Untersuchungen über die Abhängigkeit der Bewegungsgenauigkeit im Raum von der Körperstellung

77 Pages·1961·3.052 MB·German

by  Dr. rer. nat. Heinz Schmidtke (auth.)

FORSCHUNGSBERICHTE
DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN
Herausgegeben durch dos Kultusministerium
Nr. 941
Or. rere nat. Heinz Schmidtke
Max-Planck-Institut fur Arbeitsphysiologie Dortmund
Untersuchungen Ober die Abhăngigkeit
der Bewegungsgenauigkeit im Raum von der Korperstellung
Ais Manuskript gedru<:kt
Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH
1961
ISBN 978-3-663-03833-7 ISBN 978-3-663-05022-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-663-05022-3
G 1 i e d e r u n g
. . . .
1 • Einleitung · · · · · · · · · · · · s. 5
2. Literaturübersicht · · · · s. 6
3. Experimentelle Untersuchungen zur menschlichen
Motorik · · · · · · · · · · · · · · · · · s. 8
3.1 Die Abhängigkeit der Bewegungsgenauigkeit
von der Bewegungsgeschwindigkeit · · · · · · · · · s. 9
3.11 Methodik · · · · · · · · · · · · · · · s. 10
3.12 Versuchsergebnisse · · · · s. 12
3.13 Zusammenfassung · · · · · · · · · s. 27
3.2 Der Einfluß der Zielgröße und der Bewegungs-
weite auf die Bewegungsgeschwindigkeit · s. 27
3.21 Methodik · · · · · · · · · · · · · · · s. 28
3.22 Versuchsergebnisse · · · · · · · · s. 29
3.23 Zusammenfassung · · · · · · s. 33
3.3 Der Einfluß der relativen Raumbeziehung zwischen
Körper und Ziel auf die Bewegungsgenauigkeit · s. 34
3·31 Methodik · · · · · • · • · · • · · · · · · · · • s. 35
3.32 Versuchsergebnisse · · · · · · · · · · s. 41
Versuchsreihe 1 · · · · · · · · · s. 41
Versuchsreihe 2 · · · · · · · · · · · s. 44
Versuchsreihe 3 · · · · · · · · s. 46
•
Versuchsreihe 4 · s. 50
Versuchsreihe 5 · · · · · · · · · · · s. 56
3.33 Zusammenfassung und Diskussion · · · · · · · s. 58
4· Zusammenfassung der Ergebnisse des Untersuchungs-
. . . .
projektes · · · · · · · · s . 66
5. Literaturverzeichnis · · · · · · · · s. 71
•
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1. Einleitung und Problemstellung
Die Bemühungen um eine den menschlichen Bedürfnissen optimal entspre
chende Gestaltung von Arbeitsplätzen werden, soweit es die räumlichen
Verhältnisse zwischen Mensch und Arbeitsplatz betrifft, vielfach da
durch beeinträchtigt, daß einerseits in Deutschland keine repräsenta
tiven Unterlagen über die Verteilung der Körpermaße in bezug auf die
verschiedenen Bevölkerungs- oder Berufsgruppen vorliegen, wie wir sie
z.B. aus den USA kennen, z.B. [49, 54, 47, 30, 31, 10], und andererseits
bisher nur sehr wenige systematische Untersuchungen über den Einfluß
räumlicher Bedingungsfaktoren auf die motorische Koordination durchge
führt wurden. Ziel der hier darzustellenden Versuche war es, die aus
der räumlichen Konstellation resultierenden Einflußgrößen auf die mensch
liche Motorik näher zu analysieren und damit einen Beitrag zu den wis
senschaftlichen Grundlagen der Arbeitsgestaltung zu liefern.
Die vorliegende Untersuchung stellt einen Versuch dar, durch systema
tisches isolierendes Variieren einer Anzahl "äußerer" und "innerer"
Bedingungsfaktoren den Vorgang der Bewegungskoordination im Raum als
Funktion der Bewegungsvariablen aufzuklären. Ein derartiges Vorgehen
beinhaltet die Notwendigkeit, eine ganze Reihe von Kombinationen von
Variablen auf ihren spezifischen Einfluß auf das motorische Geschehen
zu überprüfen. Nur aus dem Vergleich der auf solchem Wege gewonnenen
Resultate können Schlüsse auf die Abhängigkeit der Bewegungskoordination
von den Variablen gezogen weTden. Als äußere Bedingungsvariablen müssen
berücksichtigt werden die relative Raumbeziehung zwischen definierten
Körperpunkten und einem oder mehreren fixen Punkten der Umgebung,und
zwar im Hinblick auf die vertikale (z.B. Arbeitsplatzhöhe) und horizon
tale (z.B. Arbeitsabstand) Ebene des Greifraumes der oberen Extremitä
ten. Weiterhin spielt der Faktor der Bewegungsrichtung relativ zu einer
definierten Körperebene eine wichtige Rolle. Schließlich gehört - wenig
stens indirekt - in diese Faktorenkategorie auch die Stellungs- bzw.
