Natural Virtual Reality User Interface to Define Assembly Sequences for Digital Human Models

Digital human models (DHMs) are virtual representations of human beings. They are used to conduct, among other things, ergonomic assessments in factory layout planning. DHM software tools are challenging in their use and thus require a high amount of training for engineers. In this paper, we present a virtual reality (VR) application that enables engineers to work with DHMs easily. Since VR systems with head-mounted displays (HMDs) are less expensive than CAVE systems, HMDs can be integrated more extensively into the product development process. Our application provides a reality-based interface and allows users to conduct an assembly task in VR and thus to manipulate the virtual scene with their real hands. These manipulations are used as input for the DHM to simulate, on that basis, human ergonomics. Therefore, we introduce a software and hardware architecture, the VATS (virtual action tracking system). This paper furthermore presents the results of a user study in which the VATS was compared to the existing WIMP (Windows, Icons, Menus and Pointer) interface. The results show that the VATS system enables users to conduct tasks in a significantly faster way

Virtuelle Welten

Die reale Welt entspricht der natürlichen, physischen Außenwelt, deren Signale als Bilder, Buchstaben, Töne und Düfte von verschiedenen Menschen vergleichbar erlebt werden. Die virtuelle Welt entspricht einer abbildhaften oder fiktiven Welt. Sie gibt es seit jeher im Märchen, im Traum, in der darstellenden Kunst, in der Literatur, in der Politik und in der religiösen Erfahrung. Da diese „alte“ virtuelle Welt weitgehend von der menschlichen Phantasie, dem künstlerischen und religiösen Talent erschaffen ist, ist es eine primäre Welt. Die „neue“ virtuelle Welt ist das Kind des technologischen Zeitalters, das durch die Integration digitaler Technologien erwachsen geworden ist und sich heute als eine selbstständige, hochkomplexe Lebenswelt in der natürlichen Außenwelt etabliert hat. Diese virtuelle Welt ist primär maschinengesteuert. Sie beruht auf einem Netzwerk von High-Tech-Systemen, zu denen Computerterminale, Satellitensender und Telemaschinen gehören. Zusammen schaffen sie virtuelle Räume, deren Mauern aus Kabelkanälen, Telegrafendrähten, Faxmaschinen und Handys gebaut sind. In dieser elektronisch generierten Welt sind die Gesetze von Schwerkraft, Raum und Zeit aufgehoben. Die Datenspeicherung scheint unbegrenzt und erlaubt, die dem Menschen gesetzten Grenzen zu überschreiten. Gleichzeitig ist der Mensch nicht mehr das Maß der Dinge und vermehrt abhängig von den immateriellen Zeichen der technischen Telekommunikation. Die digitalen Netzwerke überschreiten Ländergrenzen und Kontinente, wodurch die physische Welt auf ein globales Dorf komprimiert wird. Der Prozess der Globalisierung hat alle Bereiche unseres Lebens erfasst, genannt seien die Naturwissenschaft mit der High-Tech-Medizin, die Wirtschaft mit den globalen Finanzmärkten, die Politik mit den transnational agierenden politischen Gemeinschaften, Kunst und Architektur, bei denen die klassischen menschlichen Proportionen aufgehoben sind. Virtuelle Welten und Globalisierung bedingen einander. Sie signalisieren den Beginn eines neuen Zeitalters. Das Studium universale hat für das Wintersemester 2004/05 das Programm mit dem Ziel ausgearbeitet, an die primäre virtuelle Welt unter verschiedenen Aspekten zu erinnern. Die Vorträge zur digitalen virtuellen Welt stellen beispielhaft deren Vor- und Nachteile dar und fordern zu einem emanzipierten und kontrollierten Umgang mit den neuen Möglichkeiten auf

Automation and transition in motor vehicles - User-centered design of take-over situations within a multilevel automation approach

