Entwicklung einer menschenähnlichen Puppe als Eingabegerät für

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],
[email protected]
Abstract: Ergonomic simulation offers high potential to improve ergonomics and
productivity of future manual production processes. Nevertheless ergonomic simulation 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 ergonomischer Hinsicht in der digitalen Fabrik abgebildet. Sie dient dem Zweck, Arbeitssysteme unter ergonomischen, arbeitsmethodischen und zeitwirtschaftlichen
Gesichtspunkten zu analysieren und zu bewerten (VDI 4499 Blatt 4). Die frühzeitige
Durchführung von arbeitswissenschaftlichen Menschsimulationen im Produktionsplanungs- 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 Einsatz in der Produktentwicklung, z. B. im Fahrzeug- oder Flugzeugbau, hat die Bewertung von Arbeitsplätzen mithilfe der Menschsimulation in der industriellen Anwendung 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,
692
Wiegmann, David; Brüggemann, Holger
kritischen Vorgängen oder neuen Konzepten (Rodríguez 2010). Der gravierendste
Nachteil und somit das größte Hindernis eines stärkeren Einsatzes von arbeitswissenschaftlicher 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, verfolgt einen neuen Ansatz zur Verkürzung der Erstellungszeit für eine arbeitswissenschaftliche Menschsimulation. Mit einem Eingabegerät in Form einer menschenähnlichen Puppe soll der Aufwand für die Generierung von Bewegungen des Menschmodells erheblich verringert werden. Das Eingabegerät soll direkt an das Simulationsprogramm 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 werden 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 Kinematik 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 Menschmodells angegeben. Die daraus resultierenden Gelenkwinkel der gesamten kinematischen Kette des Menschmodells werden dann errechnet. Allerdings besitzen die
digitalen Menschmodelle in der Regel mehr als sechs Freiheitsgrade, was zu Mehrdeutigkeiten führt (Rieseler 1992; Weber 2013). Als Abhilfe wird bisher versucht,
Randbedingungen zu formulieren wie etwa die Minimierung der potentiellen Energie oder die minimale Quadratsumme der Winkelinkremente, damit das Menschmodell 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 Arbeitsvorgänge durch. Dabei werden die Bewegungsdaten durch Verfolgung bestimmter
Menscheenähnliche Puuppe als Eingaabegerät für diie Menschsimu
mulation
693
Schlüsseel-Punkte am menschlicheen Körper räu
umlich und zeitlich
z
aufgeezeichnet.
Anschlieeßend werdenn die Beweguungsdaten auff das digitalee Menschmoddell übertragen (M
Mapping) (Meenache 2010).. Das Motion Capturing fühhrt zwar aus P
Prinzip zu
realistiscchen Bewegunngen (Arlt 19999). Jedoch ist
i der finanzielle Aufwandd je nach
System mit
m Hardwareekosten bis zuu € 250.000 nicht
n
unerhebblich. Weiterhhin ist die
Durchfühhrung der Bewegungsaufzzeichnung miit hohem Auufwand verbuunden, da
häufig ein Prototyp von
v Produkt und/oder
u
Betriiebsmittel nottwendig ist. Z
Zusätzlich
ng notwendigg (Menache 20010). Die
ist in der Regel eine extensive Dattenaufbereitun
resultiereenden Beweggungen sind zudem
z
unabhäängig von Einnflussparamettern, d. h.
Änderunngen (z. B. duurch eine neuee Schrauberpo
osition) sind zunächst
z
nichtt direkt in
der Simuulationsumgebbung durchfühhrbar (Arlt 199
99).
Abbildun
ng 1: Beweguungsgenerierung durch Keyfframing
Ein weitterer Ansatz zur
z Generierunng von Beweg
gungen ist diee parametrischhe Bewegungsgennerierung. Die Bewegung des
d Menschm
modells erfolgtt hierbei auf B
Basis von
typischenn, von Parameetern abhängigen, idealen Bewegungsmu
B
ustern, die in L
Laborstudien abggeleitet wurdenn (Schönherr 2014; Gläserr et al. 2014). Bei der Ersteellung der
Simulation werden diie Parameter zum einen vom Benutzer gesetzt (z. B
B. Art der
Verrichtuung) und zum
m anderen vom
m Programm aus
a der Simulaationsumgebuung ermittelt (z. B.
