Pick-by-Vision Eine Vision wird Wirklichkeit

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1 LOG-Tagung, 27. Juni 2007 in München Pick-by-Vision Eine Vision wird Wirklichkeit Adolf Würth GmbH & Co. KG fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Willibald A. Günthner Technische Universität München Forschungsstelle der Bundesvereinigung Logistik e.v. Agenda Vorstellung des Lehrstuhls fml Lehre Forschung Pick-by-Vision Projekthintergrund Grundlagen bisher erzielte Ergebnisse aktueller Stand Ausblick Diskussion und Vorführung

2 Campus Garching Fakultät Maschinenwesen Lehrstuhl fml fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Chemie 36 Mitarbeiter 18 Planstellen 18 Drittmittelstellen Aufgaben Forschung Lehre Industrieprojekte Maschinenwesen Physik FRM II Max- Planck- Institute Mathematik/ Informatik Diplomstudiengänge im Maschinenwesen Diplomstudiengänge: Maschinenwesen Luft- und Raumfahrt Energie und Prozesstechnik Produktion und Logistik Entwicklung und Konstruktion Mechatronik und Informatonstechnik Fahrzeug- und Motorentechnik Maschinenbau - Management

3 Fachmodul Logistik Grundlagenfach: Methoden der Unternehmensführung Referenten Umfang Semester Reinhart 3 WS Vertiefungsfächer: Materialfluss und Logistik (verpflichtend) Günthner 3 WS Antriebssystemtechnik Höhn 3 WS Automatisierungstechnik im Maschinenbau Bender 3 WS Fabrikplanung Reinhart 3 SS Fördertechnik Günthner 3 SS Grundlagen des Kraftfahrzeugbaus Heißing 3 WS Materialflusstechnik Günthner 3 WS Montage, Handhabung, Industrieroboter Reinhart 2 WS Objektorientierte SW-Entwicklung für Ingenieure Bender 3 SS Planung technischer Logistiksysteme Günthner 3 SS Produktionsergonomie Rühmann 3 WS Qualitätsmanagement Zäh, u.a. 2 WS Ergänzungsfächer als Empfehlung: Logistik in der Automobilindustrie Bauer 2 SS Projektmanagement für Ingenieure Platz 2 WS Grundlagen des Managements für Ingenieure Müller 2 SS Management der Wertschöpfung Wildemann 2 WS Logistik im Industriebetrieb Wildemann, u.a. 2 WS Logistik: Supply Chain Management Wildemann 2 SS Personalmanagement I Büssing 2 SS Technischer Einkauf - Technischer Vertrieb Wolf 3 SS Entwicklungsprozess für mobile Arbeitsmaschinen Kirschnek 2 WS fml - Lehrangebot Vorlesungen Übungen Praktika Seilbahntechnik Maschinenzeichnen und CAD-Einführung Materialfluss und Logistik Materialflusstechnik Fördertechnik Planung technischer Logistiksysteme Maschinenzeichnen und CAD-Einführung Logistik Materialfluss und Logistik Materialflusstechnik Fördertechnik Planung technischer Logistiksysteme Entwicklungsprozess für mobile Arbeitsmaschinen Schüttgutförderung Logistik in der Automobilindustrie Antriebssystemtechnik ERP-Systeme

4 Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Entwicklung von FEM-Berechnungsmethoden Technik von Materialflusssystemen Automatisierung des Berechnungsablaufes Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Planung von AutoIdent- Systemen Experimentelle Untersuchungen Transportlogistik am Bau fml Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Technik von Materialflusssystemen Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Planung von AutoIdent- Systemen Transportlogistik am Bau fml

5 Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Technik von Materialflusssystemen Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Planung von AutoIdent- Systemen Transportlogistik am Bau fml Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Technik von Materialflusssystemen Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Planung von AutoIdent- Systemen Transportlogistik am Bau fml

