Der Digitale Zwilling als Mediator zwischen Mensch und Maschine

Cichon, Torben; Roßmann, Heinz-Jürgen; Deuse, Jochen

doi:HT020358947

Der Digitale Zwilling als Mediator zwischen Mensch und Maschine = The Digital Twin: Mediator for Man-Machine Interaction

Cichon, Torben^RWTH*

2019 & 2020

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Torben Cichon

ImpressumAachen 2019

Umfang1 Online-Ressource (xviii, 254 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2020

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Roßmann, Heinz-Jürgen (Thesis advisor)^RWTH* ; Deuse, Jochen (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2019-11-07

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-01645
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/782075/files/782075.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Mensch-Maschine-Interaktion (615210)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Immer komplexer werdende mechatronische Gesamtsysteme erschweren es dem Menschen, einen einfachen Zugang zu und ein intuitives Verständnis von diesen inhärent nicht-trivialen Systemen zu erhalten. Deren Komplexität bezieht sich sowohl auf die Struktur des Systems, als auch auf den Entwicklungsprozess und zudem auf die Steuerung/Bedienung des finalen Systems. Unzulänglichkeiten bei der (Nutzer-)Interaktion, Kollaboration und Kooperation sowie der Steuerung, Teleoperation und Autonomie zeigen klar die Grenzen bei der Entwicklung und Nutzung aktueller robotischer Systeme auf. Das heißt, komplexe Systeme von der Grundlagenforschung bis zum Endkunden/Nutzer zu begleiten (entwickeln, überwachen, warten und betreiben) ist Gegenstand aktueller Bemühungen in Forschung und Entwicklung. Gerade die Übergänge von (universitärer) Forschung zu (industrieller) Anwendung sowie von Entwickler zu Nutzer stellen zentrale Herausforderungen dar. Zur Bewältigung ist eine allgemeine Lösung notwendig, die durch innovative Möglichkeiten der Interaktion einen intuitiven Zugang erlaubt und dadurch Entwicklung, Steuerung sowie inhärent sichere Kooperation und Kollaboration mit komplexen Systemen über deren gesamten Lebenszyklus hinweg möglich macht. Als einer der zentralen Konzepte von Industrie 4.0 zeigt der Digitale Zwilling - die virtuelle digitale Repräsentanz physischer Assets - vielfältige Einsatzmöglichkeiten, insbesondere im Maschinenbau und in der Produktionstechnik. Der Digitale Zwilling, der sämtliche Details vom (mechatronischen) System (Montage, Funktionen, Verwendung und Nutzung) enthält, kann über den gesamten Produktzyklus in unterschiedlichen Ausprägungen Anwendung finden, wie z. B. für optimiertes Maschinendesign, effizientere Inbetriebnahme, kurze Umrüstzeiten, fehlerfreier Betrieb sowie Einblick, Verständnis, Prädiktion und Optimierung der Maschinenleistung. Als Vision kann der Digitale Zwilling nicht nur als Entwicklungstool und Statusmonitor, sondern darüber hinaus als zentrale Schnittstellentechnologie zur intuitiven und sicheren, direkten und indirekten Interaktion und Kooperation zwischen Mensch und realem System eingesetzt werden. In der vorliegenden Dissertation wird daher ein Konzept ausgearbeitet, den Digitalen Zwilling zum Mediator zwischen Mensch und Maschine zu etablieren. Der Digitale Zwilling steht im Mittelpunkt, um einen intuitiven Zugang zu dem realen komplexen robotischen System zu ermöglichen. Mit Hilfe eines Virtuellen Testbeds (VTB) - einem Software-Framework zur system-, disziplin- und anwendungsübergreifenden Entwicklung komplexer Systeme - steht eine Laufzeitumgebung für solche Digitale Zwillinge bereit, um praxisnahe Problemstellungen zu realisieren und neue Ideen, Methoden und Technologien zur Lösung zu entwickeln und zu testen. Die vorliegende Arbeit stellt darauf aufbauend eine konzeptionelle Weiterentwicklung solcher VTBs dar, indem mit und durch den Digitalen Zwilling ein VTB zur Interaktion und Kooperation zwischen Mensch und Maschine lebenszyklusübergreifend eingesetzt werden kann. Neben der Entwicklung des Digitalen Zwillings und dessen Einbettung in das VTB steht insbesondere die Interaktion zwischen Mensch, Digitalem Zwilling und physischem Asset (realem Roboter) im Fokus. Der Digitale Zwilling wird hierbei zum Mediator zwischen Mensch und Roboter und nutzt die Fusion von Realität und Virtualität, um eine intuitive und sichere Interaktion des Menschen mit dem Roboter zu ermöglichen. Im Kern der Dissertation werden die drei hierfür notwendigen Konzeptbausteine entwickelt:(a) die Entwicklung und Integration des Digitalen Zwillings in das VTB sowie die Erweiterung der zugrunde liegenden 3D-Simulation um spezialisierte Frameworks zur Nutzbarmachung und Kopplung der Möglichkeiten des Digitalen Zwillings und des VTBs;(b) die Anbindung neuartiger Ein- und Ausgabegeräte an das VTB sowie die visuelle Aufbereitung eingehender Daten, um dem Menschen einen intuitiven und direkten Zugang zum Digitalen Zwilling zu verschaffen;(c) die Implementierung einer Schnittstelle zwischen Digitalem Zwilling und realem Roboter zur standardisierten Kommunikation des VTBs mit externen Hard- und Softwaremodulen. Dank dieser Bausteine lässt sich der Digitale Zwilling zunächst offline in der Entwicklung des Systems, von datenverarbeitenden Modulen sowie von Nutzerschnittstellen und dem Operator-Training nutzen, anschließend aber auch online zur Überwachung, Interaktion und direkten Steuerung des realen robotischen Systems. Durch die Virtuelle Realität kann sich der Nutzer virtuell an den Einsatzort begeben und wird in seinen Entscheidungen durch sinnvoll aufbereitete Visualisierung wichtiger interner Parameter und möglicher Handlungsoptionen unterstützt. Die Modularität und Flexibilität des Frameworks ermöglicht außerdem die Fusion oder das Wechseln von Realität und Virtualität, sodass das reale System und der Digitale Zwilling sowohl als Datenquelle als auch -senke für das VTB und andere weiterverarbeitende Module eingesetzt werden können. Mögliche Aktionen können dadurch sowohl vor als auch während einer Mission zunächst am Digitalen Zwilling getestet werden, bevor man diese in der Realität umsetzt.

