Habilitationsschrift INTERAKTION MIT DEM DIGITALEN PRODUKTMODELL ...
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Habilitationsschrift INTERAKTION MIT DEM DIGITALEN PRODUKTMODELL IM VIRTUELLEN RAUM Abhandlung zur Erlangung der Venia Legendi der EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE ZÜRICH vorgelegt von Dr. sc. techn. Andreas Kunz geboren am 22. Oktober 1961 von Offenbach/Main, Deutschland
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  • ch auf geometrischer
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Habilitationsschrift



INTERAKTION MIT DEM DIGITALEN PRODUKTMODELL IM
VIRTUELLEN RAUM





Abhandlung
zur Erlangung
der Venia Legendi
der

EIDGENÖSSISCHEN TECHNISCHEN HOCHSCHULE
ZÜRICH




vorgelegt von

Dr. sc. techn. Andreas Kunz
geboren am 22. Oktober 1961
von Offenbach/Main, Deutschland


























Meiner Familie gewidmet.





























iii Interaktion mit dem Digitalen Produkt - Methoden und Werkzeuge zur
Effizienzsteigerung von Unternehmensprozessen


Dr. sc. techn. Andreas Kunz
Lehrbeauftragter „Virtual Reality“
an der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich


iv Vorwort


Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als Oberassistent am
Zentrum für Produkt-Entwicklung der Eidgenössischen Technischen Hochschule
Zürich (ETH). In dieser Zeit bot sich mir die Möglichkeit, eine Forschungsgruppe in
dem Bereich der virtuellen Realität aufzubauen. Die Zielsetzung dieses Bereichs ist,
neue Technologien in bestehende oder ebenfalls neu zu erstellende
Geschäftsprozesse einzubringen, um hiermit den gesamten Entwicklungsprozess an
unterschiedlichen Stellen zu unterstützen und ihn insgesamt effizienter zu gestalten.
Hiermit wird das Ziel verfolgt, das Prinzip des Digitalen Produktes über den
gesamten Produkt-Innovationsprozess auszudehnen.
Um dem Anwender den intuitiven Zugang zum Digitalen Produkt zu ermöglichen,
müssen diesem neue Werkzeuge bereit gestellt werden, mit denen er die immer
grösser werdenden Datenmengen bewältigen kann. Es ist aber nicht nur der Zugang
zum Digitalen Produkt, sondern auch seine Nutzung in kollaborativer Teamarbeit, die
durch Hilfsmittel der virtuellen Realität unterstützt werden kann. Insbesondere bei
verteilten Teams entsteht hieraus ein grosser Nutzen, weil nicht nur Reisekosten
eingespart werden können, sondern auch das Digitale Produkt an mehreren Stellen
gleichzeitig bearbeitet werden kann. Die technischen Hilfsmittel der virtuellen Realität
ermöglichen hier den frühen Einsatz von digitalen Prototypen, wodurch nicht nur
Baukosten eingespart werden können, sondern auch die durch den Bau eine
physischen Prototypen entstehende Totzeit wegfallen kann.
Nach einer Analyse des gegenwärtigen Zustandes im Bereich des Virtual Reality –
Einsatzes in der Industrie und des Stands der Technik werden im Rahmen dieser
Arbeit neue Ansätze vorgestellt, wie Geschäftsprozesse in einem neuen technischen
Umfeld effizienter durchgeführt werden können. Die Arbeit endet schliesslich mit
einem Ausblick, wie die virtuelle Realität zukünftig in der Produktentwicklung
eingesetzt werden kann. Durch viele Projekte, Industrietreffen, Semester- und
Diplomarbeiten sowie durch Dissertationen wurde auf diesem oben erwähnten
Gebiet eine Plattform geschaffen, auf der auch künftig weitere Forschungs- und
Entwicklungsarbeit durchgeführt werden wird.
Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle bei Prof. Markus Meier, der es ermöglicht
hat, diese Forschungsgruppe an seinem Institut zu etablieren. Des weiteren gilt mein
Dank auch meinen beiden Korreferenten Prof. Konrad Wegener und Prof. Georges
Fadel, die durch ihre Durchsicht dieser Arbeit und das entgegengebrachte Interesse
zum Gelingen beigetragen haben.
Bedanken möchte ich mich auch bei allen Kollegen und Studierenden meiner
Forschungsgruppe ICVR (Innovation Center Virtual Reality), deren
Forschungsarbeiten in das Gesamtkonzept eingeflossen sind. Die Kollegialität und
Freundschaft der Gruppe gaben mir immer wieder neuen Antrieb, die Forschung
weiter voranzutreiben.Dank gilt auch den vielen Beteiligten aus der Industrie, die mir
einen umfassenden Einblick in laufende Prozesse boten und die Gelegenheit gaben,
meine Forschungsergebnisse einfliessen zu lassen.
Besonderer Dank gilt auch meiner Familie, die meine häufige physische als auch
innere Abwesenheit mit Geduld ertragen haben.