6 Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Produkt 1 Technik von Materialflusssystemen Produkt 2 Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Produkt 3 Planung von AutoIdent- Systemen Transportlogistik am Bau fml Arbeitsgebiete fml - Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Rechnerintegrierte Planung und Simulation von Logistiksystemen Technik von Materialflusssystemen Flexible Materialflusssysteme für die Produktion Planung von AutoIdent- Systemen Transportlogistik am Bau Baustelle Grobanforderung von Material über Feinplanung der Transporte Steuerung der Fahrzeuge Datenerfassung fml

7 Arbeitsgebiete am Lehrstuhl fml im Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Entwicklung von FEM-Berechnungsmethoden Automatisierung des Berechnungsablaufes Experimentelle Untersuchungen Kranlogistik Kraneinsatzplaner EIS Datenbankgestützter Gerätekatalog für Baumaschinen fml Arbeitsgebiete am Lehrstuhl fml im Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Entwicklung von FEM-Berechnungsmethoden Automatisierung des Berechnungsablaufes Experimentelle Untersuchungen Kranlogistik Kraneinsatzplaner EIS Datenbankgestützter Gerätekatalog für Baumaschinen fml

8 Arbeitsgebiete am Lehrstuhl fml im Überblick Materialfluss und Logistik Kranbau Schüttgutförderung Berechnungsmodelle für Schneckenförderer Ermittlung von Schüttgutkennwerten fml Bayerischer Forschungsverbund ForLog ForLog in Zahlen: 3 Universitäten 7 Lehrstühle 27 Industriepartner 1,6 Mio. Euro Fördersumme 4,4 Mio. Euro Gesamtprojektsumme Starttermin 6 Teilprojekte: Mitglied der Gefördert durch:

9 Forschungsprojekt Internet der Dinge Internet der Dinge Ausgangslage Komplexität von Materialflusssystemen steigt Abhängigkeiten immer schwerer zu überblicken Änderungen / Erweiterungen schwierig Vision Logistische Objekte steuern sich selbst durch den Materialfluss Das Paket findet seinen Weg selbst zum Ziel. Jedes Element soll in der Lage sein, seine Umwelt wahrzunehmen, die gewonnenen Informationen zu verarbeiten und auf dieser Grundlage seine spezifische Aufgabe zu erfüllen. Technologien & Methoden RFID Zielsetzung Softwareagenten Schaffung wandelbarer Echtzeit-Logistiksysteme auf Basis Funktionsorientierte Modularisierung intelligenter Agenten für den produktionsnahen Bereich Kommunikation mit WLAN & XML Forschungsprojekt RFID in der Logistik Werkzeuge zur Identifikation und Nutzung von RFID- Potenzialen Forschungsziele kleinen und mittleren Unternehmen Zugang zur RFID-Technologie ermöglichen angestrebter Lösungsweg Analyse und Clusterung von Identprozessen Gliederung in Materialflussbereiche (z.b. Wareneingang, Warenausgang etc.) Beschreibung der Materialflussbereiche als Prozessbausteine mit RFID-Funktionalitäten Definition der Prozessbausteine mit technischen und wirtschaftlichen Merkmalen Abbildung der Prozessbausteine in einer Datenbank Durchführung von Hardwaretests und Messungen Aufbau einer Technologiedatenbank für die Messungen

10 Logistikinnovationszentrum - liz Die Herausforderung Welche Bedeutung hat moderne Logistik für unseren Industriestandort Die Vision Was kann öffentliche Forschung für kleine und mittlere Unternehmen leisten liz - Wissenstransfer Gezielte Unterstützung und Förderung von Logistikleistung durch Identifikation und Aufbereitung von zukunftsträchtigen Konzepten und Technologien für die Industrie Aufklärungsarbeit in Bezug auf neue Technologien, Trends etc. Bessere Vernetzung von Wirtschaft und Wissenschaft Kommunikationsplattform für Unternehmen

