin können künftige Entwicklungen simuliert werden. Hierzu werden an der TU Dresden Versuchsreihen mit interdiziplinärer Beteiligung der Baumaschinentechnik und Psychologie bei Einbeziehung eines bereits vorhandenen interaktiven Baumaschinensimulators vorbereitet.

Danksagung Unser Dank gilt allen Projektbeteiligten. Erst die aktive Unterstützung aller Projektpartner hat diese Untersuchung ermöglicht. Bei der Konzipierung, Realisierung und Auswertung der Versuche haben das Berufsgenossenschaftliche Institut für Arbeit und Gesundheit in Dresden und die Tiefbau - Berufsgenossenschaft personelle und materielle Unterstützung geleistet. Besonderer Dank gebührt aber den Maschinenherstellern, welche Baumaschinen, ihr Versuchsgelände sowie Maschinenführer für die Untersuchung zur Verfügung gestellt haben. Die Firma Mitsubishi Electric Europe, hat uns bei der Zusammenstellung einer speziell für diese Untersuchungen geeigneten Videoausrüstung konstruktiv unterstützt.

14

Schmauderer, M. et.al.: Funktionelle Auslegung von Joystick-Steuerungen in Erdbaumaschinen

W ISSENSPORTAL baumaschine.de 1(2004)

Quellen: [1] Schmauder, Martin; Prescher, Wilfried; Paritschkow, Silke: Zwischenbericht zum Projekt „Anforderungen an Multifunktionsstellteile“, Dresden, unveröffentlicht, 2001 [2] Schmauder, Martin; Prescher, Wilfried; Paritschkow, Silke: Abschlussdokumentation zum arbeitswissenschaftlichen Teil des Forschungsvorhabens „Anforderungen an Multifunktionsstellteile“, Dresden, unveröffentlicht, 2002 [3] Sommer,Theo: Ermittlung und Bewertung der Bedientätigkeit von geübten Maschinenführern von Erdbaumaschinen in Abhängigkeit der Nutzung von charakteristischen Multifunktionsstellteilen (Mfst), Großer Beleg, Institut für Arbeitsingenieurwesen, Fakultät Maschinenwesen, TU Dresden, unveröffentlicht, 2002 [4] Zieschang, Hanna; Müller-Gethmann, Hiltraut; Schmauder, Martin; Reinert, Dietmar; Schmidt, Werner: Anforderungen an Mutifunktions-Stellteile, Die BG, 03/02,114 - 117,2002 [5] ISO 10968 : 1995, Erdbaumaschinen – Stellteile; Herausgeber: International Organization for Standardization, Schweiz [6] ISO/DIS 10968 : 2002, Erdbaumaschinen - Stellteile (Überarbeitung von ISO 10968:1995); Herausgeber: International Organization for Standardization, Schweiz

Autoren: Herr Prof. Dr.-Ing. Martin Schmauder Dr. rer. nat. Wilfried Prescher Dipl.-Ing. Silke Paritschkow

Dr. rer. nat. Hanna Zieschang Dr. rer. soc. Hiltraut Müller-Gethmann

Technische Universität Dresden Institut für Arbeitsingenieurwesen

Berufsgenossenschaftliches Institut Arbeit und Gesundheit Königsbrücker Landstr. 2, D - 01109 Dresden

(Post) D - 01062 Dresden (Besucher) Dürerstraße 26, D - 01307 Dresden 1. Etage, Raum 170 Tel.: Fax:

+49 (0) 351/463-33327 +49 (0) 351/463-37283

e-mail: [email protected] Internet: www.tu-dresden.de/mw/iaw/

Tel.:

+49 (0) 351/457-1000

Internet: www.hvbg.de/d/bgag/

15

Suggest Documents