Experimentelle Untersuchungen zur bimanuellen Koordination als transiente Kopplung bei der Richtungsspezifikation

Steglich, Christoph; Luczak, Holger

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-3397

Experimentelle Untersuchungen zur bimanuellen Koordination als transiente Kopplung bei der Richtungsspezifikation

Steglich, Christoph (Author)

2002

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christoph Steglich

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2002

UmfangVII, 181 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2002

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Luczak, Holger (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2002-04-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-3397
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61418/files/Steglich_Christoph.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Maschinenwesen (400000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die genaue und fehlerfreie Ausführung beidhändiger Bewegungen ist für nahezu jede Arbeitstätigkeit von Bedeutung. Gleichzeitig ist aber die Menge angemessener und möglicher Bewegungskombinationen beschränkt: Zum einen durch die Anforderungen der jeweiligen Arbeitsaufgabe und zum anderen durch die Beschränkungen des menschlichen Bewegungsapparates, wobei sich letztere unterteilen lassen in mechanisch bedingte Einschränkungen durch die Konstruktion des Skelett- und Muskelsystems und in solche, die sich aus der spezifischen Anlage des Teils des zentralen Nervensystems, der die Bewegungsvorbereitung und -ausführung kontrolliert, ergeben. Diese Einschränkungen führen dazu, daß bestimmte Kombinationen gar nicht, manche nur schwer und andere wiederum sehr leicht und fehlerfrei ausgeführt werden können. Daraus unmittelbar ergibt sich der Sinn und die Notwendigkeit, Beschränkungen und Präferenzen des menschlichen Bewegungsapparates bei der ergonomischen Gestaltung von Arbeitsplätzen mit Beidhandarbeit zu berücksichtigen. Zur Erklärung von Interferenzphänomenen, die bei der Ausführung bimanueller Bewegungen auftreten können, entwickelten Spijkers und Heuer (1995) die Hypothese transienter Kopplung bei der Bewegungsprogrammierung. Sie besagt, daß Störungen der Bewegungsausführung aufgrund einer wechselseitigen Störung der Prozesse entstehen (können), die die Bewegungsparameter spezifizieren. Die Störung kommt dadurch zustande, daß, so die Annahme, die Spezifikationsprozesse (beider Hände) initial wechselseitig gekoppelt sind, wobei diese Kopplung abgebaut wird, wenn verschiedene Parameter spezifiziert werden sollen, während sie bei gleichen Bewegungsparametern erhalten bleibt. Daraus ergeben sich folgende Vorhersagen: 1) Für die Spezifikation verschiedener Parameter wird mehr Zeit benötigt, da die Kopplung abgebaut werden muß. 2) Werden verschiedene Parameter spezifiziert, zeigt sich im Verlauf der Spezifikationsprozesse eine wechselseitige Assimilation, die anfangs stark ausgeprägt ist und im weiteren Verlauf mit zunehmendem Abbau der Kopplung abnimmt. 3) Die wechselseitige Kopplung führt zu einer Kovariation der Spezifikationsprozesse und der entsprechenden Bewegungsmerkmale, d.h. sie tritt bei gleichen Bewegungsparametern auf, bei verschiedenen jedoch nur, wenn die Spezifikation noch nicht abgeschlossen ist, die Kopplung also noch nicht abgebaut werden konnte. In der vorliegenden Arbeit sollte geprüft werden, ob die Hypothese transienter Kopplung auch für die Richtung einer Bewegung gilt, nachdem sie bereits für die Bewegungsweite (z.B. Heuer, Spijkers, Kleinsorge, van der Loo & Steglich, 1998) und Amplitude einer isometrischen Kraft (Steglich, Heuer, Spijkers & Kleinsorge, 1999) bestätigt werden konnte. Zur Prüfung der Vorhersagen wurden insgesamt fünf experimentelle Untersuchungen durchgeführt, in denen zwei verschiedene Methoden verwendet wurden: Die Vorinformationsmethode, mit der die Dauer der Spezifikation überprüft werden kann, und die Timed-Response Methode, mit der eine Darstellung des Verlaufs der Spezifikationsprozesse möglich ist. Die Vorhersagen für die verlängerte Vorbereitungszeit bei verschiedenen Richtungen und die Assimilation der Spezifikationsprozesse wurden durch die Ergebnisse der Experimente uneingeschränkt bestätigt. Ein ebenfalls wichtiges Ergebnis war, daß solche Richtungen vom menschlichen Bewegungssteuerungssystem als gleich behandelt werden, die einander in egozentrischen Koordinaten entsprechen, wie es bei zur mittsagittalen Ebene spiegelsymmetrischen Bewegungen der Fall ist. Im Unterschied dazu gelten parallele (d.h. allozentrisch gleiche) und inkompatible (weder symmetrisch noch parallel) Bewegungsrichtungen als verschieden. Von besonderem Interesse war in diesem Zusammenhang der Befund, daß parallele Richtungen entgegen der Vorhersage allozentrisch miteinander kovariierten, wobei dieser Kopplungsmodus erst im Verlauf der Parametrisierung etabliert wurde (initial unterlagen die Spezifikationsprozesse einer egozentrischen Kopplung, die, wie vorhergesagt, bei symmetrischen Richtungen erhalten blieb). Dagegen kovariierten die Richtungen inkompatibler Kombinationen nicht miteinander, d.h. hier wurde die Kopplung wie vorhergesagt abgebaut. Für die Gestaltung von Beidhandarbeitsplätzen ergibt sich daraus: 1) Beidhändige Bedienvorgänge, insbesondere solche, die unter Zeitdruck ausgeführt werden müssen, sollten symmetrisch angelegt sein. 2) Eine parallele Gestaltung ist der inkompatiblen vorzuziehen, wobei 3) in beiden Fällen (parallel, inkompatibel) genügend Vorbereitungszeit zur Verfügung stehen muß bzw. das System genügend fehlertolerant gestaltet sein muß.

