Eine Lackierwerkstatt in Virtual Reality (VR)


Neben den wissenschaftlichen Erkenntnissen entsteht im Projekt mit der VR-Lackierwerkstatt ein innovatives Lernsystem zum handlungsorientierten Verstetigen von Lackiertechniken und -verfahren in der Ausbildung von Fahrzeuglackierer/-innen.

Die VR-Lackierwerkstatt geht grundlegend von einem dreiteiligen Lernprozess aus. Zunächst definieren Ausbildende die Lernaufgabe für einen oder mehrere Auszubildende. Im nächsten Schritt wird die Lernaufgabe ausgeführt. Abschließend erfolgt eine gemeinsame Auswertung der Lernhandlung zwischen Ausbildendenden und Auszubildenden. Zur Abbildung dieses Lernprozesses besteht die VR-Lackierwerkstatt aus drei wesentlichen Modulen: Einem Autorenwerkzeug, einer VR-Trainingsanwendung und einer Reflexionsanwendung.

Module der VR-Lackierwerkstatt
Die VR-Lackierwerkstatt besteht aus 3 Modulen

Dieser Aufbau der Lackierwerkstatt ermöglicht den Einsatz jedes Moduls unabhängig von den beiden anderen Modulen. Dadurch ist beispielsweise nur am Trainingsort eine VR-Installation erforderlich während Vorbereitung und Reflexion der Lernaufgabe auch ohne VR-Equipment durchgeführt werden können.

Autorenwerkzeug

Zur Vorbereitung einer konkreten Lernhandlung wird das Autorenwerkzeug der VR-Lackierwerkstatt genutzt. Das Autorenwerkzeug wird als Modul des gesamten Lernsystems entwickelt und durch Ausbildende bzw. die auszubildende Institution genutzt, um das allgemeine Szenario (Auftrag von Lacken auf Werkstücken) zu konkretisieren.

Das Autorenwerkzeug wird unter anderem die Einbindung fertiger Templates für konkrete Lerneinheiten und 3D-Modelle, die Erstellung neuer Lerneinheiten sowie die Verknüpfung von Lerneinheiten ermöglichen. Neben der Anpassung und Erstellung von Instruktionen und Messparametern wird das Autorensystem auch den Import konkreter 3D-Modelle für Werkstücke unterstützen. Ein Grundset ausbildungsrelevanter Werkstücke wird zudem bereits vorliegen.

Als Ergebnis der Vorbereitung wird das Autorenwerkzeug einsatzfähige Aufgaben für die eigentliche Trainingsanwendung erzeugen.

Trainingsanwendung

Die Auszubildenden werden in der Trainingsanwendung die zuvor durch Ausbildende erstellten Aufgaben bearbeiten. In der virtuellen Realität der Trainingsanwendung werden sich die Auszubildenden in einer Lackierkabine wiederfinden, welche die zu lackierenden Werkstücke als 3D-Modelle anzeigt. Die virtuelle Lackierkabine wurde in Zusammenarbeit mit Ausbildenden und Auszubildenden gestaltet und ist daher authentisch an die Ausbildungsrealität angelehnt.

Neben der zentralen Lackierhandlung wird die Trainingsanwendung ein breites Spektrum an Hilfestellungen während der Lackierhandlung anbieten – welche im Autorensystem durch die Ausbildenden zugelassen oder unterbunden werden können. Dazu gehört beispielsweise die Möglichkeit ältere Lackierhandlungen wiederzugeben sowie die Anzeige des korrekten Abstandes zwischen Lackierpistole und Werkstück. Zudem werden durch ein umfassendes Datenmodell vielfältige Lackeigenschaften (z.B. Viskosität, Farbton) berücksichtigt und die Qualität des Lackierauftrags realitätsnah wiedergegeben.

Reflexionsanwendung

Während des Lackiervorganges wird die Leistung der Auszubildenden über eine Vielzahl von Parametern (z.B. Qualität, Kosten und Geschwindigkeit) erfasst und gespeichert. Diese Daten dienen als Grundlage für die Auswertung der Leistung in einer Reflexionsanwendung. In dieser Anwendung werden Auszubildende ihre Lernleistung gemeinsam mit den Mit-Auszubildenden oder Ausbildenden auswerten können. Die geeignete Darstellungsform für die Auswertung wird derzeit erarbeitet.

Screenshot virtuelle Lackierkabine
Screenshot aus der VR-Lackierkabine
Lackierpistole

Zentrales Werkzeug der Auszubildenden wird eine realitätsnahe Lackierpistole sein, welche sie einerseits in der Trainingsanwendung sehen und andererseits auch durch einen physischen Controller in der eigenen Hand fühlen können. Der physische Controller wird im 3D-Druck erzeugt und durch entsprechende Sensoren zur Abnahme der Einstellungen der einzelnen Bedienelemente erweitert. Damit können Grundfunktionalitäten wie z.B. die Betätigung des Hebels für die Öffnung der Lackdüse einer realen Lackierpistole nachempfunden werden. Zusätzlich werden mehrere Varianten zur Positionsmessung der nachgebildeten Lackierpistole im 3D-Raum erprobt (z.B. HTC Vive Tracker), um mit einer Vielzahl von VR-Systemen kompatibel zu sein.

Die virtuelle Lackierpistole
Die virtuelle Lackierpistole
Physischer VR Controller
Physischer VR Controller
Innenleben VR Controller
Innenleben des physischen VR-Controllers

Die Modelle für den 3D-Druck sowie die Anleitungen für den Zusammenbau des Lackierpistolen-Controllers werden zum Projektende kostenlos veröffentlicht. Zudem ist beabsichtigt, die Gesamtkosten für die Bauteile unter 100 € zu halten.