Die Arbeit beschäftigt sich mit der nutzerzentrierten Gestaltung von Übergabe- und Übernahmesituationen im Fahrkontext. Diese beziehen sich auf einen vierstufigen Automationsansatz, der sich vom manuellen über das assistierte, teilautomatisierte bis hin zum hochautomatisierten Fahren erstreckt. Im Kern der betrachteten Transitionen zwischen Fahrer und Automation stand die Frage, ob dem Fahrer zu jeder Zeit transparent ist, welcher Systemmodus gerade aktiv ist und wie dessen Abhängigkeiten zu den anderen Fahrfunktionen definiert sind. Das Augenmerk lag auf Übergangsszenarien die mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem geminderten Systemmodusbewusstsein führen und Effekte wie Modusverwechslungen oder Handlungsfehler forcieren können. In dieser Arbeit waren sie durch unterschiedliche Grade der Kontrollverschiebung charakterisiert, gingen mit indirekten Transitionen auf Zwischenstufen der Automation einher, berücksichtigten einander funktional ähnliche Systemmodi und schlossen Aktivierungs- als auch Deaktivierungssituationen ein. Die Untersuchung jener Übergänge erfolgte in zwei Studien. Während einer realen sowie simulierten Autobahnfahrt konnte der Fahrer hier neben manuellen Anteilen ein Adaptive Cruise Control und integrierte Systemauslegungen mit zusätzlich assistierter oder automatisierter Querführung nutzen. Die Ergebnisse zeigen, dass weniger das Ausmaß an Automatisierung Einfluss auf die Güte des Modusbewusstseins des Fahrers hat, sondern eher der kognitive Aufwand bei der Differenzierung noch zu übernehmender Anteile der Fahraufgabe. Ist der Fahrer noch in den Regelkreis Fahrer-Fahrzeug-Straße eingekoppelt, wird eine hierarchische (De-)Aktivierung von Systemen empfohlen. Ist dies nicht mehr der Fall, passt hingegen eine Entweder-oder-Logik besser zur mentalen Fahrerrepräsentation. Weicht das tatsächliche Systemverhalten von dem Erwarteten ab, lassen sich diese Inkonsistenzen im mentalen Nutzermodell anhand verzögerter Fahrerreaktionen, höherer Fahrerbeanspruchungen und nutzerseitigen Angaben zur Intransparenz der Transition nachweisen. Handlungsfehler treten ausschließlich nur dann auf, wenn sich einander funktional ähnliche Systeme in der verfügbaren Automationsbandbreite befinden. So bewirkt die Verwechslung der Systemmodi in diesem Fall falsche Annahmen über den Systemstatus und bedingt eine inadäquate Informationsaufnahme sowie Reaktion der Fahrer. Die Arbeit zeigt, dass vor allem Aktivierungsszenarien für diese Automation Surprises sensitiv sind.The present thesis deals with the user-centered design of handover and takeover situations in the context of driving. These relate to four stages of an automation concept, which ranges from manual and assisted driving to partly autonomous and highly autonomous driving. The central question regarding the considered transitions between driver and automation is whether it is transparent to the driver which system mode is active at the moment, what the active system does and how it depends on other driving functionalities. Particular attention was paid to transition scenarios, which, referring to aviation research, are most likely to cause reduced system mode awareness and unintended effects like mode confusion and mode errors. Those transitions were characterized by different levels of control allocation and included indirect transitions to intermediate levels of automation. They also included functionally similar system modes, and both activation and deactivation situations. The evaluation of these transitions happened in two empirical studies. During a real and a simulated highway drive, the driver could use an Adaptive Cruise Control and integrated system conceptions including assisted or automated lateral control next to manual portions of the drive. The results of this thesis demonstrate that it is not the level of automation that affects the driver’s awareness about the system mode. His awareness level is rather affected by the cognitive effort to differentiate parts of the driving tasks that still need to be controlled manually. Is the driver still a part of the control loop between “driver-vehicle-road”, a hierarchical (de-)activation of systems is recommended. If this is not the case anymore, an “either-or” logic fits better to the mental representation of the driver. If there is a difference between the expected and the actual behavior of the system, delayed driver reactions, higher driver workload and statements about lack of system transparency during transitions are the consequence. However, mistakes in action execution solely occur when functionally similar systems are located in the available automation range. In that case, mode confusion results in false assumptions about the current system status, inadequate assimilation of information as well as false driver reaction. The present thesis shows that these automation surprises primarily arise during activation scenarios

Untersuchung des Einflusses räumlich getrennter Bedienelemente für mobile Assistenzsysteme auf die Arbeitsbeanspruchung des Nutzers