11 liz RFID Demo Tag Einführung in die RFID-Technologie mit ihren Potentialen und Grenzen Konzept: Grundlagen Praxisbeispiele Demonstrationen Über 40 Teilnehmer Kongresse am Lehrstuhl fml 17. Deutscher Materialfluss-Kongress 3./4. April 2008 Fachtagung Schüttgutfördertechnik /29. September Wissenschaftssymposium Logistik 11./12. Juni 2008

12 Projekthintergrund Pick-by-Vision Pick-by-Vision Augmented Reality unterstützte Kommissionierung Die Idee ist zusammen mit der metaio GmbH entstanden. bearbeitet vom Lehrstuhl fml verschiedene Stufen der Zusammenarbeit mit Industriepartnern gefördert aus Mitteln des BMWi über die AiF im Auftrag der BVL Laufzeit: 30 Monate ( ) Bundesvereinigung Logistik e.v. (BVL) Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen "Otto von Guericke" e.v. (AiF) Definition Augmented Reality Augmented Reality Erweiterte Realität Entwicklung von AR aus VR Erweiterung der Realität um rechnergenerierte virtuelle Informationen kontextbezogene Bereitstellung, d.h. zur richtigen Zeit, am richtigen Ort Interpretation der Szene aus realer und virtueller Welt als eine Einheit Interaktion in Echtzeit Integration in die Sinneswahrnehmung des Benutzers Interaktion Interpretation Integration

13 Ausgabegeräte monitorbasierte Systeme Datenbrillen Look-Through-HMD Video-See-Through HMD Optical-See-Through HMD Quelle: 5DT Quelle: FAR Look-Around-HMD Quelle: microoptical Quelle: microvision Potenziale und Grenzen AR als unterstützendes Medium zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter Reduzierung der Suchzeiten nach Informationen (z.b. bei HMD- Einsatz) Parallelisierung von Haupt- und Nebentätigkeiten (z.b. bei HMD- Einsatz) Fehlen von alltagstauglicher Hardware (Ergonomie, Einsatz im industriellen Umfeld) hohe Anforderungen an das Trackingsystem (Rendering: Zusammenbringen von realen und virtuellen Objekten) unzureichend ergonomische Gestaltung der HMDs (Tragekomfort, Gewichtsverteilung)

14 AR-Anwendungen Montage Wartung und Service Prototypenbau Medizin Quelle: CAMP Quelle: metaio Quelle: BMW Produktionsplanung Einrichtungsplanung Quelle: metaio Quelle: fml Schwachstellen von Kommissioniersystemen Pick-by-Voice Spracherkennung sequentielle Informationsausgabe zu übermittelnde Datenmenge darf nicht zu groß sein oft monotone Stimme Filterung von Nebengeräuschen notwendig Sprecherabhängigkeit (je nach System) Trainingsaufwand (je nach System) Bild: SSI Schäfer Pick-by-Light sequenzbehaftet (feste Auftragsreihenfolge) keine selbstständige Erkennung von Fehlfunktionen des Displays hohe Wartungskosten durch ständige Funktionskontrolle Einsatz des Kommissionierers ist auf einen Regalabschnitt beschränkt erhöhter optischer Suchaufwand hohe Investitionskosten Bild: SSI Schäfer

15 Pick-by-Vision: AR-unterstützte Kommissionierung Kurzbeschreibung Datenbrille als Anzeigegerät kontextabhängige Einblendung aller für den Kommissioniervorgang notwendigen Daten Kommunikation über ein Interaktionsgerät (z.b. Touchpad am mobilen PC, Armtastaturen oder durch Spracheingabe) mit dem System Datenaustausch mit dem übergeordneten System (z.b. WMS) online über eine Funkverbindung (z.b. WLAN) Entnahme Artikel: xyz Anzahl: 5 Bestätigung_ Vorgehensweise AP1: AP2: AP3: AP4: AP5: AP6: AP7: Einsatzszenarien und Anforderungsanalyse Festlegung eines AR-gestützten Kommissionierprozesses Recherche geeigneter Hard- und Software Wegfindung: optische Unterstützung des Kommissionierers auf seinem Weg zur nächsten Position Informationsbereitstellung und Interaktion Entwicklung Funktionsmuster 1 AR-System mit kontextabhängiger Informationsdarstellung Evaluierung Funktionsmuster 1 im Labor- und Praxistest AP8: AP9: AP10: Entwicklung Funktionsmuster 2 AR-System mit kontextabhängiger Informationsdarstellung mit nicht-kongruenter Überlagerung Evaluierung Funktionsmuster 2 im Labor- und Praxistest Dokumentation

