Assistenzsystem Augmented Reality in der Fabrikhalle

Autor / Redakteur: Daniel Röltgen, Dr. Frank-Peter Schiefelbein* / Johann Wiesböck

Augmented Reality ist vielen vor allem im Zusammenhang mit Pokémon Go bekannt und weniger als Assistenzsystem für die Industrie. Dementsprechend galten AR-Brillen lange als Accessoire für Digital-Nerds. Doch die Technologie kann weit mehr und das erkennen Unternehmen zunehmend.

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Vereinfachte Instandhaltung: Durch Augmented Reality können Mitarbeiter gezielt durch einzelne Arbeitsschritte geführt werden – ob von einem anderen Techniker oder von einer Software.
Vereinfachte Instandhaltung: Durch Augmented Reality können Mitarbeiter gezielt durch einzelne Arbeitsschritte geführt werden – ob von einem anderen Techniker oder von einer Software.
(Bild: Fraunhofer IEM)

Die digitale Transformation hat mittlerweile alle Bereiche der Wirtschaft erfasst: ob Großkonzern oder Kleinbetrieb, vom Automobilhersteller bis zur Traditionsbrauerei. Mit der Digitalisierung kommen auch digitale Technologien in die Fabrikhallen, die vorher eher in anderen Umgebungen heimisch waren. Und so wird es wohl schon in naher Zukunft an immer mehr Arbeitsplätzen zum Alltag gehören, dass Techniker mit AR-Brillen an Maschinen arbeiten.

Doch was kann Augmented Reality in Produktionsumgebungen und für die Arbeit mit Maschinen konkret leisten? Und wie wird die Technologie in die bestehenden Systeme integriert? Das sind einige der Fragen, die zurzeit in der Technologieentwicklung auf diesem Gebiet bearbeitet werden. Einsatzmöglichkeiten für Augmented Reality finden sich dabei branchenübergreifend entlang der gesamten Wertschöpfungskette eines Unternehmens: von der Produktentwicklung über die Produktion und Logistik bis hin zum After-Sales-Service.

Realität + virtuelle Zusatzinformationen = Augmented Reality

Zunächst eine kurze Definition: Unter Augmented Reality wird eine computergestützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung verstanden. Anders als bei Virtual Reality wird dabei das tatsächliche Sichtfeld eines Betrachters abgebildet und lediglich durch virtuelle Elemente wie Grafiken, Text oder Videos erweitert – nicht komplett ersetzt. In der Vergangenheit wurde die Realität zum Teil abgefilmt und auf einem Bildschirm angezeigt.

Bei diesem Bildschirm kann es sich um ein Smartphone, ein Tablet oder um eine Datenbrille handeln. Vor allem in diesen Brillen liegt die Zukunft von Augmented Reality in Produktionsumgebungen: Denn smarte Datenbrillen haben das Potenzial, die momentan in vielen Industriezweigen genutzten Bedienelemente zu verdrängen.

Derzeit erfolgt die Eingabe von Informationen in technische Geräte zumeist noch klassisch über eine Tastatur oder eine Maus, per Schalter oder einen Touchscreen. Im Zusammenspiel mit AR-Anwendungen könnten solche Datenbrillen aktuelle Brückentechnologien wie Smartphones und Tablets ablösen.

Doch viele der bisher erhältlichen Datenbrillen sind für die private Nutzung vorgesehen und für industrielle Anwendungen nicht oder nur eingeschränkt geeignet. Sie verfügen meist über eine schlechte Ergonomie, geringe Akku-Laufzeit und einen kleinen Betrachtungswinkel. Zudem weist die verwendete Software zumeist Mängel bei Datenschutz und -sicherheit auf.

Die Techniker haben die Arbeit immer im Blick

Durch Augmented Reality in der Produktion lassen sich zahlreiche Arbeitsschritte vereinfachen und beschleunigen
Durch Augmented Reality in der Produktion lassen sich zahlreiche Arbeitsschritte vereinfachen und beschleunigen
(Bild: Siemens AG)

Die Vorteile der neuen Technologie für ihren Einsatz in der Produktion sind vielfältig. So bringen die Datenbrillen die Realität und die Information zugleich ins Blickfeld. Bisher müssen die Informationen, etwa einzelne Schritte bei einer Reparatur, von einem Medium – wie etwa einem Bildschirm – eingeholt werden. Auf diese Weise ist der Techniker gezwungen, seinen Körper (oder zumindest seinen Blick) weg von der eigentlichen Arbeit hin zur Informationsquelle zu richten. Eine Situation, die prädestiniert ist, um Fehler zu produzieren.