Zur Steigerung der Qualität werden Wartungstechniker bei ihren Rundgängen in Prozessanlagen mit digitalen Assistenzsystemen unterstützt. Dadurch soll diese Arbeit effizienter und weniger fehleranfällig gestaltet werden. Da sich jedoch konventionelle Eingabemetaphern dafür nur bedingt eignen, versucht man Eingabeelemente von dem Anzeigeelement räumlich zu trennen. Um den Einfluss einer solchen Trennung auf die Arbeitsbeanspruchung des Nutzers zu untersuchen, wurde ein Evaluationsexperiment mit zwei Versuchsgruppen durchgeführt. Dabei hat eine Versuchsgruppe festgelegte Wartungsrundgänge mit Hilfe von Assistenzsystemen mit abgesetzten Eingabegeräte durchgeführt und die andere Gruppe mit kombinierten Eingabegeräten. Der Versuch wurde für die drei Interaktionsmetaphern Texteingabe, Navigation in strukturierten Daten und Navigation in Abbildungen mit jeweils angepassten Eingabegeräten durchgeführt. Als Beanspruchungsindikatoren wurden die Pupillengröße, die Zeitdauer und die subjektive Bewertung mit Hilfe des NASA-TLX gemessen. Als Ergebnis zeigt sich, dass kein signifikanter Unterschied zwischen den verschiedenen Ausprägungen der Trennung für alle Interaktionsmetaphern existiert. Daher spricht von Standpunkt der Arbeitsbeanspruchung nichts gegen eine Trennung des Eingabegeräts vom Anzeigegerät. Zur Erhöhung der Qualität der Daten und Präzisierung der Aussage sollte der Versuch mit einigen Änderungen aber erneut durchgeführt werden.Maintenance technicians are assisted during their operations in process plants with digital assistant systems to increase the quality. This should make the work more efficient and less error prone. Since conventional input metaphors are only limited suitable for this purpose, new input devices are developed which are seperated from the display element. To investigate the influence of such a separation on the work load of the user, an evaluation experiment was conducted with two experimental groups. One group has performed specified maintenance tours with seperated input devices and the other group with combined input devices. The experiment was conducted for the three interaction metaphors text input, navigation in structured data and navigation in images. For each metaphor a suitable input device was used. The workload was measured with the indicators pupil size, time duration and a subjective evaluation with the NASA-TLX. In this experiment no significant difference exists between the various forms of separation for all interaction metaphors. Therefore there is no reason rejecting a separation of the input device from the display device. Nevertheless to improve the quality of the data this investigation should be repetead with some modifications

ORANGE 0117 - Schwerpunkt Digitalisierung

Forschungsmagazin ORANGE für das Jahr 201

Manoeuvre-based cooperative automation for partially, conditionally and highly automated driving

Bei der Entwicklung des teil- und hochautomatisierten Fahrens muss ein besonderer Fokus auf die Gestaltung des Zusammenwirkens des Fahrers mit der Automation bei der Fahraufgabenbearbeitung gelegt werden. Anderenfalls besteht die Gefahr, dass der durch die Automatisierung erhoffte Komfort- und Sicherheitsgewinn nicht erreicht wird. Basierend auf der Betrachtung von bekannten Problemen beim Einsatz einer hohen Automatisierung zielt die Arbeit auf eine Gestaltung einer Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren ab, die es ermöglicht, die Probleme im Zusammenwirken von Mensch und Automation zu vermeiden und einen signifikanten Komfort- und Sicherheitsgewinn zu erreichen. Der Ansatz der Arbeit zur Erreichung der Zielsetzung ist die kooperative Gestaltung des Zusammenwirkens von Fahrer und Automation. Dazu erfolgt eine ausführliche Auseinandersetzung mit der Idee der kooperativen Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren aus ingenieurwissenschaftlicher Perspektive. Dies umfasst die Darstellung des allgemeinen Konzeptes, dessen technische Konkretisierung, die Beschreibung von Ansätzen zur technischen Umsetzung sowie eine ausführliche Evaluierung. Kernelemente des Konzeptes der kooperativen Automation sind die gemeinsame Handlungsplanung und -ausführung sowie die Kompatibilität, welche die Passung der Automation mit dem Fahrer beschreibt. Die Strukturierung des Fahrtablaufes in einzelne Manöver nimmt dabei eine besondere Stellung ein. Der Fokus der Arbeit liegt auf der Automationsfunktionalität. Daher ist die Zielsetzung hinsichtlich der Mensch-Maschine-Schnittstelle die Beschreibung von Konzepten und Methoden zur Bereitstellung verschiedenster Kommunikationsmöglichkeiten, nicht die Beschreibung der Ausgestaltung der Schnittstelle. Da die Ausgestaltung der Mensch-Maschine-Schnittstelle einen erheblichen Einfluss auf die Wirkung der kooperativen Automation beim Fahrer hat, zielt die Arbeit auf die Bereitstellung eines möglichst großen positiven Wirkpotentials hinsichtlich der genannten Ziele ab. Als zentrales Ergebnis der Arbeit ergibt sich, dass eine kooperative Automation für das teil- und hochautomatisierte Fahren helfen kann, die Probleme im Zusammenwirken von Mensch und Automation zu vermeiden und einen signifikanten Komfort- und Sicherheitsgewinn zu erreichen.In the development of partially, conditionally, or highly automated driving the design of the coaction of driver and automation for the joint execution of the driving task has to be in focus especially. When no profound design of this coaction is done, the benefits sought as regards comfort and safety will not be achieved. Based on the analyses of well-known problems when employing high levels of automation, the thesis aims to design an automation for partially, conditionally, and highly automated driving, which allows for these problems in the coaction of human and automation to be avoided, and significant benefits in comfort and safety to be achieved. To attain this objective, the approach of this thesis is the cooperative design of the coaction of driver and automation. For this purpose, the idea of cooperative automation for partially, conditionally, and highly automated driving will be examined in detail from the perspective of engineering science. This comprises the elaboration of the general concept, the technical concretion of this concept, the development of approaches for the technical realisation, and a detailed evaluation. The core elements of the concept are the joint planning and execution of actions as well as the compatibility, which describes the fit of the automation with the driver. Apart from that, the structuring of the whole ride in several compatible manoeuvres will occupy an important position in the thesis. The focus of the thesis is on the automation functionality. Therefore, the objective with regard to the human-machine interface is the development of concepts and methods for providing several communication options, not the concrete design of the interface. Because the concrete design of the human-machine interface significantly influences the effect of the cooperative automation on the driver, the thesis aims to provide the largest possible positive impact potential regarding the avoidance of problems in coaction and the achievement of benefits in comfort and safety. The core result of the thesis is that a cooperative automation for partially, conditionally, and highly automated driving can help avoid the problems in the coaction of human and automation as well as achieve significant benefits in comfort and safety

