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Will­kom­men auf dem Holo­deck!

Virtueller Blick auf die Risiken der neuen Arbeitswelt
Will­kom­men auf dem Holo­deck!

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In der Fern­seh­se­rie Star Trek ging die Mann­schaft des Raum­schiffs Enter­prise öfters mal durch die compu­ter­er­zeug­ten Land­schaf­ten des Holo­decks – in Sankt Augus­tin bei Bonn ist das jetzt auch möglich. Dort werden im „Virtu­el­len Labor“ des Insti­tuts für Arbeits­schutz der Deut­schen Gesetz­li­chen Unfall­ver­si­che­rung (IFA) zukünf­tige Arbeits­pro­zesse, Anla­gen und Produk­ti­ons­um­ge­bun­gen simu­liert, um die Gefähr­dungs­po­ten­ziale und Unfall­ge­fah­ren in der späte­ren Reali­tät auf ein Mini­mum redu­zie­ren zu können. Dabei lassen sich selbst Groß­pro­jekte wie der Umbau einer Schiffs­schleuse im Inter­ak­ti­ons­raum bis ins Detail analy­sie­ren.

Joerg Hensiek

Die Arbeits­welt wird in den kommen­den Jahren durch einen noch nie dage­we­se­nen Auto­ma­ti­sie­rungs­schub revo­lu­tio­niert werden. Der Begriff „Revo­lu­tion“ ist nicht zu hoch gegrif­fen, denn erst­mals werden sich durch die Digi­ta­li­sie­rung auch die Berufs­welt in den Büros dras­tisch ändern, bishe­rige Berufs­bil­der ins Wanken gera­ten und damit auch viele Berufe in diesem Bereich teil­weise über­flüs­sig. In der indus­tri­el­len Produk­tion wird neben der stei­gen­den Auto­ma­ti­sie­rung und der Maschine-zu-Maschine-Kommunikation vor allem ein Phäno­men beach­tens­wert sein, das den Arbeits­schutz vor große Heraus­for­de­run­gen stel­len wird: Mit der Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) wird auch die Zusam­men­ar­beit von Mensch und Maschine völlig neu defi­niert. Dabei sollen durch die Inter­ak­tion mensch­li­cher Fähig­kei­ten und Fertig­kei­ten mit den Funk­tio­nen des Robo­ters voll­kom­men neue Produk­ti­ons­stan­dards und Quali­täts­ni­veaus reali­siert werden.
Neue Gefähr­dun­gen
Durch den Einsatz kolla­bo­rie­ren­der Robo­ter­sys­teme wird eine voll­kom­men neue Arbeits­um­ge­bung für den Menschen entste­hen, bei der es noch nicht eindeu­tig abseh­bar ist, ob sie für den betrieb­li­chen Arbeits- und Gesund­heits­schutz langfris-tig mehr posi­tive oder vorran­gig nega­tive Auswir­kun­gen haben wird. Einer­seits wird die MRK-Technologie in erheb­li­chem Maße dazu beitra­gen, dass insbe­son­dere Gefähr­dun­gen und ergo­no­mi­sche Probleme, die durch sich stän­dig wieder­ho­lende, mono­tone, körper­lich belas­tende und einsei­tige Tätig­kei­ten verur-sacht werden, bald schon der Vergangen-heit ange­hö­ren könn­ten.
Die Kehr­seite der Medaille: Durch MRK entste­hen natür­lich auch neue, völlig anders­ar­tige Sicher­heits­ri­si­ken. Um nur ein Beispiel zu nennen: Kolli­sio­nen zwischen Mensch und Robo­ter am gemein­sa­men Arbeits­platz. Denn bei der engen Zusam­men­ar­beit von Mensch und Maschine wird es keine tren­nen­den Schutz­ein­rich­tun­gen mehr geben. Da Robo­ter ihre Bewe­gun­gen mit viel Ener­gie und Geschwin­dig­keit ausfüh­ren können, kann das für den Maschi­nen­part­ner Mensch selbst­re­dend böse Folgen haben. Diesen neuen Gefähr­dun­gen will die MRK-Technologie vor allem durch den Einsatz von perfekt funk­tio­nie­ren­den Sicher­heits­steue­run­gen begeg­nen. Diese sollen alle Bewe­gun­gen des Robo­ters gezielt über­wa­chen und die gesamte Anlage bei uner­laub­ten Posi­tio­nen und Kolli­si­ons­ge­fahr sofort zum Still­stand brin­gen.