Weiterer Vorteil der Datenbrille: Der Techniker hat die Hände frei. Wird die AR-Anwendung hingegen auf einem Tablet genutzt, kann zwar die Information zusätzlich zur Abbildung der Realität auf dem Bildschirm eingeblendet werden. Um aber anschließend den nötigen Arbeitsschritt auszuführen, muss das Tablet weggelegt werden und der Arbeiter hat die Informationen nicht mehr vor Augen.

In dem Forschungsprojekt Glass@Service aus dem Technologieprogramm „Smart Service Welt – Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft“ des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) gehen die Entwickler sogar noch einen Schritt weiter: Hier werden Bausteine für eine smarte Datenbrille entwickelt, die es dem Anwender ermöglicht, die AR-Software durch Augenbewegungen und Gesten zu steuern.

Die Brille, die dort entwickelt wird, verfügt über eine Durchsicht-Optik. Das heißt, dass die Realität nicht abgefilmt wird, sondern durch die Gläser der Brille hindurch betrachtet werden kann. Dies ist zwar in der Umsetzung deutlich komplexer, hat aber den Vorteil, dass keinerlei Zeitverzögerungen beim Abbilden auftreten können.

Software mit den Händen und den Augen steuern

Die Glass@Service-Brille verfügt über hochauflösende Mikrodisplays und kann sowohl Daten anzeigen als auch aufzeichnen. Informationen werden in einem großen Sichtbereich, bei hohem Kontrast und an korrekter Position angezeigt. Bisher verfügbare Sensorik und Algorithmen werden erweitert, wie etwa das so genannte Eye-Tracking, bei dem die Augenbewegungen des Nutzers verfolgt werden.

Dank dieser Technologie sowie einem 3D-Tiefensensor und einer Hand-Erkennung kann die Software Entscheidungen aus den erfassten Handbewegungen oder dem Ändern der Blickrichtung ableiten. Somit entfällt die Unterbrechung des Arbeitsablaufs zur Eingabe von Informationen an einer Tastatur oder einem Touchscreen.

Bewegungsabläufe wie zum Beispiel ständige Kopf- oder Körperdrehungen von der Arbeitsfläche zum PC-Monitor und zurück lassen sich vermeiden – was sowohl aus ergonomischer als auch aus arbeitswissenschaftlicher Sicht sinnvoll ist, da eine potenzielle Fehlerquelle ausgeschaltet wird.

Zu den Anwendungsmöglichkeiten einer smarten AR-Brille im Produktionskontext gehört eine Vereinfachung von Aufgaben, beispielsweise in Instandhaltungsprozessen: Der Techniker wählt das zu wartende System aus oder die AR-Brille identifiziert das System selbstständig. Die Software erkennt anschließend die zur Anlage gehörenden Geräte und erstellt auf Basis verschalteter Zeichnungen automatisch ein hierarchisch gegliedertes Instandhaltungsabbild.

Wird der Instandhaltungsablauf auf der Brille aktiviert, werden auf dem Display alle relevanten Komponenten dargestellt, etwa die Steuerungen, Schaltgeräte und Antriebe. Die Software oder auch ein geschulter Spezialist vor seinem Laptop ermittelt den Status der Anlage und führt den Techniker dann gezielt durch die einzelnen Arbeitsschritte.

Informationseinblendungen – weniger ist mehr

Mithilfe der smarten Datenbrillen lassen sich also zahlreiche Arbeitsschritte vereinfachen und beschleunigen. Eine weitere Verbesserung zu bisherigen Prozessen ist der hohe mögliche Individualisierungsgrad der Software. Dem Träger der Brille werden nur die Informationen angezeigt, die er wirklich benötigt und die seinem Ausbildungs- und Kenntnisstand entsprechen.

Statt ihn mit überflüssigen Informationen zu überfordern, werden ihm nur solche Daten eingeblendet, die er tatsächlich versteht und braucht. Der Techniker wird dadurch entlastet und bei seiner eigentlichen Tätigkeit unterstützt. Auch bei den weiteren Einsatzfeldern, wie Schulungen, Wartungs- oder Instandhaltungsprozessen, wirkt sich die Möglichkeit zur Individualisierung positiv aus.

