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Simulation in Production and Logistics 2015 Markus Rabe & Uwe Clausen (eds.) Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 2015
Entwicklung einer menschenähnlichen Puppe als Eingabegerät für die Menschsimulation
Design of a Humanlike Puppet as an Input Device for Human Simulation
David Wiegmann, Holger Brüggemann, Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Wolfenbüttel (Germany), [email protected],
Abstract: Ergonomic simulation offers high potential to improve ergonomics and productivity of future manual production processes. Nevertheless ergonomic simula-tion is used quite rarely in production planning processes, due to the high effort in time which is required to create human movements in the simulation. This paper presents a new approach to minimise the time required to create human simulation. A puppet is developed to be used as a tangible input device for digital humans in ergonomic simulation. The paper describes the state of the art of human motion creation in ergonomic simulation and the using of tangible input devices for other purposes. Furthermore the design, the properties and the functioning of the new input device is shown in this paper.
1 Einleitung Innerhalb der arbeitswissenschaftlichen Menschsimulation wird der Mensch in ergo-nomischer Hinsicht in der digitalen Fabrik abgebildet. Sie dient dem Zweck, Ar-beitssysteme unter ergonomischen, arbeitsmethodischen und zeitwirtschaftlichen Gesichtspunkten zu analysieren und zu bewerten (VDI 4499 Blatt 4). Die frühzeitige Durchführung von arbeitswissenschaftlichen Menschsimulationen im Produktions-planungs- und Gestaltungsprozess bietet die Möglichkeit, frühzeitig Einfluss auf zukünftige Produkte, Betriebsmittel und Produktionsprozesse zu nehmen. Dies stellt ein großes Potenzial zur Verbesserung der Ergonomie und der Produktivität von manuellen Arbeitsplätzen und deren Planungsprozessen dar. Im Gegensatz zum Ein-satz in der Produktentwicklung, z. B. im Fahrzeug- oder Flugzeugbau, hat die Be-wertung von Arbeitsplätzen mithilfe der Menschsimulation in der industriellen An-wendung bisher weniger an Bedeutung erlangt (VDI 4499 Blatt 4).
Häufig erfolgt die Absicherung manueller Arbeitsplätze durch Prototypen, aus der Erfahrung von Experten oder virtuell ohne den Einsatz eines Menschmodells. Kommt dennoch die Menschsimulation zum Einsatz, dann meist bei gezielten,
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kritischen Vorgängen oder neuen Konzepten (Rodríguez 2010). Der gravierendste Nachteil und somit das größte Hindernis eines stärkeren Einsatzes von arbeitswis-senschaftlicher Menschsimulation ist der hohe zeitliche Aufwand für die Erstellung der Simulation (Mühlstedt 2012; Rodríguez 2010; Mun und Rim 2011).
Das BMBF-geförderte Forschungsprojekt Human Engineering Computer Interface (HECI), das am Institut für Produktionstechnik der Ostfalia durchgeführt wird, ver-folgt einen neuen Ansatz zur Verkürzung der Erstellungszeit für eine arbeitswissen-schaftliche Menschsimulation. Mit einem Eingabegerät in Form einer menschenähn-lichen Puppe soll der Aufwand für die Generierung von Bewegungen des Mensch-modells erheblich verringert werden. Das Eingabegerät soll direkt an das Simula-tionsprogramm Process Simulate von Siemens angebunden werden und dort das Menschmodell Jack steuern.
2 Stand der Wissenschaft und Technik Der verhältnismäßig größte Zeitbedarf bei der Erstellung einer Menschsimulation fällt bei der Generierung von Bewegungen des digitalen Menschmodells an. Hierzu bieten die am Markt bestehenden Simulationstools unterschiedliche Methoden an. Diese und die Anwendung gestaltartiger Eingabegeräte soll im Folgenden aufgezeigt werden.
2.1 Bewegungsgenerierung in der Menschsimulation
Eine häufig angewandte Möglichkeit zur Bewegungsgenerierung ist das so genannte Keyframing, das ursprünglich in der Filmindustrie angewandt wurde. Hierbei wer-den charakteristische Körperhaltungen bzw. Posen (Keyframes) des Menschmodells generiert. Eine diskretisierte Bewegung wird durch die meist lineare Interpolation zwischen den Posen erzeugt (Abb. 1). Diese Art der Bewegungsgenerierung erzeugt aber nur dann realistische Bewegungen, wenn sich Start- und Endpose nicht zu stark voneinander unterscheiden. Dementsprechend viele Keyframes werden für eine realistische Bewegung benötigt (Rodríguez 2010). Die einzelnen Posen lassen sich grundsätzlich mit den Methoden der Vorwärtskinematik oder der inversen Kinema-tik generieren. Bei der Vorwärtskinematik muss jedes einzelne Gelenk ausgewählt und eingestellt werden. Das Ermitteln und Einstellen geeigneter Gelenkwinkel gestaltet sich hierbei als schwierig und zeitaufwändig. Bei der inversen Kinematik werden die Zielpositionen und -orientierungen der Endeffektoren des Menschmo-dells angegeben. Die daraus resultierenden Gelenkwinkel der gesamten kinemati-schen Kette des Menschmodells werden dann errechnet. Allerdings besitzen die digitalen Menschmodelle in der Regel mehr als sechs Freiheitsgrade, was zu Mehr-deutigkeiten führt (Rieseler 1992; Weber 2013). Als Abhilfe wird bisher versucht, Randbedingungen zu formulieren wie etwa die Minimierung der potentiellen Ener-gie oder die minimale Quadratsumme der Winkelinkremente, damit das Menschmo-dell eine natürliche Haltung einnimmt (Arlt 1999). Bisher wurde allerdings noch keine korrekte Randbedingung gefunden, sodass hier Vereinfachungen getroffen werden (VDI 4499 Blatt 4).