Wissenschaftliche Auswertung über Theorien und Instrumente für ein Inklusives Wachstum in Deutschland

Vor dem Hintergrund von Digitalisierung und Industrie 4.0 ändert sich die Arbeitswelt umfassend. Dabei ist die Entwicklung nicht nur von Fragen der potenziellen Substituierbarkeit des Menschen durch technische Systeme geprägt, sondern auch von den Möglichkeiten einer immer engeren Kooperation zwischen Mensch und Maschine, mit dem Ziel, die herausragenden Fähigkeiten des Menschen mit den besonderen Eigenschaften von Maschinen als "Bestes aus zwei Welten" zu vereinen. Dazu gehört auch, dass der Mensch von den technischen Systemen eine Unterstützung erfährt, die im Idealfall genau seinen Fähigkeiten und Bedürfnissen sowie den Anforderungen des Arbeitskontextes entspricht. Um diesen Anspruch zu erfüllen, werden seit einigen Jahren vermehrt digitale Assistenzsysteme in der betrieblichen Praxis eingesetzt. Der weitaus prominenteste Anwendungsfall sind Systeme zur Werkerführung (pick-by-light und verwandte), die etwa in der variantenreichen Fertigung eingesetzt werden. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass aufgrund der fortschreitenden technologischen Entwicklung insbesondere kognitiv unterstützende Funktionen zukünftig nicht mehr an spezielle Geräte gebunden sein werden, sondern sich die Assistenz in Form einer umfassenden Software-Integration und eines gemeinsamen Datenraumes auf nahezu jedem technischen Gerät realisieren wird - ganz gleich, ob es eine Werkzeugmaschine oder ein Smartphone ist. Um den Entwicklungsstand von digitalen Assistenzsystemen zu beschreiben und ihren Beitrag im Hinblick auf Inklusion/Diversity, Gesunderhaltung und Arbeitsqualität abzuschätzen, wurde in der vorliegenden Studie ein Klassifikationsschema gemäß Art der Unterstützung (physisch, sensorisch, kognitiv), Anforderungsniveau (niedrig, mittel, hoch, variabel) und Zielsetzung der Unterstützung (kompensatorisch, erhaltend, erweiternd) entwickelt Aufbauend darauf werden die Potenziale von digitalen Assistenzsystemen anhand von 16 Praxisbeispielen veranschaulicht und in einer Gesamtbetrachtung die Erfolgsfaktoren für eine betriebliche Umsetzung diskutiert. Abschließend werden Gestaltungsoptionen für die Politik aufgezeigt, um bei einer weiteren Verbreitung von digitalen Assistenzsystemen im Betrieb die Potenziale für eine verbesserte Teilhabe, höhere Arbeitsqualität und gesünderes Arbeiten zu heben und zur Etablierung eines Leitmarktes für gute digital assistierte Arbeit in Deutschland beizutragen.Against the background of digitalization and industry 4.0, the world of work changes comprehensively. The development is characterised not only by questions of the potential substitutability of humans by technical systems, but also by the possibilities of an ever closer cooperation between man and machine, with the aim of combining the outstanding abilities of man with the special characteristics of machines as "best from two worlds". This also means that the human being is supported by technical systems, which, in an ideal situation, exactly match his abilities and needs, as well as the requirements of the working context. In order to meet this demand, digital assistance systems have been increasingly used in the last years. The most prominent applications are systems for worker guidance (pick-by-light and related), which are used, for example, in multi-variant assembly. Moreover, it is to be expected that, due to the ongoing technological development, especially cognitive support functions will no longer be bound to specific devices in the future, but that the assistance will be realised by means of comprehensive software integration and a common data space on almost every technical device, independent of whether it is a machine tool or a smartphone. To describe the stage of development for digital assistance systems and assess their contribution to inclusion/diversity, health and work quality, a classification scheme was developed in the present study according to type of support (physical, sensory, cognitive), degree of support (low, medium, high, variable) and objective of support (compensatory, sustaining, expanding) and Building on this, the potentials of digital assistance systems are illustrated by 16 practical examples and success factors for the operational implementation are discussed. Finally, policy measure to unlock potentials for more participation, higher quality of work and healthier work in the course of a further diffusion of digital assistance systems in businesses and to support the establishment of a lead market in Germany for good digitally assisted work are presented

