10.12.2019

Augmented Reality in der Industrie

Ohne Programmierung zur AR-Anwendung

Um Anwendungen auf Basis von Augmented Reality (AR) zu erstellen, sind bislang spezielle Programmierkenntnisse erforderlich. Die Speicherung von Maschinendaten und deren Verknüpfung mit Hologrammen ist sehr komplex. Durch die Verwendung einer Low-Code-Plattform als Baukastenbasis lässt sich diese Aufgabe hingegen deutlich vereinfachen. Solch ein intelligentes Servicesystem ermöglicht die herstellerübergreifende Entwicklung von datenbasierten Mehrwertdiensten. Vorteile liegen dann in der einfachen Integration verschiedener Bausteine sowie einer Reduzierung des Wartungsaufwands bei bestehenden Anwendungen.


Baukastenbasierte Architektur der intelligenten Serviceplattform (iSrv)
Bild: Universität Stuttgart

Unter Augmented Reality versteht man die Erweiterung der Realität durch Hologramme. Typischerweise werden diese Hologramme über Brillen mit integriertem transparentem Display erzeugt. Der Nutzer einer solchen Brille sieht vor sich die Realität, z.B. eine Werkzeugmaschine, darüber werden aber zusätzliche holografische Objekte eingeblendet. Je nach Detaillierungstiefe des hinterlegten Physikmodells, kann das Hologramm sich dynamisch und realistisch an Änderungen der Umgebung anpassen. So führt dann etwa das Verfahren einer Achse zu einer Verformung, Schwingungen oder einer anderen Reaktion des Hologramms. Für die Industrie ermöglicht diese Technologie neue, interessante Anwendungsmöglichkeiten. Ein Techniker kann durch das Einblenden von Hologrammen in einer Werkzeugmaschine bei Wartungsarbeiten unterstützt werden. Das führt zu weniger Fehlern und verringert die kognitive Last des Technikers bei immer komplexer werdenden Maschinen und Prozessen.

Intelligente Serviceplattformen

Für Maschinenbauer ist die Entwicklung von Mehrwertdiensten basierend auf Augmented Reality jedoch eine große Herausforderung. Auf der einen Seite ist der Einsatz stark vom Umfeld abhängig. Die Integration einer Maschine in den Fertigungsprozess und die Vernetzung mit dem Produktionsumfeld haben Einfluss. Die Mehrwertdienste müssen also individuell für den Betreiber der Maschine angepasst werden. Auf der anderen Seite erfordert der Einsatz von AR ein breites Spektrum von speziellem Fachwissen, z.B. Methoden der künstlichen Intelligenz, Simulationstechnik oder die Verarbeitung großer Datenmengen. Es ist nicht immer ökonomisch sinnvoll oder gewünscht, dass ein Maschinenbauer dieses Fachwissen inhouse aufbaut. Die Einbindung von externen Dienstleistern bietet dann eine Alternative ohne das erforderliche Spezialwissen verschiedener Disziplinen selbst genrieren zu müssen. So können auch mittelständische Unternehmen datengetriebene Analysedienste erstellen und dabei auf einen Baukasten verschiedener externer Dienstleister zugreifen. Doch auch die Integration verschiedener Dienstleister stellt eine große Herausforderung dar. Fragen zur Kompatibilität von Datenschnittstellen, Formaten und Kommunikationsprotokollen müssen beantwortet werden. Genau diese Problemstellung adressieren sogenannte Intelligente Serviceplattformen. Im Forschungsprojekt 'iSrv - Intelligentes Servicesystem', wird eine solche Lösung entwickelt. Der Forschungsschwerpunkt liegt dabei auf einem Baukastenmodell, dass eine firmenübergreifende Integration und Umsetzung von Mehrwertdiensten ermöglicht.

