Eingebettet in die Forschungsgruppe Smart Automation and Robotics wurde das Projekt "Der Roboter und sein digitaler Zwilling" konzipiert.  Das Projekt bietet ein flexibles und mehreren Ausbaustufen konzipiertes Programm für sowohl Bachelor- und Masterstudierende als auch interessierte Schüler berufsbildender, technischer Schulen im Ausmaß von 2h – 2 Wochen:

Kurzfassung

Die Digitalisierung ist ein Trend, der die Wirtschaft und auch die Ausbildung dahinter bereits seit Jahren prägt. Beispielsweise rücken für produzierende Unternehmen die virtuelle Entwicklung und Fertigung von Produkten in direkter Kombination mit der realen Produktion, Mensch-Maschine-Kommunikation und Flexibilisierung bis zur Losgröße 1 in den Vordergrund. Interdisziplinäres Wissen und Können verbunden mit fundierten IT-Skills und Kompetenzen zur Problemlösung sind zukünftig unumgänglich. Den Schülern bzw. Studierenden wird es aufgrund ständiger Veränderungen der Märkte und Kundenbedürfnisse allerdings nur bedingt möglich sein, auf Vorrat zu lernen, wodurch es zukünftig erforderlich sein wird, sich kontinuierlich aus- und weiterbilden.

Das Projekt bildet die Speerspitze der Digitalisierung und der damit am FH OÖ Campus Wels verbundenen Kompetenzen, um neues Wissen zu schaffen und neue Lösungen und Formate für den technisch-medial veränderten Hochschulalltag zu entwickeln.

Ein digitaler Zwilling erfordert die Einbindung und Durchdringung verschiedener Abteilungen und Disziplinen (z.B: Elektronik, Informatik, …) um in der Gesamtheit ein sinnvolles Abbild der Realität zu ergeben. Das Projekt vermittelt zum einen die in der Wirtschaft und Industrie benötigten Kenntnisse des Konzipierens und Implementierens eines funktionsfähigen, digitalen Zwillings, aber zum anderen die Erkenntnis in modernen Lern- und Arbeitsumgebungen interdisziplinär und durchdringend arbeiten zu müssen.

Planung/Ablauf

Anpsprechpartner

• FH-Prof. DI (FH) Dr. techn. Roman Froschauer
• Thomas Schichl BSc MSc

Zielgruppe

Zielgruppe des Workshops sind Studierende oder auch Studieninteressierte im Alter von 17 – 25 Jahren, die derzeit ein technisches und/oder naturwissenschaftliches Studium absolvieren oder planen eines zu beginnen. Das Projekt ist in vier aufeinander aufbauenden, kompetenzorientierten Ausprägungen organisiert, um eine möglichst breite Zielgruppe zu adressieren und die Begeisterung für Technik bereits bei Schülern motivieren zu können:

Abbildung 1: Der Roboter und sein digitaler Zwilling live im Teams-Stream

Organisation

Das Projekt ist in vier aufeinander aufbauenden, kompetenzorientierten Ausprägungen organisiert:

(1) Beginner – Level: Kennenlernworkshop - Die erste Stufe ist für Studienanfänger und Schüler als Workshop für den Erstkontakt mit dem Thema Digitalisierung bzw. digitale Zwillinge in der Industrie konzipiert.
Lernziele: Die Lernziele bestehen primär darin ein Verständnis für den Zusammenhang zwischen echter und digitaler Welt zu schaffen und auch den Unterschied zu gängigen Simulationen (wie diese auch in Computerspielen erlebbar sind) begreifbar zu machen.

Ablauf: Der Workshop kann sowohl in einem Online-Setting über z.B. MS Teams aber auch in Präsenz abgehalten werden. Den Teilnehmern wird nach einer kurzen theoretischen Einführung anhand praktischer Beispiele direkt aus dem (bei Online-Teilnahme) oder im (bei Präsenz) Center for Smart Manufacturing gezeigt, wie die direkte Interaktion am realen und virtuellen Roboter funktionieren kann. Zu diesem Zweck wird ein vorbereiteter digitaler Zwilling eines Roboters, der mit seinem realen Pendant im Labor gekoppelt ist gezeigt und bewegt. Die Bewegung und Interaktion werden dabei auch über mehrere Kameras im Labor gefilmt.

