Ve² - Virtual Engineering Environment VR/AR-Plattform am iwb

Transkript

1 Ve² - Virtual Engineering Environment VR/AR-Plattform am iwb Dipl.-Inf. Michael Spitzweg Dipl.-Ing. Bernd Petzold Dipl.-Ing. Wolfgang Vogl Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften

2 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

3 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

4 Gelände der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München

5 Gelände der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität München

6 Themengruppen und Forschungsfelder Themengruppen Produktionsmanagement und Logistik Simulationssysteme Werkzeugmaschinen Montagesystemtechnik Fertigungsprozesse Fügetechnologien Forschungsfelder Wertschöpfungsnetzwerke Wandlungsfähige Produktion Virtuelle Produktion Mechatronik Strukturverhalten Mikromontage und Sonderhandhabung Wärmearme Fügeverfahren Rapid Manufacturing Laserfertigungstechnologie

7 Die iwb Organisationsstruktur Anwenderzentrum Augsburg Bayerisches Kompetenznetzwerk Mechatronik Service Center E-Labor Themengruppe Produktions- Management und Logistik Themengruppe Fügetechnologien Institutsleitungskreis Themengruppe Fertigungsprozesse Service Center Sekretariat Service Center Messlabor Dr.-Ing. T. Bongart Dr.-Ing. T. Fusch Prof. Dr.-Ing. M. F. Zäh Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart Dr.-Ing. M. Meindl Dipl.-Ing. J. Schilp Service Center Rechner Service Center Grafik Themengruppe Simulationssysteme Dipl.-Ing. H. Egermeier Themengruppe Werkzeugmaschinen Dipl.-Wirtsch.-Ing. W. Sudhoff Themengruppe Montagesystemtechnik Service Center Marketing und PR Service Center Mechanische Werkstatt Service Center Engineering Service Center Fachdidaktik Metalltechnik Service Center Verwaltung

8 Personalstruktur am iwb Gesamtkapazität des Instituts ca. 140 Wissenschaftliche Mitarbeiter Technische- und Verwaltungsmitarbeiter Studentische Hilfskräfte Studienarbeiten ca. 50 ca. 50

9 Struktur der Forschungsmittel Industrieprojekte 40% 20% Öffentlich geförderte Projekte 40%

10 Einteilung der iwb Industrieprojekte nach Branchen ( ) Sonstige (z.b. Anlagenbau u.a.) Luft- und Raumfahrtindustrie Werkzeugmaschinen Elektroindustrie Automobilhersteller Automobilzulieferer

11 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

12 Motivation Vergleichbare Vergleichbare Anwendungen Anwendungen fehlen fehlen Analytische Analytische Grenzen Grenzen erreicht erreicht Simulationstechnik Simulationstechnik Experimentieren Experimentieren am am realen realen Modell Modell nicht nicht möglich möglich Menschliche Menschliche Vorstellungskraft Vorstellungskraft überfordert überfordert

13 Motivation Simulationsstudie: Verbesserungspotenzial von Simulationswerkzeugen Bedienbarkeit Schnittstellen Modellierung und Validierung Preis Experimentdefinition, Ergebnisauswertung 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% Quelle: Einsatz der Simulationstechnik iwb, FAPS 1997

14 Motivation Einsatzgebiete von AR&VR Einsatz Augmented Reality (AR) Virtual Reality (VR) Analyse Grob-/Detailplanung Umsetzung Betrieb Abbau Lebenszyklus einer Montagestation

15 Motivation Augmented Reality Einbindung der Werker vor Ort Reduzierung des Modellierungsaufwandes Erkennen von Restriktionen Virtual Reality Hoher Immersionsgrad Intuitive Interaktion Reduzierung von Mock-ups 3D-Simulation Ergonomische Betrachtungen Visualisierung der Produktionsstruktur Überprüfung des Produktionsablaufes

16 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

17 Projektbeschreibung Ve² Bayerisches Kompetenznetzwerk für Mechatronik Entwicklung einer Virtual Prototyping Umgebung für die Analyse mechatronischer Produktionssysteme Aufbau eines immersiven VR-Systems mit haptischem Interface für die manuelle Analyse virtueller Prototypen Realitätsnahe Simulation der menschlichen Bewegungen und des Bauteilverhaltens während der manuellen Montage Entwicklung eines benutzerfreundlichen und industrietauglichen Simulationssystems

