Zastosowania VR w inżynierii produkcji

2.3.1 Wprowadzenie

Systemy VR to rozwiązania, które mogą efektywnie wspierać dziedzinę inżynierii produkcji. Wirtualna rzeczywistość może znaleźć zastosowanie przede wszystkim na etapie technicznego przygotowania produkcji. Dotyczy to głównie [Pająk i in. 2011]:

- przygotowania konstrukcyjnego (weryfikacja konstrukcji na podstawie analiz wirtualnych modeli),

- przygotowania technologicznego (wirtualizacja procesów wytwórczych, weryfikacja wyposażenia i obsługi stanowisk produkcyjnych),

- przygotowania organizacyjnego (symulacja przepływu materiału, rozmieszczenia stanowisk produkcyjnych obróbki i montażu),

- eksploatacji (wirtualne instrukcje obsługi, konserwacji, montażu i demontażu).

Z punktu widzenia autora rozprawy, techniki i narzędzia VR oferują szereg zastosowań w zakresie wsparcia (rys. 2.26):

- procesów projektowania wyrobów (wizualizacja modeli 3D), - procesów wytwarzania i montażu (wizualizacja),

Strona | 38 - analiz ergonomicznych (wizualizacja wyrobów ręcznych i stanowisk pracy),

- procesów budowy interaktywnych systemów do szkoleń przemysłowych.

Rys.2.26. Zastosowania systemów VR w inżynierii produkcji [źródło: opracowanie własne]

Nowoczesne techniki wirtualnej rzeczywistości znajdują obecnie swoje zastosowanie w wielu fazach cyklu życia wyrobu. Dostępne na rynku rozwiązania VR pozwalają na przygotowanie immersyjnych, interakcyjnych środowisk o dużym stopniu realizmu. Modele wirtualne¹⁶ analizowane są w całym cyklu życia wyrobu (rys. 2.27), począwszy od fazy koncepcji, w której można zwizualizować przyszły wytwór (stosuje się wtedy tzw. prototyp wirtualny), a skończywszy na fazie wycofania z życia (tworzy się m.in. tzw. interaktywne instrukcje recyklingu) [Pająk i in. 2011].

Rys.2.27. Miejsce wirtualnego wyrobu w cyklu życia produktu [źródło: Pająk i in. 2011]

16 Model wirtualny (inaczej wirtualny wyrób) – cyfrowa reprezentacja wyrobu wygenerowana w środowiskach CAx (ang. Computer Aided Technologies), umieszczona w zdefiniowanej przestrzeni wirtualnej [Górski i in.

2013].

Strona | 39 Wirtualne modele umieszcza się w dowolnie ukształtowanej przestrzeni wirtualnej, w celu [Górski i in. 2013]:

- testowania, doskonalenia i rozwoju przyszłego wytworu w fazie projektowania (np.

poprawa konstrukcji, ergonomia, symulacja działania),

- optymalizacji pozostałych faz cyklu życia (m.in. przygotowanie produkcji – wirtualne procesy produkcyjne, produkcja – wirtualne instrukcje montażu, eksploatacja – wirtualne instrukcje obsługi).

Wirtualne modele wyrobu stosowane są przede wszystkim w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym [Bryson 2003, Burdea i Coiffet 2003, Górski i in. 2015a].

2.3.2 Projektowanie wyrobów

Jeśli chodzi o wparcie technik wirtualnych w fazie projektowania, pierwsze rezultaty prac badawczych prezentujących wymierne korzyści wynikające z zastosowania VR w projektowaniu przemysłowym, pojawiły się pod koniec lat 80-tych. Naukowcy [Brooks 1986] z University of North Carolina przygotowali rozwiązanie o roboczej nazwie Walkthrough, które stosowano do tworzenia wirtualnych symulacji budynków (wizualizacja formy zabudowy, dachu, elewacji oraz rozkładu pomieszczeń). Cyfrowy model obiektu budowlanego przygotowywano na podstawie dokumentacji dostarczonej przez użytkownika (klienta). Analiza interaktywnej wersji projektowanego budynku pozwalała na wykrycie i poprawę błędów jeszcze przed etapem właściwych prac budowlanych.

