Smart Maintenance. Evaluation des Potenzials von Augmented-Reality-Brillen in der Instandhaltung

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung

2 Technologien
2.1 Virtual Reality
2.2 Augmented Reality
2.3 Mixed Reality

3 Augmented-Reality-Brillen
3.1 Head-Mounted Displays
3.2 Hardwareunterschiede
3.2.1 Displayaufbau
3.2.2 Realitätswahrnehmung

4 Instandhaltung
4.1 Klassische Instandhaltung
4.2 Smart Maintenance

5 AR-Brillen in der Smart Maintenance
5.1 Einsatzbereiche
5.2 Potenzialanalyse
5.2.1 Durchführung
5.2.1.1 Stärken (Strengths)
5.2.1.2 Schwächen (Weaknesses)
5.2.1.3 Chancen (Opportunities)
5.2.1.4 Risiken (Threats)
5.2.2 Strategieableitung

6 Zusammenfassung/Fazit

7 Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum

Abbildung 2: Möglichkeiten der Realitätswahrnehmung

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Die mit der Digitalisierung einhergehenden disruptiven Veränderungen betreffen sämtliche Bereiche der Gesellschaft. Hieraus ergibt sich ein Wandel, der zu einer digitalen Ökonomie führt. Neue technologische Entwicklungen, wie z. B. cyber-physische Systeme (CPS), Inter­net of Things (IoT), hochentwickelte Robotik, Sensorik, Big Data oder intelligente Software­Systeme führen dazu, dass sich die künftigen Arbeitsabläufe innerhalb von Unternehmen ändern (BMAS, 2015). Begrifflichkeiten wie Virtual Reality (VR) und Augmented Realitiy (AR) haben in diesem Kontext einen hohen Stellenwert. Der Hype Cycle for Emerging Technolo­gies von Gartner (2017) zeigt, dass die innovativen Entwicklungen auf diesem Gebiet in den kommenden Jahren das Produktivitätsplateau erreichen werden. Im ersten Abschnitt der Arbeit erfolgt eine Erläuterung der beiden Fachbegriffe. Dabei wird eine Abgrenzung der Technologien anhand des Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums von Milgram und Kishino aus dem Jahr 1994 vorgenommen.

Im Bereich der industriellen Verwendungsmöglichkeiten ist primär dem Thema Augmented Reality eine große Bedeutung zuzuschreiben. Ausschlaggebend für diese rasante Evolution sind enorme Technologiefortschritte, gereifte Ökosysteme bei der Umsetzung entsprechen­der Anwendungen und Synergien mit komplettierenden Entwicklungen wie IoT sowie Machi­ne Learning (ML), wodurch eine zunehmende Verschmelzung der realen und virtuellen Welt stattfindet (Adelmann, 2020).

Eine Realisation dieser Technologie kann durch den Einsatz von Augmented-Reality-Brillen erfolgen. Dabei werden den Mitarbeitenden virtuelle, kontextbezogene Informationen im Sichtfeld bereitgestellt. Eine Wahrnehmung der realen Umgebung bleibt bei dieser Anwen­dungsform weiterhin erhalten. Hinsichtlich der Hardware ist aufgrund des Displayaufbaus und der verschiedenen Arten der Realitätswahrnehmung eine Unterteilung in vier grundle­gende Varianten vorzunehmen.

Im Kontext der Industrie 4.0 entstehen im unternehmerischen Umfeld eine Vielzahl an Ein­satzbereichen. Zukünftig wird dem Equipment im Zusammenhang mit Smart Maintenance eine hohe Relevanz beigemessen. Dabei bleiben die konventionellen Bereiche der Instand­haltung bestehen, müssen jedoch um technologische Ansätze wie z. B. mobile Applikatio­nen, Big Data und IoT, ergänzt werden. Die Verwendungsmöglichkeiten von AR-Brillen lie­gen diesbezüglich in der Schritt-für-Schritt Anleitung, Fernwartung und Schulung von Fach­kräften. Die Durchführung einer situationsbezogenen SWOT-Analyse ermöglicht eine Evalu­ation des entstehenden Potentials. Eine Erfassung der durch Literaturrecherche ermittelten Kriterien bildet die Voraussetzung für eine Ableitung der strategischen Handlungsempfeh­lung.