Eine weitere Möglichkeit der Bewegungsgenerierung stellt das Motion Capturing dar. Hierbei führen Probanden die Bewegungsvorgänge der zukünftigen Arbeitsvor-gänge durch. Dabei werden die Bewegungsdaten durch Verfolgung bestimmter
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Menschenähnliche Puppe als Eingabegerät für die Menschsimulation 695
3 Entwicklung eines gestaltartigen Eingabegeräts für die Menschsimulation
Im Folgenden soll der Aufbau und die Nutzung des auf die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation zugeschnittenen Eingabegeräts vorgestellt werden, das im Rah-men des HECI-Projektes entwickelt wurde. Mit dem Eingabegerät in Form einer kleinen menschenähnlichen Puppe sollen Bewegungen des Menschmodells nach dem Keyframing-Ansatz erzeugt werden, indem die Gelenkwinkel der Puppe auf das digitale Modell übertragen werden.
3.1 Sensorik
Die Gelenkwinkel des Eingabegerätes werden durch kleine optische inkrementelle Drehgeber erfasst. Zusammen mit den Körperteilen der Puppe bilden sie ein elektro-mechanisches Trackingsystem. Die Drehgeber haben einen Gehäusedurchmesser von 7,2 mm bei einer Länge von 13,5 mm und einen Wellendurchmesser von 1,5 mm. Durch die Sensoren werden Gelenkdrehungen in Schritten von 0,225° er-fasst. Die Drehbewegungen werden durch binäre Signale über einen Open-Collector-Ausgang kodiert ausgegeben. Durch das binäre Signal ist die Übertragung der Signale sehr robust. Im Gegensatz zu anderen Sensoren, die bei elektromechani-schen Trackingsystemen zum Einsatz kommen, wie etwa Potentiometern, stellt ein Rauschen des Signals hierbei kein nennenswertes Problem dar. Auch die Erfassung des Winkels an sich ist sehr unempfindlich gegenüber Störungen im Vergleich zu anderen Trackingverfahren. Bei magnetischen Trackingverfahren kann es zu Störun-gen durch elektromagnetische Quellen oder metallische Komponenten kommen, bei optischen Verfahren können äußere Lichteinflüsse stören und bei Trackingverfahren auf Basis von Inertialsensoren kann der mit der Zeit ansteigende Winkelfehler (Drift) zu Problemen führen.
Da die Drehgeber nur einen Freiheitsgrad besitzen, müssen Gelenke mit mehreren Freiheitsgraden, durch eine entsprechende Anzahl seriell angeordneter Gelenke er-setzt werden. Die statischen Gelenkstellungen der mehrdimensionalen Gelenke, die für die Bewegungserzeugung nach dem Keyframing-Ansatz notwendig sind, können hierdurch weiterhin durch das Eingabegerät abgebildet werden. Weiterhin ist es not-wendig die Gelenke vor der Verwendung des Eingabegerätes einmalig, durch eine Drehbewegung bis zu einer bestimmten Stellung zu referenzieren, da inkrementelle Drehgeber verwendet werden. In Abbildung 3 ist der Drehgeber sowie eine Gelenk-einheit mit einem und mit drei Freiheitsgraden dargestellt.
3.2 Mechanik
Das Eingabegerät basiert auf dem Menschmodell Jack aus Process Simulate und ent-spricht dem 50. Perzentil männlich nach DIN 33402 im Maßstab 1:5. Das Mensch-modell Jack verfügt über insgesamt 68 Gelenke mit 135 Freiheitsgraden (Spanner-Ulmer und Mühlstedt 2009). Hieraus wurde für die Puppe ein reduziertes kinemati-sches Skelett mit insgesamt 22 Freiheitsgraden abgeleitet. Gelenkgruppen des Jack-Modells wie etwa der Wirbelsäule oder des Schlüsselbein-Schulter-Verbundes wur-den hierbei durch je ein Gelenk im Skelett der Puppe ersetzt. Die Winkelstellung dieser einzelnen Gelenke dient als Stellglied, um die gesamte Gelenkgruppe des Jack-Modells zu manipulieren. Trotz dieser Vereinfachung gibt es eine hohe Über-einstimmung zwischen der Körperhaltung des Eingabegeräts und der des Jack-
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4 Zusammenfassung und Ausblick Durch frühzeitige Einflussnahme auf den Produktionsplanungs- und Gestaltungspro-zess bietet die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation großes Potenzial die Ergonomie und die Produktivität manueller Produktionsprozesse zu verbessern. Dennoch wird die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation bisher verhältnis-mäßig selten angewandt, was hauptsächlich auf den hohen zeitlichen Aufwand für die Generierung von Bewegung des digitalen Menschmodells zurückzuführen ist. Die bisherigen Methoden zur Bewegungsgenerierung bieten bisher noch keine zufriedenstellende, allgemeine Lösung, mit der man natürliche Bewegungen in kurzer Zeit erzeugen kann. In anderen Bereichen haben gestaltartige Eingabegeräte gezeigt, dass man mit diesen einfach und intuitiv die Körperhaltung digitaler kinematischer Modelle einstellen kann. Ziel des Forschungsprojektes HECI ist es mit einem für die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation zugeschnittenen gestaltartigen Eingabegerät den Zeitbedarf für die Bewegungsgenerierung erheblich zu verkürzen. Auf Basis eines Prototyps konnten erste informelle Tests zur Anwendung dieses Eingabegerätes vorgenommen werden. In Zukunft soll die Entwicklung des Eingabegerätes abgeschlossen werden und in umfassenden Nutzer-studien die Gebrauchstauglichkeit des Eingabesystems evaluiert werden.
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