Jedną z głównych zalet zastosowania rozwiązań VR w projektowaniu jest potencjalna możliwość redukcji kosztów projektu [Whyte i in. 2000, Weiss i in. 2005, Maleshkov i in. 2009, Pająk i in. 2011]. Podmioty uczestniczące w cyklu życia wyrobu (m.in. projektanci, konstruktorzy, technolodzy, eksperci od marketingu) mają możliwość zapoznania się z wirtualnym prototypem przyszłego wytworu oraz środowiskiem, w którym będzie on eksploatowany. Dzięki temu możliwe jest wykrycie potencjalnych błędów (np. w konstrukcji) we wczesnej fazie projektu, podczas gdy w tradycyjnym projektowaniu trzeba było zbudować fizyczny prototyp, aby poddać go niezbędnym analizom.

Zastosowanie narzędzi i technik VR w projektowaniu i prototypowaniu wyrobów było przedmiotem prac [Weiss i in. 2005, Konieczny i in. 2008, Weiss i in. 2009, Gajewski i in.

2015b, Górski i in. 2016, Pandilov i in. 2016], zrealizowanych w Laboratorium Wirtualnego Projektowania, przy udziale autora niniejszej rozprawy w charakterze wykonawcy. We współpracy z lokalnym producentem sprzętu AGD utworzono m.in. wirtualny prototyp pralki,

Strona | 40 na bazie modelu CAD 3D rzeczywistego urządzenia (rys. 2.28). Wirtualny model pełnił funkcję interaktywnej wizualizacji urządzenia, która oprócz weryfikacji pewnych cech wizualnych, oferowała możliwość realizacji elementarnych czynności związanych z obsługą urządzenia (np.

otwarcie i zamknięcie pojemnika na detergenty, obudowy filtra czy drzwi pralki). Dodatkowo w ramach prac opracowano interaktywną instrukcję demontażu (na potrzeby serwisowe).

Rys.2.28. Wirtualny model pralki [źródło: Weiss i in. 2009]

2.3.3 Symulacja procesów wytwarzania

Modelowanie i symulacja procesów wytwarzania jest w tej chwili domeną specjalistycznych programów typu CAE (ang. Computer Aided Engineering), które w oparciu o zaawansowane modele matematyczne symulują zjawiska fizyczne i/lub chemiczne zachodzące w trakcie rzeczywistych procesów wytwórczych. Wsparcie technik wirtualnej rzeczywistości polega natomiast na wizualizacji procesów produkcyjnych, czyli stworzeniu wirtualnej symulacji, w której przedstawiane są kolejno następujące po sobie zdarzenia wynikające z określonego ciągu przyczynowo - skutkowego, charakterystycznego dla określonego procesu wytwarzania. Programowanie odpowiednich zachowań obiektów (właściwych dla danego procesu wytwórczego lub operacji montażowych) odbywa się na podstawie danych z symulacji wykonanych w systemach CAE. Ocena możliwości symulacji różnych procesów wytwarzania i montażu przez konkretne rozwiązania VR, była przedmiotem prac zespołu naukowców Laboratorium Wirtualnego Projektowania PP, pod kierownictwem prof. Edwarda Pająka (tab. 2.1) [Pająk i in. 2011]. Autorzy w swojej pracy wskazali, że obecne rozwiązania VR mogą skutecznie wspierać planowanie i organizację procesów wytwarzania.

Analiza procesu realizowanego na wirtualnym stanowisku w przestrzeni immersyjnej, pozwala m.in. na skrócenie czasu poświęconego na czynności przygotowawczo - zakończeniowe

Strona | 41 i pomocnicze, a także na identyfikację strat czasu wynikających ze słabej ergonomiczności stanowiska produkcyjnego. Można w ten sposób dokonać oceny efektywności symulowanego procesu wytwórczego.

Tabela 2.1. Ocena możliwości symulacji procesów wytwarzania i montażu [źródło: Pająk i in.