2 Technologien

Zunächst ist die Schaffung eines grundlegenden Verständnisses der einzelnen Technologien empfehlenswert. Dabei ist die prinzipielle Unterteilung hinsichtlich der Termini Virtual Reality, Augmented Reality und Mixed Reality vorzunehmen. Derzeit ist es aufgrund revolutionärer technischer Entwicklungen kaum möglich, Fachbücher sowie Tages- oder Wirtschaftszeitun­gen aufzuschlagen, ohne mit einem dieser Themen in Berührung zu kommen. Der Begriffs­definition folgt die Abgrenzung anhand des Realitäts-Virtualitäts-Kontinuums.

2.1 Virtual Reality

Es existieren unterschiedliche Definitionen zur exakten Beschreibung von Virtual Reality, die wesentlichen Merkmale stimmen jedoch weitestgehend überein. Zurückzuführen ist der Be­griff auf den Pionier Ivan Sutherland, der im Jahr 1965 mit „The Ultimate Display“ ein techno­logiezentriertes Instrument beschreibt, mit welchem die Person in eine virtuelle, computer­programmierte Umgebung eintauchen kann. Dieser Ansatz ist infolge des technischen Fort­schritts mittlerweile überholt. Unabhängig von den verwendeten Ein- und Ausgabegeräten sind nachfolgende Charakterisierungen gültig.

VR bezeichnet die Verwendung von Computern, um den Effekt einer dreidimensionalen Welt zu erzeugen, die interaktive Objekte enthält (Bryson, 1996). Eine vergleichbare Definition liefert Carolina Cruz-Neira (zit. n. Dörner et al., 2019), die auf der SIG-GRAPH Konferenz 1993 in diesem Kontext von immersiven, interaktiven, multisensorischen, betrachterzentrier­ten, dreidimensionalen computererzeugten Umgebungen sowie der Kombination der zur Erstellung dieser Umgebungen benötigten Technologien spricht. Immersion umschreibt den Grad des Eintauchens in die virtuelle Echtzeitumgebung. Die computergenerierten Sinnes- eindrücke vermitteln dem Anwendenden eine umfassende und lebendige Illusion der Reali­tät. Je tiefer eine Person in das Scheinbild eintaucht, desto höher ist der Immersionsgrad (Slater & Wilbur, 1997). Bei der Erstellung der virtuellen Umgebungen wird hauptsächlich sensorisches Feedback in Form von audiovisuellen Rückkoppelungen verwendet (Mihelj & Podobnik, 2012). In Kombination mit haptischen Signalen lässt sich die Eintauchtiefe zusätz­lich erhöhen (Jadhav et al., 2017). Zielvorstellung der VR ist eine vollständige Immersion, die durch verschiedene Technologien wie z. B. Head-Mounted Displays (HMD) oder Cave Au­tomatic Virtual Environments (CAVE) erreicht werden kann (Dörner, et al., 2019).

2.2 Augmented Reality

In der Wissenschaft existiert für Augmented Reality ebenfalls keine einheitliche Definition. Ivan Sutherland hat in diesem Kontext bereits im Jahr 1968 erste Ansätze entwickelt (Sutherland, 1968). In der einschlägigen Literatur hat sich im Zeitverlauf die allgemeine Defi-

