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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fabrikplanung mit Hilfe einer
Vorrichtung zum Modellieren von menschlichen Bewegungsabläufen.
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Es
ist bekannt, ein Fabriklayout mittels auf Modellen basierenden Simulationen
von Fertigungsabläufen zu planen. Die
DE 102 40 338 A1 zeigt
ein Verfahren und eine Anordnung zur Prozessplanung von Fertigungsschritten.
Das spätere Montagelayout kann mittels der Simulationen
noch vor einer tatsächlichen Verkörperung auf
die späteren Produktionsabläufe abgestimmt beziehungsweise
optimiert werden. Ferner ist es bekannt, zusätzlich Modelle
von menschlichen Bewegungsabläufen in eine Layout- und
Prozessplanung von Montageanlagen mit einzubeziehen. Die Dissertationsschrift
"System zur effizienten Layout- und Prozessplanung von hybriden
Montageanlagen", Ulrich Roßgoderer, Lehrstuhl für
Montagesystemtechnik und Betriebswissenschaften der Technischen
Universität München, beschreibt eine solche Vorgehensweise.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine verbesserte Fabrikplanung zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe ist mit einem Verfahren zur Fabrikplanung mit Hilfe einer
Vorrichtung zum Modellieren von menschlichen Bewegungsabläufen
mit folgenden Schritten gelöst: Durchführen eines
realen menschlichen Bewegungsablaufs, Ermitteln eines Abbild des
realen menschlichen Bewegungsablaufs und Überführen
des Abbilds in ein Bewegungssimulationsmodell. Unter menschlichem
Bewegungsablauf kann ein beliebiger Bewegungsablauf, beispielsweise
ein beliebiger humanoider Bewegungsablauf verstanden werden, wie
er beispielsweise von einer Person durchführbar ist. Vorteilhaft
kann der menschliche Bewegungsablauf in Echtzeit aufgezeichnet werden.
Für verschiedene Werkzeuge einer sogenannten digitalen
Fabrik, wie sie zur Fabrikplanung verwendbar ist, können
sogenannte Menschmodelle beziehungsweise das menschliche Bewegungssimulationsmodell
verwendet werden. Dem menschlichen Bewegungssimulationsmodell können kinematische
Informationen zu Grunde liegen. Vorteilhaft wird das ermittelte
Abbild in das Bewegungssimulationsmodell überführt. Üblicherweise
notwendige Schritte, die einen hohen manuellen Aufwand zum Erstellen
einzelner Bewegungen für verschiedene Körperachsen
und Gliedmaßen zum händischen Programmieren der
Menschsimulationsmodelle erfordern, sind nicht notwendig. Vorteilhaft
ist es möglich, eine exakte Modellbildung für
spezifische Zielgruppen vorzunehmen. Hierfür können
entsprechend geeignete Probanden den realen menschlichen Bewegungsablauf
durchführen. Außerdem können aufgrund
des erhaltenen menschlichen Bewegungssimulationsmodells Analysen
von Arbeitsräumen sowie Reichweiten zur Arbeitsplatzgestaltung
vorgenommen werden. Außerdem ist es möglich, darauf basierend
Zeitanalysen auf Basis der sogenannten MTM-1-Methode durchzuführen.
Ferner können Ergonomieanalysen, wie zum Beispiel Anheben,
Körperhaltung sowie Energieeinsatz durchgeführt
werden. Insgesamt ergibt sich eine authentischere Kinematik von
mittels des Bewegungssimulationsmodells simulierbaren virtuellen
Bewegungsabläufen. Schließlich ist es möglich,
eine Dokumentation zu erstellen, beispielsweise Ergonomieberichte
und animierte Arbeitsanweisungen.
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Bei
einer Ausführungsform des Verfahrens ist folgender Schritt
vorgesehen: Durchführen des realen menschlichen Bewegungsablaufs
mittels einer Person in einem Arbeitsumfeld. Vorteilhaft kann sich die
Person in dem Arbeitsumfeld orientieren, in gewisser Weise mit diesem
interagieren und sich mithin in typischer Art und Weise bewegen.
Es ist möglich, dass es sich bei dem Bewegungsablauf um
einen typischen Arbeitsschritt, beispielsweise das Anheben und Transportieren
eines Gegenstandes, handelt. Vorteilhaft kann daraus beispielsweise
eine Ablaufsimulation von Werktätigkeiten zur Planung einer
Fertigungszelle generiert werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Durchführen des realen menschlichen
Bewegungsablaufs in einem mit Planungshilfsmitteln versehenen Planungsszenario
des Arbeitsumfeldes. Vorteilhaft kann der reale menschliche Bewegungsablauf
in einer typischen Art und Weise sowie räumlichen Orientierung
erfolgen, ohne dass die zu planende Fabrik bereits tatsächlich
real existiert. Zur Orientierung genügen schnell auf- und
abbaubare Planungshilfsmittel.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Ermitteln des Abbilds des realen menschlichen
Bewegungsablaufs mittels eines Tracking-Systems. In Betracht kommen
beispielsweise videobasierte oder auch infrarotbasierte Tracking-Systeme.
