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Virtual Reality

Lernen in der virtuellen Welt

Die Dürr Ecoclean GmbH nutzt Virtual Reality, um Mitarbeiter für Servicearbeiten an komplexen Robotern zu schulen. Zu Trainingszwecken können sich bis zu zwanzig Mitarbeiter im gleichen virtuellen Raum einfinden und Wartungsarbeiten an einem Roboterarm trainieren.

Bild: Tema Technologie Marketing AG

Bild: Tema Technologie Marketing AG

Virtual Reality, die virtuelle Welt aus dem Computer mit der täuschend echten Simulation dreidimensionaler Räume, war lange Zeit nur wenigen Menschen in erster Linie aus Wissenschaft und Forschung zugänglich. Sündhaft teure ‘Caves’ an einigen wenigen Hochschulen eröffneten der Wissenschaft einen völlig neuen Blick auf die Welt. Mittlerweile ist die virtuelle Welt in der Realität angekommen. Leistungsfähige 3D-Brillen machen Virtual Reality für jedermann erschwinglich und moderne Computer sind dank schneller Prozessoren und leistungsfähiger Grafikkarten in der Lage, virtuelle Welten realistisch darzustellen. Und auch die Wirtschaft hat erkannt, welche Möglichkeiten VR-Anwendungen bieten.

Roboter in rauen Umgebungen

Dürr Ecoclean entwickelt und fertigt Reinigungsanlagen und Maschinen für die Teilereinigung, hauptsächlich in der Automobilindustrie. Motoren- und Getriebegehäuse etwa werden vor der Montage sorgfältig von Spänen und Verschmutzungen aller Art befreit. In der flexiblen Reinigungszelle EcoCFlex 3 bewegt ein Scara-Roboter die entsprechenden Gehäuse innerhalb der Reinigungskammer. Dieser Manipulator muss unter sehr rauen Bedingungen arbeiten, so werden zum Beispiel. bei Temperaturen bis zu 65 Grad Celsius Reinigungschemikalien mit einem PH-Wert zwischen sechs und zehn verwendet. Um die Funktionsfähigkeit dieser Roboter zu erhalten, müssen sie regelmäßig gewartet werden. Der Aachener Technologiedienstleister Tema Technologie Marketing AG hat für Dürr Ecoclean eine VR-Anwendung entwickelt, mit der Mitarbeiter und Kunden in einer fast realen Welt diese Tätigkeiten trainieren können. „Wir wollen, dass unsere Servicemitarbeiter auf der ganzen Welt mit ihren Aufgaben bestens vertraut sind“, fordert Michael Förster, Geschäftsführer der Dürr Ecoclean GmbH. „Andererseits ist es zeitlich und finanziell sehr aufwendig, diese Mitarbeiter hier vor Ort an einer realen Maschine üben zu lassen. Virtual Reality beim Scara Manipulator ist für uns die ideale Lösung, unseren Service-Mitarbeitern die Wartungsabläufe möglichst realitätsnah zu vermitteln, und das über tausende Kilometer hinweg“.

