Multimodal Training of Maintenance and Assembly Skills Based on Augmented Reality
Sabine Webel · Publikationsdatenbank der Fraunhofer-Gesellschaft (Fraunhofer-Gesellschaft) · 2012
Das Training von Servicetechnikern in der Aneignung neuer Arbeitsvorgänge im Bereich Wartung und Montage ist in der Industrie von enormer Bedeutung. Aufgrund der steigenden Komplexität dieser Arbeitsvorgänge stellt das effiziente Training von Technikern im Erwerb der erforderlichen Fähigkeiten eine große Herausforderung dar. Es reicht nicht länger aus, Techniker nur in der physikalischen Ausführung dieser Aufgaben zu trainieren. Vielmehr ist es wichtig, auch die zugrunde liegenden Fähigkeiten zu adressieren. Das bedeutet, die Fähigkeiten, die für eine effiziente Aneignung und Ausführung der Aufgaben erforderlich sind, müssen in das Training einbezogen werden. Dies führt zu drei Hauptanforderungen, die Systeme zum Training von Fähigkeiten erfüllen müssen: Geschwindigkeit, Effizienz und Übertragbarkeit des Trainings. Um dies zu erreichen, müssen Trainingsprozeduren entwickelt werden, die den Lernprozess des Benutzers unterstützen und den Transfer der trainierten Fähigkeiten auf reale Arbeitssituationen erleichtern. Traditionelles Training ist im Allgemeinen sehr theoretisch. Dadurch ist es für den Techniker schwierig, das erlernte theoretischeWissen über den Arbeitsvorgang auf die reale Ausführung des Arbeitsvorgangs zu übertragen. Ein weiterer kritischer Faktor ist der hohe Zeit- und Kostenaufwand, den traditionelles Training mit sich führt. Bisherige Forschungsansätze haben bereits das große Potential von Augmented Reality (AR) als trainingsunterstützende Technologie, insbesondere im Bereich industrieller Wartungs- und Montageprozeduren, aufgezeigt. Mittels Augmented Reality können digitale Instruktionen direkt in der realen Umgebung verortet und somit direkt an reale Maschinenteile angeheftet werden. In den bisherigen Ansätzen stehen allerdings meist rein technologische Aspekte im Vordergrund. Des Weiteren fungieren existierende Systeme eher als digitale Benutzerhandbücher und unterstützen den Techniker vor allem bei der Ausführung der entsprechenden Aufgaben, anstatt bei der Aneignung der zugrunde liegenden- sensomotorischen und kognitiven-Fähigkeiten. Die Systeme führen den Benutzer Schritt für Schritt durch den Arbeitsvorgang, indem detaillierte 3D-Animationen der auszuführenden Aktion in Überlagerung mit dem realen Objekt visualisiert werden. Eine solch starke Führung des Benutzers mittels Augmented Reality birgt die potentielle Gefahr, dass der Benutzer für die Ausführung eines Arbeitsvorgangs eine Abhängigkeit von den bereitgestellten Augmented Reality-Elementen entwickelt, und die Aufgabe bei Nichtvorhandensein dieser Elemente nicht bewerkstelligen kann. Daher muss sich ein Augmented Reality-basiertes Trainingssystem deutlich von einem Augmented Reality-basierten Unterstützungs- bzw. Leitsystem unterscheiden: Es muss den Benutzer tatsächlich trainieren und die aktive Erkundung der Aufgabe forcieren, anstatt ihn lediglich zu dem gewünschten Ziel zu führen. Dies kann nur erreicht werden, indem sowohl sensomotorische als auch kognitive Aspekte in das Training einbezogen werden. Eines der Hauptmerkmale für die Gestaltung von effizienten Trainingsprogrammen ist die gute Führung des Benutzers durch den zu trainierenden Arbeitsprozess. Wie bereits erwähnt, sind traditionelle Trainingsprogramme zum einen mit einem hohen Zeit- Kostenaufwand verbunden, zum anderen sind sie im Allgemeinen sehr theoretisch (nicht direkt am Objekt, sondern in Klassenräumen), was den Transfer der erlernten Trainingsaufgabe auf die reale Wartungs- oder Montageaufgabe erschwert und somit das Training zu einem langwierigen und demzufolge kostspieligen Prozess macht. Auch die Erstellung des Schulungsmaterials, zumeist Folienpräsentationen, die jeden Schritt umschreiben, ist sehr aufwendig und aufgabenspezifisch. All dies zeigt die Notwendigkeit effizienter Trainingssysteme, die den Lern- bzw. Aneignungsprozess neuerWartungs- und Montageaufgaben verbessern und beschleunigen. Diese