18 Anforderungen Ve² (Virtual engineering environment) Immersion Simulation Stereoskopische Darstellung Verschiedene Ausgabemedien Holobench Powerwall Stereo-Beamer Head Mounted Display Ve² Interaktion Kollisionserkennung Physikalische Simulation Gewichtskräfte Kopplung zu externen Werkzeugen intuitiv 3D-Eingabegeräte Kraftrückkopplung

19 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

20 Systemaufbau (Hardware) Holobench am iwb HeadMounted Display (HMD)

21 Haptische Interaktionsgeräte Immersion, Impuls Engine 2000 FCS HapticMASTER Sensable, Desktop PHANToM Immersion, CyberGrasp Sensable, PHANToM 6DoF

22 Haptische Interaktionsgeräte im Überblick Bewegungsfreiheitsgrade Kraftrückkoppelnde Freiheitsgerade Arbeitsraum Maximalkraft Impuls Engine ,2 x 15,2 cm 8,9 N Haptic Master x 40cm x N Desktop PHANToM x 13 x 13 cm 6,4 N PHANToM 6DoF 6 3 Kräfte 3 Momente 19,5 x 27 x 37,5 cm 8,5 N CyberGrasp m 12 N

23 Systemaufbau (Software) XML VRML, slp, 3ds Monitor Powerwall Holobench HMD Dymola HIL Display Modul Communication Modul Connections Configuration Modul Modul Windows Irix Irix Linux Linux Collision & Physics Modul Device Modul Interaction Modul 3D-Stylus Spacemouse PHANToM CyberGrasp HapticMaster Magn. Tracking Opt. Tracking Speech Engine Physics Simulation (ODE) Collision detection (SOLID)

24 Laufzeit Struktur Display Kernel Kollision & Physiksim. 20Hz 300Hz 300Hz Lage der Objekte Physiksimulation Kollisionserkennung Rendering Attribute Position der Finger Kräfte Scenegraph Aktualisierung & Synchronisierung Geräte-Aktualisierung & Kraftberechnung

25 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

26 Haptisches Rendering Kontaktmodell Berechnung der Durchdringungstiefe mit GJK Alogrithmus Kraftberechnung mit Feder Dämpfer - Modell

27 Haptisches Rendering Handmodell Greifalgorithmus visuelles Modell Kollisionsmodell Visuelles Modell=Polygonmodell Kollisionsmodell=Approximation aus Minkowski Summen Kein Kinematikmodell separate Ansteuerung der einzelnen Gliedmaßen Mindestens 3 Finger notwendig Greifen der Objekte durch feste geometrische Kopplung

28 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

29 Beispiel Montagesimulation Simulation eines manuellen Montagearbeitsplatzes in Virtual Reality CAD VR reale Welt Fotos: iwb

30 Beispiel Montageplanung Manuelle Montagearbeitsplätze Absicherung der Planung durch Betrachtung virtueller Modelle in der späteren realen Umgebung

31 Beispiel Montageplanung Automatisierte Montagesysteme Steuerung der virtuellen Umsetzanlage mit realer Steuererungs-hardware (Hardware-In-The-Loop)

32 Beispiel Roboter teachen Bahnerstellung für für Lineare Bewegungen Führen des des Virtuellen Roboters (Playback)

33 Übersicht Vorstellung iwb Motivation Projektbeschreibung/Anforderungen Systemaufbau Hardware (Visualisierung/Eingabe) Software Haptisches Rendering Anwendungsbeispiele Ausblick

34 Aktuelle Entwicklungen Semesterarbeiten Spracheingabe Entwicklung eines Soundkonzeptes Visualisierung des Szenegraphen Ve²-Konfigurator Ausblick Betrieb der Holobench mit Linux-Rechner Praxisversuche

35 Einladung iwb Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften Technische Universität München Boltzmannstr Garching Michael Spitzweg Tel.: Fax: Besichtigung VR-Labor VR/AR-Demos Installation und Testen von Ve² vor Ort Semester-/Diplomarbeiten

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Dipl.-Inf. Michael Spitzweg Dipl.-Ing. Bernd Petzold Dipl.-Ing. Wolfgang Vogl Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) Prof. Dr.-Ing. M. F. Zäh Prof. Dr.-Ing. G. Reinhart Technische Universität München D Garching