Under CopyrightRunde, ChristophChristophRunde2022-03-0725.07.20072007https://publica.fraunhofer.de/handle/publica/27730110.24406/publica-fhg-277301Obgleich zahlreiche Autoren seit den achtziger Jahren auf die großen Potenziale von Methoden und Technologien der Virtuellen Realität (VR) verweisen - gerade auch in Anwendungen der Digitalen Fabrik -, ist der umfassende Durchbruch im industriellen Einsatz ausgeblieben. Als Hemmnisse des VR-Einsatzes sind heute eine Anzahl an Gründen bekannt. Vorgehensmodelle zum Aufbau von VR-Systemen gehen heute leider nicht bis in die notwendige Detaillierung. Bei der Konzeption und Auswahl von VR-Systemkomponenten gibt es heute keine umfassenden Modelle, die einen vollständigen Vergleich von Systemkomponenten erlauben. Existente Eigenschaftslisten von VR-Interface-Geräten sind nicht Aufgaben-orientiert, so dass eine Nutzen-basierte Auswahl nicht möglich ist. Wohl existieren VR-Interface-Designrichtlinien und tragfähige Aussagen zum Nutzen von VR, jedoch stehen diese ohne einen systematischen Bezug zur Aufgabe und zur VR-Systemkonzeption. Zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen besteht eine lose Sammlung an Empfehlungen, jedoch ohne ein systematisch-vollständiges Dach. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, eine vollständige Erfassung der Eigenschaften von VR-Interface-Systemen mittels der Funktionenanalyse vorzunehmen. Der entstehende Funktionenbaum wird zu einem Zielsystem für eine Nutzwertanalyse weiterverarbeitet. Der Bezug von Aufgaben in der Digitalen Fabrik zu VR-Interface-Designrichtlinien wird über neu ermittelte Betrachtungsgegenstände der Aufgaben (Gestalt, menschliches Verhalten, Wissen, ...) und Handlungsklassen (bewerten, gestal-ten, Prozessunterstützung, ...) hergestellt. Die relevanten Gestaltungsrichtlinien für VR-Systeme geben dann das Zielprogramm und innerhalb des Zielsystems die Funktionsgewichtungen vor. Die Bewertung der Funktionserfüllungsgrade erfolgt mit Vergleich objektiv oder auf der Basis recherchierter Nutzennachweise der VR. Die Einführung von VR in Industrieunternehmen wird als Wandlungsprozess begriffen. Das Rahmenwerk des Change Managements wird daher mit den Erkenntnissen der Einführung von VR-Systemen, CAD-Systemen und EDM-/PDM-Systemen ausgefüllt. Zum Nachweis der Anwendbarkeit und dem Ausweis der Möglichkeiten werden mit dem entwickelten Verfahren drei VR-Systeme (Anwendungen: Verbaubarkeitsuntersuchung, Arbeitsplatzvalidierung, Fabrikanordnungsplanung) konzipiert. Einführungsszenarien werden erläutert.Virtual Reality (VR) technologies have been developed since the nineteen-sixties. Since the end of the nineteen-eighties, when personal computers (PCs) and graphic cards began to have significant power, many VR technology experts and application field experts have predicted the impending breakthrough of VR into various application fields and industrial sectors. But this widespread break-through has not yet happened. Current market research points a number of industrial VR implementation barriers. The application field of VR addressed in this work is the digital factory. To describe VR interface systems in a structured and objective manner, function analysis is the most promising method. The FAST (function analysis system technique) diagram and the function tree are two schemes that help to identify and separate every single function. The author suggests using both schemes iteratively, thus taking into account available technical specifications, and to carry out cross checks between perception modalities in order to be sure not to forget a function. By using FAST diagrams and function trees, hierarchical interface attribute tables are worked out with 70 to 111 rows. To describe digital factory tasks in a way that defines requirements for applicable VR systems, the author refers to guidelines for designing VR systems. 