Low-Code-Plattformen

Ein wesentliches Werkzeug bei der Umsetzung von intelligenten Serviceplattformen sind die sogenannte Low-Code-Plattformen. Sie ermöglichen es, Applikationen über eine grafische Modellierung zu erstellen. Der Entwicklungsaufwand reduziert sich somit von der Anwendungsprogrammierung auf die Konfiguration und Verknüpfung vorgegebener Bausteine. Der Programmcode wird dann automatisiert von der Plattform erzeugt. Solche vorgegebenen Bausteine können z.B. Datenobjekte, Kommunikationsschnittstellen, Algorithmen zur Datenverarbeitung oder Visualisierungsobjekte sein. Sollten die vorgegebenen Bausteine nicht ausreichen, um den gewünschten Anwendungsfall umzusetzen, so muss die Anwendung um manuell geschriebenen Programmcode erweitert werden. Das Verhältnis von automatisiert generiertem und manuell geschriebenem Programmcode wird als Konfigurationsgrad der Software bezeichnet. Ein Konfigurationsgrad von über 95 Prozent ist für einfache Anwendungsfälle durchaus realistisch. Ein hoher Konfigurationsgrad bringt die Vorteile einer höheren Wartbarkeit und eines reduzierten Einarbeitungsaufwands der Software mit sich. Jeder Programmierer hat seinen eigenen Programmierstil, sodass die Einarbeitung in fremden Programmcode Zeit erfordert. Auf den Stuttgarter Innovationstagen am 3. und 4. März 2020 werden die Forschungsergebnisse in einer Live-Coding-Session durch die Erstellung eines Mehrwertdienstes über eine Low-Code-Plattform demonstriert. Ein Demonstrator in der Maschinenhalle des Instituts für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) wird über eine Datenschnittstelle an eine Low-Code-Plattform angebunden. Aus der Datenplattform wird dann per Knopfdruck eine lauffähiger Mehrwertdienst mit Web Frontend erzeugt.

Baukasten für Augmented Reality

Durch die Verwendung eines Baukastens können Programme zur Erzeugung von Hologrammen auch ohne Programmierung erstellt werden. Am ISW ist ein solcher Baukasten für AR entwickelt worden. Der Entwickler erstellt dann über eine Online-Anwendung ein Projekt. Über den webbasierten Editor kann er CAD-Dateien der gewünschten Objekte hochladen. Diese werden automatisiert im Hintergrund in FBX-Dateien umgewandelt um später als Hologramm angezeigt werden zu können. Das Objekt wird mit weiteren Informationen, wie dem Skalierungsfaktor oder der Position angereichert. Die Position wird dabei immer relativ zu einem Marker angegeben. Mehrere Objekte können dabei mit einem Marker verknüpft werden. Der Marker kann dann z.B. auf Papier ausgedruckt und an der Maschine angebracht werden. Auf der AR-Brille muss einmalig der Client des Baukastens installiert werden. Danach erkennt das Programm automatisch neue Marker, sobald diese im Sichtfeld des Benutzers sind. Die Hologramme werden dann automatisiert aus der Datenbank geladen und entsprechend den hinterlegten Positionsdaten angezeigt. Die Verwendung des AR-Baukastens ermöglicht dadurch die Entwicklung von Augmented-Reality-Anwendungen über die reine Konfiguration in einer Web-Oberfläche, ohne Programmierkenntnisse zu erfordern. Das Forschungs- und Entwicklungsprojekt 'iSrv - intelligentes Servicesystem' wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Programm 'Innovationen für die Produktion, Dienstleistung und Arbeit von morgen' gefördert und vom Projektträger Karlsruhe (PTKA) betreut. Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.

Stuttgarter Innovationstage 2020

Weitere Innovationen der Automatisierungs- und Steuerungstechnik werden am 3. und 4. März 2020 auf den Stuttgarter Innovationstagen präsentiert. Neben neuen Technologien zeigen die Vorträge unter anderem den Einsatz bestehender Methoden auf Basis des digitalen Zwillings im Maschinen- und Anlagenbau auf. Mit Vorträgen aus den Fachbereichen IT und klassischer Automatisierungstechnik können Besucher nächste Schritte in Richtung des interdisziplinären Wissensaustauschs machen. www.stuttgarter-innovationstage.de

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