Sogenannte Tracking-Systeme werden beispielsweise verwendet, um
Augmented-Reality-Anwendungen durchzuführen. Die
DE 10 2004 051 600
B4 sowie die
DE
10 2005 058 240 A1 zeigen beispielhaft solche Systeme.
Mittels des Tracking-Systems kann beispielsweise die Position der
den menschlichen Bewegungsablauf durchführenden Person über
einen zeitlichen Ablauf ermittelt werden. Die Position der Person
kann dabei in allen sechs translatorischen und rotatorischen Freiheitsgraden
ermittelbar sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen,
dass das Tracking-System zumindest eines der folgenden Merkmale
aufweist: Zumindest einen Bildgeber, an der Person und/oder den
Planungshilfsmitteln anbringbare Marker und/oder eine der Person
zuordenbare mechanische Körpertracking-Vorrichtung. Vorteilhaft
kann so die Position der Person über die Zeit ermittelt
werden. Die Marker können mittels des Tracking-Systems auswertbare
Positionsinformationen liefern. Für den Fall, dass bestimmte
Bereiche des menschlichen Bewegungsablaufs für den Bildgeber
des Tracking-Systems verdeckt sind, kann vorteilhaft die mechanische Körpertracking-Vorrichtung
zusätzliche Informationen liefern. Die Körpertracking-Vorrichtung
kann beispielsweise eine Absolutposition, eine Relativposition und/oder
eine Winkelstellung eines Körpergelenks der Person aufzeichnen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Zeitliches Auflösen des Abbilds des
realen menschlichen Bewegungsablaufs mittels eines Zeittakts. Vorteilhaft können
so beispielsweise verschiedene Videostreams und/oder Daten der Körpertracking-Vorrichtung,
also mehrerer verschiedener Gebersysteme zeitlich miteinander synchronisiert
werden.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Räumliches Auflösen des Abbilds
des realen menschlichen Bewegungsablaufs mittels Koordinaten. Die
Koordinaten können beispielsweise den zeitlichen Positionsverlauf
von speziellen beobachteten Punkten, beispielsweise den Markierungen,
beschreiben.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Korrelieren und/oder Parametrieren von zumindest
einer Bewegungssimulationsfunktion des Bewegungssimulationsmodells
auf die zeitliche und/oder räumliche Auflösung.
Vorteilhaft kann durch diesen Schritt die Bewegungssimulationsfunktion
so an den aufgezeichneten Bewegungsablauf angepasst werden, dass diese
ein für den aufgezeichneten Bewegungsablauf und damit für
die diesen ausführende Person oder dieser Person ähnliche
Personen ein besonders exaktes Modell liefert. Vorteilhaft kann
dieser Schritt automatisiert erfolgen, so dass eine aufwändige
händische Parametrierung des Bewegungssimulationsmodells
nicht notwendig ist. Vorteilhaft ist das Bewegungssimulationsmodell
ohne händischen Aufwand an eine Versuchsperson anpassbar.
Vorteilhaft kann also durch die Auswahl einer einen bestimmten Menschentyp
besonders gut repräsentierenden Person das Bewegungssimulationsmodell
auf einen solchen Personenkreis angepasst werden. Es ist also möglich,
das Bewegungssimulationsmodell durch die Auswahl entsprechender
Versuchspersonen, beispielsweise länderspezifisch und/oder
geschlechtsspezifisch auf einfache Art und Weise anzupassen.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist folgender
Schritt vorgesehen: Manipulieren von Gegenständen des Arbeitsumfelds
während des realen menschlichen Bewegungsablaufs. Vorteilhaft
können die manipulierten Gegenstände in das Bewegungssimulationsmodell
eingerechnet werden, beispielsweise zum Erstellen einer Ergonomieanalyse
und/oder zum Überprüfen hinterlegter Bewegungssimulationsfunktionen
zur Simulierung einer gewissen Belastung einer virtuellen Person.
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Die
Aufgabe ist außerdem mit einer Vorrichtung zur Verarbeitung
von EDV-Daten, softwaretechnisch eingerichtet und/oder ausgelegt
zum Ausführen des vorab beschriebenen Verfahrens gelöst.