Digitale Teilhabe

Das Themenheft Digitale Teilhabe beschäftigt sich zentral mit den Potentialen der Nutzung der neuen Informations- und Kommunikationstechnologien durch benachteiligte Menschen. Im Leitartikel wird der Versuch unternommen, mögliche theoretische Anknüpfungspunkte und Forschungsfragen für weitere Studien- und Forschungsarbeiten in dem noch jungen Themenfeld der Digitalen Teilhabe zu identifizieren. Hierzu wird zunächst das zugrunde liegende Verständnis von Behinderung/Benachteiligung diskutiert und inklusive (Medien-)Bildung als Teil der Persönlichkeitsbildung skizziert. In verschiedenen Diskursen bzw. Disziplinen werden dann theoretische Anknüpfungspunkte für weitere Forschungsarbeiten benannt. Die Idee für das Themenheft ist im Rahmen des Projekts "Begleitforschung im PIKSL-Labor" des Zentrums für Planung und Evaluation Sozialer Dienste der Uni Siegen (ZPE) entstanden. Das PIKSL-Projekt zielt darauf ab, Menschen mit Behinderungen moderne Kommunikationstechnologien zugänglich zu machen, um ihnen Teilhabemöglichkeiten zu erleichtern und zugleich die personale Abhängigkeit von professioneller Unterstützung zu reduzieren. Der inter- und transdisziplinäre Ansatz von PIKSL wird durch die Vielfalt der Artikel in dem Heft deutlich: Digitale Teilhabe wird nicht alleine aus (medien-)pädagogischer bzw. sozialwissenschaftlicher Perspektive betrachtet. Die Besonderheit liegt in der Kooperation unterschiedlicher Disziplinen wie Soziale Arbeit, Kunst und Webdesign

Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme

This dissertation introduces a new approach for benefit investigation and improvement of safety relevant driver assistance systems. The new methodology combines user-based test with the accident analysis of real road accident data. Detailed real road accident are used for the simulation of the collision evolution. By means of user-based data the driver interaction can be evaluated and a driver model can be extracted. The combination of accident data and user-based tests leads to a high validity

Methodik zur Nutzenanalyse und Optimierung sicherheitsrelevanter Fahrerassistenzsysteme

This work introduces a new approach for benefit investigation and improvement of safety relevant driver assistance systems. The new methodology combines user-based test with the accident analysis of real road accident data. Detailed real road accident are used for the simulation of the collision evolution. By means of user-based data the driver interaction can be evaluated and a driver model can be extracted. The combination of accident data and user-based tests leads to a high validity