DE102012005880A1 - Method for designing production environment e.g. workstation, involves recording sequence of movements of worker during production of performing action and evaluating sequence of movements of predetermined criterion - Google Patents

Method for designing production environment e.g. workstation, involves recording sequence of movements of worker during production of performing action and evaluating sequence of movements of predetermined criterion Download PDF

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Abstract

The method involves providing a virtual representation of the production environment and visualizing the virtual representation. The actions are performed in the production visualized production environment by a worker (10). A sequence of movements of the worker is recorded during the production of performing action. The sequence of movements of predetermined criterion is evaluated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auslegen einer Produktionsumgebung.The invention relates to a method for designing a production environment.

Um Produktionsumgebungen, wie beispielsweise Arbeitsstationen, Bänder oder dergleichen in Bezug auf Ergonomie, notwendigen Laufweg von Werkern, Zusammenspiele mehrerer Werker in einer Station und dergleichen, zu optimieren, wird üblicherweise ein realer Prototyp des Arbeitsplatzes mit Modellen zu bearbeitender Werkstücke, verwendeter Regalsysteme, Montagewerkzeuge, Gitterboxen oder dergleichen verwendet. Auch Attrappen für die genannten Bestandteile der Produktionsumgebung können verwendet werden.In order to optimize production environments, such as workstations, belts or the like, in terms of ergonomics, necessary worker walk, interaction of several workers in a station and the like, a real prototype of the workstation will typically be provided with models of workpieces to be machined, shelving systems used, assembly tools, Grid boxes or the like used. Dummies for the mentioned components of the production environment can also be used.

Die Arbeitstätigkeit eines Werkers in einem derartigen Modell einer Produktionsumgebung wird dann von Fachleuten, beispielsweise Logistikplanern, Ergonomieexperten, Montageplanern, Experten für produktionsgerechte Produktgestaltung und dergleichen beobachtet, die auf Grundlage ihrer Beobachtungen Änderungen und Optimierungen der Produktionsumgebung, der Produktionsabläufe etc. vorschlagen. Solche Änderungen, wie beispielsweise eine Änderung in der Anordnung von Ladungsträgern zur Optimierung des Laufwegs des Werkers und dergleichen, können in der Folge im Modell der Arbeitsumgebung nachgestellt und ihre Auswirkungen beobachtet und bewertet werden.The work of a worker in such a model of a production environment is then observed by those skilled in the art, such as logistics planners, ergonomics experts, assembly planners, product design experts, and the like, who propose changes and optimizations of the production environment, production processes, etc. based on their observations. Such changes, such as a change in the arrangement of carriers to optimize the worker's travel and the like, can be subsequently recreated in the work environment model and their effects observed and evaluated.

Die bekannten Verfahren zum Auslegen von Produktionsumgebungen sind daher äußerst aufwendig bei vielen gegenwärtig verwendeten elektronischen Planungsprozessen werden zudem keine Prototypen der Arbeitsstationen mehr erstellt, so dass die Prototypenfertigung ausschließlich für die Produktionsplanung erfolgen müsste, was mit hohem Aufwand und hohen Kosten verbunden ist.The known methods for laying out production environments are therefore extremely expensive in many currently used electronic planning processes no prototypes of workstations are more created so that the prototype production would have to be made exclusively for the production planning, which is associated with high costs and high costs.

Aus der DE 101 28 015 A1 ist ein Verfahren zum Planen einer veränderten Produktionsumgebung bekannt, bei welchen Planungsergebnisse mithilfe eines augmented reality systems einer realen Fertigungsumgebung überlagert werden, um so die Auswirkung von Änderungen visualisieren zu können. Beispielsweise können so Kollisionsprüfungen für neu aufzustellende Geräte innerhalb der realen Produktionsumgebung durchgeführt werden. Während derartige Verfahren geeignet sind, bestehende Produktionsumgebungen zu ändern, benötigen sie dennoch einen realen Hintergrund, in welchem die Änderungen visualisiert werden, und sind daher für die Planung komplett neuer Produktionsumgebungen nicht geeignet.From the DE 101 28 015 A1 A method for planning a modified production environment is known in which planning results are superimposed by means of an augmented reality system on a real manufacturing environment in order to be able to visualize the effect of changes. For example, collision checks for devices to be set up can be carried out within the real production environment. While such methods are capable of changing existing production environments, they still require a real background in which the changes are visualized and are therefore not suitable for designing completely new production environments.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels welchem auf einfache, schnelle und kostengünstige Weise neue Produktionsumgebungen ausgelegt und bezüglich vorgegebener Kriterien bewertet werden können.The present invention is therefore based on the object to provide a method of the type mentioned, by means of which can be designed in a simple, fast and cost-effective manner new production environments and evaluated with respect to predetermined criteria.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of patent claim 1.