72 VR system design guidelines have been identified. These guidelines follow an operation's action class and its focussed object. Analysing 125 VR applications to digital factory tasks, five operation's action classes and five operation's focussed objects are identified. The next step is to merge VR system descriptions and VR system requirements in order to select a VR system for a defined task. The utility analysis offers the best solution for this problem, as this decision problem is multidimensional and multihierarchical. The scientific base of change processes within industrial companies is the change management. Thus the introduction of VR rests upon five fields of activities. The change of company structures must embrace the operational structure, the organisational structure, and the re-engineering of planning and development processes. The change of human resources needs to consider the topics qualifications/competencies, roles, and company culture/leadership. The change of equipment addresses the selection and purchase of VR hardware, VR software, premises, maintenance, support, and enlargement planning. The change of company strategy must ensure a beneficial contribution of VR to the company's strategy. The operational steps finally define the way of proceeding in a temporal perspective. Three application case examples (assembly suitability, workplace design, cooperative factory layout planning) are used to evaluate the feasibility of the approach proposed in this work. This work gives a very structured outline concerning how to define VR systems for a specific application. It is possible to derive requirements from VR applications and it is now possible to compare VR system devices that address the same perception channel. Moreover, for the first time, we now have a well-defined activity framework for the industrial VR introductionInhaltsverzeichnis S.9-15 Abkürzungsverzeichnis S.16-17 1 Einleitung S.18-19 - 1.1 Ausgangssituation S.18 - 1.2 Zielsetzung und Vorgehensweise S.19 2 Festlegung des Untersuchungsbereiches S.20-30 - 2.1 Digitale Fabrik - Definition, Ziele, Anwendungsgebiete S.20-21 - 2.2 Virtuelle Realität (VR) S.22-23 - 2.2.1 Definition der Virtuellen Realität S.22 - 2.2.2 Virtuelle Präsenz und Immersion S.22-23 - 2.3 Abgrenzung der Begriffe Digitale Fabrik und Virtuelle Realität S.23-30 - 2.3.1 Anwendungen Virtueller Realität in der Digitalen Fabrik S.25-30 3 Anforderungen an ein Verfahren zur Konzeption und Einführung von VR in Industrieunternehmen S.31-39 - 3.1 Identifikation der VR-Einsatzhemmnisse S.31-32 - 3.2 Analyse der VR-Einsatzhemmnisse S.32-34 - 3.3 Anforderungen an die VR-Systemkonzeption S.34-36 - 3.4 Anforderungen an den Nutzennachweis für VR-Technologien für Aufgaben des Unternehmens S.36 - 3.5 Anforderungen an die Einführung von VR-Technologien in Industrieunternehmen S.37 - 3.6 Ableitung von Entwicklungsschwerpunkten S.37-39 4 Stand der Technik und des Wissens S.40-64 - 4.1 Konzeption von VR-Systemen S.40-42 - 4.1.1 Auswahl von VR-Systemkomponenten S.40 - 4.1.2 Gestaltungsrichtlinien für VR-Systeme S.40-42 - 4.1.2.1 Gestaltung von VR-Interface-Systemen S.41 - 4.1.2.2 Vorgehensmodelle S.41 - 4.1.2.3 Evaluationsmethoden Virtueller Umgebungen S.41-42 - 4.1.3 Bewertung der Vorgehensweisen zur Konzeption von VR-Systemen S.42 - 4.2 Nutzen von VR-Systemen S.43-60 - 4.2.1 Tätigkeitsbezogener Nutzen von VR-Systemen S.43-47 - 4.2.2 Funktionsorientierter Nutzen von VR-Systemen: Unterstützung von Wahrnehmung und Interaktion S.47-59 - 4.2.2.1 Visuelle Wahrnehmung S.47 - 4.2.2.2 Graphische Ausgabesysteme S.47-50 - 4.2.2.3 Auditive Wahrnehmung S.50 - 4.2.2.4 Akustische Ausgabesysteme S.50-51 - 4.2.2.5 Taktile Wahrnehmung S.52 - 4.2.2.6 Systeme zur Ausgabe von Hautreizen S.52-53 - 4.2.2.7 Kinästhetische Wahrnehmung S.53 - 4.2.2.8 Kraftausgabesysteme S.53-55 - 4.2.2.9 Ausgabesysteme für den Orientierungssinn S.55 - 4.2.2.10 Olfaktorische und gustatorische Wahrnehmung S.55-56 - 4.2.2.11 Geruchsstoffemitter S.56 - 4.2.2.12 Positionserfassungssysteme S.56-57 - 4.2.2.13 Eingabesysteme S.57-59 - 4.2.3 Grenzen des Einsatzes von VR S.59 - 4.2.4 Bewertung der Erkenntnisse zum Nutzen von VR-Systemen S.60 - 4.3 Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen S.60-64 - 4.3.1 Erkenntnisse zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen S.60-61 - 4.3.2 Erkenntnisse aus der Einführung anderer IT-Systeme in Industrieunternehmen S.61-63 - 4.3.3 Bewertung der Erkenntnisse zur Einführung von VR- und IT-Systemen S.64 5 Entwurf eines Verfahrens zur Konzeption und Einführung von VR in Industrieunternehmen S.65-76 - 5.1 Konzeption einer Methode zur objektiven Beschreibung und Einordnung von VR-Interface-Systemen S.65-67 - 5.2 Konzeption einer Methode zur Beschreibung und Einordnung von Aufgaben der Digitalen Fabrik zur Ableitung von Anforderungen an VR-Systeme S.67-69 - 5.3 Konzeption einer Methode zur Ermittlung eines einzusetzenden VR-Systems für benannte Aufgaben unter Nutzenkriterien S.69-74 - 5.4 Konzeption einer Methode zur Einführung von VR in Industrieunternehmen S.75-76 6 Realisierung eines Verfahrens zur Konzeption und Einführung von VR in Industrieunternehmen S.77-136 - 6.1 Ableitung einer Methode zur objektiven Beschreibung und Einordnung von VR-Interface-Systemen S.77-108 - 6.1.1 Identifikation der benötigten Beschreibungsschemata S.77-78 - 6.1.2 Strukturierte Beschreibung graphischer Ausgabesysteme S.79-83 - 6.1.3 Strukturierte Beschreibung akustischer Ausgabesysteme S.84-87 - 6.1.4 Strukturierte Beschreibung von Systemen zur Ausgabe von Hautreizen S.88-91 - 6.1.5 Strukturierte Beschreibung von Kraftausgabesystemen S.92-95 - 6.1.6 Strukturierte Beschreibung von Geruchsstoffemittern S.96-99 - 6.1.7 Strukturierte Beschreibung von Positionserfassungssystemen S.100-103 - 6.1.8 Strukturierte Beschreibung von Eingabesystemen S.104-107 - 6.1.9 Weitere Vorgehensweise auf Basis der Beschreibungsschemata S.108 - 6.2 Ableitung einer Methode zur Beschreibung und Einordnung von Aufgaben der Digitalen Fabrik zur Ableitung von Anforderungen an VR-Systeme S.108-125 - 6.2.1 Beschreibung von Aufgaben der Digitalen Fabrik auf Basis deren Betrachtungsgegenstandes S.114-118 - 6.2.1.1 Erscheinung als Betrachtungsgegenstand S.114-115 - 6.2.1.2 Logische Zusammenhänge als Betrachtungsgegenstand S.115 - 6.2.1.3 Physikalische, technische und wirtschaftliche Modelle als Betrachtungsgegenstand S.116 - 6.2.1.4 Menschliches Verhalten als Betrachtungsgegenstand S.116-117 - 6.2.1.5 Wissen als Betrachtungsgegenstand S.117-118 - 6.2.2 Beschreibung von Aufgaben der Digitalen Fabrik auf Basis deren Handlungsklasse S.118-122 - 6.2.2.1 Handlungsklasse Bewerten S.118 - 6.2.2.2 Handlungsklasse Gestalten S.119 - 6.2.2.3 Handlungsklasse Wissenstransfer und Wissenssicherung S.119-120 - 6.2.2.4 Handlungsklasse Tele-Anwendungen S.120-121 - 6.2.2.5 Handlungsklasse in-situ-Prozessunterstützung S.121-122 - 6.2.3 Beschreibung von Aufgaben der Digitalen Fabrik auf