Menschen zwischen Realität und Virtualität

Planer, die bereits vor dem Bau einer Fabrik wissen wollen, wie die Fertigung von Produkten dort ablaufen wird, setzen in einer Digitalen Fabrik am Computer ein dreidimensionales Abbild der künftigen Produktion um.

Nicht nur Maschinen und Fördersysteme werden dabei realistisch abgebildet, sondern auch deren Bewegungen werden modelliert. Für automatisierte Abläufe, etwa Tätigkeiten von Robotern, liegen bereits Visualisierungslösungen vor, mit denen Fehlerquellen und Risiken im Vorfeld des Baus der Fabrik virtuell erkannt und beseitigt werden können. Vor allem in der Montage arbeiten jedoch Menschen. Gegenüber Robotern haben sie den Vorteil, dass sie flexibel, situationsabhängig und schöpferisch agieren können – was jedoch die Visualisierung in 3D-Modellen wesentlich erschwert. „Geeignete Softwarewerkzeuge hierfür gibt es bisher nur wenige, der Zeitaufwand bei der Bewegungserstellung ist hoch und es gibt zu wenige Bewertungsverfahren“, erklärt Dr. Jens Trepte, Geschäftsführer des Chemnitzer Ingenieurbüros für Entwicklungs- und Planungsdienstleistungen imk automotive GmbH.

Ein Chemnitzer Forschungsprojekt zielt nun darauf, Bewegungsmodelle des Menschen für die Digitale Fabrik zur Verfügung zu stellen. Verbundkoordinator ist die imk automotive GmbH; Projektpartner sind die Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung sowie die Professur Arbeitswissenschaft der TU Chemnitz und das Institut für Mechatronik e. V. Die Bewegungen, die das Menschmodell liefert, nutzen die Wissenschaftler hauptsächlich, um zu prüfen, ob die geplanten Tätigkeiten von einem Werker tatsächlich ausgeführt werden können und ob der zeitliche Ablauf realistisch ist. Auch Ergonomie und Arbeitsschutz werden geprüft. Das Fernziel der Forschung ist die Ergänzung vorhandener Planungssysteme um Werkzeuge zur effizienten Planung und Visualisierung menschlicher Arbeitsvorgänge. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen im Rahmen des Verbundprojektes zunächst die theoretischen Grundlagen zur automatisierten Bewegungssynthese für digitale Menschmodelle untersucht werden. Ausgehend von einer strukturierten Tätigkeitsbeschreibung, einem 3D-Layout und wenigen ergänzenden Parametern soll ein System entworfen werden, das aus diesen Eingangsinformationen automatisch einen korrekten Bewegungsablauf für ein digitales Menschmodell generiert.

Bereits der Prototyp eines 3D-Planungswerkzeuges zur einfachen und intuitiven Ansteuerung von digitalen Menschmodellen von der imk automotive GmbH ist bei Kunden auf große Resonanz gestoßen. „Der so genannte Editor menschlicher Arbeit – kurz EMA – wurde trotz Prototypen-Status bereits erfolgreich in Projekten eingesetzt“, berichtet Trepte. Das Anwendungsgebiet vergrößerte sich durch Kundenanfragen, wodurch der Bedarf entstand, weitere wissenschaftliche Grundlagen zur Generierung und Bewertung biomechanisch korrekter Bewegungen zu erforschen. Denn für die geforderten Untersuchungen sind Qualität und Korrektheit der Eingabedaten zwingend erforderlich und müssen gegebenenfalls sogar nachgewiesen werden. Daraus entstand die Idee für das Verbundprojekt.

„imk automotive ist neben der Projektleitung zuständig für die Abbildung von sprachlichen Tätigkeitsbeschreibungen und einer Umgebungsbeschreibung auf eine abstrakte Bewegungsbeschreibung“, erläutert Softwareentwickler Sebastian Bauer. „Um die Bewegung nicht nur realistisch aussehen zu lassen, sondern auch ergonomisch günstig vorzugeben, wird an der Professur Arbeitswissenschaft die Arbeitsbelastung von Bewegungen bewertbar gemacht. Dazu werden Bewegungen an einem Versuchsstand durchgeführt und die Beanspruchung gemessen“, berichtet Prof. Dr. Birgit Spanner-Ulmer, Inhaberin der Professur Arbeitswissenschaft. Die Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung entwickelt in diesem Projekt einen so genannten Bewegungsgenerator. „Diese Software berechnet und visualisiert die Bewegungen eines virtuellen Menschen auf der Grundlage gegebener Start- und Zielbedingungen sowie der Umgebungsgeometrie“, erklärt Prof. Dr. Guido Brunnett. Am Institut für Mechatronik werden die synthetisierten Bewegungsvorgänge umfassend analysiert. Dazu wird die Bewegung durch ein biomechanisches Menschmodell abgebildet. Sowohl kinematische als auch dynamische Kenngrößen werden ermittelt und gestatten eine Bewertung hinsichtlich der praktischen Ausführbarkeit der Bewegung.

Kontakt:
Dr. Jens Trepte, imk automotive GmbH, Telefon 0371 40097-10,
E-Mail jens.trepte@imk-automotive.de
Prof. Dr. Guido Brunnett, Professur Graphische Datenverarbeitung und Visualisierung, Telefon 0371 531-31533,

E-Mail guido.brunnett@informatik.tu-chemnitz.de

Prof. Dr. Birgit Spanner-Ulmer, Professur Arbeitswissenschaft,
Telefon 0371 531-23210,
E-Mail birgit.spanner-ulmer@mb.tu-chemnitz.de
Dr. Albrecht Keil, Institut für Mechatronik,
Telefon 0371 531-19660, E-Mail a.keil@ifm.tu-chemnitz.de