Bei einem solchen Verfahren wird zunächst eine virtuelle Repräsentation der Produktionsumgebung bereitgestellt und in der Folge visualisiert. In der visualisierten Produktionsumgebung wird dann durch einen Werker zumindest eine Produktionshandlung durchgeführt und der Bewegungsablauf des Werkers während des Durchführens der Produktionshandlung aufgezeichnet. Auf Basis des aufgezeichneten Bewegungsablaufs erfolgt dann eine Bewertung des Bewegungsablaufs nach zumindest einem vorgegebenen Kriterium.In such a method, a virtual representation of the production environment is first provided and visualized in the sequence. In the visualized production environment, at least one production action is then carried out by a worker and the movement of the worker is recorded during the execution of the production action. On the basis of the recorded movement sequence, an evaluation of the sequence of movements then takes place according to at least one predetermined criterion.

Im Vergleich zum Stand der Technik lässt sich das beschriebene Verfahren problemlos und kostengünstig in virtuelle Designprozesse integrieren und kommt vollständig ohne die Notwendigkeit physikalischer Prototypen oder dergleichen aus. Neu gestaltete Produktionsumgebungen können somit vollständig auf der Grundlage einer virtuellen Realität getestet und bewertet werden, dass sowohl getestet als auch auf Grundlage der Bewertung vorzunehmende Änderungen besonders einfach und kostengünstig macht.Compared to the prior art, the method described can be integrated easily and cost-effectively into virtual design processes and can do completely without the need for physical prototypes or the like. Newly designed production environments can thus be fully tested and evaluated on the basis of a virtual reality that makes testing as well as making changes based on the evaluation very easy and cost effective.

Durch die Aufzeichnung der Bewegung des Werkers in der visualisierten Produktionsumgebung wird zudem eine besonders genaue und detaillierte Auswertung seines Bewegungsablaufs bzw. des Produktionsprozesses in der visualisierten Produktionsumgebung möglich, da die bewertenden Experten den aufgezeichneten Bewegungsablauf mehrfach und aus beliebigen Perspektiven beobachten können. Auf diese Art lassen sich besonders schnell und einfach Verbesserungen am Produktionsprozess durchführen.By recording the movement of the worker in the visualized production environment, a particularly accurate and detailed evaluation of his movement or the production process in the visualized production environment is possible because the evaluating experts can observe the recorded movement multiple times and from any perspective. In this way, improvements to the production process can be carried out particularly quickly and easily.

Hierfür ist es insbesondere zweckmäßig, wenn zum Bewerten des Bewegungsablaufs eine virtuelle Repräsentation des Werkers auf Grundlage des aufgezeichneten Bewegungsablaufs erstellt und die virtuelle Repräsentation der Produktionsumgebung integriert wird, so dass die Bewegungen des Werkers von dem bewertenden Experten ebenfalls vollständig in der virtuellen Realität betrachtet werden können.For this purpose, it is particularly expedient if a virtual representation of the worker on the basis of the recorded movement sequence is created and the virtual representation of the production environment is integrated so that the movements of the worker can also be fully considered by the evaluating expert in the virtual reality ,

Zum Bewerten des Bewegungsablaufs wird hierfür zweckmäßigerweise eine stereoskopische Projektion der virtuellen Repräsentation von Werker und Produktionsumgebung erstellt, die von den bewertenden Experten mittels geeigneter 3D-Brillen oder dergleichen aus beliebigen Blickwinkeln betrachtet werden kann.To evaluate the motion sequence, a stereoscopic projection of the virtual representation of worker and production environment is expediently created for this purpose, which can be viewed by the evaluating experts by means of suitable 3D glasses or the like from any angles.

Zur Visualisierung der Produktionsumgebung wird ebenfalls vorzugsweise eine stereoskopische Projektion der virtuellen Repräsentation in ein Sichtfeld des Werkers projiziert, so dass dieser die gewünschten Handlungen aus seiner natürlichen Position und aufgrund seiner natürlichen Wahrnehmung durchführen kann. Hierdurch wird ein besonders realistischer Planungsprozess ermöglicht. For visualization of the production environment, a stereoscopic projection of the virtual representation is also preferably projected into a field of view of the worker so that he can perform the desired actions from his natural position and due to his natural perception. This enables a particularly realistic planning process.

