Model-based operator guidance in interactive, semi-automated production processes

This contribution focuses on the task of guiding and supervision of technical processes realized by human operators. The review of publications of the last decades discloses that especially technical processes with strong interconnection of human operator and manufacturing process are not adequately addressed by the evolved automation approaches. Integrating human process knowledge and experience into the resulting automation system is still a major concern. Besides the introduction of automation in a handcrafting process that is increasing the overall system complexity, the design of the human-machine interface to the automation system is of central importance. Within this thesis, the trade-off between manual manufacturing and automation is addressed by a semi-automation approach. The application example is the no-bake molding process, a mold manufacturing process for casts that is traditionally handmade. Within this process the human operator plays a central role (i.e. knowledge and expertise), whereas the (intelligent) automation is carrying out physical operation, which is guided and supervised by the human operator. This is achieved by experimentally identified quality representing process variables that allow for in-process feedback to the human operator. Process guiding assistance is given using a formalization approach of the human-automation-interaction. By deducing situative information of interest from the resulting human-automation-system model with respect to the current process goal, the established process model is used for supervision and assistance of the overall process. The design of the human-machine-interface is based on a detailed analysis of the handcrafted process and is realized as a direct, intuitively usable, marker-based interaction technique. The integrated human-automation-system and the corresponding human-machine-interface with process guidance assistance functionality is initially evaluated. The results are discussed for the future work with respect to the individual, human operator-specific process understanding and process reproducibility.Diese Arbeit befasst sich mit Fachkraftaufgaben in der Führung und Überwachung von technischen Prozessen. Die Übersicht der Publikationen der letzten Jahrzehnte eröffnet, dass insbesondere technische Prozesse mit enger Verknüpfung von Mensch und Herstellungsprozess bei den entwickelten Automatisierungsansätzen nicht hinreichend berücksichtigt werden. Die Integration von Prozesswissen und -erfahrung in das resultierende Automatisierungssystem bleibt eine offene Fragestellung. Neben der Einführung von Automation in Handarbeitsprozesse, die die Komplexität des Gesamtsystems erhöhen, ist die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle zum Automatisierungssystem von zentraler Bedeutung. Der Konflikt zwischen Handarbeit und Automatisierung wird in dieser Arbeit durch die Einführung einer Teilautomatisierung gelöst. Das Anwendungsbeispiel ist das Kaltharzverfahren, ein traditionell in Handarbeit bewältigter Herstellungsprozess für Gussformen. In diesem Prozess spielt die Fachkraft eine zentrale Rolle (z. B. durch ihr Prozesswissen und ihre Expertise), während die (intelligente) Automatisierung –geführt und überwacht durch die Fachkraft– anfallende physische Aktionen ausführt. Dies wird durch experimentell ermit- telte qualitäts-beschreibende Prozessgrößen erreicht, die eine in-prozess Rückführung zum Bedienpersonal ermöglichen. Prozessführungsassistenz ist basierend auf die Formalisierung der Mensch-Automation-Interaktion gegeben. Durch die Bestimmung von situativen Informationen hoher Wichtigkeit aus dem resultierenden Mensch-Automation-System Modell bezogen auf das aktuelle Prozessziel, wird das bestehende Prozessmodell zur Überwachung und Prozessführungsassistenz des Gesamtprozesses genutzt. Die Gestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle basiert auf einer detaillierten Analyse des Handarbeitsprozesses und ist als direkte, intuitiv bedienbare, markerbasierte Interaktionstechnik realisiert. Das integrierte Mensch-Automation-System sowie die zugehörige Mensch-Maschine-Schnittstelle inklusive Prozessführungsassistenzfunktionen wurden initial evaluiert. Die erzielten Ergebnisse werden hinsichtlich des individuellen, fachkraftabhängigen Prozesswissens und der Reproduzierbarkeit für den Ausblick diskutiert

Präventive Regulierung autonomer Waffensysteme: Handlungsbedarf für Deutschland auf verschiedenen Ebenen