Haltungsvariable, bei der zwischen stehender und sitzender Arbeitsweise
zu unterscheiden ist. Neben den bisher genannten treten als innere
Bedingungsvariablen die Versuchspersonen, die untereinander zu verglei
chen sind, und schließlich zur Absicherung gegen Zufallseinwirkungen
die Versuchswiederholung innerhalb jeder Kombinationsstufe.
Aufbauend auf eine derartige Versuchsplanung kann man erwarten, daß die
Versuchsergebnisse in einem Allgemeinheitsgrad interpretierbar werden,
der eine Übertragung auf die unübersehbar vielfältigen praktischen
Sei te 5
Arbeitssituationen mit motorischen Koordinationsaufgaben gestattet. Hin
sichtlich der Art der in einem solchen Experiment durchzuführenden Bewe
gungsversuche bieten sich mehrere Methoden an. Es könnte z.B. ein dem
Kurventremometer ähnliches Gerät in den verschiedensten Raumkoordinaten
montiert werden. Damit ließe sich prüfen, in welchem Umfange die Sicher
heit der Bewegungsführung von den Bedingungsvariablen abhängt. Ein an
derer Zugang zu der hier angeschnittenen Fragestellung besteht in der
Durchführung von Zielbewegungen von einem Ausgangs- zu einem Zielpunkt,
wobei eine Zielmarke zu treffen ist. Während bei der Anwendung der er
steren Methode Informationen über Fehlerzahl und Fehlerzeit je Aufgabe
anfallen, können bei der zweiten Methode Aussagen über die durchschnitt
liche Fehlergröße je Bewegung gemacht werden. Der Umstand, daß bei der
zweiten Methode der Zeitfaktor besser unter Kontrolle gehalten werden
kann, gab den Ausschlag für deren Anwendung in diesen Experimenten.
Neben den mehr praktisch orientierten Fragen nach den günstigsten rela
tiven räumlichen Verhältnissen zwischen Körper und Arbeitsplatz kann aus
einem solchen Versuch gegebenenfalls auch darüber etwas ausgesagt werden,
ob und in welchem Maße die Funktionen des koordinatorischen Apparates
an bestimmte Raumlagen des Körpers gebunden sind. Bei einer stärkeren
Modifikation in der räumlichen Einbettung des Menschen treten Verschie
bungen oder gar Umkehrungen in den Funktionsaufgaben der antagonistischen
Muskelgruppen ein, die mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht ohne Auswir
kung auf die Bewegungspräzision bleiben. Der Grad solcher Auswirkungen
kann u.U. aus den Zielversuchen abgeleitet werden. Eine stärkere Beein
flussung der gewohnten räumlichen Lage des Menschen tritt besonders
dann auf, wenn der Arbeitsvorgang eine stärkere und unphysiologische
Zwangshaltung notwendig macht. Es wird daher einer der Aspekte dieser
Versuche sein müssen, gerade dem Einfluß der Zwangshaltung auf das mo
torische Geschehen Aufmerksamkeit zuzuwenden.
2. Literaturübersicht
Die zu unserer Fragestellung vorliegenden Untersuchungen sind sehr zahl
reich, aber in der Regel dadurch eingeengt, daß nur wenige Bedingungen
variiert wurden. So hat z.B. LOSSAGK [26J in einer ausführlichen Griff
feld-Studie den Einfluß des Richtungswinkels und der Arbeitshöhe auf
die Griffzeit untersucht und zum Ausdruck gebracht, daß die Arbeitshöhe
für die Frage der Griffzeit relativ bedeutungslos ist, wenn er darauf
hinweist, daß sich mit wachsender Tischhöhe der Ermüdungseinfluß umso
6
S~ite
stärker auswirkt. Sehr viel deutlichere Unterschiede in der Griffzeit
ergaben sich dagegen bei-der Variation der radialen Greifentfernungen,
wo LOSSAGK ähnlich wie später STIER [46J besonders die Abhängigkeit vom
Richtungswinkel prüfte und auf diesem Wege fand, daß im allgemeinen die
vorwiegend durch die Brust- und Schulter-Muskulatur bewirkten Bewegun
gen (oberarmbetont) bei sonst gleichen Höhen- und Abstandsverhältnissen
langsamer ausgeführt werden als solche Bewegungen, bei denen im wesent
lichen die Oberarmmuskulatur (unterarmbetont) beansprucht ist.