B Position dees Betriebsmitttels). Bei dieeser Art der Bewegungsgen
B
nerierung
besteht die Problemaatik, dass diee Ableitung von Beweguungen aller m
möglichen
Verrichtuungen mit alllen möglichenn Parametern einen immenssen Aufwand darstellt.
Zusätzlicch ist es beii komplexen Bewegungen
n (etwa zur Kollisionsverm
K
meidung)
bisher nooch nicht mögglich ideale Beewegungsmusster abzuleitenn (Gläser et al. 2014).
2.2
Gestaltartige Eingab
begeräte
Als gestaltartige Einggabegeräte solllen in diesem
m Beitrag solcche bezeichnett werden,
die in ihrrer physikalisschen Form ein Abbild einees zu manipuliierenden digittalen Modells darrstellen. In andderen Bereichhen wurden geestaltartige Einngabegeräte bbereits erfolgreichh eingesetzt unnd zeigten inssbesondere, daass diese einffach und intuittiv zu bedienen siind. An dieserr Stelle sollen ausgewählte Beispiele darggestellt werdeen.
694
Wieg
gmann, Davidd; Brüggemannn, Holger
Über denn Einsatz gesttaltartiger Einngabegeräte in
n der Filminduustrie berichteen bereits
Knep et al. (1995) miit ihrem Dinoosaur Input Device
D
(DID). Im Film Juraassic Park
wurden mit
m Eingabegeeräten in Form
m von Dinosaauriern virtuelle Dinosaurier in computeranim
mierten Szeneen beim Keyfr
framing manip
puliert. Eine Weiterentwick
W
klung dieser Techhnik wurde im
m Film Starshipp Troopers an
ngewandt, wo für computerranimierte
Szenen sog. Bugs mit
m einem enntsprechenden Eingabegeräät kontrolliertt wurden
(Hayes 1998). Den Einsatz
E
eines menschenäh
hnlichen Einggabegeräts besschreiben
erstmals Esposito et al.
a (1995). Ihrr Eingabegeräät Monkey stelllt ein elektroomechanisches Skkelett dar, dessen Maße vom
m 50. Perzenttil der nordam
merikanischen Bevölkerung abggeleitet sind unnd im Maßstaab 1:3 verklein
nert sind. Es besaß
b
35 Freihheitsgrade
und wurdde für Menschhsimulationenn im Rahmen des
d Produktenntwicklungsprrozess bei
Flugzeuggen eingesetztt. Abbildung 2 zeigt das Ein
ngabegerät Monkey
Mo
und dass DID.
Abbildun
ng 2: Monkeyy (links, Hayess 1998) und DID
D (rechts, Knep
K
2014)
Yoshikazzi et al. (20111) entwickelteen ein Eingab
begerät in Form
m einer mensschenähnlichen Puuppe, deren Gelenke
G
mit Antrieben
A
ausg
gestattet sind. Sie verglichenn in einer
Nutzersttudie ihr Eingaabegerät mit aktivierten
a
An
ntrieben, mit passiven
p
Antriieben und
mit der Maus
M
beim Posing.
P
Im Raahmen der Stu
udie konnten die Probandenn mit der
Puppe das
d Menschmoodell schnelleer und präziseer in eine Zieelpose überfühhren. Bei
aktiven Antrieben
A
warren die Probannden zudem schneller
s
als bei
b passiven A
Antrieben.
Dennochh wird erwähnnt, dass die Aussagekraft
A
dieses Ergebnnisses begrennzt ist, da
keine auuf das Menschmodell zugeeschnittene paassive Puppe zur Verfügunng stand.
Eine weeitere Nutzersstudie zeigen Jacobson et al. (2014) auuf. Sie verglichen ihr
modulares, konfigurieerbares System
m, das Gestallten in Form unterschiedliccher Skelette annnehmen kann, mit der Mauss. Ihre Studie ergab unter anderem,
a
dasss man mit
ihrem Syystem sich schhneller an Ziellposen annäheert als mit der Maus.