16 AP 1: Einsatzszenarien und Anforderungsanalyse (1) Untersuchung nach möglicher visueller Unterstützung: Pickliste, Bild, Artikelbeschreibung Markierung des Lagerfachs/ Entnahmebehälters Wegfindung zum Entnahmeort Markierung des Ablageortes AP 1: Einsatzszenarien und Anforderungsanalyse (2) genauere Spezifizierung der Szenarien nach: Lagerstrukturdaten Lagereinrichtung Lagerbedienung Bereitstelleinheiten Artikel- und Sortimentsdaten Sortimentsgröße Unterscheidbarkeit der Artikel Schnell- oder Langsamläufer Auftragsstrukturdaten Aufträge pro Zeiteinheit Positionen pro Auftrag

17 AP 1: Einsatzszenarien und Anforderungsanalyse (4) Nutzwertanalyse mit den Bewertungskriterien: Reduzierung der Wegzeit durch visuell unterstützte Wegfindung Reduzierung Totzeit durch Reduzierung der Suchzeiten und Parallelisierung von Tätigkeiten Reduzierung der Basiszeit durch den Wegfall unnützer Tätigkeiten Reduzierung der Kommissionierfehler durch: Einblenden von Bildern (bei gut zu unterscheidenden Artikeln) optisches Hervorheben des Lagerplatzes optisches Hervorheben des Ablageplatzes technische Umsetzbarkeit (Tracking, Funkabdeckung, Nutzen vorhandener Technologien, ) Arbeitsicherheit und Ergonomie (keine Gefährdung, Entlastung der Mitarbeiter) Erhöhung der Flexibilität (Mitarbeitereinsatz, Einarbeitungszeiten, Layoutflexibilität) AP 1: Einsatzszenarien und Anforderungsanalyse (5) Anforderungsanalyse geringe körperliche Belastung durch ergonomische und arbeitsphysiologisch optimale Auslegung des Systems leicht und schnell erlernbar durch intuitive, freihändige Bedienung Erfüllung der arbeitschutzrechtlichen Bedingungen (z.b. keine Einschränkung des Sichtfelds) hohe Mitarbeiterakzeptanz den Anforderungen im industriellen Umfeld genügend (z.b. Akkulaufzeit) an verschiedenste Randbedingungen anpassbarer und erweiterbarer Funktionsumfang kostengünstiges System in Installation und Betrieb

18 AP 2: AR-gestützter Kommissionierprozess (1) Kommissionierprozess in kleinste Bausteine zerlegen. Anpassung an die im AP 1 ausgewählten Einsatzszenarien. Vorbereiten Kommissioniervorgang Nachbereitung Anmelden Weg zur Basis Sammelbehälter holen Verpacken Sammelbehälter abgeben Weg zur Basis Abmelden Ausgangspunkt Entnahmeort Entnahme Ablage Entnahmeort Entnahmeort Entnahmeort Abgabeort Abgabe Weg Quittierung Ankunft Identifikation Ablageort Ablage Quittierung Position Informationsaufnahme Informationsaufnahme Weg Quittierung Ankunft Identifikation Entnahmeort Vereinzeln Greifen Informationsaufnahme Weg Quittierung Ankunft Identifikation Ablageort Abgabe Quittierung Auftrag Ergebnisse: Keine wesentlichen Unterschiede zum allgemeinen Kommissionierprozess. Auf einige Bausteine kann verzichtet werden. Einige Bausteine können parallelisiert werden. Reduktion Kommissionierzeit Reduktion Kommissionierzeit AP 2: AR-gestützter Kommissionierprozess (2) Kommunikationsmodell anzuzeigende Daten für den jeweiligen Prozessschritt zu erledigende Interaktionen für den jeweiligen Prozessschritt Kommissioniervorgang sowie Fehlermanagement (Mengenfehler) allgemeingültig, sowie spezifiziert für die drei ausgewählten Szenarien