Dieses letztere Problem wurde kürzlich nochmals von STIER [46J aufge
griffen, und zwar nicht nur im Hinblick auf den Zeitbedarf, sondern
gleichzeitig unter Messung des Energieverbrauches je Bewegung. So konnte
STIER optimale Bewegungsrichtungen bestimmen, wobei das Optimum sowohl
zeitlich als auch energetisch abgesichert war. Im großen und ganzen hat
STIER aber die Resultate von LOSSAGK für die horizontale Ebene bestätigt,
in der er seine Messungen durchgeführt hat. Allerdings ist in beiden
Untersuchungen der Genauigkeitsaspekt von Armbewegungen nicht zum Tra
gen gekommen.
Demgegenüber wurde die Untersuchung von KOELLA und BARANDUN [22J unter
dem Aspekt der Präzisionsleistung von Armbewegungen durchgeführt, wobei
diese Autoren in ihren Bewegungsversuchen mit optischer Kontrolle ein
Tremometer als Zielobjekt verwendeten. Sie prüften die Bewegungsgenauig
keit im Stehen bei Armbewegungen von oben nach unten (Spalt vertikal),
bei Armbewegungen über dem Kopf von hinten nach vorn (Spalt horizontal)
und im Liegen (RüCkenlage) bei Armbewegungen von hinten nach vorn (Spalt
horizontal). Sie konnten dabei den Nachweis führen, daß die relative
Raumbeziehung zwischen dem Körper der Vp. und dem Zielobjekt einen we
sentlichen Einfluß auf die Präzision der Bewegungsführung hat. Die größ
te Unsicherheit der motorischen Koordination erwies sich für solche Ko
ordinatenrichtungen, die parallel zur Kopflängsachse verlaufen (über
Kopf-Arbeiten). Da sich die Untersuchung von KOELLA und BARANDUN ins
gesamt aber nur auf drei räumliche Koordinatenpunkte erstreckten, geben
sie keine Auskünfte über optimale Höhen- und Abstandsverhältnisse.
Die gleiche Begrenzung auf nur wenige Raumkoordinaten kennzeichnet die
Untersuchung von HERBERT [18], der im Prinzip lediglich den LOSSAGKschen
Befund bestätigt, daß Bewegungen in der vertikalen Ebene gegenüber ver
gleichbaren in der Horizontalen schneller ausführbar sind. Im übrigen
ergeben sich aus dieser Arbeit für unsere Fragestellungen keine Hin
weise.
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Eine mit der von uns durchgeführten Untersuchung am ehesten vergleichba
re stammt von FITTS [13], der die Genauigkeit freier Zielbewegungen in
den verschiedensten Raumkoordinaten prüfte. Allerdings können seine Be
funde nicht in unserem Sinne interpretiert werden, da es ihm darauf an
kam, die Zielgenauigkeit ohne visuelle Kontrolle, d.h. bei geschlossenen
Augen zu testen. In den umfangreichen Studien von SLATER.-~L [42, 44,
43], BROWN [6, 5, 1] und CHAPANIS [9, 8J, in denen sowohl geführte als
auch freie Zielbewegungen untersucht wurden, blieben in der Regel die
räumlichen Versuchsvariablen ungeprüft und - wie später zu erwähnen sein
wird - der Geschwindigkeitsfaktor unkontrolliert oder doch als Außen
kriterium ohne Einfluß auf den Versuchsablauf. Daher sind auch diese um
fangreichen Forschungsarbeiten für das hier angeschnittene Problem nicht
relevant. Das gleiche gilt für die Untersuchungen von BARNES und Mitar
beitern [3, 4, 2], die sich im wesentlichen auf Fragen der mittleren
Geschwindigkeit von Arm- und Handbewegungen über kurze Bewegungsstrecken
und des Symmetrie- und Rhythmuseinflusses beschränken.
Faßt man die erwähnten Untersuchungsberichte zusammen, so ergeben sich
daraus eine Anzahl qualifizierter Hinweise über das Verhältnis von Be
wegungsgeschwindigkeit zu Bewegungsrichtung und über die Zeitverhältnis
se der Bewegung relativ zu einigen Raumkoordinaten. Der Aspekt der Be
wegungsgenauigkeit bei visuell kontrollierten Zielbewegungen ist dem
gegenüber bei fast allen Versuchen so weit in den Hintergrund getreten,
daß unsere Versuchsreihen sachlich notwendig und gerechtfertigt er
scheinen.