Ein für den Arbeits- und Gesund­heits­schutz aber noch inter­es­san­te­rer, weil präven­ti­ver Weg der Gefähr­dungs­ver­mei­dung klingt für den Laien dage­gen noch wie Science Fiction, ist aber teil­weise schon Reali­tät: Die Simu­la­tion von zukünf­ti­gen Arbeits­pro­zes­sen und ‑plät­zen durch Virtual Reality (VR). Mit ande­ren Worten: Indem ganze Arbeits­um­ge­bun­gen reali­täts­ge­treu digi­tal erzeugt und simu­liert werden können, lassen sich Gefähr­dun­gen ausschlie­ßen bezie­hungs­weise zumin­dest redu­zie­ren, bevor die Anla­gen und Arbeits­plätze in der Reali­tät über­haupt erst aufge­baut und einge­rich­tet wurden.
Die Reali­tät simu­lie­ren
Am Insti­tut für Arbeits­schutz der Deut­schen Gesetz­li­chen Unfall­ver­si­che­rung (IFA) in Sankt Augus­tin bei Bonn kann man sich bereits anse­hen, wie VR für den Arbeits­schutz funk­tio­niert. Dr. Peter Nickel, zustän­dig für das Sach­ge­biet Mensch-System-Interaktion, stellt den „virtu­el­len Inter­ak­ti­ons­raum“ und die dazu gehö­ri­gen Simu­la­ti­ons­tech­no­lo­gien vor, die in ihrem Zusam­men­spiel das SUTAVE-Labor ausma­chen. SUTAVE steht für „Safety and Usabi­lity Through Appli­ca­ti­ons in Virtual Envi­ron­ments” [www.dguv.de/ifa/sutave]. Nickel erklärt: „Wir setzen virtu­elle Reali­tät ein, um Arbeits­sys­teme gebrauchs­taug­lich und sicher­heits­ge­recht zu gestal­ten. Im SUTAVE-Labor testen wir, ob bei tech­ni­schen Anla­gen oder Arbeits­pro­zes­sen Gefähr­dun­gen und Risi­ken auftre­ten und entwi­ckeln und über­prü­fen poten­ti­elle Maßnah­men zu ihrer Redu­zie­rung.“
Auftrag­ge­ber von Nickel und seinem Team sind insbe­son­dere die Unfall­ver­si­che­rungs­trä­ger. Die VR-Simulationen bear­bei­ten im Bereich des Arbeits­schut­zes vor allem Projekte zur Unfall­ver­hü­tung und Produkt­si­cher­heit während des gesam­ten Produkt­le­bens­zy­klus, die Mensch-System-Interaktion in verschie­de­nen Nutzungs- und Gefähr­dungs­si­tua­tio­nen sowie Risiko- und Gefähr­dungs­be­ur­tei­lun­gen von Anla­gen und Arbeits­pro­zes­sen. „Für die Problem­lö­sun­gen“, so Nickel, „nutzen wir meist gemischte Reali­tä­ten, das heißt reale Gegen­stände werden mit virtu­el­len kombi­niert und es entsteht dann eine virtu­elle Welt, die für den Nutzer noch näher an der Reali­tät ist.“
So funk­tio­niert das SUTAVE-Labor
Im VR-Interaktionsraum des IFA werden Arbeits­pro­zesse dyna­misch und in 3D-Technik auf eine Fläche von acht Meter Breite und drei Meter Höhe proji­ziert. Die Projek­ti­ons­flä­che ist auf einem 164 Grad-Kreissegment mit einem Radius von 2,80 Meter aufge­spannt. Der Inter­ak­ti­ons­raum von sieben Quadrat­me­tern wird dadurch virtu­ell erwei­tert. Das Blick­feld eines Beschäf­tig­ten in der virtu­el­len Welt wird voll­stän­dig abge­deckt, und durch die gebo­gene Projek­ti­ons­flä­che erge­ben sich auch keine stören­den Stoß­kan­ten in der virtu­el­len Welt. Die VR bedient die visu­elle und akus­ti­sche Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung des Menschen während der Arbeits­pro­zesse konti­nu­ier­lich und in Echt­zeit. Weitere Sinne des Menschen werden durch eine Inte­gra­tion realer Arbeits­mit­tel in die VR ange­spro­chen.
