Virtuelles Prototyping

Die Methode des Virtuellen Prototyping beruht auf dem Einsatz von Projektionssystemen und Interaktionsgeräten der Virtuellen Realität, um dreidimensionale digitale Modelle von Produkten und Arbeitssystemen in einer realitätsnahen Form darzustellen. Damit können in einer frühen Phase des Entwicklungsprozesses verschiedene Eigenschaften des Prototypen beurteilt und ggf. korrigiert werden. Je realitätsnäher die Darstellung des digitalen Modells, desto umfassender können auf diese Weise die Beurteilung von gegenständlichen Prototypen (z.B. aus Holz, Kunststoff oder Metall) ersetzt und die mit ihrer Herstellung verbundenen Aufwendungen reduziert werden.

Der Anwendungsbereich des Virtuellen Prototypings ist vielfältig und umfasst beispielsweise die Gestaltung von Automobilen, Flugzeugen, Gebäuden, Innenräumen, Fertigungsanlagen und Verbrauchsgütern (Davies, 2002). Von besonderer Bedeutung ist die Möglichkeit eines partizipativen "Design-Review" (Haines & Wilson, 1998), bei dem Mitarbeiter aus verschiedenen Bereichen (z.B. Management, Entwicklung, Marketing) sowie Kunden und potentielle Anwender vor einem Grossbildschirm zusammengeführt werden. Dabei wird das digitale Modell aus verschiedenen Perspektiven betrachtet und kommentiert. Zudem lassen sich verschiedene Funktionen des Prototypen veranschaulichen, beispielsweise das Öffnen einer Fahrzeugtür oder das Zurücklehnen eines Passagiersessels in einem Flugzeug.

Die Überprüfung ergonomischer Gestaltungskriterien setzt voraus, dass die virtuelle Umgebung Funktionalitäten bereitstellt, die über eine reine Visualisierung des Prototypen hinausgeht. Wichtigstes Element ist dabei eine angemessene Repräsentation der Nutzer bzw. Arbeitspersonen mit kleinen und großen Körperabmessungen (z.B. 5. Perzentil Frau und 95. Perzentil Mann), um etwa in einem Fahrzeug die Bein- und Ellbogenfreiheit oder die Erreichbarkeit von Lenkrad und Pedalen zu untersuchen. Hierzu werden Menschmodelle verwendet, beispielsweise Ramsis, ergänzend können auch konkrete Personen in Form von 3D-Ganzkörperscans in das Modell integriert werden.

Daneben erfordert eine Beurteilung unter ergonomischen Gesichtspunkten die Prüfung z.B. von Freiräumen, Körperhaltungen, Sehbedingungen, Greifräumen und Bequemlichkeitsbereichen. Bei relativ statischen Körperhaltungen (z.B. an Fahrerarbeitsplätzen) können diese Aspekte durch zusätzliche Geometrien veranschaulicht werden, in Situationen mit einer dynamischen Körperhaltung (z.B. der Instandhaltung einer Werkzeugmaschine) ist eine komplexe Animation des Menschmodells erforderlich.

Mit sogenannten Head-Mounted Displays kann zudem der Betrachter in die Situation des Anwenders bzw. der Arbeitsperson versetzt werden, um verschiedene Aspekte des Prototypen subjektiv erfahrbar zu machen, z.B. die Sehbedingung aus der Fahrerperspektive. Ergänzend bietet sich der Einsatz von neuartigen Interaktionsgeräten aus dem Bereich der Virtuellen Realität an, etwa Datenhandschuhen und Systemen zur Vermittlung von haptischen Rückmeldungen. Damit kann beispielsweise die Handhabung von Stellteilen simuliert werden.

Die frühzeitige Überprüfung von ergonomischen Gestaltungskriterien führt zu einer Verbesserungen der Qualität, einer Verkürzung der Entwicklungszeiten und einer Verringerung der Entwicklungskosten. Zudem unterstützt das Virtuelle Prototyping die Realisierung von Konzepten aus den Bereichen "prospektive Ergonomie" (Laurig, 1984) und "partizipatives Design" (Haines & Wilson, 1998).

Die Aufwendungen für Hardware und Software sind insbesondere dann beträchtlich, wenn sehr komplexe Modelle und Animationen sowie realitätsnahe Möglichkeiten zur Interaktion mit dem Prototypen erforderlich sind, um bestimmte ergonomische Gestaltungskriterien zuverlässig beurteilen zu können. Allerdings lassen sich Standardanwendungen inzwischen durchaus auf konventionellen Personal Computern mit leistungsstarken Grafikkarten realisieren, so dass die erforderliche technische Infrastruktur auch für kleine und mittlere Unternehmen erschwinglich ist (Gude, 2004a, 2004b).

Davies, R.C. (2002). Applications of system design using virtual environments. In K. M. Stanney (ed.), Handbook of Virtual Environments (pp. 1079-1100). Mahwah, NJ: Lawrence Erlbaum Associates.

Gude, D. (2004a). VR-Anwendungen im Design. In R. Bruder (Hrsg.), Ergonomie und Design (S. 155-163). Stuttgart: Ergonomia-Verlag.

Gude, D. (2004b). Prospektive Ergonomie beim Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz – Unterstützungspotential virtueller Realität. Zentralblatt für Arbeitsmedizin, Arbeitsschutz und Ergonomie, 54(9), 326-334.

Laurig, W. (1984). Prospektive Ergonomie - Utopie oder Wirklichkeit? Arbeitgeberverband der Metallindustrie Köln (Hrsg.). Schriftenreihe Arbeitswissenschaft des AGV Metall, Nr. 9. Köln.

Haines, H.M. and Wilson, J.R. (1998). Development of a framework for participatory ergonomics. HSE contract research report 174. Suffolk: HSE Books.

PDF-Dateien von Gude (2004a) und Gude (2004b) finden Sie in Ausgewählte Publikationen.