Fehler können zudem durch automatische Quittierung und die visuelle Kontrolle von Arbeitsschritten vermieden werden – was wiederum zu nachhaltigen Qualitätssteigerungen führt. Zu den Vorteilen von AR-Technologien zählen auch Zeit- und Kosteneinsparungen bei der Dokumentation von Abläufen. So kann ein Prozess, der mithilfe von Augmented Reality durchgeführt wird, einfach digital archiviert und nachvollzogen werden. Dadurch entfällt sowohl der Zeitaufwand für die Dokumentation als auch für die aufwandsintensive Informationssuche in papierbasierten Archiven.

Für den Mittelstand zu teuer?

Bei der Entwicklung von AR-Anwendungen stehen gerade mittelständische Unternehmen zurzeit noch vor großen Herausforderungen: Zum einen entfaltet Augmented Reality sein volles Potenzial nur in bereits digitalisierten Produktionsumgebungen, in denen die nötigen Sensoren, Schnittstellen und digitalen Fertigungsdaten bereits vorhanden sind. Zum anderen ist nicht jede Anwendung für jedes Unternehmen geeignet und die Entwicklung von AR-Anwendungen erfordert einen enormen Aufwand sowie ein beträchtliches Maß an Expertise.

Der Anwenderkreis von AR-Technologien beschränkt sich daher aktuell zum Großteil auf Konzerne. Um Augmented Reality für den Mittelstand einfacher zugänglich zu machen, widmet sich ein weiteres Projekt aus dem Technologieprogramm Smart Service Welt des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, AcRoSS, der Entwicklung einer Service-Plattform mit wiederverwendbaren, modular kombinierbaren AR-Software-Bausteinen.

Letztere dienen dazu, dass jedes Unternehmen zeit- und kosteneffizient AR-Anwendungen individuell auf seine Bedürfnisse maßschneidern kann. Mit Hilfe semantischer Technologien und einer intuitiv zu bedienenden Konfigurationssoftware können die Bausteine ohne spezifisches Expertenwissen zu komplexen AR-Anwendungen verknüpft werden.

Über die Plattform können alle nötigen Daten zwischen den verwendeten AR-Geräten (also etwa Datenbrillen oder auch Tablets), Produktions- und Logistiksystemen sowie unternehmensinternen Software-Anwendungen abgerufen, ausgetauscht und miteinander vernetzt werden. Eine Herausforderung ist dabei die Verbindung mit unterschiedlichen Softwaresystemen und Maschinen, die mit den AR-Anwendungen zusammenarbeiten sollen.

Die Plattform muss hochkomplexe Aufgaben erfüllen und dabei benutzerfreundlich gestaltet sein, um eine einfache Konfiguration neuer Anwendungen zu ermöglichen. Zudem muss zu jeder Zeit die Sicherheit der Daten gewährleistet sein. Indem der Aufwand für die Entwicklung von AR-Software reduziert wird, soll insbesondere kleinen und mittleren Unternehmen der Zugang zu dieser Zukunftstechnologie erleichtert werden – so der Wille der AcRoSS-Projektpartner.

Mit Augmented Reality zu neuen Ufern – Links zum Thema

In welchem Ausmaß Augmented Reality die Industrie verändert, lässt sich heute erst grob erahnen, doch die Vorzüge der Technologie für die Produktion liegen klar auf der Hand. Für Unternehmen ist es daher interessant, sich schon heute damit auseinanderzusetzen. Zudem können Projekte wie AcRoSS mittelständischen Unternehmen Wege zu neuen Geschäftsmodellen aufzeigen.

Webseite des Technologieprogramms Smart Service Welt – Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi): www.digitale-technologien.de

Eine Beschreibung des Projektes AcRoSS finden Sie unter:www.digitale-technologien.de/smart-service-welt-projekt_across.html

Mehr Informationen zu Glass@Service finden Sie unter: www.digitale-technologien.de/glassservice.html

Hier geht’s zum Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi): www.bmwi.de

* Daniel Röltgen leitet das Forschungsprojekt AcRoSS im Technologieprogramm Smart Service Welt – Internetbasierte Dienste für die Wirtschaft des BMWi.

* Dr. Frank-Peter Schiefelbein ist für verschiedene Geschäftsbereiche der Siemens AG in Entwicklung, Fertigung und Forschung tätig.

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