nition nach Azuma etabliert. Er umschreibt AR als eine Variation der Virtual Reality. Während VR die Person vollständig in eine virtuelle Welt eintaucht, ermöglicht Augmented Reality dem Anwendenden, die reale Umgebung weiterhin wahrzunehmen. Diese wird dabei in Echtzeit durch künstliche, virtuelle Objekte auf dreidimensionaler Ebene angereichert, wodurch AR die Realität lediglich ergänzt, anstatt sie vollständig zu ersetzen (Azuma, 1997). Ein AR- System ist ein komplexes Computersystem, welches aus geeigneter Hard- und Software besteht, um die Wahrnehmung der realen Welt nahtlos sowie ununterscheidbar um virtuelle Inhalte zu ergänzen. Zur Realisierung werden verschiedene Komponenten, primär aus den Bereichen Eingabe, Darstellung, Tracking und Interaktion benötigt (Carmigniani & Furht, 2011). Die Funktionalität ist nicht ausschließlich auf die Erweiterung der visuellen Wahrneh­mung beschränkt, sondern kann sämtliche sensorischen Sinneseindrücke beeinflussen (Dörner et al., 2019). Durch die Überlagerung der realen Umgebung um zentrale, kontextbe­zogene Informationen bildet Augmented Reality eine Grundlage für verschiedenste Assis­tenzsysteme (Feiner, Macintyre & Seligmann, 1993).

2.3 Mixed Reality

Die beiden Wissenschaftler Milgram und Kishino erläutern den Terminus Mixed Reality (MR) in einem Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum, welches alle Mischformen inmitten der beiden ext­remen Charakteristika Realität sowie Virtualität inkludiert (Milgram & Kishino, 1994). Dieses Modell bildet eine Taxonomie, wodurch die verschiedenen Abstufungen eindeutig klassifiziert werden können. Zum besseren Verständnis ist das Konzept im Folgenden dargestellt.

Abbildung 1: Realitäts-Virtualitäts-Kontinuum

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Milgram & Kishino, 1994

Aus der Abbildung lässt sich ableiten, dass lediglich die beiden absoluten Ausprägungen der Realität sowie Virtualität keine Komponenten der Mixed Reality darstellen. Der Immersions­grad und das Volumen an virtuellen Bestandteilen ist vom Ausmaß der Annäherung an die virtuelle Umgebung abhängig. Mixed Reality bildet einen übergeordneten Begriff für eine 7

Vielzahl realitätserweiternder Systeme, weshalb MR und AR oftmals als Synonym verwendet werden.

3 Augmented-Reality-Brillen

Augmented-Reality-Brillen, auch Datenbrillen oder Smart Glasses genannt, stellen einen wesentlichen Anwendungsbereich der Augmented Reality dar. AR-Brillen sind mit Periphe­riegeräten ergänzte Kleinstrechner, welche am Kopf getragen und mit Augen, Händen sowie der Stimme gesteuert werden (Bendel, 2016). Die mobilen Equipments ermöglichen durch verbaute Komponenten wie z. B. Kameras, Mikrofone sowie GPS und der Verwendung von mobilen Internet-Technologien eine Kombination aus physischen und virtuellen, kontextbe­zogenen Informationen im Sichtfeld der tragenden Person (Caudell & Mizell, 1992; Rauschnabel & Ro, 2016).

Datenbrillen basieren auf der Technologie von Head-Mounted Displays und können hinsicht­lich des Bildschirmaufbaus und der Realitätswahrnehmung unterschieden werden. Darüber hinaus sind Smart Glasses in die Kategorie der Wearables einzuordnen. Dabei handelt es sich um portable Computertechnologien, die am menschlichen Körper oder Kopf getragen werden und der Konkretisierung des Ubiquitous Computing dienen (Bendel, 2019). Einer prägnanten Einführung in das Gebiet der HMDs folgt eine Charakterisierung der Hardware­unterschiede.

3.1 Head-Mounted Displays

Head-Mounted Displays beschreiben grundsätzlich eine am Kopf angebrachte Anzeige. Mo­bile Visualisierungs- und Interaktionssysteme werden dabei in Form einer Datenbrille oder eines Helms getragen (Grimm et al., 2013). Bereits 1968 entwickelte Ivan Sutherland das erste, voll funktionsfähige HMD. Dabei handelte es sich um eine Art Bildschirmbrille, welche durch Tracking-Systeme die Kopfbewegungen des Menschen mechanisch gemessen hat (Bühl, 1997). Das Gerät war derartig schwer, dass es nicht durch die Person getragen wer­den konnte, sondern mit Hilfe einer Vorrichtung an der Raumdecke befestigt wurde. Auf­grund der Bauweise entstand die Bezeichnung „Sword of Damocles“ (Butz & Krüger, 2017).

