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E-Book

Konzept eines immersiven Assistenzsystems mit Augmented Reality zur Unterstützung manueller Aktivitäten in radioaktiven Produktionsumgebungen

AutorAndreas Eursch
VerlagHerbert Utz Verlag
Erscheinungsjahr2010
Seitenanzahl226 Seiten
ISBN9783831640294
FormatPDF
KopierschutzDRM
GerätePC/MAC/eReader/Tablet
Preis32,99 EUR
Die Produktionstechnik ist für die Weiterentwicklung unserer Industriegesellschaft von zentraler Bedeutung, denn die Leistungsfähigkeit eines Industriebetriebes hängt entscheidend von den eingesetzten Produktionsmitteln, den angewandten Produktionsverfahren und der eingeführten Produktionsorganisation ab. Erst das optimale Zusammenspiel von Mensch, Organisation und Technik erlaubt es, alle Potentiale für den Unternehmenserfolg auszuschöpfen. Um in dem Spannungsfeld Komplexität, Kosten, Zeit und Qualität bestehen zu können, müssen Produktionsstrukturen ständig neu überdacht und weiterentwickelt werden. Dabei ist es notwendig, die Komplexität von Produkten, Produktionsabläufen und -systemen einerseits zu verringern und andererseits besser zu beherrschen. Ziel der Forschungsarbeiten des iwb ist die ständige Verbesserung von Produktentwicklungs- und Planungssystemen, von Herstellverfahren sowie von Produktionsanlagen. Betriebsorganisation, Produktions- und Arbeitsstrukturen sowie Systeme zur Auftragsabwicklung werden unter besonderer Berücksichtigung mitarbeiterorientierter Anforderungen entwickelt. Die dabei notwendige Steigerung des Automatisierungsgrades darf jedoch nicht zu einer Verfestigung arbeitsteiliger Strukturen führen. Fragen der optimalen Einbindung des Menschen in den Produktentstehungsprozess spielen deshalb eine sehr wichtige Rolle. Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bände stammen thematisch aus den Forschungsbereichen des iwb. Diese reichen von der Entwicklung von Produktionssystemen über deren Planung bis hin zu den eingesetzten Technologien in den Bereichen Fertigung und Montage. Steuerung und Betrieb von Produktionssystemen, Qualitätssicherung, Verfügbarkeit und Autonomie sind Querschnittsthemen hierfür. In den iwb Forschungsberichten werden neue Ergebnisse und Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb veröffentlicht. Diese Buchreihe soll dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem Anwender in der Praxis zu verbessern.

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Leseprobe
5 Immersives Kamerasystem (S. 67-68)

5.1 Überblick über das Kapitel

In diesem Kapitel wird mit dem immersiven Kamerasystem zur Substituierung des Bleiglasfensters einer der beiden wesentlichen Bestandteile des Assistenzsystems näher erläutert. Den Schwerpunkt bilden neben der Neige- und Schwenkkinematik für die Kamera die Eingabegeräte, mit denen eine intuitive Steuerung der Kamerabewegung realisiert werden kann. Es wird die Umsetzung der Konzepte in Prototypen geschildert, die für die Durchführung von Versuchen erforderlich sind. Das Kapitel schließt mit den in Versuchen ermittelten Erkenntnissen und daraus abgeleiteten Empfehlungen zur Gestaltung des Kamerasystems.

5.2 Komponenten des immersiven Kamerasystems

5.2.1 Kamera als Ersatz für das Bleiglasfenster

5.2.1.1 Zweidimensionales Kamerasystem

Das immersive Kamerasystem ist zweidimensional ausgelegt. Das bedeutet, es kommt nur eine Hauptkamera in der Heißen Zelle zum Einsatz. Ein dreidimensionales Kamerasystem mit Zoom ist sehr aufwändig und kostspielig. Es beansprucht zudem deutlich mehr Raum im meist ohnehin überfüllten Arbeitsbereich der Heißen Zelle, da noch eine zweite Kamera erforderlich ist, die in einem definierten Abstand zur ersten angebracht sein muss. Der Bereich, der bei einem Schwenk der beiden Kameras überstrichen wird und daher frei gehalten werden muss, ist deutlich größer, da das Kamerasystem breiter ist.

Die Kombination von Zoomfunktion und Tiefenwahrnehmung in einem Kamerasystem stellt zudem eine technische Herausforderung dar, die bisher noch nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Kommerziell erhältliche dreidimensionale Kamerasysteme bieten keine Zoomfunktion (BAIER et al. 2001, V3I 2009). Für ein System mit Zoom muss der Winkel der zwei Kameras zueinander je nach Zoom-Einstellung und dem Abstand zum betrachteten Objekt angepasst werden (BAIER et al. 2001).