Da die bisherigen
b
Nuttzerstudien zuur Anwendung
g gestaltartigerr Eingabegerääte keinen
Bezug zur
z arbeitswisssenschaftlicheen Menschsim
mulation nehm
men, ist es fraagwürdig,
inwieweeit sich die Ergebnisse
E
auuf die Simulaation menschllicher Arbeitssprozesse
übertragen lassen.
Menschenähnliche Puppe als Eingabegerät für die Menschsimulation
3
695
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 Rahmen 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 elektromechanisches 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° erfasst. Die Drehbewegungen werden durch binäre Signale über einen OpenCollector-Ausgang kodiert ausgegeben. Durch das binäre Signal ist die Übertragung
der Signale sehr robust. Im Gegensatz zu anderen Sensoren, die bei elektromechanischen 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 Störungen 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 ersetzt 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 notwendig 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 Gelenkeinheit mit einem und mit drei Freiheitsgraden dargestellt.
3.2
Mechanik
Das Eingabegerät basiert auf dem Menschmodell Jack aus Process Simulate und entspricht dem 50. Perzentil männlich nach DIN 33402 im Maßstab 1:5. Das Menschmodell Jack verfügt über insgesamt 68 Gelenke mit 135 Freiheitsgraden (SpannerUlmer und Mühlstedt 2009). Hieraus wurde für die Puppe ein reduziertes kinematisches Skelett mit insgesamt 22 Freiheitsgraden abgeleitet. Gelenkgruppen des JackModells wie etwa der Wirbelsäule oder des Schlüsselbein-Schulter-Verbundes wurden 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 Übereinstimmung zwischen der Körperhaltung des Eingabegeräts und der des Jack-
696
Wieg
gmann, Davidd; Brüggemannn, Holger
Modells.. Das digitalee Modell kannn weiterhin in vollem Umfang
U
mit dder Puppe
manipuliiert werden. Das
D Skelett sieeht keine Man
nipulation der HandH
und Fuußgelenke
vor. Abbbildung 4 stelllt das Skelettt des digitalen
n Modells Jacck und das abbgeleitete
Skelett der
d Puppe gegenüber.
Abbildun
ng 3: Drehgebber (links), Geelenkeinheit mit
m einem Freiiheitsgrad (Mi
Mitte) und
mit drei Freiheitsgradden (rechts)
Abbildun
ng 4: Skelett des
d digitalen Modells
M
(linkss) und abgeleiitetes Skelett ((rechts)
Menscheenähnliche Puuppe als Eingaabegerät für diie Menschsimu
mulation
697
Das Einggabegerät wuurde anschließßend auf Basiss des Skelettss und der verw
wendeten
Drehgebber konstruiertt. Hierbei wurrde ebenfalls versucht
v
sich an der äußereen Gestalt
des digittalen Menschm
modells anzunnähern. Währeend sich die äußere
ä
Haut ddes digitalen Moddells selbst durrchdringen kaann und sich zudem
z
auch verformen lässst, ist dies
bei der Puppe
P
nicht möglich.
m
Dam
mit trotzdem die
d Gelenke der
d Puppe die gleichen
Winkelbbereiche wie die
d des digitaleen Modells ab
bdecken könneen, wurden diee Körperteile der Puppe an enttsprechenden Stellen ausgesspart. Die einzzelnen Gliedeer der GeR
in ihhrer Stellung gehalten, soddass diese nacch Betätilenke weerden durch Reibung
gung in ihrer Positionn bleiben. Abbbildung 5 stelllt die Konstrruktion des Eiingabegeräts und das Menschm
modell Jack geegenüber.
ng 5: Konstruuktion des Einggabegeräts im
m Vergleich zuum Menschmoodell Jack
Abbildun
3.3
Schnittste
elle
Für das Eingabegeräät wurde einee Schnittstellee zu Process Simulate geeschaffen,
sodass das
d Eingabegerät direkt in einer
e
Simulatio
onsumgebungg genutzt werdden kann.
Hierfür wurde
w
eine Stteuereinheit enntwickelt, diee die Winkelsttellungen des Eingabegeräts auuf das digitale Menschmodeell übertragen.