3. Experimentelle Untersuchungen zur menschlichen Motorik
Aus der Diskussion der im Abschnitt 2 aufgeführten Arbeiten geht hervor,
daß eine Reihe verschiedener Einflußgrößen auf die Bewegungsgenauigkeit
bereits Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen war. Das gilt im
besonderen Maße für die Frage der Richtungsgenauigkeit von Ziel- oder
Greifbewegungen im Raum ohne visuelle Kontrolle. Für unsere spezielle
Fragestellung nach der Abhängigkeit der Bewegungsgenauigkeit im Raum
von der KörpersteIlung können jedoch aus jenen Untersuchungen keine be
merkenswerten Resultate abgeleitet werden.
In der Phase der Vorversuche zu unseren Hauptversuchsreihen mußten wir
feststellen, daß die Bewegungsgenauigkeit ballistischer Zielbewegungen
neben den aus der relativen Raumbeziehung zwischen Körper und Zielobjekt
resultierenden Einflußgrößen noch von mindestens zwei wichtigen Basis-
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faktoren abhängig ist, nämlich von der Bewegungsgeschwindigkeit und der
Zielgröße. Bevor daher die Hauptversuche durchgeführt werden konnten,
war es unumgänglich, diese beiden Faktoren zu analysieren und die Art
und das Ausmaß ihrer Einflüsse auf die Bewegungsgenauigkeit zu bestim
men. Analog zu unserem Untersuchungsprogramm werden wir daher in den
folgenden Ausführungen zunächst unsere Untersuchungsergebnisse bezüg-
lich des Einflusses der Bewegungsgeschwindigkeit auf die Bewegungsgenauig
keit und des Abhängigkeitsverhältnisses zwischen Bewegungsgeschwindig
keit und Zielgröße berichten. Aufbauend auf die in diesen beiden Ver
suchsreihen gefundenen Sachverhalte sollen sodann die Ergebnisse der
Hauptversuche dargestellt werden.
3.1 Die Abhängigkeit der Bewegungsgenauigkeit von der
Bewegungsgeschwindigkeit
Es steht außer Zweifel, daß die Genauigkeit gezielter und unter visuel
ler Kontrolle ausgeführter Hand- und Armbewegungen in vielen mensch
lichen Arbeitssituationen eine bedeutende Rolle spielt. Daher sind der
artige motorische Leistungen in den letzten Jahren wiederholt untersucht
worden. Erwähnt werden müssen hier insbesondere die Versuche von SLATER
HAMMEL [42, 44, 43J, BROWN [6, 5, 7J und CHAPANIS [9, 8J. Bei diesen im
wesentlichen unter militärischen Aspekten durchgeführten Untersuchungen
war den Versuchspersonen im allgemeinen keine definierte Geschwindigkeit
vorgegeben, sondern ihnen freigestellt, mit dem subjektiv als am wenig
sten belastend empfundenen Tempo zu arbeiten. Bei einer derartigen Ver
suchsplanung wurde damit der wesentliche Faktor "Bewegungsgeschwindig
keit" ausgeklammert. Auch die bereits erwähnten Untersuchungen von
KOELLA und BARANDUN [22J führen bezüglich der Fragestellung nach der
Bewegungsgeschwindigkeit nicht weiter, da sie in ihren Versuchen über
die Abhängigkeit der Bewegungspräzision von Körperlage und -haltung
zwar mit einer vorgegebenen Bewegungsgeschwindigkeit gearbeitet, diese
jedoch nicht variiert und auf eine Angabe in ihrem Untersuchungsproto
koll verzichtet haben. Auch die großangelegten Analysen motorischer Ab
läufe von SMITH und Mitarbeitern [11, 15, 16, 17, 20, 37, 41, 45, 48,
53J enthalten keine detaillierten Angaben über die Bewegungsgeschwindig
keiten in den Untersuchungen der Präzisionsleistungen freier Hand- und
Armbewegungen.
Man muß daher davon ausgehen, daß in den bisherigen Untersuchungen die
Beeinflussung der Bewegungsgenauigkeit vom Geschwindigkeitsfaktor weit
gehend unberücksichtigt geblieben ist. Für die Schaffung übersehbarer
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Versuchs bedingungen in den Hauptversuchsreihen war jedoch eine detaillier
te Kenntnis der Beziehungen zwischen der Geschwindigkeit und der Genauig
keit motorischer Abläufe unerläßlich. Daher wollen wir nachfolgend zu
nächst die Ergebnisse einer auf diese Einzelfrage zugeschnittenen Unter
suchung darstellen.