Dauer: 2h – 1/2 Tag

(2) Advanced – Level: Eigenes Erstellen von Modellen in Unity – Die Ausbaustufe Advanced Level adressiert die Zielgruppe der Bachelorstudierenden mit Grundkenntnissen technischer Abläufe bzw. insbesondere CAD Konstruieren und Grundlagen Programmieren wie in vielen technisch orientierten Studiengängen.

Lernziele: Verständnis für Methode, Konzepte und Ansätze zum Aufbau von virtuellen Modellen. Es werden somit Methoden und Konzepte, von der Konstruktion der CAD Daten, über deren Integration in Unity bis hin zur Erstellung einfacher Skripte die das Verhalten (etwa Kinematik) der Modelle beschreiben, vermittelt.

Ablauf: Der Workshop baut auf den Beginner Workshop auf bzw. werden dessen Inhalte vorausgesetzt. Da der Konstruktionsaufwand automatisierter Systeme sehr aufwändig und zeitintensiv ist, werden Modelle vorbereitet und im Rahmen des Workshops fertiggestellt bzw. diskutiert was bei der Konstruktion beachtet werden muss, um Modelle in Unity nutzen zu können. Die Integration der Modelle, sowie das Aufbauen der virtuellen Umgebung in Unity wird im Workshop detailliert durchgenommen. Um Verhaltensmodelle erstellen zu können, sind Grundkenntnisse in der Hochsprachenprogrammierung (C#) notwendig. Skriptprogrammierung ist ein essentieller Bestandteil des Workshops. Trotzdem werden auch hier, ähnlich zu den CAD Daten, einige Skripte vorbereitet, zur Verfügung gestellt. So soll am Ende des Workshops ein virtuelles Modell eines Automatisierten Systems, etwa eines Roboters, welches mit bestimmten Verhalten (Kinematik, Kollisionserkennung, o.ä.) hinterlegt ist, aufgebaut sein.

Dauer: 2 Tage

Abbildung 2: Unity Modell des Roboters
(siehe auch hier LINK)

 (3) Professional – Level: Eigenes Erstellen von Modellen in Unity und Kopplung mit Realsystem –

Lernziele: Der Workshop soll verständlich erklären, wie ein virtuelles Modell Daten und Informationen mit einem realen System austauschen oder teilen bzw. dem realen System bereitstellen kann. Es soll somit der Nutzen aber auch der Aufwand und die Problematiken von Werkzeugen der digitalen Fabrik wie etwa virtuelle Inbetriebnahme, digital mock up oder digitaler Zwilling abgebildet werden.

Ablauf:  Der Workshop baut auf den Advanced Workshop auf bzw. werden dessen Inhalte vorausgesetzt. Es werden die CAD Daten eins automatisierten Systems bereitgestellt. Diese müssen im Workshop so aufbereitet werden, dass Sie in Unity genutzt werden können. Um Modelle realistisch und plastisch darstellen zu können werden Materialien erstellt und dem Modell zugewiesen (fotorealistische Materialien, physikalische Materialien). Es werden Skripte erstellt, um eine Kommunikation mit dem realen automatisierten System aufbauen zu können. Dabei wird auf IoT Standards wie etwa OPC UA oder MQTT gesetzt. Am Ende des Workshops soll somit ein Ansatz eines digitalen Zwillings verfügbar sein, der gewissen physikalische Eigenschaften besitzt und dessen Verhalten bis zu einem gewissen Grad dem realen System entspricht. Zudem soll das virtuelle Modell simultan mit dem realen Model gesteuert werden können.