Im Kontext des technologischen Fortschritts verringert sich der Umfang an prinzipiellen Be­standteilen. Moderne HMDs bestehen aus miniaturisierten Displays, davorliegenden opti­schen Baugruppen, einer integrierten HMD-Elektronik, Schnittstellen zur Datenübertragung und einer Haltevorrichtung der verbauten Komponenten (Grimm et al., 2013; Theis et al., 2013). Ziel ist eine möglichst große Sichtbereichsabdeckung sowie eine Reaktion auf Kopf- und Körperbewegungen nahezu in Echtzeit, wodurch die kontinuierliche Darstellung virtueller Informationen ohne Blickabwendung von der Umwelt möglich ist (Melzer, 2017; Theis et al., 2013).

3.2 Hardwareunterschiede

Mittlerweile existiert eine große Bandbreite unterschiedlicher HMDs. Prinzipiell können AR- Brillen hinsichtlich der verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten von realen und virtuellen Inhalten abgegrenzt werden. Aufgrund der Vielzahl vorhandener Variationen erfolgt eine Be­trachtung der vier grundlegenden Arten.

3.2.1 Displayaufbau

Beim Monitoraufbau von Datenbrillen ist zwischen einer monokularen und binokularen Bau­weise zu differenzieren (Bowman et al., 2004). Die Begriffe beziehen sich auf die Präsentati­on der Informationsinhalte sowie die Möglichkeit der Tiefenwahrnehmung durch das HMD. Monokular bedeutet, dass in dem System lediglich ein Display integriert ist und die erzeugten Inhalte mit einem einzigen Auge betrachtet werden (Rash & McLean, 2000). Dementspre­chend entstehen lediglich zweidimensionale, monoskopische Abbildung ohne Tiefenein­druck.

Eine binokulare Augmented-Reality-Brille besteht im Grunde aus zwei separaten monokula­ren Displays (Grimm et al., 2013). Jedes Auge blickt dabei durch eine unabhängige Bildquel­le, wodurch eine teilweise binokulare Überlappung erreicht wird (Melzer, 2017). Dieses so­genannte binokulare Field of View (FOV) ermöglicht neben der Darstellung des gleichen Bil­des auch die Abbildung eines Stereobildpaars und infolgedessen eine stereoskopische, plas­tische 3D-Illustration computergenerierter Informationen (Grimm et al., 2013; Theis et al., 2013).

3.2.2 Realitätswahrnehmung

Ferner werden unter den AR-basierten visuellen Anzeigegeräten im Kontext der Realitäts­wahrnehmung (teil-)durchsichtige Optical See-Through (OST) HMDs und geschlossene Vi­deo See-Through (VST) HMDs unterschieden (Azuma, 1997; Bowman et al., 2004). Bei der OST-Technologie ist vor den Augen der tragenden Person ein „Combiner“ angebracht. Der geneigte, semitransparente Spiegel bettet die virtuellen Informationen in die existierende Umgebung ein. Dadurch entsteht eine zeitgleiche Wahrnehmung der projizierten Inhalte und der Realität (BAuA, 2016).

Im Gegensatz dazu wird bei VST-Systemen die Bildinformation der realen Umgebung durch Kameras aufgenommen, digitalisiert, verarbeitet, um virtuelle Elemente angereichert und auf einem geschlossenen Monitor vor den Augen der Person dargestellt (BAuA, 2016). Diese Methode blendet den Hintergrund vollständig aus, wodurch eine direkte Wahrnehmung der realen Objekte verwehrt wird (Grimm et al., 2013).

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