Mithilfe von Rech­ner­sys­te­men, Tracking­sys­tem und Projek­ti­ons­tech­nik entsteht somit eine virtu­elle, drei­di­men­sio­nale, dyna­mi­sche Arbeits­um­ge­bung. Bewe­gun­gen in der Umge­bung lassen sich von Maschi­nen und Beschäf­tig­ten direkt steu­ern. Perspek­tive, Blick­win­kel und Akus­tik ändern sich abhän­gig davon, wo der Mensch steht und wie er sich bewegt. Die VR-Technik liefert ihm Infor­ma­tio­nen annä­hernd so, wie er sie in der Reali­tät wahr­nimmt, verar­bei­tet und umsetzt. In virtu­el­len Arbeits­wel­ten lässt sich ähnlich wie in Reali­tät arbei­ten und es lassen sich Unter­su­chun­gen in gefähr­li­chen Arbeits­si­tua­tio­nen machen, ohne dabei Test­per­so­nen in Gefahr brin­gen zu müssen oder kosten- und zeit­auf­wen­dig Arbeits­um­ge­bun­gen aufzu­bauen.
Insge­samt schränkt Nickel die Möglich­kei­ten durch Virtual Reality etwas ein: „VR ist nur eine Simu­la­tion, die die Reali­tät nicht voll­stän­dig model­lie­ren kann. Somit sind auch unsere Ergeb­nisse nicht einfach so 1:1 auf reale Arbeits­plätze zu über­tra­gen. Die Umset­zung am Arbeits­platz bleibt das Maß für Arbeits­si­cher­heit und Gesund­heits­schutz, mithilfe von VR werden manche Unter­su­chun­gen über­haupt erst möglich und mancher Aufwand lässt sich deut­lich verrin­gern.“
Virtu­elle Anla­gen­be­ge­hung
Mit dem VR-Labor können nicht nur Risiko- und Gefähr­dungs­ana­ly­sen für kleine Anla­gen und räum­lich einfach zu über­schau­ende Arbeits­um­ge­bun­gen durch­ge­führt werden. Selbst Groß­an­la­gen wie eine Schiffs­schleuse, die recht­lich auch als Maschine gilt, lassen sich durch die VR-Technik in der Planungs­phase auf ihre Maschi­nen­si­cher­heit präven­tiv auf Herz und Nieren prüfen, indem sie im VR-Labor virtu­ell „begeh­bar“ gemacht wird. Nicht erst bei Anla­gen in dieser Größen­ord­nung lohne sich laut Nickel der Einsatz eines dyna­mi­schen virtu­el­len Planungs­mo­dells wegen der Redu­zie­rung oder Vermei­dung von Unfall­ge­fah­ren, sondern auch aus Kosten­grün­den: „Durch eine Risi­ko­be­ur­tei­lung in frühen Planungs- und Entwick­lungs­pha­sen können Herstel­ler, Betrei­ber und weitere Betei­ligte aufwen­dige Nach­ar­bei­ten vermei­den. Denn mit unse­rer Tech­no­lo­gie können wir nicht nur die Arbeits­pro­zesse reali­täts­nah nach­bil­den, sondern ebenso die späte­ren Nutzungs­kon­texte.“
Aktu­el­les Beispiel ist die Schleu­sen­an­lage Kochen­dorf. Sie soll als erste von 26 Neckarschleu­sen für über­große Güter­mo­tor­schiffe (135 Meter Länge) verlän­gert werden. Mithilfe des Labor sollte eine Risi­ko­be­ur­tei­lung der zukünf­ti­gen Schleu­sen­an­lage unter­stützt werden, damit auch alle rele­van­ten dyna­mi­schen Prozesse (z.B. Berg­schleu­sung) in unter­schied­li­chen Nutzungs­kon­tex­ten (z.B. Durch­lei­tung von Güter­ver­kehr, Sport­ver­kehr) und Betriebs­zu­stän­den (z.B. Normal­be­trieb, Instand­hal­tung) über­prüft werden können. Die Daten für das virtu­elle Modell wurden aus der Bege­hung der gegen­wär­ti­gen Schleuse, den Planungs­zeich­nun­gen und den 3D CAD-Modellen zu Anla­gen­kom­po­nen­ten der origi­na­len Planungs­da­ten entwi­ckelt und im VR-Labor des IFA als zukünf­tige Schleu­sen­an­lage im Maßstab 1:1 begeh­bar umge­setzt.