Derzeit sind lediglich in der Forschung Prototypen solcher Systeme zu finden, die allerdings noch nicht ausgereift sind. Bei der Forschung stehen neben der Herausforderung der technischen Realisierung Untersuchungen zum Nutzen für die Verbesserung der optischen Wahrnehmung im Vordergrund. Die Einbeziehung eines dreidimensionalen Kamerasystems würde den Rahmen dieser Arbeit sprengen und wird daher nicht weiter betrachtet.

Falls später ein akzeptables dreidimensionales Kamerasystem mit Zoom verfügbar ist, wäre ein Einsatz in der Heißen Zelle sicherlich ein weiterer Gewinn für die Arbeit der Produktionsmitarbeiter. Es ist aber keine notwendige Voraussetzung für eine sichere Erfüllung der Aufgaben. Der Mensch kann auch bei ebener Sicht, beispielsweise aus der Akkomodation, der Verdeckung, dem Schattenwurf oder den Größenverhältnissen Informationen zur räumlichen Situation gewinnen (BAIER et al. 2001). Außerdem ist zu bedenken, dass das Bleiglasfenster als Stand der Technik die Tiefenwahrnehmung ebenfalls erheblich einschränkt."
Blick ins Buch
Inhaltsverzeichnis
Geleitwort der Herausgeber8
Vorwort10
Inhaltsverzeichnis12
Verzeichnis der Abkürzungen und Akronyme16
1 Einleitung18
1.1 Ausgangssituation und Motivation18
1.1.1 Krebs18
1.1.2 Krebsdiagnose und -therapie auf der Basis radioaktiver Stoffe18
1.1.3 Probleme bei der Versorgung mit radioaktiven Stoffen19
1.2 Zielsetzung der Arbeit20
1.3 Vorgehensweise und Gliederung der Arbeit22
2 Situationsanalyse24
2.1 Überblick24
2.2 Herstellung und Verwendung radioaktiver Substanzen24
2.2.1 Grundlagen der Radioaktivität24
2.2.1.1 Definition und Strahlungsarten24
2.2.1.2 Kenngrößen der Radioaktivität24
2.2.1.3 Schutzmaßnahmen bei der Arbeit mit radioaktiven Substanzen25
2.2.2 Gefährdung des Menschen - Grenzwerte26
2.2.3 Grundlagen zu Heißen Zellen27
2.2.4 Medizinische Nutzung radioaktiver Substanzen29
2.2.4.1 Allgemeines29
2.2.4.2 Diagnose von Tumoren29
2.2.4.3 Behandlung von Tumoren30
2.2.4.4 Schmerztherapie30
2.2.4.5 Weitere Anwendungen31
2.2.5 Alpha-Partikel-Immun-Therapie – Beispiel für Radiotherapeutika31
2.2.6 Produktion von Radioisotopen33
2.2.6.1 Allgemeines33
2.2.6.2 Produktion von Actinium-225 als konkretes Beispiel34
2.3 Problemanalyse bezüglich Arbeiten an einer Produktions-anlage35
2.3.1 Anspruchsvolle Aufgaben35
2.3.2 Hohe Komplexität der Produktionsanlage37
2.3.3 Potentielle Gesundheitsgefährdung37
2.3.4 Psychische Belastung38
2.4 Notwendigkeit manueller Arbeit40
2.4.1 Sinnvoller Automatisierungsgrad40
2.4.2 Manueller Interaktionsbedarf bei vollautomatisierten Anlagen40
2.4.3 Qualitäten der menschlichen Hand41
2.5 Problemanalyse der Produktion in Heißen Zellen43
2.5.1 Allgemeines43
2.5.2 Der Arbeitsraum in der Heißen Zelle44
2.5.2.1 Probleme durch die Verwendung von Handschuhen44
2.5.2.2 Informationsversorgung45
2.5.3 Das Bleiglasfenster als Problemursache45
2.5.3.1 Allgemeines45
2.5.3.2 Reichweite der Hände46
2.5.3.3 Sichtfeld in der Heißen Zelle46
2.5.3.4 Lichtbrechung durch das Bleiglas47
2.5.3.5 Optische Qualität des Bleiglasfensters48
2.5.3.6 Stark eingeschränkte Kontrollmöglichkeiten48
2.5.3.7 Unergonomische Arbeitshaltung49
2.5.3.8 Kosten49
2.6 Resumee50
