Verbindet die Welten – das Open Architecture Virtual Reality System »Gaia«

Industrielle Informationen darzustellen und intuitiv zugänglich zu machen, war das Hauptziel, als es um die Entwicklung der ersten Virtual-Reality- (VR) und Augmented-Reality- (AR) Systeme ging. »Gaia« geht einen Schritt weiter. Die Entwicklungs- und Anwendungsplattform koppelt die digitalen Simulations- und Planungswerkzeuge so mit den realen Maschinen und Anlagen, dass ein direkter Datenaustausch in beide Richtungen möglich wird.

Produktivität und Effizienz industrieller Entwicklungs- und Produktionsprozesse lassen sich heute in vielen Fällen nur noch durch den intensiven Einsatz von Informations- und Kommunikationstechnologien steigern. Die Mitarbeiter in den Unternehmen sind dadurch allerdings einer stark zunehmenden Flut von Informationen ausgesetzt. Von den multimedialen Hilfsmitteln, die ihnen bei der Bewältigung dieser Kommunikationsprozesse helfen sollen, haben sich besonders die Methoden der Virtual Reality (VR) und der Augmented Reality (AR) etabliert. Sie ermöglichen es, komplexe Funktionen und Zusammenhänge in einer virtuellen Welt anschaulich darzustellen. Entsprechend konzentrierten sich die Entwickler von VR- und AR-Systemen anfangs hauptsächlich darauf, Werkzeuge und Methoden für die Darstellung und Interaktion zu entwickeln. Hierfür sind jedoch geeignete Datenquellen mit den zu visualisierenden Informationen notwendig. »Die Schnittstelle für eine Verbindung digitaler Werkzeuge mit den realen Prozessen wurde in den letzten Jahren oftmals vernachlässigt«, bedauert Jan Stallkamp vom Fraunhofer IPA. »Die digital vorliegenden Ergebnisse lassen sich dadurch bisher nur mit Verlusten in die reale Umgebung übertragen. Umgekehrt gilt das auch für Effekte der realen Welt, die deshalb in der virtuellen Umgebung nicht zum Tragen kommen, da sie durch Simulation nicht erfasst werden können«, erklärt er.

Mit »Gaia« haben er und sein Team nun die Entwicklung der nächsten Generation von VR-Systemen in Angriff genommen. Ihr Ziel ist es, die Abläufe in der virtuellen Welt sowohl mit digitalen Planungs- und Simulationswerkzeugen als auch mit realen Geräten und Anlagen bidirektional zu koppeln. »Gaia« ist eine Anwendungs- und Entwicklungsplattform, mit der Datenströme aus unterschiedlichen Quellen auf einfache Weise in einer virtuellen Welt zusammengefasst, dargestellt und modifiziert werden können. Zu diesem Zweck besitzt Gaia eine modulare Architektur aus einer frei wählbaren Anzahl von PCs, die über ein leistungsfähiges Netzwerk miteinander verbunden sind. Jede PC-Komponente kann eine oder mehrere Aufgaben übernehmen. Ihre akkumulierte Rechenleistung macht teure Hochleistungsrechner in vielen Bereichen überflüssig. Zentrale Komponente von Gaia ist das KERNEL-Modul. Es verwaltet die Datenströme von beliebigen industriellen Kommunikations- und Informationsprozessen – von der Planung bis zur Betriebsleitung. Die jeweils aktive Applikation kann beliebig auf dieses Modul zurückgreifen, um Informationen zu erhalten oder diese zu beeinflussen.

Eine weitere Standardkomponente ist der RENDERER. Er ist mit dem KERNEL-Modul über ein internes Protokoll verbunden und eines der Ausgabegeräte für beliebige Daten in einer virtuellen 3-D-Umgebung. Die SWITCHBOX-Komponente verbindet »Gaia« mit externen Geräten und Anlagen. Über diese bidirektionale Schnittstelle lassen sich diese externen Systeme mit den Vorgängen in der virtuellen Umgebung synchronisieren oder Eingaben in der virtuellen Welt zur Steuerung der realen Systeme übertragen. Außerdem wird mit der SIMBOX künftig eine weitere Komponente für den Anschluss von computergestützten Simulations- und Planungswerkzeugen an »Gaia« zur Verfügung stehen, so dass der Benutzer über ein virtuelles Interface Simulationswerkzeuge und reale Geräte und Anlagen einfach, intuitiv und funktional miteinander verbinden kann.

Die Plattformunabhängigkeit war stets ein wichtiger Punkt bei der Entwicklung des Gesamtsystems. »Zur Zeit verwenden wir PCs mit Windows- und Linux-Betriebssystemen«, berichtet Jan Stallkamp Die modular programmierte Software lässt sich leicht an unterschiedliche Applikationen anpassen.

Als ein erstes Anwendungsbeispiel haben die Stuttgarter Wissenschaftler auf der Hannover Messe 2001 ein Teleoperationssystem auf der Basis von »Gaia« vorgestellt. Vom Messestand in Hannover aus wurden über ein Eingabepult die Parameter eines Roboter- und Zuführsystems eingestellt und optimiert, das in Stuttgart Dichtungen in Gehäusedeckel montierte. Es war über die SWITCHBOX mit »Gaia« in Hannover verbunden. Die Applikation ermöglichte das Einstellen der Parameter für die Bahnführung des Roboters, die Zuführeinrichtung und die Steuerung des Werkzeugs. Nach der Übertragung der Parameter an das Montagesystem in Stuttgart wurde der Prozess gestartet. Während des Montagevorgangs war die 3-D-Darstellung des Gesamtsystems auf dem RENDERER mit der Anlage in Stuttgart verbunden, so dass die Vorgänge in der virtuellen Umgebung permanent überwacht werden konnten.

Ihre Ansprechpartner für weitere Informationen:
Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Ing. Jan Stallkamp, Telefon: 0711/970-1308, Telefax: 0711/970-1005, E-Mail: jls@ipa.fhg.de
Dipl.-Ing. Jürgen Mayer, Telefon: 0711/970-1159, Telefax: 0711/970-1005, E-Mail: jym@ipa.fhg.de