Entwicklung eines Operatorarbeitsplatzes für die telepräsente Mikromontage (eBook)

Bernd Petzold (Autor)

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2008 | 1. Auflage
235 Seiten
Herbert Utz Verlag
978-3-8316-0805-8 (ISBN)

Infos

1 Einleitung



Im ersten Kapitel wird eine Einleitung in das Thema Produktion und Telepräsenzsysteme gegeben. Außerdem werden das Ziel und die Vorgehensweise dieser Arbeit kurz erläutert.



1.1 Die Produktion im Wandel



Handhabungssysteme, wie bspw. Roboter, stellen ein wichtiges Hilfsmittel dar, um eine leistungsfähige Produktion in der heutigen Zeit aufrechterhalten zu können. Sie übertreffen den Menschen vor allem in den Bereichen der Präzision, der Durchführungsgeschwindigkeit und der erreichbaren Maximalkraft. Sie führen ihre Aufgaben immer nach gleichem Programmablauf durch. Dieser Ablauf wird von einem Spezialisten festgelegt und dem Roboter oder Handhabungsautomaten programmiert. Da die Programmierung ein zeitaufwändiger Prozess ist, bei dem in der Regel viele Iterationsschleifen notwendig sind, ist eine Inbetriebnahme dieser Maschinen zeit- und kostenintensiv. Demzufolge eignet sich der Einsatz von Robotern und Handhabungsautomaten meist nur für Großserien. Aufgrund des Trends der letzten Jahre hin zu individualisierten Produkten (vgl. WAGNER et al. 2003) spielen Klein- und Mittelserien heute eine ebenso bedeutende Rolle in der Produktion wie Großserien. Diese Montage in Klein- und Mittelserien erfolgt heute in vielen Produktsparten manuell. Die manuelle Montage stößt jedoch in einigen Bereichen der Produktion auf neue Herausforderungen.



Schon 1998 identifizierte die Gesellschaft für Mikroelektronik, Mikro- und Feinwerktechnik (GMM) die Mikrosystemtechnik als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts (VDE 1998). Die kleinen Dimensionen der Bauteile werfen dabei für den Monteur zwei grundsätzliche Probleme auf. Zum einen ist es für den Menschen schwierig, die winzigen Bauteile zu handhaben, da ein Greifen mit den Fingern oftmals nicht möglich ist oder zu Beschädigungen des Bauteils führen würde. Zum anderen ist es für den Menschen schwierig, die hohen Genauigkeitsanforderungen bei der Mikromontage einzuhalten. Der Monteur muss dann Hilfsmittel benutzen, um die Bauteile mit den eingeschränkten Dimensionen handhaben und fügen zu können. Dabei werden vor allem Lupen und Mikroskope für die Vergrößerung der Sicht auf die Bauteile eingesetzt und Pinzetten, um die Bauteile aufnehmen zu können, ohne sie zu beschädigen. Aber auch mit diesen Hilfsmitteln stößt der Mensch mit seinen Fähigkeiten an seine Grenzen. Ziel muss es daher sein, die Vorteile von Handhabungssystemen mit denen des Menschen zu koppeln, um so ein optimales Montagesystem zu generieren.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 10
Abbildungsverzeichnis 16
Tabellenverzeichnis 22
Abkürzungsverzeichnis 24
Formelverzeichnis 28
1 Einleitung 32
1.1 Die Produktion im Wandel 32
1.2 Telepräsenz als Schlüsseltechnologie 33
1.3 Bedeutung der Telepräsenz für die Produktionstechnik 35
1.4 Aufgabenstellung und Zielsetzung 37
1.5 Vorgehensweise 38
2 Stand der Technik 40
2.1 Manuelle Mikromontage 40
2.2 Begriffsdefinitionen für Telepräsenzsysteme 42
2.3 Bestehende Telepräsenzsysteme 45
3 Grundlagen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 64
3.1 Visualisierung 64
3.2 Interaktion 77
3.3 Haptisches Rendering 91
3.4 Zusammenfassung der Grundlagen 98
4 Teilkonzepte für einen Operatorarbeitsplatz 100
4.1 Bestimmung einer geeigneten Form der Visualisierung 100
4.2 Die Notwendigkeit von haptischer Rückkopplung für die Telepräsenz 107
4.3 Betrachtung des Regelkreises bei haptischer Rückkopplung 112
4.4 Haptisches Rendering 123
4.5 Konzept für die Mensch-Maschine-Interaktion eines Telepräsenzsystems 126
4.6 Entwicklung eines angepassten Eingabegerätes 133
5 Gesamtkonzept 156
5.1 Anforderungen aus den Teilkonzepten 156
5.2 Konzept eines WYSIWYF-Displays 157
5.3 WYSIWYF-Display für die telepräsente Mikromontage 162
5.4 Softwaretechnische Umsetzung 164
5.5 Einsatz des WYSIWYF-Displays 167
6 Evaluierung 172
6.1 Anwendungsbeispiel 172
6.2 Technisch-wirtschaftliche Bewertung 176
7 Zusammenfassung und Ausblick 180
8 Literaturverzeichnis 182
9 Glossar 208
10 Genutzte Softwareprodukte und Geräte 212
11 Anhang 214
11.1 Fragebogen für den Versuch zur Visualisierung ( Abschnitt 4.1) 214
110.2 Fragebogen für den Versuch zur Mensch-Maschine- Interaktion ( Abschnitt 4.5) 217

Textauszug

3 Grundlagen einer Mensch-Maschine-Schnittstelle (S. 33-34)

In diesem Kapitel werden die Grundlagen beschrieben, deren Kenntnis notwendig ist, um einen Operatorarbeitsplatz für die telepräsente Mikromontage zu entwickeln. Dazu werden die Visualisierung und die Mensch-Maschine-Interaktion als Kernthemen näher betrachtet.