19 AP 2: AR-gestützter Kommissionierprozess (3) Kommunikationsmodell anzuzeigende Daten für den jeweiligen Prozessschritt zu erledigende Interaktionen für den jeweiligen Prozessschritt Kommissioniervorgang sowie Fehlermanagement (Mengenfehler) allgemeingültig, sowie spezifiziert für die drei ausgewählten Szenarien AP 2: AR-gestützter Kommissionierprozess (4) Kommunikationsmodell anzuzeigende Daten für den jeweiligen Prozessschritt zu erledigende Interaktionen für den jeweiligen Prozessschritt Kommissioniervorgang sowie Fehlermanagement (Mengenfehler) allgemeingültig, sowie spezifiziert für die drei ausgewählten Szenarien

20 AP 3: Recherche geeigneter Hard- und Software (1) Software Warehouse Management System PROLAG World der CIM GmbH AR-Software unifeye SDK der metaio GmbH Interaktionsgerät Spracheingabe (speaking Control der MediaInterface GmbH) Dreh-/Drückknopf Armtastaturen Gestenerkennung Tracking wird in AP 8 ausgewählt AP 3: Recherche geeigneter Hard- und Software (2) Nutzwertanalyse zur Datenbrille Bewertungskriterien Bauart Field of View Visualisierung Auflösung Bildwiederholfrequenz Gewicht Ergonomie Einstellbarkeit Display Industrielle Tauglichkeit Kosten

21 AP 3: Recherche geeigneter Hard- und Software (3) Datenbrillen Quelle: liteye Quelle: microoptical Quelle: icuit Quelle: Sony Quelle: Lumus Quelle: microvision Quelle: Shimadzu Quelle: Rockwell Collins AP 4: Wegfindung In welchen Lagertypen macht eine AR-unterstützte Wegführung Sinn? generell Mann-zur-Ware, wo der Kommissionierer die Wegfindung selbst übernimmt sich schnell ändernde Lagerbereiche große Kommissionierbereiche Wie wird der Kommissionierer unterstützt? ohne Tracking z.b. textuelle Angabe des Lagerfachs, statische Übersichtskarte des Lagers mit Tracking des Lagers und des Kommissionierers z.b. dynamische Übersichtskarte des Lagers, Pfeile, Wegverfolgung

22 AP 5: Informationsbereitstellung und Interaktion (1) Informationsbereitstellung (unter Berücksichtigung des Einsatzes einer Datenbrille) Welche Informationen müssen angezeigt werden? Informationsdichte (z.b. gesamte Pickliste oder einzelne Position) Informationsdarstellung (z.b. Zeichengröße, Verwendung von Text, Graphiken oder Piktogrammen?) Hervorhebung von Lagerfächern (inkl. Tracking) Einbinden der Weginformationen AP 5: Informationsbereitstellung und Interaktion (2) Interaktion Welche Eingaben sind zu welchem Zeitpunkt der Kommissionierprozesses notwendig? Umsetzung mit den Interaktionsgeräten (Dreh-/Drückknopf und Spracheingabe)

