Entwicklung und Evaluierung eines wissensbasierten Cyber-Physischen Produktionssystems zur Unterstützung industrieller Rüstprozesse unter Berücksichtigung ergonomischer und nutzerzentrierter Aspekte

Abstract

Dynamische Märkte und sich ständig ändernde Arbeitspraktiken bedingen durch einen steigenden Bedarf an kundenindividuellen Produktanforderungen eine erhöhte Anzahl von industriellen Rüstprozessen an Fertigungsmaschinen – insbesondere bei kleinen und mittelständischen Unternehmen aufgrund der vornehmlich manuell ausgeführten Rüstvorgänge. Auf Grundlage einer umfassenden ethnographischen Studie wurde zur Unterstützung von Maschineneinrichtern im Zuge derartiger komplexer und wissensintensiver Prozesse ein auf Augmented Reality (AR) basierendes Cyber-Physisches Produktionssystem (CPPS) unter Berücksichtigung interaktions-ergonomischer und kompatibilitätsbezogener Standards entwickelt. Für eine ganzheitliche, objektive und subjekt-bezogene arbeitswissenschaftliche Analyse zum Umgang mit AR-basierten CPPS am Beispiel von Rüstvorgängen an Umform- bzw. Biegemaschinen wurden zusätzlich zu einer Gefährdungsbeurteilung des Arbeitsprozesses ergonomische Teilstudien zur vergleichenden Untersuchung einer instruktionsgestützten Arbeitsausführung mithilfe der Mixed-Reality-Datenbrille Microsoft® „HoloLens“ und einer papierbasierten Arbeitsanweisung durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass muskuläre Ermüdungserscheinungen des Hals-Nacken-Schulter-Bereiches in Folge der Nutzung der HoloLens bei einer länger andauernden Beanspruchung und bei einem hohen Repetitionsgrad zwar möglich, in Bezug auf den Realkontext jedoch durch einen geringen Beanspruchungsgrad unwahrscheinlich sind. Ein an den Auflagestellen der Datenbrille feststellbarer signifikanter Temperaturanstieg stellt allerdings ein potenzielles Risiko für das thermische Wohlbefinden des Anwenders dar. Während die subjektive Einschätzung der Nutzer hinsichtlich der thermischen Belastung mit den objektiven Messergebnissen übereinstimmen, wird die muskelphysiologische Beanspruchung vereinzelt stärker empfunden als tatsächlich objektiv bzw. elektromyographisch nachgewiesen werden konnte. Eine sensorische Unterstützung und Kontrolle manueller Rüstvorgänge gepaart mit einer einfachen Bedienbarkeit des Systems begünstigt einen prozesssichernden Mehrwert, eine kognitive Entlastung der Maschineneinrichter sowie einen Lerneffekt sowohl hinsichtlich der jeweiligen Arbeitsaufgabe als auch in Bezug auf den Umgang mit der Datenbrille und der Applikation. Inwieweit die Anwendung derartiger Unterstützungssysteme in der Praxis unter Berücksichtigung einer stetigen technologischen und ergonomischen Weiterentwicklung sowie einer interaktions- und beanspruchungsbezogenen Gewöhnung auch mittel- bis langfristig einen beanspruchungsminimalen Charakter aufweisen, ist fraglich.

Dynamic markets and constantly changing work practices are causing an increased number of industrial set-up processes on production machines in the wake of a growing need for customized product requirements – especially in small and medium-sized companies due to mainly manual set-up processes. Resting on a comprehensive ethnographic study, a cyber-physical production system (CPPS) based on augmented reality (AR) was developed to support machine setters in the course of such complex and knowledge-intensive processes, taking into account interaction-ergonomic and compatibility-related standards. For a holistic, objective and subject-related occupational science analysis on the handling of AR-based CPPS in the context of set-up processes on forming and bending machines, ergonomic sub-studies were conducted in addition to a risk assessment of the work process for the comparative investigation of instruction-supported work execution using mixed reality smart glasses Microsoft® "HoloLens" and paper-based work instructions. The results show that muscular fatigue of the neck and shoulder area is possible when using the HoloLens for a longer period of time and with a high degree of repetition, but unlikely in relation to real-life context due to a low degree of strain. However, a significant temperature increase of approximately 1 °C at the glasses’ contact points represents a potential risk for the user's thermal well-being. While the subjective assessment of the test persons with regard to thermal stress corresponds to the objective measurement results, the muscle physiological strain is sporadically felt to be stronger than actually objectively or electromyographically proven. Sensory support and control of manual set-up processes paired with simple operability of the system favors added value in terms of process reliability, cognitive relief for machine setters and a learning effect both with regard to the respective work task and with regard to the data glasses’ as well as the application’s handling. Taking into account the constant technological and ergonomic further development as well as interaction and strain-related familiarization, the extent to which the use of such support systems will also have a strain-minimizing character in practice in the medium to long term is questionable.