Autonome Waffensysteme bzw. Waffensysteme mit autonomen Funktionen - sogenannte Lethal Autonomous Weapon Systems (LAWS) - sind Waffen, die keine menschliche Intervention für die Auswahl und Bekämpfung des Ziels benötigen. Ermöglicht wird dies durch neuere Entwicklungen bei Sensor­technik, Rechenleistung und Softwarefähigkeiten. Besonders relevant sind hierbei mathematische Verfahren, die häufig unter dem Begriff "künstliche Intelligenz" zusammengefasst werden. Anja Dahlmann und Marcel Dickow beleuchten die Debatte um die Regu­lierung von LAWS auf internationaler, europäischer und nationaler Ebene und leiten daraus Handlungsempfehlungen für Bundestag und Bundes­regierung ab. Dabei haben sie drei Perspektiven im Blick: die technologisch-operationale, die rechtliche und die ethische. Die Autorin und der Autor argumentieren, dass die Bundesregierung, um ihrem Anspruch auf internationale Ächtung von LAWS gerecht zu werden, zunächst den Begriff "menschliche Kontrolle" ausdifferenzieren sollte, beispielsweise in einem Strategiedokument des Bundesministeriums der Verteidigung. Ziel sollte sein, eine Regulierung von Entwicklung und Einsatz von LAWS zu ermöglichen - und zwar auf internationaler Ebene - und damit das Thema militärische Robotik politisch handhabbar zu machen. Der völkerrechtliche Verhandlungsrahmen zur Regulierung von LAWS ist derzeit die Waffenkonvention der Vereinten Nationen. Ein Gemeinsamer Stand­punkt der EU-Mitgliedsstaaten, welcher die menschliche Kontrolle ein­fordert oder - besser noch - Vorschläge zu deren Ausgestaltung macht, könnte einen entscheidenden Einfluss auf die Verhandlungen haben. (Autorenreferat

Gesellschaftswissenschaftliche Perspektiven auf Industrie 4.0

Der Begriff „Industrie 4.0“ bezeichnet den Prozess der Digitalisierung und Informatisierung der Wirtschaft und Produktion und ist ein in Deutschland fest etabliertes Konzept und Leitbild. Auch wenn dieses Leitbild zunächst neue Formen des Wirtschaftens und der Produktion lediglich als Vision konzipiert, so deutet alles darauf hin, dass diese Transformation einen Wandel hervorrufen wird, der in erster Linie kein rein technologischer, sondern ein gesellschaftlicher, bzw. ein sozio-technologischer Wandel ist. Bezüglich dieser Prognose herrscht Einigkeit und wir halten es daher für unabdingbar, das Verständnis und die Gestaltung der technischen Prozesse (smartification, Vernetzung, Digitalisierung) um ein Verständnis und eine Bewertung der möglichen Auswirkungen auf Gesellschaften zu ergänzen. Denn ebenso wie wir technische Umwelten unter der Maßgabe von mehr Effizienz, Produktivität und Innovation gestalten, benötigen wir neben der Diskussion und Einführung entsprechender Organisationen und Prozesse auch eine Debatte und Verständigung über politische und soziale Visionen und diesen zu Grunde liegende Prämissen. Diese sind vielfältig und sollten in ihrer Diversität auch zu Wort kommen. Soziale Visionen können latenten Widerständen und Unbehagen gegenüber Neuem Ausdruck geben, sie können aber auch einen Kulturwandel einleiten, der neue Praktiken des Umgangs mit technischen Umwelten hervorbringt, der technische Transformation neu inszeniert und rahmt. Insofern gibt der hier vorliegende Band Impulse, den Weg der Umsetzung von Industrie 4.0 zukunftsweisend zu gestalten, indem technologisch-wirtschaftliche Interessen mit sozial-kulturellen Vorstellungen in Resonanz gebracht werden und somit ein im Wesentlichen technisch fokussiertes, modernistisches Innovationsverständnis für gesellschaftliche Fragen und soziale Innovationen geöffnet wird

Social Manufacturing and Logistics

This paper is dealing with the ongoing debate of the digitization of german industry, the so-called „Industrie 4.0“, and its social consequences. The discussed new technologies like cyber-physical production systems, autonomous logistic systems and smart devices are about to get integrated in work places, that are embedded in existing organizational and social structures, thus making ‘complementary innovations’ and a coordinated design necessary. Our paper presents a human-centered design of industrial labor in a framework depicting the dilemma between what is techno-logically feasible and labor-politically desirable, under the constraint of an economically reasonable design of work and technology. The analytical approach is the “socio-technical system” which as-sumes that there are certain varieties of organizational design at the interfaces of its sub-systems ‘technology’, ‘human’ and ‘organization’. These considerations are transformed into a framework, called Social Manufacturing and Logistics, which brings together these perspectives and leads to a complementary holistic design of industrial labor under the conditions of a progressive digitization of manufacturing. Its characteristics are: hybrid interaction between human and machine, flexible integrated work and decentralized systems. Finally, we outline some organizational and social con-ditions to realize such a framework