Dauer: 2 Tage

(4) Ultimate – Level: Kopplung von Modellen – Kosimulation mit physikbasierter Modellierung, individuelle Anpassung an industrielle Anforderungen

Lernziele: Der Workshop soll verständlich erklären wie ein virtuelles Modell in Unity erweitert werden kann, um in bestimmten Aspekten dem realen Modell so nahe wie möglich zu kommen. Dies kann sich etwa auf das Verhalten im Falle einer Kollision, dynamischen Bewegung oder spezifischen physikalischen Zuständen wie Virtualisierung von Gasen oder Flüssigkeiten beziehen. Dabei soll im Workshop der Zusammenhang in der Modellbildung zwischen den einzelnen Modellen, wie etwa Verhaltensmodell, Geometriemodell und physikbasierten Modell veranschaulicht werden. Somit ist ein essentielles Lernziel die Modellbildung. Dabei werden mathematische Kenntnisse sowie Regelungstechnik Grundkenntnisse, die in Bachelorstudiengängen gelehrt werden, vorausgesetzt.

Ablauf: Der Workshop baut auf den Professional Workshop auf bzw. werden dessen Inhalte vorausgesetzt. Es werden aufgebaute virtuelle Modelle die bereitgestellt. Es müssen keine CAD Modelle aufgebaut oder importiert werden. Skripte, die ein bestimmtes grundlegendes Verhalten definieren sowie Materialien sind ebenfalls bereits vorbereitet. Der Fokus liegt in der Modellbildung. Dabei steht die physikalische Modellbildung im Blickpunkt. Diese wird mit Hilfe von mathematischen Modellen, anhand einfacher Beispiele, gezeigt (etwa inverses Pendel, Berechnung dynamischer Kräfte, o.ä.). Die Modellbildung erfolgt dabei in C#. Am Ende des Workshops sollen die virtuellen Modelle bestimmte physikalische Eigenschaften besitzen, die dem realen System entsprechen. Die Ergebnisse werden durch simultanes Verfahren des virtuellen und realen Modelles verifiziert

Dauer:  2-3 Tage

Option: Summerschool „Twin Weeks“:

Das komplette Programm kann auch in der Form einer 2-wöchigen Summer-School abgehalten werden. Innerhalb von 2 Wochen werden alle 4 Stufen des Programms absolviert. Ebenso ist eine Exkursion bei Partnerunternehmen eingeplant, um den digitalen Zwilling auch im Umfeld der Industrie sehen zu können. Abgeschlossen wird das Programm mit einer Projektausstellung der im Rahmen der zwei Wochen selbst erstellten digitalen Zwillinge.

Abbildung 3: Zeitplan für Twin Weeks Summer School

Auch die Twin Weeks können online abgehalten werden, die Exkursion wird dabei per Live-Stream und Kamerarundgang durch das Unternehmen abgehalten.

Als Zielgruppe für die Twin Weeks gelten interessierte Schüler oder Studierende (auch aus dem Ausland), welche sich über den Sommer gezielt weiterbilden möchten (z.B. im Rahmen des Programms Talente OÖ – siehe hier talente-ooe.at )

