Developing Design Guidelines For Augmented Reality Applications As Operating Assistance For Manufacturing Machines

In the manufacturing industry, production costs, time, and quality are directly linked to the effectiveness and efficiency of human-machine interaction. The advanced digitalization of machinery continues to increase the number of interaction elements provided by a human-machine interface. At the same time, a growing shortage of skilled workers intensifies the need to support users in carrying out their work steps with machinery. Augmented Reality (AR) technology has demonstrated high potential for enhancing process efficiency and effectiveness. There are various domains, such as assembly applications or service tasks, in which AR applications provide users with supporting information during the execution of their tasks. In the field of manufacturing machinery, there is a lack of approaches addressing the development of AR applications which assist and guide the operator throughout their tasks. Therefore, this paper presents a set of guidelines for developing assistance AR applications used in the operation of manufacturing machines. This set of guidelines was developed based on scientific literature and challenges in the field of manufacturing machinery. Finally, the guidelines were applied based on an exemplary use case comprising the development of an AR assistance application in order to validate the applicability and practicability of the guidelines. The validation also included user testing of the application

The Digital Transformation of Logistics from a Human-Centred Perspective

Die vorliegende kumulative Dissertation befasst sich mit der digitalen Transformation in der Logistik unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen des Transformationsprozesses auf die Beschäftigten in dieser Branche. Ziel der kumulativen Dissertation ist es, ein tiefergehendes Verständnis der Entwicklungen zu bekommen, die unter dem Begriff Logistik 4.0 verstanden werden können und zu untersuchen, welche Auswirkungen dies für die zukünftige Arbeit in der Logistik, insbesondere im Lager, haben wird. Die kumulative Dissertation besteht aus fünf Artikeln, die in wissenschaftlichen Fachzeitschriften veröffentlicht bzw. eingereicht wurden und kann grob in drei Teile untergliedert werden: Im ersten Teil der kumulativen Dissertation, der aus dem ersten Artikel besteht, wird der inhaltliche Kern, Logistik 4.0, aufbauend auf dem Begriff und der Forschung zum Thema Industrie 4.0 definiert und auf breiter Basis der aktuelle Forschungsstand dargestellt. Dies bildet die inhaltliche und thematische Grundlage für die nachfolgenden Untersuchungen. Der zweite Teil der kumulativen Dissertation fokussiert auf empirische Grundlagen und einen methodischen Beitrag zur Untersuchung der Menschen-zentrierten Gestaltung der Logistik 4.0, indem zunächst die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Beschäftigten in der Intralogistik, genauer auf ihre Arbeitsplatzmerkmale, untersucht werden. Dies dient dazu, die konkret wahrgenommenen Veränderungen zu erfassen, die Bedeutung des Transformationsprozesses zu verifizieren und den Einfluss seiner technischen Bestandteile auf die Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale zu analysieren. Wenngleich in diesem zweiten Artikel der kumulativen Dissertation deutliche Veränderungen der Arbeitsplatzmerkmale in der Logistik 4.0 aufgezeigt werden konnten, zeigte eine quantitative Analyse von Forschungsarbeiten im dritten Artikel dieser kumulativen Dissertation auf, dass die Forschung sich bei der Gestaltung von Industrie 4.0 auf technische Änderungen fokussiert. Daher wird abschließend im dritten Kapitel ein allgemein anwendbares, theoriebasiertes, systematisches Analysewerkzeug entwickelt, das es ermöglicht, die Auswirkungen der Einführung von Industrie 4.0 und Logistik 4.0 Elementen auf die involvierten Menschen zu untersuchen und die möglichen Folgen für das Gesamtsystem zu antizipieren. Im abschließenden dritten Teil dieser kumulativen Dissertation erfolgt ein genauerer Blick auf die Auswirkungen der Entwicklung zur Logistik 4.0 auf die Kommissionierung als einen zentralen, zumeist arbeitsintensiven Prozess in der logistischen Kette. In Artikel 4 wird daher zunächst das Feld einer Kommissionierung 4.0 strukturiert, um darauf aufbauend zu untersuchen, welche technischen und prozessualen Lösungen die Wissenschaft für eine gleichermaßen menschengerechte und ökonomische Kommissionierung unter den sich wandelnden Anforderungen betrachtet hat. Es zeigt sich, dass ein aus ökonomischer und sozialer Perspektive vielversprechendes Kommissioniersystem, die hybride Kommissionierung, bislang kaum untersucht wurde. Dies erfolgt daher im abschließenden fünften