Increasingly complex mechatronic systems make it more and more difficult for humans to gain easy access to and an intuitive understanding of these inherently non-trivial systems. Their complexity comprises not only the number, variety, structure and connection of components but also the (modular) development process, as well as the control and operation of the final system. Inadequacies in man-machine interaction, human-robot collaboration and cooperation as well as in the systems control, teleoperation and autonomy clearly show the limits of the development and use of current robotic systems. This means, to accompany complex systems from the fundamental research to the end user (develop, monitor, maintain and operate) is the subject of current efforts in research and development. Especially the transitions from (university) research to (industrial) application as well as from developer to customer represent central challenges. A holistic solution is necessary to cope with these challenges, allowing an intuitive access through innovative possibilities of man-machine interaction and thus enabling development and control as well as inherently secure cooperation and collaboration with such complex systems over their entire life cycle. As one of the central concepts of industry 4.0, the Digital Twin---the virtual digital representation of physical assets---shows a variety of possible applications, especially in mechanical engineering and production technology. The Digital Twin, which contains all details of the (mechatronic) system (assembly, functions, use and operation), can be utilized over the entire product life cycle in various forms, such as e.g. for optimized machine design, more efficient commissioning, short changeover times, error-free operation as well as for insight, understanding, prediction and optimization of machine performance. As a vision, the Digital Twin can be used not only as a development tool and status monitor, but also as a central interface technology for intuitive and safe, direct and indirect interaction and cooperation between humans and real systems. In this thesis, a concept is developed to establish the Digital Twin as mediator between man and machine. The Digital Twin then provides an intuitive access to the real robotic system. A Virtual Testbed (VTB)---a software framework for the development of systems across domains, disciplines and applications---provides a runtime environment for such Digital Twins to realize complex systems, to develop and test new ideas, methods and technologies and to solve upcoming challenges. This work represents a conceptual enhancement of such VTBs: With and through the Digital Twin, a VTB can be used for interaction and cooperation between man and machine across life cycles. In addition to the development of the Digital Twin and its embedding into the VTB, the interaction between humans, Digital Twins and physical assets (real robots) is of particular interest. The Digital Twin becomes the mediator between humans and robots and uses the fusion of reality and virtuality to enable intuitive and safe man-machine interaction. Therefore, this thesis encompasses three necessary modules:(a) the development of the Digital Twin and its integration into the VTB as well as the extension of the underlying 3D simulation by specialized frameworks for the utilization and coupling of the capabilities of the Digital Twin and the VTB;(b) the connection of novel input and output devices to the VTB as well as the processing of incoming data in order to provide users with intuitive and direct access to the Digital Twin;(c) the implementation of a communication infrastructure between the Digital Twin and the real robot by standardized interfaces of the VTB with external hard- and software modules. With these building blocks, the Digital Twin can initially be used offline in the development of the system, data-processing modules and user interfaces as well as for the operator training, but subsequently also online for monitoring, interaction and direct control of the real robotic system. Virtual Reality allows the user to be present at the place of operation. Here, the operator is additionally supported in his decisions by visualizing important internal parameters and possible options for planned action. The modularity and flexibility of the framework also enables the fusion of reality and virtuality, so that the real system and the Digital Twin can be used both as a data source and data sink for the VTB and other processing modules. Possible actions can thus be tested both prior and during a mission on the Digital Twin before they are executed in reality.

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