3 Stand der Forschung und Technik52
3.1 Allgemeines52
3.2 Stand der Technik bei der Produktion radioaktiver Stoffe52
3.2.1 Arbeitsumgebung für manuelle Tätigkeiten52
3.2.2 Verfügbare Hilfsmittel53
3.2.3 Unterstützung der Produktionsmitarbeiter55
3.3 Stand der Forschung55
3.4 Alternativen für das Bleiglasfenster56
3.4.1 Dünneres Bleiglas mit zusätzlicher Blende56
3.4.2 Kameras in radioaktiven Umgebungen57
3.4.3 Verfügbare Kamerasysteme als Bleiglasfensterersatz58
3.5 Verfügbare immersive Kamerasysteme60
3.5.1 Allgemeines60
3.5.2 Militärische Anwendungen60
3.5.3 Computerspiele60
3.5.4 Medizintechnik61
3.6 Verwendung von Augmented Reality in radioaktiven Um-gebungen61
3.6.1 Überblick über den Abschnitt61
3.6.2 Grundlagen von Augmented Reality62
3.6.3 Augmented Reality für Heiße Zellen63
3.6.4 Virtuelle Technologien in radioaktiven Umgebungen63
3.6.4.1 Allgemeines63
3.6.4.2 Wartung kerntechnischer Anlagen63
3.6.4.3 Rückbau kerntechnischer Anlagen65
3.6.4.4 Visualisierung von Strahlung65
3.7 Überblick über AR-Anwendungen66
3.7.1 Anwendung von Augmented Reality allgemein66
3.7.2 Anwendung von Augmented Reality in der Industrie67
3.7.3 Augmented Reality in der Produktion67
3.8 Zusammenfassung und Defizitbewertung67
4 Konzept eines Assistenzsystems70
4.1 Überblick über das Kapitel70
4.2 Anforderungen an die Produktionsumgebung70
4.2.1 Allgemeines70
4.2.2 Sicherheit für das Personal70
4.2.3 Erfüllung gesetzlicher Vorschriften für medizinische Produkte71
4.2.4 Niedrige Kosten71
4.2.5 Zuverlässigkeit72
4.2.6 Flexibilität und Erweiterbarkeit72
4.2.7 Kurzfristige Realisierbarkeit72
4.3 Lösungssuche73
4.3.1 Allgemeines73
4.3.2 Lösungen für die Probleme an der Heißen Zelle74
4.3.3 Lösungen für die Unterstützung der Produktionsmitarbeiter75
4.4 Konzept eines intelligenten Assistenzsystems77
4.4.1 Allgemeines77
4.4.2 Intelligente Assistenz78
4.4.3 Realisierung einer optimalen Informationsversorgung78
4.4.4 Konzept eines immersiven Kamerasystems80
4.4.4.1 Immersion80
4.4.4.2 Intuitivität81
4.4.5 Assistenz auf Basis von Augmented Reality82
4.4.6 Low-Cost-Ansatz83
5 Immersives Kamerasystem84
5.1 Überblick über das Kapitel84
5.2 Komponenten des immersiven Kamerasystems84
5.2.1 Kamera als Ersatz für das Bleiglasfenster84
5.2.1.1 Zweidimensionales Kamerasystem84
5.2.1.2 Qualitativ hochwertige Kamera mit Zoom85
5.2.1.3 Schädigung der Kamera85
5.2.1.4 Schwenk- und Neigekinematik für die Kamera89
5.2.1.5 Kommerzielles Kamerasystem versus Spezialanfertigung90
5.2.2 Ausgabegeräte92
5.2.2.1 Allgemeines92
5.2.2.2 Geringer Platzbedarf93
5.2.2.3 Qualitativ hochwertige Wiedergabe94
5.2.2.4 Immersive Gestaltung94
5.2.2.5 Head Mounted Display95
5.3 Steuerung des Kamerasystems95
5.3.1 Allgemeines95
5.3.2 Steuerprinzipen96
5.3.2.1 Allgemeines96
5.3.2.2 Sprachsteuerung96
5.3.2.3 Bewegungssteuerung97
5.3.3 Alternativen für die Hand als Steuerelement97
5.3.4 Konzepte der Bewegungserfassung98
5.3.4.1 Berührungslose oder kontaktgebundene Bewegungserfassung98
5.3.4.2 Analoge und digitale Steuerung99
5.3.4.3 Überlegungen zu den Steuerungsprinzipien100
5.3.5 Steuerung der Kamera-Zoomfunktion100
5.3.5.1 Unabhängige Zoom-Steuerung100
5.3.5.2 Intuitive Zoom-Steuerung101