Didaktische Methoden / Setup

• Online-Workshop geführt über MS-Teams bzw. Ares Pro Cloud System - Der Einsatz von Plattformen wie MS Teams bietet die Möglichkeit Workshops und Lehrveranstaltungen abzuhalten, die sowohl ortsungebundenen als auch nicht auf eine Anzahl von Personen beschränkt ist. Durch virtuelle Modelle und Softwaretools wie ARES Pro wird zudem sichergestellt, dass Ressourcen die sonst nur in einem Labor, einer mechanischen Werkstätte oder einem Produktionsbetrieb verfügbar sind auch über MS Teams oder ähnliche Plattformen genutzt werden können. Virtuelle Modelle, die in Unity aufgebaut werden können, als Anwendungen, im Workshop oder der Lehrveranstaltung bereitgestellt werden. Dabei können diese Anwendungen sowohl für Windows, IOS, Android oder diverse andere Plattformen bereitgestellt werden. Eine Interaktion mit den virtuellen Modellen ist dabei durch Benutzer und Benutzerinnen, je nach Ausprägung der Modelle, direkt am Endgerät möglich. Zusätzlich besteht auch über MS Teams die Möglichkeit durch die Workshopleitung mit Personen zu interagieren, um etwa Fragen zu beantworten, Probleme zu lösen oder Aufgabenstellungen zu kontrollieren. Durch Softwaretools wie Ares Pro können Ressourcen, wie etwa Microsoft Hololens 2, die nur begrenzt verfügbar sind, auch über ein Netzwerk verteilt genutzt oder geteilt werden. Virtuelle Modelle können zudem so aufgebaut werden, dass diese auch von mehreren Personen gleichzeitig genutzt werden. So kann etwa ein “digital” oder “virtual” lab erstellt werden, in welchem sich Personen anmelden können und die Ressourcen der virtuellen Umgebung gleichzeitig und gemeinsam nutzen können. So sind auch Gruppenarbeiten realisierbar. Die Hybride/ Online Methode bietet somit in didaktischer Hinsicht neue Möglichkeiten, wie einen sicheren, da virtuellen, ortsungebundenen und Ressourcen schonenden Laborbetrieb oder Workshop.
• Hybrid-Workshop mit Einbindung realer Systeme aus dem Labor (Webcam vom Roboter,…) - Virtuelle Modelle können nur zu einem bestimmten Grad genutzt werden, um Workshops oder Lehrveranstaltungen über etwa MS Teams zu realisieren. Eine Kopplung mit realen Systemen ist oft notwendig, um das Verhalten oder die Ergebnisse eines Workshops zu verifizieren. Die Kopplung virtueller Modelle mit der realen Umgebung über Kommunikationsstandards wie MQTT oder OPC UA kann realisiert werden. Eine Anbindung der virtuellen Systeme von Personen, die über MS Teams an einem Workshop teilnehmen ist zwar möglich jedoch mit, zum einen, Sicherheitsrisiken aber auch mit der begrenzten Anzahl realer Systeme oft nicht ratsam oder möglich. Daher können Ergebnisse von Aufgaben, wie etwa das im virtuellen Modell fertig erstellte und optimierte Roboterprogramm, über MS Teams, der Workshopleitung zur Verfügung gestellt. Anschließend kann das Roboterprogramm am virtuellen Modell der Workshopleitung verifiziert werden. Abschließend wird das Programm entweder auf den realen Roboter übertragen oder wenn möglich der reale Roboter mit dem virtuellen Modell gekoppelt. Die Bewegungen des realen Roboters können, nach Programmstart, über eine Webcam, die über MS Teams oder in einer Webseite eingebettet ist, und den realen Roboter zeigt, den Personen im Workshop präsentiert werden.

Konkrete Methoden der digitalen Transformation in der Lehre

Der Aufbau bzw. die Entwicklung einer Methode, eines Prozesses oder eines Konzeptes zum Einsatz digitaler Werkezuge und Methoden in der Lehre ist mit großem Aufwand verbunden. Vor allem die Modellerstellung ist sehr zeit- und auch kostenintensiv. Neben CAD Modellen müssen Verhaltensmodelle, Materialflussmodelle und physikbasierte Modelle erstellt werden. Nach fundierten Recherchen, Rücksprache mit diversen Unternehmen die Werkzeuge zur Virtualisierung, Modellierung und Simulation bereitstellen wurden bestimmte Softwaretools und Hardwarekomponenten ausgewählt sowie eine konkrete Methode entwickelt wie an der FH OOE virtuelle Modelle aufgebaut und genutzt werden können um digitale, interaktive Lehrveranstaltungen und Workshops anbieten zu können.