Zürich, im August 2004

v Interaktion mit dem Digitalen Produkt - Methoden und Werkzeuge zur
Effizienzsteigerung von Unternehmensprozessen

Preface
This work was realized in my position as an Oberassistent at the Center of Product
Development at the Swiss Federal Institute of Technology Zurich (ETH). Within that
position I had the opportunity to establish a research group in the field of Virtual
Reality. The topic of this research group is to integrate new technologies into existing
or new business processes and methods in order to support the product
development process in different stages and to shape more efficient. The goal is the
extend the principle of the Digital Product over the complete product innovation
process.
In order to allow an intuitive access to the Digital Product, new tools and interfaces
have to be developed that allow the user to master the huge amount of data.
However, the benefit of using virtual reality is not only in an easy access to the Digital
Product, but also in the use within a collaborative teamwork. In particular, distributed
teams take advantage of virtual reality technologies since they can save travel
expenses and allow to work simultaneously on the Digital Product at different
locations. It also allows to use digital prototypes in a very early stage and thus saving
money and time for building a physical prototype.
After an analysis of the current situation in using virtual reality in industrial
applications and of the technologies’ state-of-the-art new approaches are introduced,
how business processes can be performed more efficiently in a new technical
environment. The work finalizes with an outlook on the future of virtual reality in the
product development process.
Within many projects, industry meetings, semester- and diploma works as well as
dissertations a research platform on the above topic was established, which will allow
future research and development in this field.
I would like to say thank you to Prof. Markus Meier, who makes it possible to
establish the above mentioned research group in his institute. In addition I would like
to thank the co-referees of this work, Prof. Konrad Wegener and Prof. Georges
Fadel, who supervised the work and helped me by their interest in this topic to finish
this work.
I would also like to thank my colleagues and all students of my research group ICVR
(Innovation Center Virtual Reality), whose research work are integrated into the
overall concept. The collegiality and the friendship within the group helped me a lot to
finish this work and to advance the research in this field.
Thanks also to all industrial partners that gave me and the group a view into ongoing
work and the opportunity to integrate my research results into the industrial business
processes.
Last but not least I would like to thank my family that tolerated with patience my
physical and inner absence during the last years.



Zurich, August 2004

vi Inhaltsverzeichnis


Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung und Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2. Analyse des Produktlebenszyklus . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Das „Digitale Produkt“ und die Einbindung in die
Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2. Virtual Reality als Schnittstelle zur digitalen Welt – der digitale
Prototyp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.3. Virtual Reality zur Unterstützung des Simultaneous Engineering . 38
2.3.1. Anforderungen an neue VR-Systeme zur Unterstützung
der Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1.1. VR zur Unterstützung der individuellen Arbeit . . . . 47
2.3.1.2. Teamarbeit . . . . . . . . . . 48
2.4. Zusammenfassung der Anforderungen an VR . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.6. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3. Grundlagen und Definitionen für den Einsatz der virtuellen Realität
in der Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.1. Die Entstehung der virtuellen Realität und deren technisches
Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2. Definitionen für das Gebiet der virtuellen Realität . . . . . . . . . . . . . 68
3.2.1. Definition der erweiterten Realität . . . . . . . 69
3.2.2. Definition der erweiterten Virtualität . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.3. Definition der virtuellen Realität (VR) . . . . 70
3.2.4. Die Immersion und der „Sense of Presence“ . . . . . . . . . . . 71
3.3. Computer Supported Collaborative Work (CSCW) . . . . . . . . . . . . 77
3.3.1. Softwareklassifizierung im CSCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2. Hardwareklassifizierung im CSCW . . . . . . . . . 78
3.3.3. Präsenz im CSCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.3.4. „Transportation“, „Künstlichkeit“ und „Räumlichkeit“ im
CSCW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4. Der Mensch und seine Sinne in der virtuellen Realität . . . . . . . . . . . . 87
4.1. Die Motorik des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.1. Stimme, Sprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
4.1.2. Körperstellung und Bewegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.1.3. Mechanische Lasten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.2. Die Sensorik des Menschen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.1. Visuelle Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . 90
4.2.2. Auditive W95
4.2.3. Haptische Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

vii Interaktion mit dem Digitalen Produkt - Methoden und Werkzeuge zur
Effizienzsteigerung von Unternehmensprozessen