Systeme sollen auch eine vereinfachte Anpassbarkeit des Systems an neue Trainingsszenarien und die Wiederverwendung existierender, bewährter Trainingsmaterialien ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept für die Gestaltung von effizientem Training von Wartungs- und Montageprozessen unter Verwendung von Augmented Reality-Technologien vorgestellt. Dies beinhaltet unter anderem Visualisierungsparadigmen zum Präsentieren von Instruktionen und Informationen in multimodalen Augmented Reality- Trainingsumgebungen und ein Designkonzept für die Entwicklung einer multimodalen Trainingsplattform zur Umsetzung des Trainings. Das vorgestellte Konzept berücksichtigt die Identifikation der erforderlichen sensomotorischen und kognitiven Fähigkeiten (so genannte Sub-Skills bzw. Unterkategorien von Fähigkeiten), das Training der involvierten Fähigkeiten und die Entwicklung eines Programms zum Training von Wartungs- und Montagefähigkeiten. In diesem Zusammenhang wird besonders auf die prozeduralen Fähigkeiten (so genannte Procedural Skills), die als wichtigste Sub-Skill betrachtet werden, eingegangen. Des Weiteren wird gezeigt, dass der Einsatz von Augmented Reality und das Bereitstellen von multimodalem Feedback-vor allem vibrotaktilem Feedback-großes Potential zum Training von Fähigkeiten mit sich bringen. Darauf basierend werden Trainingsstrategien und so genannte Accelerators für das Training von Wartungs- und Montagefähigkeiten im Allgemeinen und Procedural Skills im Speziellen erarbeitet. Dabei verweist der Ausdruck Accelerators auf Variablen bzw. konkrete Methoden, die in das Trainingsprogramm eingeführt werden, um die verfolgten Trainingsstrategien umzusetzen. Darüber hinaus wird ein neues Konzept zur Visualisierung von ortsabhängigen Informationen in Augmented Reality-Umgebungen vorgestellt, durch welches Trackingungenauigkeiten kompensiert werden können. In diesem Konzept wird die zum Annotieren von Dokumenten typische Zeiger-Inhalt Metapher in Augmented Reality-Umgebungen übertragen. Als Ergebnis werden Adaptive Visual Aids (AVAs) definiert, die aus einem trackingabhängigen Zeigerobjekt und einem trackingunabhängigen Inhaltsobjekt bestehen. Informationsgehalt und Art der Information (Text, Bild, Video, 3D-Inhalte) von Zeiger- und Inhaltsobjekt sind regulierbar. Auf dieseWeise kann die Stärke der Führung des Benutzers, die durch überlagerte 3D-Objekte in Augmented Reality bereitgestellt wird, einfach gesteuert werden. AVAs können auch benutzt werden, um traditionelle Augmented Reality-Einblendungen (d.h. 3DModelle und -Animationen), die sehr unter Trackingungenauigkeiten leiden, zu ersetzen. Außerdem können vorhandene Trainingsmaterialen, wie z.B. Bilder, Videos oder Beschreibungen in Form von Text, im Inhaltsobjekt einer AVA eingebunden werden. Das Designkonzept der multimodalen Trainingsplattform, das in dieser Arbeit vorgestellt wird, ist nicht spezifisch für das Training von Wartungs- und Montagefähigkeiten entwickelt, sondern stellt vielmehr ein generelles Designkonzept für multimodale Trainingsplattformen dar. Es wird gezeigt, wie das entwickelte Plattformkonzept auf Basis des X3D ISO Standards implementiert werden kann. Dieser Standard wurde ausgewählt, da er Merkmale bereitstellt, die für die Entwicklung von Augmented Reality-Umgebungen nützlich sind. Eine solch standardbasierte Implementierung ist ein wichtiger Faktor zur Steigerung der Nachhaltigkeit und Portabilität der Plattform. Die implementierte Plattform und die erarbeiteten Accelerators wurden in der Industrie evaluiert und den dort angewendeten traditionellen Trainingsmethoden gegenübergestellt. Das Ergebnis zeigt, dass das entwickelte Trainingssystem sehr gut zum Training von Wartungs- und Montagefähigkeiten geeignet ist, und dass dadurch traditionelles Training aufwertet werden kann. Mit dem vorgestellten Framework können die oben skizzierten Probleme bewältigt werden. Aufwand und Kosten für das Training vonWartungs- und Montagefähigkeiten werden reduziert, die Trainingseffizienz im Vergleich zu traditionellem Training wird gesteigert.