3.11 Methodik
Die Untersuchungen wurden an sechs normalsichtigen Versuchspersonen
(Vpn.) im Alter von 16 bis 32 Jahren durchgeführt. Zur Registrierung der
Bewegungsgenauigkeit wurde in einen vertikal beliebig verstellbaren
Tisch ein Plexiglaseinsatz eingebaut, der 45 konzentrische Kreise von
2 mm Tiefe und jeweils 0,8 mm Breite enthielt, die mit Silberamalgam
als elektrisch leitfähige Substanz ausgefüllt waren. Zwischen jeweils
zwei Kreise wurde als Isolierschicht Plexiglas mit einer Wandstärke von
0,2 mm stehengelassen. Der Mittelpunkt der konzentrischen Kreise wurde
ausgebohrt und mit einem Metallstift von 1 mm Durchmesser als zentralen
Zielpunkt ausgefüllt. Der Mittelpunkt sowie jeder der 45 jeweils genau
um 1 mm weiter vom Mittelpunkt entfernten konzentrischen Kreise war
über eine separate Leitung mit einem Registrierpult verbunden, in dem
für den Mittelpunkt und jeden Kreis eine Kontrollampe eingebaut war.
Ferner war in den Stromkreis (6 V) ein Kontaktstift eingeschaltet und
mit sämtlichen Kontrollampen verbunden, der in Form eines Bleistiftes
eine 3 cm lange Messingspitze mit einem Spitzendurchmesser von 0,2 mm
enthielt. Wurde mit diesem Kontaktstift einer der Kreise berührt, so
leuchtete am Registrierpult die dem Kreise entsprechende Kontrollampe
auf. Zur Vereinfachung der Registrier- und Auswertungsarbeit wurden die
Kontrollampen in das Pult eingebaut, wabenförmig umkleidet und mit einer
durchsichtigen Kunststoff-Folie abgedeckt, auf die ein Auswertungsblatt
befestigt werden konnte. Leuchtete nunmehr eine Kontrollampe auf, so
wurde das Formular in einem entsprechenden Viereck von unten angestrahlt.
Der Versuchsleiter konnte sodann eine Strichmarke in das jeweilige Feld
des Auswertungsbogens machen.
Zur besseren Sichtbarkeit des Zielfeldes für die Vp. wurde die Plexi
glasscheibe von unten beleuchtet, so daß die 45 Isolierschichten als
Leuchtringe deutlich hervortraten. Zur Fixierung des Ausgangspunktes der
Bewegungen wurde an der rechten Vorderkante des Tisches eine Messing
platte von 4 cm Durchmesser, in Richtung auf die Vp. verstellbar, ange
bracht und ebenfalls mit einer Kontrollampe am Registrierpult verbunden.
Die Variation der Bewegungsgeschwindigkeiten wurde über einen mechanischen
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Zeitgeber gesteuert, der für die eingestellte Bewegungsgeschwindigkeit
jeweils ein akustisches Signal für den Beginn der Bewegung an der Aus
gangsplatte (Abb. 1 B) und der Berührung der Zielplatte (Abb. 1 A) ab
gab und so die Vpn. in einem bestimmten Bewegungstakt leitete.
Um die durch unterschiedliche Größen- und Proportionsverhältnisse des
Körperbaues unserer Vpn. gegebenen Differenzen in den relativen Raumbe
ziehungen zwischen definierten Körperpunkten und dem Zielpunkt zu kom
pensieren, war es notwendig, die interindividuellen Maßvariationen zu
erfassen und bei der Gestaltung der Abstände Stuhl-Zielpunkt und Aus
gangsplatte-Zielpunkt sowie der Tischhöhe zu berücksichtigen. Zur Erfas
sung der für diesen Zweck interessierenden Körpermaße bedienten wir uns
der von MARTIN [28J entwickelten anthropometrischen Methode. Mit einer
Gliederung in drei Gruppen konnten wir die interindividuellen Differen
zen eliminieren und die Voraussetzung für die Vergleichbarkeit der Er
gebnisse schaffen.
Maße
A
D
B
t.
A b b i 1 dun g
Schematische Darstellung der Versuchsanordnung
A: Zielfeld C: Kontaktstift
B: Ausgangsplatte D: Registrierpult
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