Artikel dieser kumulativen Dissertation, in dem ein Beispiel für ein kollaboratives, hybrides Kommissioniersystem untersucht wird, in dem Menschen und autonome Roboter gemeinsam im selben Lagerbereich Aufträge kommissionieren. Die Artikel greifen zur Untersuchung der Themenschwerpunkte auf verschiedene Methoden unterschiedlicher Disziplinen zurück und stützen sich auf ein breites theoretisches Fundament. Methodisch wird in Artikel 1, der die konzeptionelle Grundlage der Logistik 4.0 behandelt, zunächst ein konzeptioneller Ordnungsrahmen entwickelt, mit dem der Begriff und die Bestandteile des Konzepts Logistik 4.0 abgeleitet werden. Hierbei werden insbesondere zwei Einflussfaktoren berücksichtigt: Neue Anforderungen an die Logistik sowie neue technologische Möglichkeiten. Anschließend wird mittels eines systematischen Literaturüberblicks der aktuelle Stand der Forschung zu Logistik 4.0 strukturiert untersucht. Der Fokus liegt hierbei auf den technologischen Anwendungen in der Logistik und wie diese die Logistik verändern. Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse werden der Ordnungsrahmen zu Logistik 4.0 detailliert und zukünftige Forschungsperspektiven herausgearbeitet – es wird gezeigt, dass die Auswirkungen der Transformation auf menschliche Faktoren nur in geringem Maße in der analysierten Literatur diskutiert wurden. Im methodischen Fokus von Artikel 2 der vorliegenden kumulativen Dissertation steht daher die Durchführung und Auswertung von teil-strukturierten Interviews, die mit Beschäftigten aus sieben Unternehmen geführt wurden, um die Ausprägungen und Zusammenhänge zwischen Arbeitsplatzmerkmalen und der Intralogistik 4.0-Reife zu untersuchen. Auf der Grundlage des Work Design Questionnaire wurden die Interviews in Bezug auf 21 Arbeitsplatzmerkmale mit 16 Angestellten in der Intralogistik geführt und zusätzlich die Intralogistik 4.0 Reife der Arbeitsplätze bewertet. Die Ergebnisse zeigen, dass Logistik 4.0 signifikanten Einfluss auf die Arbeitsplatzmerkmale hat und die Effekte sowohl positiv als auch negativ in Bezug auf Arbeitszufriedenheit und Motivation sein können. Im Wesentlichen ist die Art und Intensität des Einflusses in den zumeist manuellen Prozessen abhängig von der Art der genutzten Technologien, Automatisierung oder Digitalisierung. In Artikel 3 wird zunächst eine quantitative Inhaltsanalyse durchgeführt, in der die Themenschwerpunkte bisheriger Forschung zu Industrie 4.0 nachgewiesen werden. Die Ergebnisse zeigen, dass zwar unterschiedliche Rollen von Menschen identifiziert werden, menschliche Faktoren im Vergleich zu technischen Faktoren jedoch eine deutlich untergeordnete Rolle in der Forschung erhalten. Anschließend wird auf Basis von fünf Theorie-Bausteinen ein methodisches Vorgehensmodell zur Analyse der Einflüsse von Industrie 4.0-induzierten Änderungen auf ein bestehendes Arbeitssystems abgeleitet. Anhand zweier Beispiele wird die Methodik veranschaulicht und die Praxistauglichkeit exemplarisch aufgezeigt. Artikel 4 und 5 fokussieren daraufhin den Kommissionierprozess im Zusammenhang mit Logistik 4.0 und untersuchen zunächst in Artikel 4 mittels eines konzeptionellen Ordnungsrahmens und eines systematischen Literaturüberblicks den aktuellen Stand der Forschung in diesem Bereich. Der Ordnungsrahmen unterscheidet nach substituierenden technischen Systemen im Kommissionierprozess und unterstützenden Technologien und stuft diese qualitativ basierend auf dem Grad der Automatisierung ab. Darauf aufbauend werden vier verschiedene Kommissioniersysteme klassifiziert und drei von ihnen in einem systematischen Literaturüberblick analysiert. Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Unterrepräsentierung hybrider Kommissioniersysteme, obwohl diese aus einer soziotechnischen Perspektive vielversprechende Möglichkeiten bieten. Hierauf aufbauend wird in Artikel 5 ein hybrides Kommissioniersystem bestehend aus menschlichen Kommissionierern und Kommissionierrobotern, die innerhalb eines Arbeitsbereichs kommissionieren, abgeleitet, das aufbauend auf den ökonomischen und sozialen Zielen vielversprechend erscheint. In einer agentenbasierten Simulationsstudie – die besonders geeignet ist um das Verhalten eines Systems basierend auf den Interaktionen verschiedener Akteure aufgrund individueller Verhaltensregeln zu analysieren - werden die Interaktion der technischen und menschlichen Teilsysteme untersucht und der Einfluss von Routenstrategien genauer betrachtet. In einer kritischen Diskussion der Annahmen des idealisierten Systems der Simulationsstudie wird aufgezeigt, dass hybride Systeme vielversprechende Ergebnisse für reale Anwendungen darstellen und geeignet sind, sowohl die Systemeffizienz, als auch die Arbeit der menschlichen Kommissionierer zu verbessern