4.2.4. Olfaktorische Wahrnehmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2.5. Gustatorische . . . . . . . . . . . . 102
4.3. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.4. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5. Technologien der virtuellen Realität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.1. Visuelle Ausgabegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.1.1. Kriterien zur Beurteilung von visuellen Ausgabegeräten . . . 107
5.1.1.1. Zukunftsperspektive Displays . . . . . . . . . . . . . . . . 111
5.1.2. Projektionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.1.3. Stereoprojektionsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
5.1.3.1. Rot-/Grün-Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.1.3.2. Polarisationstechnik. . . . . . . . . . . . 116
5.1.3.3. Wellenlängen-Multiplex-Verfahren . . . . . . . . . . . . 117
5.1.3.4. Aktives Stereoverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
5.1.3.5. Vergleich zwischen Stereoprojektionsverfahren . . 119
5.1.3.6. Zukunftsperspektive von Projektoren . . . . . . . . . . 123
5.1.3.7. Headmounted Displays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1.3.8. Zukunftsperspektive vom HMD . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2. Akustische Ausgabegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.1. Anforderungen an akustische Ausgabegeräte . . . . . . . . . . 125
5.2.2. Zukunftsperspektive der akustischen Ausgabegeräte . . . . . 126
5.3. Haptische Interaktionsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.3.1. Haptische Eingabegeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.1.1. Anforderungen an haptische Eingabegeräte . . . . . 128
5.3.2. Kraftrückkopplungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.2.1. Anforderungen an Kraftrückkopplungsgeräte . . . . 134
5.3.2.2. Zukunftsperspektive der
Kraftrückkopplungsgeräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.4. Trackingsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.4.1. Mechanische Trackingsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.4.2. Optische Trackingsysteme . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4.3. Akustische Trackingsysteme . . . . . . . . . . . . . . 142
5.4.4. Elektromagnetische Trackingsysteme . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.4.5. Gegenüberstellung der einzelnen Trackingsysteme . . . . . . 147
5.4.6. Zukunftsperspektive von Trackingsystemen . . . . . . . . . . . . 148
5.5. Realisierte VR-Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5.1. „Fishtank-VR“ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5.1.1. Monitorbasierte VR-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5.1.2. Tischbasierte Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.1.3. Kleinprojektions-VR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.5.2. Hochimmersive Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
5.5.2.1. Grossprojektion (Power Wall) . . . . . . . . . . . . . . . . 154
®5.5.2.2. Cubic Environments (CAVE ) . . . . . . . . 155
5.5.2.3. HMD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.6. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.7. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157


viii Inhaltsverzeichnis


6. Stand der Technik beim Einsatz der virtuellen Realität in der
Produktentwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1. Geometriedefinition beim Virtual Prototyping – das
Datenkontrollmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
6.2. Präsentationsaufgaben im Virtual Prototyping – der DMU zur
Kopplung von Geometrie und Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
6.3. Simulation im Virtual Prototyping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.1. Funktionssimulation im Virtual Prototyping - Crash-
Visualisierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.2. Funktionssimulation im Virtual Prototyping -
Echtzeitdarstellung von komplexen
Beleuchtungsproblemen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.3.3. Virtual Prototyping - Zeitabhängige
Simulationsdaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.4. Simulation im Virtual Prototyping – Ergonomische
Untersuchungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.5. Virtual Environments im Virtual Prototyping –Virtuelle
Begehungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.6. Kritische Beurteilung derzeitiger Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . 185
6.7. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
6.8. Literaturverzeichnis . . . 189

7. Erweiterung der Kollaborationsmöglichkeiten durch den Einsatz
von VR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
7.1. Techniken der virtuellen Realität in frühen Innovationsphasen . . . 193
7.1.1. Teamarbeit im Rahmen von Projektsitzungen . . . . . . . . . . 199
7.1.2. VR zur Unterstützung der Teamarbeit in Kleingruppen . . . . 213
7.1.3. Ergebnispräsentation und Wissensweitergabe . . . . . . . . . . 219
7.2. VR zur Unterstützung von Review-Meetings . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.3. Aufbau einer virtuellen Kollaborationsumgebung . . . . . . . . . . . . . 233
7.4. Interaktionsmöglichkeiten mit virtuellen Objekten . . . . 251
7.4.1. Das HoverMesh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.4.2. SmartMesh – Eine Struktur zur Objekterzeugung . . . . . . . . 255
7.4.3. EAP-basierte Kraftrückkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.5. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.6. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