The accurate execution of bimanual movements is important for almost all work. At the same time, there is only a limited amount of appropriate and possible combinations. Limitations arise from the task itself, but the human movement system also causes limitations. They might be due to its mechanical properties or result from central nervous structures that control movement. As a matter-of-fact some movement combinations are impossible to execute, some are difficult, whereas others are easily and accurately executable. Therefore, it is necessary to take limitations and preferences of the human movement system into account when ergonomically designing a workplace. Spijkers and Heuer (1995) developed the hypothesis of transient coupling during the specification of movement parameters to explain (some) interference phenomena that can occur during bimanual movements. It states, that distortions of movement execution (may) result from mutual cross-talk between the two processes that specify the movement parameters. The cross-talk, so the basic assumption, arises from their initial coupling that dissipates when different parameter values are specified but is preserved in case of same values. This leads to the following predictions: First, specification of different values takes more time, because decoupling is necessary. Second, the time courses of the specification processes exhibit mutual assimilation that is strong in the beginning and weakens as specification proceeds and coupling dissipates. Third, the coupling causes the specification processes (and the respective movement characteristics) to covary. Hence, covariation should be observable in case of same values, in case of different values it is only present if specification still is incomplete, because coupling has not yet been abolished. The present study addressed whether the transient coupling hypothesis also holds for the specification of movement direction after it had already been proved for movement amplitude (e.g. Heuer, Spijkers, Kleinsorge, van der Loo, & Steglich, 1998) and isometric forces (Steglich, Heuer, Spijkers, & Kleinsorge, 1999). Five experiments were conducted to test the predictions by means of two experimental methods: the movement precuing technique that is used to estimate the time needed for parameter specification, and the timed response method that traces the time courses of the specification processes. The predictions concerning the delayed specification and the assimilation of the specification processes in case of different values were fully confirmed. A further important result was, that the human movement system treats egocentrically equivalent movement directions as equal (i.e., movements which are symmetrical to the mid-sagittal plane), whereas parallel (i.e., allocentrically equivalent) and incompatible (i.e., neither symmetric nor parallel) are different. Of special interest was, that, opposite to expectation, parallel directions exhibited an allocentric covariation with the coupling mode that caused this covariation being established during the process of specification (initially they were egocentrically coupled, and this coupling mode, as predicted, was preserved in case of symmetric directions). Incompatible directions, on the other hand, did not covary at all, i.e. coupling was abolished here. Recommendations based on current experimental work for workplace design are: 1) Bimanual actions should be executed symmetrically, especially if they have to be performed under time pressure. 2) Parallel execution should be preferred to incompatible combinations, but 3) in both cases there should be enough time for preparation and / or the system should tolerate the resulting error in movement execution.

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