System zur Simulation der Mensch-Roboter-Kooperation in virtuellen und erweiterten Umgebungen

Noch immer ist eine vollständig automatisierte Produktion ohne den Menschen für die Konzeption, Planung und Steuerung der Wertschöpfungsprozesse undenkbar, denn bislang ist noch kein Roboter entwickelt worden, der die Kreativität, Lernfähigkeit, Beweglichkeit und Flexibilität menschlicher Arbeitskräfte auch nur annähernd erreicht. Da allerdings seine Maximalkräfte, Bewegungsgeschwindigkeiten und -genauigkeiten begrenzt sind, erscheint eine Symbiose in Form einer direkten Kooperation mit einem Roboter als besonders geeignet, um künftigen Herausforderungen wie dem Fachkräftemangel und dem demographischen Wandel zu begegnen. Zwar werden derartige Kooperationsformen in der industriellen Praxis aufgrund ihres hohen Gefährdungspotentials noch nicht umgesetzt, jedoch lohnt sich der Blick in die Zukunft: Wie könnten derartige Arbeitssysteme durch Einsatz innovativer Simulationsmethoden sicher und effizient gestaltet werden, ohne die Tätigkeits- und Entscheidungsspielräume des Menschen einzuengen? Hier setzt die vorliegende Dissertation an und stellt die ergonomische Gestaltung eines interaktiven Simulationssystems in den Mittelpunkt. Zunächst wird der Stand von Forschung und Technik im Bereich der Mensch- Roboter-Kooperation analysiert. Daraufhin wird ein Kooperationsszenar für die Reinigung von Gussteilen abgeleitet, das als Grundlage für die Konzeption, Entwicklung und Validierung eines neuartigen Simulationssystems dient. Anstatt, wie heutzutage üblich, den Menschen durch ein anthropometrisches bzw. biokinematisches Modell zu ersetzen, wird der Benutzer selbst mit einem virtuellen Roboter konfrontiert und kann mit ihm in Echtzeit interagieren. Als besonderes Merkmal bietet das System eine Skalierung der „Virtualität“: In einem rein virtuellen Modus arbeitet der Benutzer ohne visuelle Perzeption des eigenen Körpers mit dem virtuellen Roboter, wohingegen der gemischt real-virtuelle (erweiterte) Modus zusätzlich die Sichtbarkeit der eigenen Extremitäten inklusive Werkzeug ermöglicht. In einer empirischen Untersuchung werden diese beiden Modi miteinander verglichen, wobei die abhängigen Variablen neben der Benutzerleistung und Zuverlässigkeit auch die mentale Beanspruchung umfassen. Die Ergebnisse liefern auf mehreren Ebenen eindeutige Belege für Unterschiede im Antwortverhalten des Hand-Auge-Systems, aus denen wichtige Hinweise zur ergonomischen Gestaltung derartiger Simulationssysteme abgeleitet werden.