Unterstützend zur stereoskopischen Projektion können zur Visualisierung der Produktionsumgebung auch Umrisskonturen der Produktionsumgebung auch Umrisskonturen der Produktionsumgebung auf eine Bodenfläche im Bereich des Werkers projiziert werden, so dass dieser problemlos wahrnehmen kann, wenn eine seiner Bewegungen mit einem Objekt kollidieren würde.In addition to the stereoscopic projection, the outline of the production environment and the contours of the production environment can be projected onto a floor area in the area of the worker so that the latter can easily perceive if one of his movements would collide with an object.

Zur weiteren Unterstützung der Durchführung der Projektionshandlung in der visualisierten Produktionsumgebung ist es möglich, im Bereich der Projektion zumindest eine ein Produktionsmittel der Produktionsumgebung repräsentierende Attrappe an einem Ort zu platzieren, welche mit einer jeweiligen Art des Produktionsmittels in der virtuellen Repräsentation korrespondiert. Hierfür sind keine komplexen Prototypen notwendig, es können vielmehr einfache und kostengünstige, im Zweifelsfall nur annähernd formgenaue Attrappen verwendet werden, die den Werker bei der Detektion von möglichen Kollisionen, die durch seine Produktionshandlungen hervorgerufen werden, unterstützen.To further support the implementation of the projection action in the visualized production environment, it is possible to place at least one dummy representing a production medium of the production environment in the area of the projection at a location which corresponds to a respective type of the production means in the virtual representation. For this purpose, no complex prototypes are necessary, but it can be used simple and inexpensive, in case of doubt only approximately dimensionally accurate dummies, which support the worker in the detection of possible collisions, which are caused by its production activities.

Um die so zu planende Produktionsumgebung zu optimieren, ist es zweckmäßig in Abhängigkeit von der Bewertung eine Anordnung der Produktionsmittel in der virtuellen Repräsentation zu verändern und des Verfahren zu wiederholen, bis ein weiteres vorgegebenes Kriterium bezüglich des Bewegungsablaufs erfüllt ist. Sowohl das erste als auch des zweite vorgegebene Kriterium können dabei die Produktionseffizienz, die Kürze der zurückzulegenden Wege oder auch die Ergonomie der vom Werker durchgeführten Handlungen betreffen.In order to optimize the production environment to be planned in this way, it is expedient, as a function of the evaluation, to change an arrangement of the means of production in the virtual representation and to repeat the procedure until a further predetermined criterion with respect to the movement sequence is fulfilled. Both the first and the second predetermined criterion may relate to the production efficiency, the shortness of the paths to be covered or the ergonomics of the actions performed by the operator.

Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert.In the following the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing.

Die einzige Figur zeigt dabei eine schematische Darstellung der virtuellen Visualisierung einer auszulegenden Produktionsumgebung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens.The single FIGURE shows a schematic representation of the virtual visualization of a production environment to be interpreted in the context of an embodiment of a method according to the invention.

Um eine neu auszulegende Produktionsumgebung, beispielsweise ein Arbeitsplatz für einen oder mehrere Werker oder auch komplexere Umgebungen, wie beispielsweise ganze Bänder, zu optimieren, wird zunächst ein virtuelles Modell der Produktionsumgebung in einen in der Figur nicht gezeigten Rechner erstellt. Mittels einer Bedienkonsole 12 können unterschiedliche Ansichten und Zustände dieses Modells abgerufen und visualisiert werden. Soll nun überprüft werden, wie innerhalb der geplanten Produktionsumgebung konkrete Arbeitshandlungen vorgenommen werden, beispielsweise um diese in Bezug auf Anzahl der vorzunehmenden Handgriffe, zurückzulegende Wege, Ergonomie der dabei zu bewerkstelligenden Bewegungen oder dergleichen zu optimieren, wird die an der Konsole 12 gewählte Visualisierung der virtuellen Produktionsumgebung mittels eines stereoskopischen Projektor 14 auf eine Leinwand 16 im Blickfeld eines Werkers 10 projiziert. Unterstützend können auch Umrisskonturen von in der virtuellen Produktionsumgebung vorhandenen Geräten, Werkstücken oder dergleichen mittels einer weiteren Projektionsvorrichtung 18 auf einen Bodenbereich 20 um den Werker 10 herum projiziert werden.In order to optimize a newly designed production environment, for example a workstation for one or more workers or even more complex environments, such as entire bands, a virtual model of the production environment is first created in a computer, not shown in the figure. By means of a control panel 12 Different views and states of this model can be retrieved and visualized. If it is now to be checked how concrete work actions are undertaken within the planned production environment, for example to optimize these with respect to the number of handles to be made, paths to be covered, ergonomics of the movements to be accomplished or the like, this will be done on the console 12 Selected visualization of the virtual production environment by means of a stereoscopic projector 14 on a canvas 16 in the field of vision of a worker 10 projected. Also supporting contour contours of existing in the virtual production environment devices, workpieces or the like by means of another projection device 18 on a floor area 20 to the worker 10 be projected around.