2011]

Grupa technik wytwarzania i montażu

Możliwość symulacji w środowisku wirtualnym

Obróbka skrawaniem ograniczona - konieczność dynamicznej zmiany geometrii obiektu z zastosowaniem odpowiednich algorytmów (w praktyce rzadko stosowane)

Spajanie (spawanie, zgrzewanie, lutowanie, klejenie)

duża - zapewnienie różnego stopnia szczegółowości, możliwość wykorzystania układów cząsteczkowych i materiałów płynnych do symulacji zachowania materiału pomocniczego (kleju, drutu spawalniczego itp.)

Obróbka plastyczna ograniczona - konieczność dynamicznej zmiany geometrii obiektu (problemy podobne jak w przypadku obróbki skrawaniem)

Odlewnictwo ograniczona - związane z wykorzystaniem materiałów płynnych (w praktyce rzadko stosowane)

Montaż duża - zapewnienie różnego stopnia szczegółowości, np. łączenie części z zastosowaniem elementów łączących (śruby, nity itp.) Przetwórstwo tworzyw sztucznych

(wytłaczanie, wtryskiwanie, formowanie próżniowe)

ograniczona - konieczność dynamicznej zmiany geometrii obiektu i wykorzystania materiałów płynnych

Obróbka warstwy wierzchniej (metalizowanie, napylanie, obróbka cieplno-chemiczna itp.)

ograniczona - brak możliwości symulacji zmian w mikrostrukturze wyrobu, możliwość zmian cech wizualnych oraz fizycznych obiektu (np. współczynnik tarcia)

Techniki wytwarzania przyrostowego

duża - dla wybranych procesów możliwa w pełnym zakresie, dla pozostałych możliwa częściowo po zastosowaniu odpowiednich algorytmów

W literaturze pojawiły się również publikacje, w których obszernie opisano zastosowanie technik i narzędzi VR do budowy wirtualnych symulacji procesów zachodzących na pojedynczych stanowiskach produkcyjnych, na liniach produkcyjnych lub w tzw. fabrykach cyfrowych (ang. digital factories) [Okulicz 2004, Mujber i in. 2004, Jimeno i Puerta 2007, Hrast i in. 2011, Menck i in. 2012]. Tego typu prace realizowane były także w Laboratorium Wirtualnego Projektowania PP [Weiss i in. 2009, Pająk i in. 2011, Grajewski i in. 2015a].

2.3.4 Ergonomia

Rozwiązania VR znalazły swoje zastosowanie w pracach badawczych z zakresu bezpieczeństwa i ergonomii pracy [Whitman i in. 2004, Foster i Burton 2004, Gonzales i in.

2006, Brenosa i in. 2011, Januszka 2012], m.in. z powodu dużych możliwości, które z jednej strony przyczyniały się do poszerzenia zakresu badań, a z drugiej – do ograniczenia kosztów związanych z budową rzeczywistych stanowisk badawczych. Zasadniczym problemem, jaki pojawiał się w badaniach z tego zakresu, była skuteczność tworzenia realistycznych aplikacji

Strona | 42 VR, które pozwalałyby na wyciągnięcie prawidłowych wniosków, zwłaszcza co do ergonomii modelowanych układów człowiek-maszyna. Wiązało się to głównie ze skomplikowanym procesem symulacji rzeczywistych warunków i zjawisk zachodzących w modelowanym układzie wirtualnym.

W literaturze [Whitman i in. 2004] pojawiły się wyniki badań, których celem było ustalenie (na potrzeby analiz ergonomicznych), w jakim stopniu realizacja pewnych czynności może być odzwierciedlana w środowisku wirtualnym. Podstawowym aspektem prowadzonych prac było zbadanie, czy prace wykonywane w środowisku wirtualnym mogą być przeprowadzone z taką samą skutecznością jak w rzeczywistych warunkach. Czynnością eksperymentalną było porównanie próby przeniesienia przedmiotu z jednego stołu na drugi (w obu środowiskach).

W badaniach zastosowano system monitorowania ruchu odcinka lędźwiowego kręgosłupa człowieka, który zintegrowano z hełmem wizyjnym i systemem śledzenia (rys. 2.29).