In der Stteuereinheit werden
w
die koddierten binären
n Signale der Sensoren zunäächst von
Mikrokoontrollern erfaasst. Diese deekodieren die Signale und wandeln sie in einen
Winkel um. Die Mikkrokontroller sind als Slav
ve-Teilnehmerr an einen B
Bus angeschlossenn und sendenn den Winkel an einen Masster-Teilnehm
mer, der über ddie USBSchnittsttelle an den Computer
C
anggeschlossen wird,
w
auf dem die Simulatioon durchgeführt wird.
w
Über diie Programmiierschnittstellee von Processs Simulate wuurde eine
Anwenddung program
mmiert, die diie Winkelstelllungen des Eingabegeräts
E
s aus der
Steuereinnheit liest. Annschließend erfolgt
e
ein Maapping der einngelesenen W
Winkelstellungen auf
a das digitaale Menschm
modell in der Simulationsuumgebung, soodass die
698
Wieg
gmann, Davidd; Brüggemannn, Holger
Körperhaltung der Puuppe mit der des
d digitalen Menschmodells annäherndd übereinstimmt.
3.4
Bedienung
g und erste
er Test des
s Eingabegeräts
Gemäß beschriebener
b
r Konstruktionn wurde ein Prototyp anggefertigt, der iin Abbildung 6 dargestellt
d
ist. Dabei wurdeen funktionsgeebende Teile durch klassiscche Fertigungsverrfahren und komplexe
k
form
mgebende Bau
uteile durch additive
a
Fertiggungsverfahren hergestellt.
h
Zuur besseren Handhabung wurde
w
die Puppe an einem Mast befestigt, sodass
s
der Annwender mit beiden
b
Händeen die Gelenkke der Puppe eeinstellen
kann. Das Eingabegeerät wird direekt am Simullationsarbeitspplatz in der N
Nähe des
Bildschirrms positionieert, auf dem die
d Simulation
nsumgebung dargestellt
d
wirrd. Indem
die Geleenke der Pupppe eingestellt werden
w
und dadurch
d
diese eine gewünscchte Körperhaltunng einnimmt, wird direkt das
d digitale Menschmodell
M
l manipuliert. Der Anwender kann dann Mithilfe dees Eingabegeerätes innerhhalb der Annwendung
Keyfram
mes erstellen, aus
a denen dannn die gewünschte Bewegunng erzeugt wirrd.
Abbildun
ng 6: Prototypp des Eingabeegeräts
In einem
m ersten Test, in
i denen Probbanden das Meenschmodell sowohl
s
mit deem Eingabegerät als
a auch mit der Maus in bestimmte Kö
örperhaltungeen brachten, eerhielt die
Puppe eiin positives Feedback.
F
Diee Probanden gaben
g
an, dass sie im Verggleich zur
Maus zuufriedener mitt dem Eingabbegerät waren
n. Weiterhin nahmen
n
sie die Bedienung alss komfortablerr wahr und koonnten zudem
m Keyframes in
i kürzerer Zeeit erzeu-
Menschenähnliche Puppe als Eingabegerät für die Menschsimulation
699
gen. Für verlässliche quantitative Aussagen hierzu werden in Zukunft weitere Versuche durchgeführt.
Im weiteren Ablauf der Entwicklung soll das Eingabegerät weiter optimiert werden,
mit dem Ziel die Eingabezeiten während der Simulation zu verkürzen. Ein Aspekt ist
hierbei die Übereinstimmung der Körperhaltung zwischen der Puppe und dem digitalem Menschmodell zu verbessern, damit der Benutzer während des Posings
weniger Rückmeldung aus der Simulationsumgebung benötigt.
4
Zusammenfassung und Ausblick
Durch frühzeitige Einflussnahme auf den Produktionsplanungs- und Gestaltungsprozess bietet die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation großes Potenzial die
Ergonomie und die Produktivität manueller Produktionsprozesse zu verbessern.
Dennoch wird die arbeitswissenschaftliche Menschsimulation bisher verhältnismäßig 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 Nutzerstudien die Gebrauchstauglichkeit des Eingabesystems evaluiert werden.
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