Mit Virtual Reality zur mehr Bedienerfreundlichkeit

Virtuelle Ergonomieuntersuchung

Die Integration von Ergonomie in den Entwicklungsprozess von Maschinen und Arbeitsplätzen spielt eine entscheidende Rolle für die Kosteneffizienz und die Benutzerfreundlichkeit. Virtual Reality (VR) bietet einen modernen Ansatz, um frühzeitige Ergonomieuntersuchungen zu beschleunigen und zu verbessern. Die Integration von VR ermöglicht eine realistische Simulation menschlicher Bewegungen und vermeidet kostspielige spätere Anpassungen. Die Anwendung erfordert jedoch geeignete Hardware und Software sowie geschultes Personal.

Einlegen von Rohteilen in die Maschine (Bild: Hochschule OsnabrÃ¼ck)

Einlegen von Rohteilen in die Maschine (Bild: Hochschule Osnabrück)

Die frühzeitige Berücksichtigung von Ergonomie bei der Produktentwicklung von Maschinen und Arbeitsplätzen ist ein wichtiger Schritt, um im späteren Entwicklungsverlauf Kosten zu sparen. Ergonomieuntersuchungen erfordern geschultes Fachpersonal und spezialisierte Software. Der Einsatz von Virtual Reality kann diesen Prozess beschleunigen und vereinfachen. Schon anhand eines CAD-Modells können aussagekräftige Analysen durchgeführt werden, die wichtige Ergebnisse für die Entwicklung und Konstruktion geben. Somit können kostspielige Korrekturen im späteren Verlauf des Entwicklungsprozesses durch frühzeitige Einbindung der Erkenntnisse aus den VR-Aufzeichnungen verhindert werden. Mit dieser prospektiven Ergonomie existiert ein Potential zur Kosteneinsparung in der Entwicklung und Konstruktion von Maschinen.

(Bild: Hochschule Osnabrück)

Virtuelle Realität

Die Durchführung von detaillierten Ergonomieuntersuchungen ist im Maschinenbau zum Teil eher wenig verbreitet. Ein Grund dafür könnte sein, dass deren Durchführung aufwendig erscheint. Eine erprobte Option für eine solche Untersuchung ist das Digital Human Modeling (DHM). Dabei wird der Analysesoftware ein CAD-Modell der Maschine übergeben und ein digitales Menschmodell erzeugt. Es wird dann durch Anweisungen der Software dazu gebracht, einen Bewegungsablauf nachzubilden. Das kann einen einfachen Laufweg oder auch komplexere Abläufe umfassen, wie dem Aufnehmen und Einlegen von gewichteten Rohteilen oder verschiedene Montageschritten. Anhand des am Computer erstellten Bewegungsablaufes können dann mithilfe der Software Ergonomieuntersuchungen durchgeführt werden. Das DHM erfordert das Anpassen der computergenerierten Posen, um einen natürlichen und menschlichen Bewegungsablauf nachzubilden.

Dazu gehören unter anderem das Einstellen der Neigungswinkel von Gliedmaßen und Griffpositionen der Hände sowie das Anpassen der Kopfstellung. Für diese Arbeitsschritte werden Fachkräfte benötigt, die Erfahrungen in Ergonomie besitzen. Hier kann VR in Kombination mit Motion Capture eine Erleichterung sein. Damit können die Bewegungen direkt am Menschen aufgezeichnet werden. Dabei wird der Anwender in den Avatar hineinversetzt und kann aus der Sicht des Avatars einen Prozess nachbilden.

Ein natürlicher und aussagekräftiger Bewegungsablauf entsteht, der im Idealfall nicht nachbearbeitet werden muss. Die Auswertung des in VR aufgezeichneten Bewegungsablaufes übernimmt dieselbe Software wie beim DHM. Eine eher komplexe Bewegungssequenz mit DHM nachzubilden, dauert ein Vielfaches länger als eine VR-Aufzeichnung zu erstellen. Deshalb eignet sich DHM eher für einfachere Bewegungen. Wenn die Bewegung komplexer werden, bietet es sich an Virtuelle Realität zur Hilfe zu nehmen.

Um VR für Ergonomieuntersuchungen einsetzen zu können, wird die passende Ausrüstung benötigt. Ein VR-Headset sowie dazugehörige Eingabegeräte und Sensoren (Controller und Basisstationen) sind notwendig, um die virtuelle Welt darstellen, sich darin zu bewegen und mit digitalen Objekten interagieren zu können. Für das Aufzeichnen von Bewegungsabläufen werden zusätzliche Körpersensoren benötigt, um die Position der Gliedmaßen aufzeichnen zu können. Je nachdem welches VR-System benutzt wird, werden verschiedene Grundvoraussetzungen für den Computer benötigt wie eine leistungsfähige Grafikkarte sowie Prozessor. Abschließend ist auch genügend freier Platz erforderlich, um eine VR-Aufzeichnung durchführen zu können. Dies kann sich je nach VR-System und aufzuzeichnender Sequenz unterscheiden.

(Bild: Hochschule Osnabrück)

Avatar für die Analyse

Für die Durchführung einer Ergonomieanalyse einer Maschine wird ein 3D-Modell der Maschine benötigt. Dieses Modell wird in eine Software für Prozesssimulation importiert. In der Software wird die Maschine in einer virtuellen Umgebung platziert. Bevor die Analyse durchgeführt werden kann, muss ein Avatar erstellt werden. Dieser Avatar führt die Bewegungsabläufe des realen Menschen mithilfe der am Körper getragenen VR-Geräte nach. Durch die Konfiguration auf unterschiedliche Körpermaße können genaue Rückschlüsse auf verschiedene Bedingungen bei der Benutzung von Maschinen für den Anwender gezogen werden.

Nun kann der Anwender alle Tätigkeiten, die an der realen Maschine durchgeführt werden müssen, an der virtuellen Maschine ausführen. Die Bewegungen werden zeitgleich durch das Programm aufgezeichnet. Die Sicht und Körpermaße des Avatars bleiben bei der Aufzeichnung auf den voreingestellten Werten und ermöglicht eine genaue Darstellung der Perspektive und Griffreichweiten in der virtuellen Realität. Die Aufzeichnung werden an die Auswertungssoftware übermittelt und in eine Bewegungssequenz umgewandelt. Letzte kann durch unterschiedlichen Analysetools ausgewertet und als Bericht ausgegeben werden.

Datum:14. Juni 2024

Autoren:Prof. Dr.-Ing. Jens Schäfer, Professor für technische Produktentwicklung; Weitere Mitarbeitende: Anton Ulrich Dziengel, Sven Heckert, Nikita Hoffmann, Marcel Pingel

Themen: Technik

Webseite: www.hs-osnabrueck.de

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