Sowohl die VR-Lackierkabine als auch die Lackierpistole liegen bereits als einsatzbereite Prototypen vor und werden derzeit gemäß der didaktischen und technischen Detailanforderungen in das Gesamtsystem integriert.


Technische Voraussetzungen für den Einsatz

Aufgrund der fortlaufenden Weiterentwicklung der Lackierwerkstatt im Rahmen des HandLeVR-Projekts sind auch die technischen Voraussetzungen derzeit nur grob abschätzbar. Sie werden sich einerseits an den technischen Anforderungen aber auch den möglichen Rahmenbedingungen bei späteren Anbietern (z.B. Berufsbildungszentren und Ausbildungsbetriebe) orientieren.

Die Voraussetzungen an die VR-Lackierwerkstatt basieren auf den technischen Anforderungen der eingesetzten Module. Daher gibt es zwei zu betrachtende Konfigurationen:

  1. Für den Einsatz des Autorensystems und der Reflexionsanwendung wird ein typischer Desktop-Rechner mit Windows 10 ausreichen. Dies sind somit die Voraussetzungen auf Seiten der Ausbildenden.
  2. Die Trainingsanwendung benötigt ein leistungsfähiges VR-Equipment, welches grob gesagt aus einem Gaming-PC oder -Laptop mit Windows-Betriebssystem sowie einem handelsüblichen, PC-gebundenen VR-Set aus VR-Headset und VR-Controllern mit jeweils 6 Freiheitsgraden (6DoF) besteht. Ggf. sind zusätzliche externe Ortungssensoren (z.B. HTC Lighthouse) notwendig, die den VR-Sets in der Regel beiliegen. Derzeit fokussiert das Projekt drei konkrete VR-Headsets:

Dies ist somit die Konfiguration für das Setup am Trainingsort. Neben PC und VR-Set empfehlen wir zudem den Einsatz unserer nachgebildeten Lackierpistole als VR-Controller. Konfiguration 2 ist auch erforderlich, wenn alle Komponenten auf einem einzelnen PC-System betrieben werden sollen.


Entwicklungsprozess der VR-Lackierwerkstatt

Die VR-Lackierwerkstatt wird am Institut für Informatik und Computational Science der Universität Potsdam in enger Zusammenarbeit mit Ausbildungsbetrieben und Bildungswissenschaftlern der Universität Duisburg-Essen entwickelt.

Grundlegend wird ein agiler Entwicklungsansatz verfolgt, bei dem in 6-wöchigen Entwicklungsphasen neue Features und Überarbeitungen in den Prototyp Einzug finden. Zwischen diesen Entwicklungsphasen finden enge Abstimmungen mit den nicht-technischen Partnern sowie Aktualisierungen des technischen Entwicklungsplans statt. So orientieren sich die Entwicklungen stets an (ggf. aktualisierten) didaktischen und organisatorischen Anforderungen sowie möglichen technischen Neuerungen.

Durch diesen Entwicklungsansatz liegt zu jedem Zeitpunkt im Projekt ein lauffähiger Prototyp vor, dessen Funktionsumfang und Passgenauigkeit zum Ausbildungsszenario mit zunehmender Projektzeit ansteigt.


Ansprechpartner

Kontaktieren Sie uns gerne, wenn Sie Interesse an der VR-Lackierwerkstatt haben und diese schon vor Projektende im Einsatz erleben möchten.

Ansprechpartner für den Einsatz in Betrieben bzw. Institutionen:

Technischer Ansprechpartner:

Dr. Raphael Zender

Universität Potsdam

Institut für Informatik und Computational Science

raphael.zender@uni-potsdam.de

Projektbeschreibung


Das BMBF-Vorhaben verfolgt die Forschungsfrage, welchen Beitrag Technologien der “Virtual Reality” bieten, um handlungsorientiertes Lernen in der Berufsausbildung zu ermöglichen bzw. wie diese Technologien didaktisiert werden können, um entsprechende Lernerfolge sicherzustellen.

Projekt

Lehr- und Lernkonzept


Im Projekt werden die Möglichkeiten und Potentiale verschiedener didaktischer Ansätze für VR-Lernanwendungen erforscht. Der aktuelle Stand des didaktischen Konzepts kann hier eingesehen werden.

Lehr- und Lernkonzept

Evaluierung und Transferkonzept


Zentral für das Projekt ist die Einsatzfähigkeit und Nachhaltigkeit der VR-Lernanwendung. Im Zuge dessen werden in regelmäßigen Abständen Evaluierungen des Prototypens durchgeführt. Darüber hinaus werden die Projektergebnisse in die Praxis übertragen sowie auf weitere Einsatzmöglichkeiten geprüft.

Evaluierung und Transferkonzept

Veranstaltungen


VRARBB@SocialVR- Call for Papers

Mit der Idee, eine wissenschaftliche Tagung im virtuellen Raum zu gestalten, hat das Projektteam den Ideenwettbewerb der Fachtagung eQualification im März 2020 gewonnen. Für die virtuelle Tagung im November und Dezember 2020 können wie bei einer klassischen Tagung Beiträge eingereicht werden.

Webinar: Didaktisches Konzept der VR-Lackierwerkstatt

Die Partner vom Learning Lab der Universität Duisburg-Essen bieten am 03. März, um 11 Uhr ein Webinar zum didaktischen Konzept der VR-Lackierwerkstatt an. In der Online Veranstaltung werden die Grundlagen für die didaktische Aufbereitung der VR-Anwendung vorgestellt.

HandLeVR Projekttreffen im Learning Lab

Am 9. September 2019 treffen sich alle Projektbeteiligten zu einer Tagung am Learning Lab der Universität Duisburg-Essen.

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