23 AP 6: Entwicklung Funktionsmuster 1 AR-System mit kontextabhängiger Informationsdarstellung (ohne Trackingsystem) Aufbau eines kleinen Testlagers in der Versuchshalle des Lehrstuhls entwickelt in Zusammenarbeit mit der CIM GmbH Anbindung an das WMS und somit in die IT- Infrastruktur eines Lagers Visualisierung der Staplerleitsystems von PROLAG WORLD über HMD Interaktion über vollständiges Pick-by-Voice- System (basierend auf speaking Control der MediaInterface GmbH) AP 7: Evaluierung Funktionsmuster 1 Fragebögen zu Benutzeroberfläche über die Einsatztauglichkeit das Datenbrille in der Kommissionierung Evaluierung am Lehrstuhl fml (Labortest) Vorbereitung der Laborversuche Vergleich des Funktionsmusters 1 mit Pick-by-Voice und Kommissionierliste mehrtägige Versuchsdurchführung mit Probanden (Mitarbeiter, Studenten, ) Fragebögen zu den Versuchsreihen Tests in der Praxis Kommissionierer zu HMD und Interaktionsgerät befragen Installation und Evaluierung eines Pick-by-Vision-Systems in der Praxis

24 AP 7: Evaluierung Funktionsmuster 1 - Fragebögen sehr niedrige kognitive Belastung bei Pick-by-Vision Graphische Unterstützung bei Pick-by-Vision wirkt sich gegenüber Pick-by- Voice sehr positiv aus (mehr Motivation, benutzerfreundlicher, keine Einschränkung bei der Sicht, besserer Eindruck). Die Benutzerfreundlichkeit ist der wichtigste Aspekt, der über den Erfolg eines Systems entscheidet (Lernerfolg, Motivation). Kognitive Belastung M Benutzerfreundlichkeit M ,09 3 3,11 3 3,21 2 1,87 1,99 1, Real Simulation Pick-by-Voice Pick-by-Vision 1 Pick-by-Voice Pick-by-Vision AP 7: Evaluierung Funktionsmuster 1 - Kommissionierfehler Die Kommissionierfehlerrate bei den visuell unterstützen Systemen war deutlich geringer als bei Pick-by-Voice, aber höher wie bei der Pickliste. Bei Pick-by-Vision von Anfang an niedrige Fehlerrate. Gesamte Fehlerwahrscheinlichkeit 8,00% 7,00% 6,00% 5,00% 4,00% 3,00% 2,00% 1,00% 0,00% 1 Real Voice Vision

25 AP 7: Evaluierung Funktionsmuster 1 - Kommissionierleistung Die Kommissionierleistung war bei Pick-by-Vision etwas höher als bei Pickby-Voice, aber geringer als bei der Kommissionierliste. Die Sprachsteuerung war eine der Hauptursachen für die hohen Kommissionierzeiten. In dem kleinen Versuchslager war der Wegzeitanteil sehr gering, so dass der Vorteil der Parallelisierung von Vorgängen nicht zur Geltung kam. Die Basiszeit war mit den beleglosen Systemen deutlich geringer. Durchschnittszeiten Kommissionerleistung 02:24 02:09 01:55 01:40 01:26 01:12 00:57 00:43 00:28 00:14 00: ,79 179,7 19 1,15 Real Voice Vision 0 1 Übersicht: AP 8 - AP10 AP 8: Entwicklung Funktionsmuster 2 Pick-by-Vision-System basierend auf einem eigenen Framework Umsetzen der entwickelten Benutzeroberfläche mit einem entsprechenden Interaktionsgerät Implementierung des Kommissioniervorgangs von der Entnahme bis zur Abgabe des Sammelbehälters, sowie des Fehlermanagements (Mengenfehler) Kopplung an das WMS PROLAG WORLD Erweiterung des Systems um ein Trackingsystem (AR LiveCam mit unifeye SDK) AP 9: Evaluierung Funktionsmuster 2 im Labor- und Praxistest Wiederholung der Tests aus AP 7 Verwendung verschiedener Trackingsysteme (optisch, Infrarot) AP 10: Dokumentation

26 Interessenten am AiF-Projekt Logistikberater und planer Dialog Mitglied im Projektbeleitenden Ausschuss fachliche Unterstützung Softwareentwickler Anwender Ansprechpartner Dipl.-Ing. Rupert Reif Tel.: 089 / reif@fml.mw.tum.de Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit fml Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik Univ.-Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Wi.-Ing. Willibald A. Günthner Technische Universität München Boltzmannstraße Garching bei München