5.3.5.3 Digitale Zoom-Steuerung101
5.4 Umsetzung und Validierung102
5.4.1 Allgemeines102
5.4.2 Vorauswahl102
5.4.3 Erste Versuchsreihe104
5.4.3.1 Versuchsaufbau104
5.4.3.2 Versuchspersonen110
5.4.3.3 Aufgaben der Versuchspersonen111
5.4.3.4 Ergebnisse der ersten Versuchsreihe116
5.4.3.5 Fazit120
5.4.4 Zweite Versuchsreihe120
5.4.4.1 Allgemeines120
5.4.4.2 Verbesserung der Kamerasysteme und Versuchsaufbau121
5.4.4.3 Versuchsablauf128
5.4.4.4 Versuchsergebnisse129
5.5 Fazit und Gestaltungsempfehlung133
6 Augmented-Reality-Unterstützung in Heißen Zellen136
6.1 Überblick über das Kapitel136
6.2 Gestaltungsansätze für die AR-Unterstützung136
6.2.1 Optimale Informationsversorgung136
6.2.1.1 Allgemeines136
6.2.1.2 Statische Informationsversorgung137
6.2.1.3 Dynamische Informationsversorgung138
6.2.2 Funktionen des Assistenzsystems138
6.2.2.1 Allgemeines138
6.2.2.2 Zusammenhänge aufzeigen und Orientierung vereinfachen140
6.2.2.3 Warnung vor Gefahren141
6.2.2.4 Navigationsunterstützung143
6.2.2.5 Anleitung geben143
6.2.2.6 Unterstützung von Außen144
6.2.2.7 Unterstützung bei Schulung und Training146
6.2.2.8 Überwachung mit eingeblendeten Live-Bildern147
6.2.2.9 Interaktion mit der automatisierten Anlage148
6.2.2.10 Erfahrungsbasiertes Assistenzsystem149
6.2.2.11 Automatische Dokumentation149
6.2.2.12 Erweiterung150
6.2.3 Tracking150
6.2.3.1 Markerbasiertes optisches Tracking150
6.2.3.2 Gestaltung der Marker151
6.2.3.3 Multimarkerkonzept aufgrund der Verdeckungsgefahr152
6.2.3.4 Selektion durch unterschiedliche Markergrößen152
6.2.3.5 Vorbereitung der Heißen Zelle153
6.2.4 Gestaltung der Benutzerschnittstelle154
6.2.4.1 Bedeutung der Mensch-Maschine-Schnittstelle154
6.2.4.2 Vermeidung von Informationsüberfrachtung154
6.2.4.3 Bedienung des Assistenzsystems155
6.3 Unterstützung über den gesamten Produktlebenszyklus156
6.3.1 Allgemeines156
6.3.2 Planungs- und Entwicklungsphase156
6.3.3 Realisierung der Anlage157
6.3.4 Inbetriebnahme der Anlage157
6.3.5 Umbau- und Änderungsarbeiten158
6.3.6 Abbau und Recycling159
6.4 Exemplarische Umsetzung der AR-Unterstützung159
6.4.1 Allgemeines159
6.4.2 Verwendete AR-Technologie159
6.4.2.1 AR-Ausrüstung159
6.4.2.2 Getestete AR-Programme160
6.4.2.3 Analyse und Auswahl160
6.4.3 Realisierte Funktionen161
6.4.3.1 Allgemeines161
6.4.3.2 Statische Zusatzinformationen161
6.4.3.3 Einblendung virtueller Gegenstände162
6.4.3.4 Unterstützung bei Wartung und Umbau162
6.4.3.5 Erfassung der Hand und Abstandsmessung164
6.5 Fazit165
6.5.1 Nachhaltige Verbesserung der Situation möglich165
6.5.2 Defizite166
6.5.3 Risiken166
6.6 Gestaltungsempfehlungen167
6.7 Überleitung168
7 Wirtschaftliche Bewertung und Verallgemeinerung170
7.1 Überblick über das Kapitel170
7.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung170
7.2.1 Allgemeines170
7.2.2 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beim Kamerasystem171
7.2.3 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beim AR-System173
7.3 Verallgemeinerung174
8 Zusammenfassung und Ausblick178
9 Literatur182
10 Expertengespräche204
11 Anhang206
11.1Abbildungsverzeichnis206
11.2Tabellenverzeichnis210

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