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.
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.
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.
Beispiel Rahmenbiegemaschine
Im VR-Labor der Hochschule Osnabrück wurde beispielhaft eine Ergonomieanalyse einer Rahmenbiegemaschine der Firma Kesseböhmer Beschlagsysteme aus Bad Essen durchgeführt. Betrachtet wurden typische Arbeitsschritte an der Maschine, wie das Einlegen von Rohteilen in das Magazin der Maschine und das Herausnehmen von den umgeformten Rahmen an einer Ausgaberutsche. Weitere Arbeitsschritte, die untersucht wurden, sind die Wartung der Maschine und das Umrüsten der Maschine auf eine neue Rahmenvariante.
Die untersuchten Bewegungsabläufe wurden mittels einer HTC-Vive-VR-Brille und passenden Sensoren und Controllern aufgezeichnet und durch die Siemens-Software Process Simulate ausgewertet. Zusätzlich zur VR-Aufzeichnung wurden die Abläufe mit DHM in der Software nachgebildet. Die in der VR aufgezeichneten Bewegungen sind deutlich realistischer als die mit DHM nachgebildeten Sequenzen, die im Vergleich eher roboterhaft wirken. Mit der Software ist die Auswertung der Bewegungsabläufe durch verschiedene statische und dynamische Ergonomieanalysemethoden möglich. Allerdings sieht man hier auch die Grenzen. Die VR-Technologie ist noch nicht am Ende ihrer Möglichkeiten. Hinsichtlich der einfachen Bedienbarkeit gibt es beispielsweise noch Entwicklungsbedarf. Wenn etwa einzelne Schritte einer Bewegungssequenz ausgewertet werden sollen, ist darauf zu achten, dass diese von der Software nicht als Pose gewertet werden. Hier erhöht sich dann der Aufwand und ein gutes Expertenwissen ist gefragt.