Der Werker 10 erfährt so ein natürliches Abbild der geplanten Produktionsumgebung und kann in dieser simulierte Arbeitshandlungen vornehmen. Seine Bewegungen werden hierbei durch einen stereoskopischen Scanner 22 aufgezeichnet. Hierbei kann es sich um Laserscanner, Tiefenbildkameras, oder aber auch ähnliche, beispielsweise aus Spielkonsolen bekannte Vorrichtung zum Aufnehmen dreidimensionaler Bewegungen handeln.The worker 10 experiences a natural image of the planned production environment and can carry out simulated work activities. His movements are done by a stereoscopic scanner 22 recorded. These can be laser scanners, depth image cameras, or else similar devices known for example from game consoles for recording three-dimensional movements.

Die aufgezeichneten Bewegungen des Werkers 10 während des Durchführens einer simulierten Arbeitshandlung werden zusammen mit dem virtuellen Abbild der geplanten Produktionsumgebung im Rechner gespeichert und können auf der Konsole 12 aus beliebigen Blickwinkeln betrachtet werden, so dass die betrachtenden Experten ein detailliertes Bild des simulierten Arbeitsablaufs bekommen. Werden hierbei Probleme erkannt, wie beispielsweise unergonomische Positionen oder Bewegungen des Werkers 10 während der simulierten Tätigkeit, so kann das Modell der geplanten Produktionsumgebung entsprechend geändert werden und über die Produktionsvorrichtungen 14, 18 dem Werker 10 wiederum visualisiert werden, so dass dieser testen kann, wie sich die Veränderung der Produktionsumgebung auf seine Handbewegungen und dergleichen auswirkt.The recorded movements of the worker 10 while performing a simulated work action, together with the virtual image of the planned production environment are stored in the computer and can be viewed on the console 12 from any angle so that the viewing experts get a detailed picture of the simulated workflow. If this problems are detected, such as unergonomic positions or movements of the worker 10 during the simulated activity, the model of the planned production environment can be changed accordingly and over the production devices 14 . 18 the worker 10 be visualized again, so that it can test how the change in the production environment on his hand movements and the like.

Die Visualisierung auf der Konsole 12 sowie durch die Projektionsvorrichtungen 14, 18 sind dabei synchronisiert, so dass bei Drehungen, Zooms oder dergleichen auf der Konsole 12 die Darstellung auch für den Werker 10 entsprechend geändert wird. Um die Simulation der Arbeitshandlung durch den Werker 10 zu erleichtern können hierbei auch Attrappen und Prototypen Anwendung finden, die an die Position von entsprechenden Produktionsmitteln, Werkstücken oder dergleichen der virtuellen Projektionsumgebung gegebenenfalls unterstützt durch die Bodenprojektion mittels des Projektors 18 – platziert werden können. Hierbei sind keine komplexen Modelle notwendig, sondern lediglich einfache, Formkonturen der entsprechenden Objekte wiedergebende Attrappen, die dem Werker 10 dabei helfen.The visualization on the console 12 as well as through the projection devices 14 . 18 are synchronized, so that during rotations, zooms or the like on the console 12 the representation also for the worker 10 is changed accordingly. To the simulation of the work action by the worker 10 dummies and prototypes can also be used, which may be supported by the. position of corresponding production means, workpieces or the like of the virtual projection environment Ground projection by means of the projector 18 - can be placed. Here, no complex models are necessary, but only simple, form contours of the corresponding objects reproducing dummies, the worker 10 help with.

Beispielsweise kann auch diese Art die optimale Anordnung mehrerer Ladungsträger (Gitterboxen) an einem Montageband entschieden werden. Dazu werden nacheinander mehrere unterschiedliche Anordnungen dieser Ladungsträger durchgespielt, die dem Werker 10 entweder rein virtuelle oder mithilfe von Attrappen in der virtuellen Produktionsumgebung präsentiert werden. Der reale Werker 10 vollführt dann die Bewegungen, die zur Entnahme von Montagegegenständen aus diesen Ladungsträger notwendig sind, wobei seine Bewegungen ständig durch den Sensor 22 realisiert und in das virtuelle Abbild der Produktionsumgebung hineinkopiert werden.For example, this type of optimal arrangement of multiple charge carriers (grid boxes) can be decided on a mounting tape. For this purpose, successively several different arrangements of these charge carriers are played through, the worker 10 either purely virtual or presented using dummies in the virtual production environment. The real worker 10 then performs the movements that are necessary to remove assembly items from these carriers, with its movements constantly through the sensor 22 realized and copied into the virtual image of the production environment.