Es ergeben sich die vorab beschriebenen Vorteile.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel der Vorrichtung ist vorgesehen,
dass diese ein Tracking-System aufweist. Mittels des Tracking-Systems
kann das Abbild des realen menschlichen Bewegungsablaufs ermittelt
werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder
funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Planungsszenarios einer Fabrikplanung
mit einer Vorrichtung zum Modellieren von menschlichen Bewegungsabläufen;
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2 eine
dreidimensionale Ansicht von schräg oben eines weiteren
Planungsszenarios mit realen Personen; und
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3 eine
dreidimensionale Ansicht von schräg hinten oben einer simulierten
Person in Interaktion mit einem simulierten virtuellen Arbeitsumfeld.
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1 zeigt
eine schematische Ansicht einer Vorrichtung 1 zum Modellieren
von menschlichen Bewegungsabläufen als Teil eines Planungsszenarios 3 zur
Fabrikplanung beziehungsweise Fabriklayoutplanung. Das Planungsszenario 3,
das beispielsweise im Rahmen eines Planungsworkshops aufbaubar ist, weist
Planungshilfsmittel 5 sowie eine mit diesen interagierende
reale Person 7 auf. Es ist jedoch auch denkbar, anstelle
der Planungshilfsmittel 5 eine bereits existierende Fertigungszelle
zu verwenden. Die Planungshilfsmittel 5 sowie die reale
Person 7 können mittels eines Tracking-System 9 abgebildet
werden, wobei ein Abbild 19 eines realen Bewegungsablaufs
der realen Person 7 ermittelbar ist. Das Tracking-System 9 kann
hierzu zumindest einen Bildgeber 11 aufweisen, beispielsweise
zwei Videokameras oder Infrarot-Bildgeber. Um den Bewegungsablauf der
realen Person 7 besser aufzeichnen zu können, insbesondere
um verdeckte Bereiche ebenfalls erfassen zu können, kann
die Person 7 eine Körpertracking-Vorrichtung 13 aufweisen.
Mittels der Körpertracking-Vorrichtung 13 kann
beispielsweise eine relative Position, eine absolute Position und/oder
eine Winkelstellung eines Körpergelenks der realen Person 7 ermittelbar
sein. Zusätzlich können die Planungshilfsmittel 5 sowie
die reale Person 7 Markierungen 15 aufweisen,
die ebenfalls mittels der Bildgeber 11 erfassbar sind,
beispielsweise um Rückschlüsse auf entsprechende
Positionen der Planungshilfsmittel 5 beziehungsweise der
realen Person 7 zu ermöglichen. Die Vorrichtung 1 weist
eine Zentraleinheit 17, insbesondere ausgelegt zum Speichern,
Verarbeiten und/oder Errechnen des Abbilds 19 des Bewegungsablaufs
der Person 7 auf. Die Zentraleinheit 17 kann in
weitere Untereinheiten zerfallen, beispielsweise Teile des Tracking-Systems 9 aufweisen.
Die Zentraleinheit 17 weist eine Modellierungseinheit 21 auf,
mittels der das Abbild 19 in ein Bewegungssimulationsmodell überführbar
ist. Mittels der Zentraleinheit 17 kann das ermittelte
Abbild 19 sowohl zeitlich, beispielsweise mittels eines
Zeittakts, als auch räumlich, beispielsweise mittels Koordinaten,
aufgelöst und/oder synchronisiert werden. Daten der unterschiedlichen
Geber 11, 13 können zu dem Abbild 21 zusammengeführt
werden. Zum Überführen des Abbilds 21 in
das Bewegungssimulationsmodell kann die Modellierungseinheit zumindest
eine Bewegungssimulationsfunktion beziehungsweise eine Vielzahl
von Bewegungssimulationsfunktionen auf das zeitlich und/oder räumlich
aufgelöste Abbild 19 korrelieren beziehungsweise
parametrieren.
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Vorteilhaft
kann die reale Person 7 Gegenstände manipulieren,
beispielsweise eines der Planungshilfsmittel 5, wobei der
manipulierte Gegenstand ebenfalls mittels der Modellierungseinheit 21 in das
Bewegungssimulationsmodell einrechenbar ist.
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2 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines weiteren realen Planungsszenarios 3,
versehen mit Planungshilfsmitteln 5. Das Planungsszenario 3 stellt
eine spätere Fertigungszelle 23 eines zu planenden
Fabriklayouts dar. Hierzu sind mehrere Planungshilfsmittel 5,
die jeweils eine der Markierungen 15 aufweisen, in den
späteren Abmaßen der geplanten Fertigungszelle 23 innerhalb
des Planungsszenarios 3 angeordnet. Zwischen den Planungshilfsmitteln 5 kann
eine oder mehrere der Personen 7 sich so bewegen, wie sie
dies in der späteren fertig gestellten Fertigungszelle 23 tun
würde. Vorteilhaft kann dieser Bewegungsablauf mittels
der Vorrichtung 1 und der Modellierungseinheit 21 in
ein entsprechendes Bewegungssimulationsmodell überführt
werden.
