Simulation bewegbarer Norm-Stellteile in dynamischen virtuellen Umgebungen
1 Einleitung und Motivation
Innerhalb des DFG-Projektes „Virtual Workers“ an der TU BA Freiberg werden Methoden entwickelt, die in der Virtuellen Realität das Prototyping in der Industrie unterstützen sollen. Hauptziel ist es, Bewegungen, Prozeduren und Aktionen eines virtuellen Menschen innerhalb einer veränderbaren Szene abzuspielen, nachdem der Benutzer es demonstriert hat. Dabei soll auf verschiedene Eigenschaften des virtuellen Menschen eingegangen werden. So kann eine beliebige Aktion mit Personen unterschiedlicher Proportionen abgespielt werden, ohne die Aktion neu zu erlernen. Diese Transformation und änderung wird auch als Action Capture bezeichnet und mit Hilfe von Imitation Learning innerhalb dieses Projektes realisiert [JBHW06].
Bisher betrachtete Szenarien sind eine Werkbank sowie ein virtueller Prototyp eines Automobils, in denen ein virtueller Mensch gelernte Aktionen nachahmt. Mit Hilfe der inversen Kinematik ist es möglich, dass dieser virtuelle Mensch verschiedene, modellierte Festkörper, wie zum Beispiel eine Tasse, einen Hammer oder einen Schraubendreher im Werkbank-Szenario greifen und an einen anderen Ort ablegen kann (englisch pick and place). Die folgende Abbildung 1.1 (siehe pdf) zeigt ein Szenario in einem Automobil, in welchem auf der linken Seite eine reale Person und auf der rechten Seite der virtuelle Mensch ein Lenkrad greift. Hierbei tritt allerdings das Problem auf, dass die vorhandenen Objekte keine physikalischen Eigenschaften besitzen und diese theoretisch frei bewegbar sind, da keine Einschränkung der Freiheitsgrade statt findet. Wäre ein Lenkrad beispielsweise als ein mit sechs Freiheitsgraden bewegbarer Festkörper (englisch rigid body) modelliert, würde dieses durch die virtuelle Hand nicht nur gedreht, sondern auch als Ganzes gegriffen und durch den Raum bewegt werden können.
Genau an dieser Stelle soll diese Masterarbeit anknüpfen, beschreiben und umsetzen, wie die virtuellen Objekte, genannt Stellteile, bewegt werden dürfen. So sollen zum einen Objekte wie Bauteile und Werkzeuge, beispielsweise Schraubendreher, Hammer und Nägel im Raum frei bewegt werden. Dabei sind keine Restriktionen für die Bewegung erforderlich oder zu berücksichtigen. Zum anderen sind zusammenh ängende Stellteile nicht beliebig bewegbar, sondern besitzen Restriktionen. So darf ein Lenkrad oder ein Drehknopf nur um eine Achse rotiert werden. Andere Objekte besitzen wiederum abweichende Freiheitsgrade. Zur Veranschaulichung soll ein Schieberegler dienen. Dieser soll nur entlang einer Achse die Möglichkeit zur translatorischen Bewegung haben. Kompliziertere Objekte besitzen mehrere Freiheitsgrade und werden aus Kombinationen von erlaubten Bewegungen zusammengesetzt.
1.1 Ziele und Aufgaben dieser Arbeit
Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Entwicklung und Implementierung einer umfassenden Sammlung von Stellteilen für virtuelle Umgebungen. Anhand dieser Sammlung, im Weiteren als Stellteildatenbank bezeichnet, sollen mit Hilfe einer XML Notation, genaueres dazu im Abschnitt 4.1, verschiedene Objekte unter Zuhilfenahme unterschiedlicher Stellteiltypen erstellt werden können. Diese Stellteiltypen sind im Kapitel 5.1 aufgelistet und werden dort anhand ihrer Freiheitsgrade näher erklärt. Damit allerdings Physik und Dynamik im bestehenden Projekt überhaupt angewendet werden können, wird eine physikbasierte Umgebung benötigt. Da eine schon integrierte ODE Engine [Smi] keine präzise Kollisionserkennung aufweist, fiel die Entscheidung auf die Dynamics Engine Newton [New]. Diese bietet nicht nur eine präzisere Erkennung der Kollisionen, sondern besitzt auch einen großen Funktionsumfang für Gelenke und Gelenklimitierungen. Mit Hilfe dieser Engine und den Stellteiltypen aus Kapitel 5.1 soll eine realistische Simulation der wirklichen Welt bezüglich der Objekte geschaffen werden. Die Abbildungen 1.2 und 1.3 (siehe pdf) zeigen eine Bedienerplattform auf der alle in Kapitel 5.1 vorgestellten Typen von Stellteilen montiert sind. Das Ziel ist es alle darin gezeigten Stellteiltypen mit ihrer vollen Funktionalität in eine dynamische virtuelle Umgebung zu integrieren. In der folgenden Liste sind Etappenziele für die Umsetzung der Aufgabenstellung kurz aufgeführt:
- Abstraktion und Formulierung der einzelnen Stellteiltypen sowie Einteilung in Stellteilgruppen nach ihren Eigenschaften wie zum Beispiel Freiheitsgrade. Dabei sollen die vorgestellten Stellteile in DIN EN 894-3: Seite 19 ff, berücksichtigt werden.
- Entwicklung einer eigenen XML Notation für Physikparameter, Gelenktypen (Joints) und Gelenkgrenzen (Constraints).
- Umsetzung der Stellteiltypen innerhalb des vorhandenen VirtualWorkers Frameworks mit Hilfe der Physics Engine Newton.
- Implementierung eines Ereignissystems für Stellteilzustände.
Dieser Text und noch zwei weitere Kapitel sind im folgenden PDF zu finden. Die vollständige Masterarbeit soll an dieser Stelle nicht veröffentlicht werden. Insgesamt umfasst die Arbeit 106 Seiten.