Die mit der Planung der Produktionsumgebung betrauten Experten können dann die Gesamtheit aus dem Umfeld der virtuellen Produktionsumgebung und der Bewegungen des Werkers 10 beobachten und erkennen, welche dieser möglichen Anordnung in Bezug auf Laufweg, Ergonomie etc. die günstigste ist.The experts responsible for the planning of the production environment can then use the entirety of the environment of the virtual production environment and the movements of the worker 10 observe and recognize which of these possible arrangements in terms of travel, ergonomics, etc. is the cheapest.

Die aufgezeichneten Bewegungen des Werkers 10 können aber auch vollständig in CAD-Systeme integriert werden, und dort die Grundlage für weitere Simulationen, Optimierungen, Kollisionsanalysen und dergleichen bilden, sodass auf kostengünstigste Weise ohne die Notwendigkeit von aufwendigen Prototypen die Planung auch komplexer Fertigungsumgebungen ermöglicht wird.The recorded movements of the worker 10 but can also be fully integrated into CAD systems, and form the basis for further simulations, optimizations, collision analyzes and the like, so that the most cost-effective way without the need for elaborate prototypes, the planning of complex manufacturing environments is possible.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10128015 A1 [0005] DE 10128015 A1 [0005]

Claims (7)

Verfahren zum Auslegen einer Produktionsumgebung, mit den Schritten: a) Bereitstellen einer virtuellen Repräsentation der Produktionsumgebung; b) Visualisieren der virtuellen Repräsentation; c) Durchführen zumindest einer Produktionshandlung in der visualisierten Produktionsumgebung durch einen Werker (10); d) Aufzeichnen eines Bewegungsablaufs des Werkers (10) während des Durchführens der Produktionshandlung; e) Bewerten des Bewegungsablaufs nach zumindest einem vorgegebenen Kriterium.A method of designing a production environment, comprising the steps of: a) providing a virtual representation of the production environment; b) visualizing the virtual representation; c) performing at least one production action in the visualized production environment by a worker ( 10 ); d) recording a movement of the worker ( 10 ) while performing the production action; e) evaluating the movement sequence according to at least one predetermined criterion. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewerten des Bewegungsablaufs eine virtuelle Repräsentation des Werkers auf Grundlage des aufgezeichneten Bewegungsablaufs erstellt und in die virtuelle Repräsentation der Produktionsumgebung integriert wird.A method according to claim 1, characterized in that for the evaluation of the movement process, a virtual representation of the worker is created on the basis of the recorded movement sequence and integrated into the virtual representation of the production environment. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Bewerten des Bewegungsablaufs eine stereoskopische Projektion der virtuellen Repräsentationen von Werker (10) und Produktionsumgebung erstellt wird.A method according to claim 2, characterized in that for evaluating the movement sequence, a stereoscopic projection of the virtual representations of workers ( 10 ) and production environment is created. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Visualisierung der Produktionsumgebung eine stereoskopische Projektion der virtuellen Repräsentation in ein Sichtfeld des Werkers (10) projiziert wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that for the visualization of the production environment a stereoscopic projection of the virtual representation in a field of view of the worker ( 10 ) is projected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Visualisierung der Produktionsumgebung Umrisskonturen der Produktionsumgebung auf eine Bodenfläche (20) im Bereich des Werkers (10) projiziert werden.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that for visualizing the production environment contour contours of the production environment on a floor surface ( 20 ) in the area of the worker ( 10 ) are projected. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Projektion zumindest eine ein Produktionsmittel der Produktionsumgebung repräsentierende Attrappe an einem Ort platziert wird, welcher mit einem jeweiligen Ort des Produktionsmittels in der virtuellen Repräsentation korrespondiert.Method according to one of claims 3 or 4, characterized in that in the region of the projection at least one dummy representing a production means of the production environment is placed at a location which corresponds to a respective location of the means of production in the virtual representation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der Bewertung eine Anordnung der Produktionsmittel in der virtuellen Repräsentation verändert und das Verfahren wiederholt wird, bis ein weiteres vorgegebenes Kriterium bezüglich des Bewegungsablaufs erfüllt ist.Method according to one of Claims 1 to 6, characterized in that, depending on the evaluation, an arrangement of the means of production in the virtual representation is changed and the method is repeated until a further predetermined criterion relating to the movement sequence is fulfilled.
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