Basis der Kombination von deren Handlungsklasse und von deren Betrachtungsgegenstand S.122-125 - 6.2.3.1 Betrachtungsgegenstand-spezifische Anforderungen bewertender Aufgaben S.122-123 - 6.2.3.2 Betrachtungsgegenstand-spezifische Anforderungen gestaltender Aufgaben S.123-124 - 6.2.3.3 Betrachtungsgegenstand-spezifische Anforderungen von Aufgaben des Wissenstransfers und der Wissenssicherung S.124 - 6.2.3.4 Betrachtungsgegenstand-spezifische Anforderungen von Aufgaben in Tele-Anwendungen S.124 - 6.2.3.5 Betrachtungsgegenstand-spezifische Anforderungen von Aufgaben der in-situ-Prozessunterstützung S.125 - 6.2.4 Anforderungen aus Unternehmensvorgaben und indirekte Anforderungen S.125 - 6.3 Ableitung einer Methode zur Ermittlung eines einzusetzenden VR-Systems für benannte Aufgaben unter Nutzenkriterien S.125-130 - 6.3.1 Entwicklung der Prinzipien der Kombinierbarkeit von VR-Interface-Systemen S.125-127 - 6.3.2 Schritte der Wertsynthese S.127-130 - 6.4 Ableitung einer Methode zur Einführung von VR-Systemen in Industrieunternehmen S.131-136 - 6.4.1 Festlegung der Gestaltungsbereiche Strukturen, Menschen, Ausstattung, Strategie und operative Maßnahmen S.131-135 - 6.4.1.1 Wandel der Unternehmensstrukturen S.131-133 - 6.4.1.2 Wandel der Humanressourcen S.133-134 - 6.4.1.3 Wandel der Ausstattung S.134 - 6.4.1.4 Wandel der Unternehmensstrategie S.134 - 6.4.1.5 Operative Maßnahmen der Einführung S.135 - 6.4.2 Zusammenfassung der Methode zur Einführung von VR in Industrieunternehmen S.135-136 7 Anwendung der Methoden S.137-161 - 7.1 Fallbeispiel 1: Verbaubarkeitsuntersuchungen S.137-144 - 7.1.1 Unternehmensanalyse S.137 - 7.1.2 Schritte der Wertsynthese S.137-141 - 7.1.3 Änderungserfordernisse des Unternehmens S.141-142 - 7.1.4 Nutzenabschätzung und Wirtschaftlichkeitsbewertung S.142 - 7.1.5 Operative Maßnahmen S.142 - 7.1.6 Betrachtung realisierter Systemaufbauten S.143 - 7.1.7 Diskussion des Ergebnisses S.143-144 - 7.2 Fallbeispiel 2: Arbeitsplatzvalidierung S.144-151 - 7.2.1 Unternehmensanalyse S.144 - 7.2.2 Schritte der Wertsynthese S.144-148 - 7.2.3 Änderungserfordernisse des Unternehmens S.148-149 - 7.2.4 Nutzenabschätzung und Wirtschaftlichkeitsbewertung S.149-150 - 7.2.5 Operative Maßnahmen S.150 - 7.2.6 Betrachtung realisierter Systemaufbauten S.150 - 7.2.7 Diskussion des Ergebnisses S.150-151 - 7.3 Fallbeispiel 3: Fabrikanordnungsplanung S.151-158 - 7.3.1 Unternehmensanalyse S.151 - 7.3.2 Schritte der Wertsynthese S.151-155 - 7.3.3 Änderungserfordernisse des Unternehmens S.155-156 - 7.3.4 Nutzenabschätzung und Wirtschaftlichkeitsbewertung S.156-157 - 7.3.5 Operative Maßnahmen S.157 - 7.3.6 Betrachtung realisierter Systemaufbauten S.157-158 - 7.3.7 Diskussion des Ergebnisses S.158 - 7.4 Bewertung der entwickelten Methoden hinsichtlich der gestellten Anforderungen S.158-161 - 7.4.1 Diskussion der Methode zur objektiven Beschreibung und Einordnung von VR-Interface-Systemen S.158-159 - 7.4.2 Diskussion der Methode zur Beschreibung und Einordnung von Aufgaben der Digitalen Fabrik zur Ableitung von Anforderungen an VR-Systeme S.159 - 7.4.3 Diskussion der Methode zur Ermittlung einzusetzender VR-Systeme für benannte Aufgaben unter Nutzenkriterien S.160-161 - 7.4.4 Diskussion der Methode zur Einführung von VR in Industrieunternehmen S.161 8 Zusammenfassung und Ausblick S.162-166 - 8.1 Zusammenfassung und Ausblick S.162-163 - 8.2 Summary S.164-166 9 Literaturverzeichnis S.167-193 - 9.1 Monographien, Artikel und Internetquellen S.167-192 - 9.2 Normen, Richtlinien und Schutzrechte S.192-193 10 Anhang S.194devirtuelle Realitätdigitale FabrikFertigung650doctoral thesis