Realistisches Modell

Aus den CAD-Daten des Scara Roboters konstruierten die VR-Entwickler bei Tema ein realistisches VR-Modell des Roboterarms, der sich in der VR über Schieberegler auch in allen Freiheiten bewegen lässt. „Eine der zeitaufwendigsten Arbeiten war die Gruppierung der einzelnen Elemente. Wenn sich ein Teil des Roboterarms bewegt, müssen sich die dazugehörigen Schrauben mitbewegen, wenn sich der ganze Arm bewegt, müssen sich alle Gruppen des Arms mitbewegen“, schildert Dirk Heidermann, verantwortlicher VR-Entwickler bei Tema, die Arbeit an der Anwendung. Vom Auftrag bis zur ersten Anwendung hat es gerade zehn Wochen gedauert – alle Handgriffe der komplexen ersten Wartung können nun virtuell durchgeführt werden. Der Instruktor in Monschau führt dem Service-Mitarbeiter in Shanghai die Hand, Missverständnisse sind kaum möglich, aufwendige technische Sprachübersetzungen fallen fort, erst recht lange Flugreisen. Eine weitere Herausforderung war die Synchronisation mehrerer Mitarbeiter in ein- und demselben virtuellen Raum. Realisiert wurde der Import der 3D-Modelle in den virtuellen Raum, die Beweglichkeit der einzelnen Teile und die Synchronisation aller Teilnehmer über die Unity Engine, eine Software, die eigentlich für die Spieleentwicklung in der VR entwickelt wurde. „Für alle Anwendungen in der Virtual Reality sind bislang Spiele-Engines am besten geeignet“, so Dirk Heidermann, ein Hinweis darauf, aus welcher Branche die eigentlichen Technologietreiber in diesem Bereich kommen. Alles, was der Service-Mitarbeiter auch am realen Roboter nachher betätigen soll, kann er im virtuellen Raum trainieren, jede einzelne Schraube lässt sich lösen, und natürlich auch wieder festschrauben, und natürlich können mehrere Teilnehmer gleichzeitig am Roboter ‘arbeiten’. Konflikte sind dabei ausgeschlossen. Das Programm verhindert, dass zum Beispiel zwei Teilnehmer gleichzeitig an der gleichen Schraube drehen. Außerdem sind die einzelnen Handlungen aufeinander aufgebaut: im virtuellen Raum kann man zum Beispiel bei einem Ölwechsel den Getriebedeckel erst dann schließen, wenn auch Öl nachgefüllt wurde. So wird gewährleistet, dass die einzelnen Arbeitsschritte in der richtigen Reihenfolge und vollständig trainiert werden.

Im Raum mit dem Roboter

Bild: Tema Technologie Marketing AG

Die anderen Anwesenden im virtuellen Raum, zum Beispiel den Trainer, erkennt man an der Darstellung ihres Headsets und der Controller, die sie in den Händen halten. Bild: Tema Technologie Marting AG

Das Ergebnis des Projektes: Kaum hat man die 3D-Brille HTC Vive auf dem Kopf, findet man sich in einem Raum mit dem Roboter wieder. Durch die Tracking Funktion der Vive kann man sich in diesem Raum auf einer definierten Fläche frei bewegen, kann zum Beispiel um den Roboter herumgehen. Die anderen Anwesenden im virtuellen Raum, zum Beispiel den Trainer, erkennt man an der Darstellung ihres Headsets und der Controller, die sie in den Händen halten. Die Verbindung der einzelnen Teilnehmer über das Internet geschieht übrigens automatisch. Mit den Controllern werden auch die virtuellen Werkzeuge bedient, mit denen die Wartungsarbeiten durchgeführt werden. Wenn an die Headsets der Teilnehmer auch Kopfhörer angeschlossen sind, kann man sich in der virtuellen Welt sogar ganz normal unterhalten. Die Programmierarbeit der Entwickler bei der Tema AG, programmiert wurde übrigens in der objektorientierten Programmiersprache C#, hat sich also gelohnt. Durch die Verwendung der gängigen Steuerungssoftware Steam VR kann das Programm nicht nur mit der HTC Vive, sondern zum Beispiel auch mit der VR-Brille Oculus Rift betrachtet werden. „Während der Entwicklungszeit ist die enge Abstimmung mit dem Kunden besonders wichtig, damit auch nachher alles genau so aussieht und funktioniert, wie in der Realität“, sagt Dirk Heidermann. Und auch die saubere Programmierung ist wichtig, damit alles reibungslos läuft, denn VR ist recht ressourcenhungrig: „Ein Computer neuester Generation mit einer leistungsfähigen Grafikkarte muss es schon sein“, so Dirk Heidermann, „sonst kann es sein, das die virtuelle Wirklichkeit ruckelt“. Mindestens 90 Bilder pro Sekunde muss der Rechner an jeden der kleinen Bildschirme in der VR-Brille übermitteln, damit der Ausflug in virtuelle Welten zu einer realitätsnahen Erfahrung wird. Bei einer Bildwiederholrate ab 90 Bildern pro Sekunde treten keine Störungen zwischen visueller und taktiler Wahrnehmung mehr auf.


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