Rys.2.29. Próba przeniesienia przedmiotu w VR [źródło: Whitman i in. 2004]

Przeprowadzone doświadczenia wykazały, że czynności wykonane w obu środowiskach znacznie się od siebie różniły. Różnice dotyczyły nie tylko szybkości i precyzji wykonanego zadania, ale także ruchów osoby testującej rozwiązanie. W środowisku wirtualnym użytkownik czuł się niepewnie, co miało wpływ na jego zachowanie i gesty, które dodatkowo wynikały z ograniczeń sprzętowych (zastosowano m.in. hełm wizyjny typu mono). Użytkownik obserwując niestereoskopowy obraz otaczającego go wirtualnego środowiska, nieprawidłowo postrzegał głębię obrazu, a co za tym idzie, wykonywane przez niego czynności były bardziej zachowawcze i trwały dłużej. Z uwagi na fakt, że uczestnik wirtualnej sceny bardzo koncentrował się na precyzyjnym wykonaniu założonego wcześniej zadania, jego ruchy nie były do końca naturalne. W związku z tym dane uzyskane z pomiarów antropometrycznych na potrzeby dalszych analiz ergonomicznych były obarczone znacznym błędem.

Strona | 43 Analizując publikacje wyników badań z zakresu odwzorowania modelowanych układów człowiek-maszyna w rzeczywistości wirtualnej, bardzo często można spotkać się z wnioskami sugerującymi potrzebę zastosowania technologii haptycznych, w celu uzyskania dodatkowych wrażeń dotykowych, co pozwoli „urealnić” zjawiska zachodzące w tych układach [Foster i Burton 2004, Gonzales i in. 2006, Brenosa i in. 2011].

2.3.5 Edukacja i szkolenia

Najnowsze rozwiązania VR to interaktywne środowiska, które zapewniają warunki do:

- nauki uczniów i studentów (np. immersyjne aplikacje edukacyjne z historii, biologii, medycyny, architektury, budowy maszyn) [Nanu i in. 2014, Grajewski i in. 2015b, Elliman i in. 2016, Feldman i in. 2016, Kneist i in. 2016, Dinis i in. 2017],

- szkoleń medycznych (prezentacje fizjologii, atlasy anatomiczne, prezentacje metodyki zabiegów, instrukcje obsługi sprzętu medycznego itp.) [Ullrich i in. 2010, Górski i in. 2017, www.simbionix.com, www.caehealthcare.com, www.quanser.com].

Osoby edukowane lub szkolone przy wsparciu VR, angażują się w procesy rozwiązywania złożonych problemów, a także mają możliwość bezpośredniego doświadczania właściwości fizycznych (np. kształt, gabaryty) obiektów będących częścią wirtualnej sceny, co można osiągnąć dzięki zastosowaniu urządzeń haptycznych[Buń i in. 2017a]. Na bazie rosnącego potencjału systemów VR, ośrodki badawcze zainicjowały prace nad interaktywnymi narzędziami szkoleniowymi, które zapewniałyby realizm sytuacyjny z jednoczesnym bezpieczeństwem osób szkolonych. Dla przykładu, naukowcy z ośrodka badawczego Systemstech (branża wojskowa) opracowali symulator oparty na technikach VR, przeznaczony do wirtualnego treningu skoku z użyciem spadochronu (rys. 2.30) [www.systemstech.com].

Rys. 2.30. Symulator skoku na spadochronie [Pająk i in. 2011, www.systemstech.com]

Rozwiązanie zapewnia możliwość weryfikacji procedur dotyczących skoku w przypadku niepoprawnie zrealizowanego ćwiczenia. Wirtualny symulator pozwala wypracować

Strona | 44 odpowiednie nawyki, odruchy i reakcje, a w razie popełnianych błędów, wspiera proces przygotowania metod ich eliminacji. [Pająk i in. 2011, www.systemtech.com].

Korzyści wynikające z zastosowania rozwiązań VR do interaktywnych szkoleń doceniła także branża medyczna. Przykładem mogą być komercyjne systemy szkoleniowe przeznaczone do treningu operacji nakłuwania igłą [Ullrich i in. 2010, www.quanser.com] (rys. 2.31), laparoskopii (rys. 2.32), endoskopii, chirurgii wewnątrznaczyniowej czy artroskopii [www.simbionix.com, www.caehealthcare.com].