ORANGE 0117 - Schwerpunkt Digitalisierung

Forschungsmagazin ORANGE für das Jahr 201

Efficient development of a human centered vehicle lateral guidance system with a driving simulator

Moderne Fahrerassistenzsysteme erhöhen die Fahrzeugsicherheit und reduzieren somit die Unfallzahlen. Während die passiven Maßnahmen weitgehend ausgereizt zu sein scheinen, versprechen aktive Sicherheits- und Assistenzsysteme in zukünftigen Fahrzeuggenerationen eine weitere deutliche Steigerung der Fahrzeugsicherheit. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Fahrzeugumfeldsensorik und der Rechenleistung der Mikrocontroller können zunehmend komplexere Systeme realisiert werden. Die Herausforderung bei der Entwicklung zukünftiger Fahrerassistenzsysteme liegt sowohl in der technischen Umsetzung als auch in der Definition der Schnittstellen zum Menschen. Insbesondere die frühe Integration des Menschens in den Entwicklungsprozess ist von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit wird ein menschzentriertes Querführungsassistenzsystem, bestehend aus den drei Teilsystemen Bahnführungs-, Spurverlassens- und Spurwechselassistenten, vorgestellt. Weiterhin wird eine Entwicklungsmethode für derartige Systeme gezeigt. Durch den Einsatz moderner Simulationskonzepte können sowohl Entwicklungszeit als auch Kosten reduziert werden. Die Realisierung des Bahnführungsassistenten erfolgt durch die Bestimmung des optimalen Lenkwinkels auf Basis von potentialfeldbasierten Methoden. Dieser Lenkwinkel wird mit dem Fahrerlenkwinkel verglichen und unter Berücksichtigung der aktuellen Fahrerinteraktion durch ein Überlagerungsmoment am Lenkrad kommuniziert. Der Spurwechselsassistent wird mit einem Fuzzy-basierten Ansatz realisiert. Als Ergebnis resultiert ein kontinuierlich skaliertes Spurwechselgefahrenpotential. Die Systemauslegung und die Auswahl der Regelansätze erfolgt zunächst durch Simulation physikalischer Modelle der Teilsysteme. Es werden geeignete Fahrermodelle ausgewählt und ein Modell für das Gesamtsystem Fahrer, Fahrzeug und Assistenzsystem hergeleitet. Folglich können bereits vor der Prototypenphase regelungstechnisch optimale Assistenzsystemparameter bestimmt sowie die Stabilität des Gesamtsystems im linearen Bereich gewährleistet werden. Im nächsten Entwicklungsschritt wird die Auslegung der Schnittstelle zum Fahrer definiert. Der Bahnführungs- und Spurverlassensassistent interagiert vorrangig durch Überlagerungsmomente am Lenkrad mit dem Fahrer und garantiert eine kontinuierliche Spurführung sowie eine haptische Warnung im Fall des unbeabsichtigten Spurverlassens. Der Spurwechselassistent kommuniziert die mehrstufigen Eskalationsgrade für eine Spurwechselgefahr durch LED-Warnleisten in den Fahrzeugaußenspiegeln. In kritischen Fahrsituationen wird dem Fahrer zusätzlich durch einen haptischen Lenkeingriff und akustische Warnungen assistiert. Die Fusionsstrategie der einzelnen Systeme zum menschzentrierten Querführungsassistenzsystem wird kontinuierlich auf Basis der aktuellen Fahrerintention adaptiert. Dazu wird unter anderem ein Fahrerlenkmomentbeobachter auf Basis des Kalman-Filters implementiert. Das Assistenzsystem wird abschließend in einem für diese Anwendung entwickelten Fahrsimulator experimentell erprobt. Somit kann die Interaktion zwischen Fahrer, Assistenzsystem und Fahrzeug evaluiert werden. Der Simulator verfügt über ein Force-Feedback-Lenkrad und wird mit dem Querführungsassistenzsystem ausgestattet. Der realisierte Sichtwinkel von nahezu 360 Grad ermöglicht einen hohen Immersionsgrad, so dass auf Basis der Simulator-Probandenstudie weitere Systemoptimierungen durchgeführt werden können. Die Auswertung der Probandenstudie erfolgt auf der subjektiven Ebene mit einem Fragebogen und durch die Messung charakteristischer Fahrzeugkenngrößen. Das entwickelte Querführungsassistenzsystem steigert signifikant das Sicherheitsgefühl sowohl in Hinblick auf die Spurführungs- als auch auf die Spurwechselfahraufgabe. Die über die Mensch-Maschine-Schnittstelle definierten Interaktionskanäle werden überwiegend als intuitiv und leicht verständlich bewertet. Die quantitative Analyse im Simulator zeigt, dass die mittlere Querabweichung des Fahrzeugs in der Fahrspur um die Hälfte reduziert werden konnte. Der Einsatz der entwickelten Methode zur Parametrierung menschzentrierter Fahrerassistenzsysteme wurde durch die Studie