8. Die Zukunft des VR-Einsatzes in der Produktentwicklung . . . . . . . . . 275
8.1. Freespace Walking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.1.1. Der neue Ansatz des Freespace-Walking . . . . . . . . . . . . . . 279
8.1.2. Anwendungsszenarien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.1.2.1. Applikation „Digitale Fabrik“ . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.1.2.2. Applikation „Lehr- und Lernumgebung“ . . . . . . . . . 285
8.2. Der virtuelle Projektraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.2.1. Der neue Ansatz des virtuellen Projektraumes . . . . . . . . . . 289
8.2.2. Anwendungsszenario für den virtuellen Projektraum –
Verteilte Kollaboration in der Automobilindustrie . . . . . . . . 298


ix Interaktion mit dem Digitalen Produkt - Methoden und Werkzeuge zur
Effizienzsteigerung von Unternehmensprozessen

8.2.2.1. Brainstorming und Ideengenerierung im virtuellen
Projektraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.2.2.2. Generierung und Abgleich der Funktionsstruktur . 302
8.2.2.3. Festlegung des Konstruktionsraumes und der
Schnittstellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
8.2.2.4. Gegenseitiger Abgleich auf funktionaler Ebene . . 304
8.2.2.5. Gegenseitiger Abgleich auf geometrischer Ebene 306
8.2.2.6. Design Review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
8.2.2.7. Komplexitätsmanagement . . 308
8.2.2.8. Anwendungsszenario „FMEA“ . . . . . . . . . . . . . . . . 311
8.3. Zusammenfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
8.4. Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314




x Einleitung und Motivation


1. Einleitung und Motivation
In den vergangenen Jahrzehnten hat die Entwicklung eines Produktes signifikante
Änderungen erfahren. Die Ursachen für diese Änderungen liegen einerseits in den
geänderten Anforderungen an das Produkt selbst, andererseits aber auch in den
Möglichkeiten, ein Produkt zu gestalten. Betrachtet man die Anforderungen an ein
Produkt, so werden diese immer komplexer, das Produkt muss immer mehr
Funktionalitäten in sich vereinigen. Diese Anforderungen sind nicht nur primärer
Natur, d. h. es sind nicht nur die technisch und konstruktiv zu lösenden Aufgaben,
sondern es müssen gleichzeitig auch immer mehr sekundäre Anforderungen erfüllt
werden, d. h. sie müssen vollständig in die Umwelt integrierbar sein.
Bei den Primärfunktionen der Produkte zeichnen sich vor allen Dingen Tendenzen ab
hin zu grösserer Leistungsdichte (z. B. bei Motoren im Automobilbau), geringerem
Gewicht (z. B. Faserverbundstrukturen im Fahrzeugbau) oder auch zu höherer
Produktivität (z. B. höherer Werkstückdurchsatz in Fertigungsmaschinen). Hiermit
eng verbunden ist auch die Tendenz hin zur Multifunktionalität, d. h. das Bündeln
mehrerer Teilfunktionalitäten auf kleinstem Raum.
Die Sekundäranforderungen sind vielfältiger Natur, sie reichen von ökologischen
Aspekten über die Eingliederung in bestehende Produktpaletten bis hin zur
Anpassbarkeit an geänderte gesellschaftliche oder politische Einflüsse. Gerade die
Sekundärfunktionen haben in den letzten Jahren stark an Bedeutung gewonnen.
Beides, das gleichzeitige Erfüllen von Primär- und Sekundärfunktionen, bewirkt, dass
die Komplexität der Produkte stark zugenommen hat. Hinzu kommen noch weitere,
marktwirtschaftliche Anforderungen, die ebenfalls entscheidenden Einfluss auf den
Erfolg eines Produktes haben können. Ein Produkt, welches zwar die primären und
sekundären Anforderungen erfüllt, aber zu spät oder zu einem zu hohen Preis auf
dem Markt erscheint, ist ebenfalls zum Scheitern verurteilt. Der Markt ist zudem auch
nicht mehr geographisch begrenzt und das Produkt muss sich daher einem globalen
Wettbewerb stellen.
Insbesondere der zunehmende Fortschritt in der Elektronik unterstützt die steigende
Komplexitätsdichte. So ist am Beispiel des Maschinen- und Anlagenbaus zu
erkennen, dass der Anteil der Software und der Elektronik im Jahr 1998 bereits 60%
ausmacht, wobei die Tendenz steigend ist.


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