Rys. 2.31. Symulacja nakłucia wirtualną igłą [źródło: Ullrich i in. 2010, www.quanser.com]

Rys. 2.32. Systemy do symulacji zabiegów laparoskopowych [źródło: www.simbionix.com, www.caehealthcare.com]

Strona | 45

2.3.6 Szkolenia przemysłowe

Na przestrzeni kilku ostatnich lat zanotowano rozwój interaktywnych systemów do szkoleń przemysłowych w inżynierii. Mowa tu zwłaszcza o rozwiązaniach VR stosowanych do nauki obsługi urządzeń na stanowiskach pracy oraz do immersyjnego treningu określonych czynności wykonywanych na stanowisku pracy [Gupta i in. 1997, Jayram i in. 1999, McDermott i Bras 1999, Wan i in. 2004, Bhatti i in. 2008, Ritchie i in. 2008, Seth i in. 2008, Rodriguez i in. 2012].

Konieczność przygotowania wirtualnych środowisk do szkoleń przemysłowych jest uzasadniona w sytuacjach, kiedy realizacja tradycyjnego treningu może narażać zdrowie i życie kursanta lub przeprowadzenie szkolenia w normalnych warunkach wymaga dużych nakładów finansowych oraz czasu. Przykładem komercyjnych rozwiązań do szkoleń przemysłowych są zaawansowane systemy haptyczne, które służą do szkolenia przyszłych operatorów maszyn górniczych (rys. 2.33). Osoba szkolona wchodzi w interakcję z wirtualną sceną według ściśle określonych scenariuszy pracy, które mają na celu jak najlepsze wyszkolenie z zakresu obsługi maszyny oraz postępowania w sytuacjach awaryjnych (np. awaria sprzętu, zagrożenia wynikające z otoczenia pracy) [Cheng 2015].

Rys. 2.33. Wirtualny symulator maszyny górniczej [źródło: Cheng 2015]

Jak wspomniano, interaktywne systemy VR stosuje się do szkoleń zorientowanych na naukę czynności lub zadań wykonywanych na stanowisku produkcyjnym. Potrzeba korzystania z symulacji wirtualnej staje się szczególnie zasadna, gdy nie ma możliwości organizacji treningu na rzeczywistym stanowisku w przedsiębiorstwie (np. brak fizycznego odpowiednika stanowiska dostępnego tylko do szkoleń) lub taka możliwość jest bardzo ograniczona (tylko w trakcie przestojów).

Strona | 46 Analiza rozwiązań VR [Gupta i in. 1997, Jayram i in. 1999, McDermott i Bras 1999, Ritchie i in. 2008, Seth i in. 2008, Rodriguez i in. 2012] stosowanych do szkoleń przemysłowych zorientowanych na czynności wykonywane na stanowisku pracy pokazuje, że mogą one wspomóc trening z zakresu realizacji tzw. zadań proceduralnych¹⁷. Warunkiem koniecznym, który zapewni odpowiedni poziom skuteczności symulacji VR jako narzędzia szkoleniowego, jest zapewnienie odpowiedniej immersji i interakcji świata wirtualnego z użytkownikiem. Ważne jest, aby podejmowane przez użytkownika działania znajdowały bezpośrednie przełożenie na obraz generowany i wyświetlany przez aplikację [Buń i in. 2017b].

Kluczowa w tym kontekście jest interaktywna kontrola nad przedstawionym obrazem oraz interakcja dotykowa, w jaką wchodzi uczestnik wirtualnej sceny, aby móc sterować i manipulować wirtualnymi obiektami w czasie rzeczywistym.

Zdaniem autora, zapewnienie interakcji przez dotyk jest niezbędne z punktu widzenia wirtualnej symulacji operacji wykonywanych ręcznie. Dlatego też analizę istniejących podejść i rozwiązań stosowanych do interaktywnych szkoleń przemysłowych, przeprowadzono ze szczególnym uwzględnieniem interakcji dotykowej użytkownika z wirtualnym środowiskiem (rozdział 2.5). Analizę poprzedzono przeglądem rodzajów interfejsów dotykowych TUI (ang. Tangible User Interface) w wirtualnej rzeczywistości (rozdział 2.4).