erfolgreich validiert. Der zukünftige Einsatz des Systems in realen Fahrzeugen leistet einen essentiellen Beitrag zur Steigerung der Fahrzeugsicherheit.Modern Driver Assistance Systems raise the level of vehicle safety in an extensive degree and therefore contribute to the decrease of the overall accident number. While passive measures have been addressed for a long time and their prospects to lower accident numbers seem to be depleted, active systems will contribute to traffic safety for future vehicles exceedingly. Due to the continuous development in the sector of environment sensor systems for vehicles and the computing power of modern micro-controllers highly sophisticated systems can be realized. The challenge during the development process of modern Driver Assistance Systems lies in the parallel consideration of the technical implementation and the definition of Human Machine Interfaces. Especially the development of an optimal HMI is of vital importance. In this thesis a human-centered lateral guidance system, composed of the three subsystems lane keeping assistance, lane departure warning and lane change assist, is considered. Furthermore an optimized development process for suchlike systems is suggested. By means of modern powerful simulation systems the overall developmental period can be shortened and costs can be reduced. In order to realize the lateral guidance system an optimal steer angle is calculated with potential field methods. Comparing the current driver steer angle and the optimal steer angle leads to a deviation, which is communicated to the driver by means of an overlay torque at the steering wheel. The lane change assist is realized with a Fuzzy based control approach. The result is a continuously scaled lane change hazard. The initial system design as well as the selection of control approaches results from the simulation of physical models of the subsystems. Suitable driver models are chosen and an overall model (driver, vehicle, assistance system) is affiliated. Consequently optimized control and assistance parameters can be determined ahead of the prototype phase, which assures a good functionality and the stability of the system. The subsequent development step is the design of the Human Machine Interface. The considered lane guidance assistance system primarily interacts by means of overlay torques at the steering wheel. A continuous lane guidance feedback is assured in addition to haptic warnings in the case of unintended lane departure. The lane change assist communicates the different levels of a lane change hazard by means of colored LED in the rear view mirrors on each side. In the event of very critical situations the driver is alerted by a haptic intervention at the steering wheel as well as an acoustic warning. The fusion of the described subsystems for lateral guidance assistance is done with respect to the driver’s intention. The system is continuously adapted to the current intention. Among others a Kalman-filter is used to detect the effective driver steering torque. The final step during this thesis is the experimental validation of the system using a driving simulator. The interaction of driver and assistance system can be closely investigated in a real vehicle. That enables the evaluation of the proposed system. The simulator is equipped with a force feedback steering wheel and the lateral guidance assistance system. Large scale projections and a realized field of view of almost 360 deg lead to a high level of immersion. Experiments in that simulator therefore can be used for further system optimization. The interpretation of the simulator experiments are done on the basis of subjective questionnaires and on objective measurements of vehicle states. The developed lateral guidance assistance system contributes to the safety significantly. The task of lane keeping as well as the task of lane changing is easier using the system. The designed human machine interface was judged as easy to understand and highly intuitive. The quantitative analysis of vehicle states shows a reduction of the mean lateral deviation when using the assistance system of approximately 50 %. The usage of the simulation based method to parameterize human centered assistance systems has been validated successfully. The future use of the develop system is an essential contribution to vehicle safety