Das Projekt Kochen­dorf ist im VR-Labor mitt­ler­weile abge­schlos­sen. Es konn­ten unter ande­rem folgende Gefähr­dun­gen und Risi­ken bei der „virtu­el­len Bege­hung“ ermit­telt werden und dazu entspre­chende Maßnah­men zur Risi­ko­re­duk­tion an die Planungs­or­ga­ni­sa­tio­nen weiter­ge­lei­tet werden:
    • Quetsch­stel­len mit beweg­li­chen Teilen von Maschi­nen (Schleu­sen­tore). Maßnahme: Verschie­bung des Maschi­nen­hau­ses auf Seiten­mole.
    • Kolli­sio­nen von Absturz­si­che­run­gen auf Schleu­sen­to­ren mit jenen entlang der Kammer. Maßnah­men: Schleu­sen­tor ohne Passage oder geän­derte Absturz­si­che­rung auf Schleu­sen­tor oder an Treppe.
    • Verkehrs­weg­breite einge­schränkt. Maßnahme: Neue Plat­zie­rung des Kame­ra­ma­sts.
    • Fehlende Absturz­si­che­run­gen am Kammer­rand. Maßnahme: Absturz­si­che­run­gen einpla­nen.
    • Nicht ausrei­chen­der Platz in einer Kaverne, um manu­elle Wartungs­ar­bei­ten an Toran­trie­ben mit Werk­zeug durch­füh­ren zu können. Maßnahme: Vergrö­ße­rung der Kaverne.
    • Sicht­ein­schrän­kun­gen auf Ausfahrt­si­gnal durch Plat­zie­rung des Kame­ra­ma­sts. Maßnahme: andere Plat­zie­rung des Kame­ra­ma­sts.
Fazit
  • Die tech­no­lo­gi­schen Möglich­kei­ten des SUTAVE-Labors lassen sich abhän­gig von den spezi­fi­schen Frage­stel­lun­gen und Anfor­de­run­gen des jewei­li­gen Projekts – und damit auch Groß­pro­jek­ten wie einer Schiffs­schleuse – stän­dig weiter ausbauen, ein wich­ti­ger Plus­punkt des Labors. Peter Nickel erzählt: „Die Projekte stim­men wir eng mit den Unfall­ver­si­che­rungs­trä­gern und weite­ren Part­nern ab. Die Problem- und die Frage­stel­lung müssen natür­lich im Voraus allen klar sein. Wir über­le­gen dann in welchem Umfang VR-Simulationen sinn­voll genutzt werden können. Im Fokus eines Projekts, bei dem SUTAVE-Labor, Head-Mounted Display oder andere Unter­su­chun­gen durch­ge­führt werden, stehen Ergeb­nisse, die betriebs­prak­ti­sche Rele­vanz und Nutzen im Arbeits­schutz haben sollen.“ Aus der Perspek­tive des Arbeits­schut­zes aber beson­ders wich­tig: Auch wenn die Heraus­for­de­run­gen der Arbeits­welt von Indus­trie 4.0 nicht gering sein werden, mit Tech­no­lo­gien wie dem SUTAVE-Labor stehen bereits jetzt wirk­same Instru­mente zur Verfü­gung, die schon heute helfen Maschi­nen und Anla­gen sowie Mensch-System-Interaktionen sicher und gebrauchs­taug­lich für morgen zu gestal­ten.
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