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3 zeigt
eine virtuelle Person 25 in Interaktion mit einem virtuellen
Arbeitsumfeld 27. Es ist möglich, simulierte Bewegungsabläufe
der virtuellen Person 25, basierend auf dem mittels der
Modellierungseinheit 21 parametrierten Bewegungssimulationsmodell
zur weiteren Planung des virtuellen Arbeitsumfelds 27 zu
verwenden. Es können vorteilhaft vorab simulierte Bewegungen
der virtuellen Person beobachtet werden, wobei das virtuelle Arbeitsumfeld
an die virtuelle Person 25 optimal anpassbar ist.
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Es
werden menschliche Bewegungsabläufe in Echtzeit aufgezeichnet.
Für verschiedene Werkzeuge einer sogenannten digitalen
Fabrik, zum Beispiel einer Menschsimulation beziehungsweise Ergonomieuntersuchungen
in einem eM-Human genannten beziehungsweise unter diesem Namen bekannten
System, können Menschmodelle mit kinematischen Informationen
eingesetzt werden. Vorteilhaft können diese Modelle mittels
der Vorrichtung 1 beziehungsweise mittels der Modellierungseinheit 21 der
Vorrichtung 1 ohne großen manuellen Aufwand, beispielsweise
eine sonst notwendige händische Programmierung für
einzelne Bewegungen für verschiedene Körperachsen
und Gliedmaßen, angepasst beziehungsweise parametriert
werden. Im Rahmen einer Prozessplanung können reale Testabläufe
beziehungsweise Bewegungsabläufe stattfinden, in denen
die realen Personen reale Arbeitsschritte ausführen beziehungsweise
durchlaufen. Die Aufzeichnung beziehungsweise die Ermittlung des Abbilds 19 der
Bewegungen der realen Personen 7 während der realen
Testabläufe ermöglicht die automatische Erstellung
des menschlichen Bewegungssimulationsmodells mittels der Vorrichtung 1,
wobei zu einem späteren Planungszeitpunkt vorteilhaft authentischere
virtuelle Bewegungen simulierbar sind, als dies mit bisherigen manuell
erstellten Modellen möglich war.
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Die
so generierten Bewegungssimulationsmodelle ermöglichen
eine exakte Modellbildung für spezifische Zielgruppen,
Analyse von Arbeitsräumen und Reichweite zur Arbeitsplatzgestaltung,
Zeitanalysen auf Basis der MTM 1-Methode, Ergonomieanalysen, wie
zum Beispiel, Anheben, Körperhaltung und Energieeinsatz,
authentische Kinematik sowie Generierung von Dokumentationen, beispielsweise Ergonomieberichte
und animierte Arbeitsanweisungen. Vorteilhaft werden beispielsweise
Laufwege mittels des Tracking-Systems 9, beispielsweise
optisch, aufgezeichnet. Hierzu können gegebenenfalls die entsprechenden
Markierungen 15 an den realen Personen 7 angebracht
werden. Das Tracking-System 9 kann sowohl infrarot- als
auch videobasierte Bildgeber 11 aufweisen. Aufgrund von
Sichtverdeckungen können Bewegungsabläufe einzelner
Gliedmaßen der Personen 7 nicht optisch aufgezeichnet
werden. Vorteilhaft kann dazu ein zusätzliches mechanisches Körpertracking-System,
beispielsweise die Körpertracking-Vorrichtung 13,
zur Aufzeichnung verwendet werden. Die aufgezeichneten Koordinaten
und Orientierungen der betrachteten Punkte können über eine
Taktzeit synchronisiert und in das Bewegungssimulationsmodell überführt
werden.
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- 1
- Vorrichtung
- 3
- Planungsszenario
- 5
- Planungshilfsmittel
- 7
- reale
Person
- 9
- Tracking-System
- 11
- Bildgeber
- 13
- Körpertracking-Vorrichtung
- 15
- Markierungen
- 17
- Zentraleinheit
- 19
- Abbild
- 21
- Modellierungseinheit
- 23
- Fertigungszelle
- 25
- virtuelle
Person
- 27
- virtuelles
Arbeitsumfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10240338
A1 [0002]
- - DE 102004051600 B4 [0007]
- - DE 102005058240 A1 [0007]