Diese Methode mit den Softwaretools und Hardwarekomponenten wurden in einem eigens dafür geschaffenen Labor, dem digital factory lab, zusammengefasst. Das digital factory Lab beinhaltet somit alle Ressourcen, um darin nicht nur Workshops und Lehrveranstaltungen anzubieten, sondern auch um eine digitale Fabrik mit all ihren Methoden und Werkzeugen aufzubauen. So finden sich etwa Hochleistungsworkstations die CAD Systeme wie Inventor oder Catia bereitstellen. Somit können CAD Modelle aufgebaut werden. Mit diversen Simulationstools können etwa Roboterbewegungen simuliert werden. Durch den Einsatz von Unity ist eine Entwicklungsumgebung verfügbar, die, mit einem integrierten physics engine, einer C# Schnittstelle und der Möglichkeit Applikationen für diverse Endgeräte (AR/ VR/ MR, 3D Stereo, Windows, IOS, Android) nicht nur sehr leistungsfähig, sondern auch sehr flexibel ist.  Zudem wird gezielt auf Unity gesetzt, da auf Grund von Rückmeldungen aus der Industrie Systeme wie Unity oder Unreal Engine vermehrt im Bereich virtueller Inbetriebnahme eingesetzt werden. Um virtuelle Modelle darstellen zu können verfügt das digital factory lab neben klassischen Bildschirmen auch über Endgeräte wie Head mounted Displays, Microsoft Hololens 2, Epson Moverio BT 300 oder ein 3D Beamer System mit integrierter Tracking Funktion.

Durch diese Ressourcen können nach der Erstellung und deren Aufbereitung, CAD Daten in Unity importiert werden und über industrielle Kommunikationsschnittstellen zu realen Systemen gekoppelt aufgebaut werden. 

Mehrwert

Lernerleichterung - Der Programmablauf gewährleistet, dass alle Beteiligten auf ihrem Wissensstand abgeholt und an das Thema herangeführt werden. Da die Idee der digitalen Transformation eher selten anhand der Beispiele Robotik und digitaler Zwillinge innerhalb eines konzertierten Programms gelehrt werden, werden den TeilnehmerInnen Übungsgelegenheiten und direkte Unterstützung durch die Vortragenden und Tutoren (individuelle Beratung, zusätzliches Lernmaterial und Beispiele) zur Verfügung gestellt, um sich fachlich in diese Themen einzuarbeiten. Auch eine Vorbereitung auf zu erwartende Schwierigkeiten und damit verbundenen Hilfestellungen zu den verwendeten Tools, kann nur durch ein begleitendes und tiefes Durchdringen der Lerninhalte gewährleistet werden. Auf Teilnehmerseite soll gelernt werden, die Themenbereiche fächerübergreifend aus mehreren Perspektiven zu betrachten, von Peer TutorInnen zu lernen sowie schulisches Wissen mit der zukünftigen Arbeitswelt zu verknüpfen.

Im Rahmen der Workshops erarbeiten die TeilnehmerInnen in Gruppen ab Stufe 2 einen eigenen digitalen Zwilling. Mit Unterstützung geeigneter Online-Collaboration Tools wie das am Campus verwendete ARES PRO können die Kursteilnehmer virtuell, gleichzeitig am gleichen System arbeiten und sich untereinander austauschen. Die Software unterstützt dabei sowohl Augmented- als auch Virtuelle Teilnahme bzw. Interaktion von mehreren Personen an dem gleichen Modell.

Ressourceneffizienz / Sicherheit - Insbesondere Labore und Übungen mit hohem Praxisanteil und hohem Aufwand im Hinblick auf einen zu unterhaltenden Maschinen- oder Gerätepark lassen sich dadurch kosteneffizienter und auch sicherer abhalten. Durch die virtuelle Abbildung der Maschinen und die direkt mögliche Interaktion lassen sich Abläufe zuerst in eben dieser Simulation ohne Gefahr für Mensch und Maschine testen. Erst nach Freigabe durch den Vortragenden laufen die Programme dann synchron im Vorortlabor mit und geben Feedback an den digitalen Zwilling retour.

Dauer

2021 - fortlaufend