3.1 Visualisierung

3.1.1 Visualisierungsmedium

Die Rückkopplung von Informationen an den Bediener kann in verschiedenen Modalitätskanälen geschehen. Die wichtigste Modalität ist dabei die visuelle Wahrnehmung des Menschen, da dieser den größten Teil seiner Umgebung über die Augen erfasst. Die Visualisierung entscheidet in erster Linie über den Immersionsgrad eines Systems, also wie stark das Präsenzgefühl des Bedieners in der abgebildeten Welt ausgeprägt ist. Es wird zwischen dem Visualisierungsmedium und der Visualisierungsart unterschieden. Das Visualisierungsmedium ist das Gerät, auf dem Bildinformationen für den Bediener dargestellt werden. Die Visualisierungsart beschreibt, wie die Bildinformationen erzeugt werden. Diese können entweder von einer Kamera aufgenommen werden (Realbild-Visualisierung), mit Hilfe eines Modells berechnet werden (modellbasierte Visualisierung) oder es kann beides gleichzeitig geschehen (überlagerte Visualisierung).

Das Spektrum an Visualisierungsmedien ist groß. Die einfachsten und kostengünstigsten Lösungen sind Monitore. Sie lassen allerdings nur einen geringen Grad an Immersion für den Benutzer zu. Die größten Visualisierungssysteme werden im Bereich Virtual Reality (VR) eingesetzt. Bei VR-Anwendungen ist eine hochimmersive Darstellung der virtuellen Welt notwendig, um so dem Bediener ein starkes Präsenzgefühl zu vermitteln. Dieser hohe Immersionsgrad wird durch eine Verwendung von mehrseitigen Projektionsflächen erreicht. Eine CAVE ist ein Raum, in dem bis zu sechs Projektionsflächen aufgebaut sind, so dass der Bediener einer solchen CAVE die virtuelle Umgebung in allen Blickrichtungen wahrnehmen kann (CRUZ-NEIRA et al. 1993). Durch die Bestimmung der Kopfposition des Bedieners durch das VR-System, das sog. Head Tracking, kann der Bediener seinen Blickpunkt in der virtuellen Welt intuitiv anpassen. Um den Immersionsgrad noch zu steigern, werden für VR-Anwendungen stereoskopische Visualisierungen eingesetzt. Dabei wird bei der Darstellung des Bildes der Augenversatz zwischen linkem und rechtem Auge, die sog. Parallaxe, berücksichtigt. Der Bediener nimmt bei einem stereoskopischen Display genau wie in der Realität zwei unterschiedliche Bilder auf. Aus der getrennten Bildinformation erstellt das menschliche Gehirn eine dreidimensionale Szene, die räumlich wirkt. Dadurch kann der Bediener Tiefeninformationen eines Bildes wahrnehmen, was mit einer monoskopischen Darstellung nicht möglich ist. Es wird grundsätzlich zwischen aktiver und passiver Stereoskopie unterschieden. Bei der aktiven Stereoskopie werden die Bildinformationen von einer Brille, die der Bediener trägt, getrennt. Die Bildinformationen beim passiven Stereo werden direkt vom Visualisierungsmedium durch bspw. Polarisation getrennt.

Der Platzbedarf und die Investitionskosten für Mehrseitenprojektionen sind sehr hoch. Als Visualisierungsinstrument für einen einzelnen Arbeitsplatz sind sie daher nicht geeignet. Hochimmersive Einzelplatzlösungen bieten Head Mounted Displays (HMDs). Diese Visualisierungssysteme mit einem Bildschirm für jedes Auge werden auf dem Kopf getragen und bieten dem Bediener ebenfalls eine stereoskopische Darstellung. Durch die Positionsverfolgung des Kopfes, das sog. Head Tracking, wird eine freie Blickpunkteinstellung auf die Szene durch Kopfbewegungen ermöglicht. Kopffeste Visualisierungssysteme eignen sich nicht für einen längeren Einsatz, da sie zum einen durch ihr Gewicht auf die Halswirbelsäule und die Nackenmuskulatur des Benutzers drücken und zusätzlich zu Schwindel und Übelkeit, der sog. Simulation Sickness, führen (HETTINGER &, RICCIO 1992). Eine weitere Möglichkeit, eine stereoskopische Visualisierung für einen Einzelarbeitsplatz einzusetzen, sind autostereoskopische Displays. Diese Monitore trennen die Bildinformation für das linke und rechte Auge durch Linsenmasken (BERKEL &, CLARKE 1997) oder Prismenmasken (SCHWERDTNER &, HEIDRICH 1998). Der Bediener benötigt weder eine Shutterbrille wie beim Aktivstereo noch eine Polarisationsbrille. Entscheidend für die Immersion ist jedoch nicht allein das Visualisierungsmedium, sondern auch die Erzeugung und Qualität des Bildes, das auf dem Medium gezeigt wird. Dazu kann entweder ein reales Bild von einer Kamera dargestellt werden oder ein Bild aus 3D-Modellen berechnet werden.

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 1.1.2008
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Wirtschaft ► Betriebswirtschaft / Management ► Logistik / Produktion
• ISBN-10: 3-8316-0805-9 / 3831608059
• ISBN-13: 978-3-8316-0805-8 / 9783831608058