Digitale Technologien

AR Assist – Analyse von Augmented-Reality-Systemen hinsichtlich Ergonomie, Unfallprävention und Arbeitspsychologie

Im Rahmen des Projekts „AR Assistance for Quality Assurance on the Shopfloor in Automotive Manufacturing“ (AR Assist) wurden Augmented-Reality-Systeme hinsichtlich relevanter Faktoren aus den Themenbereichen Ergonomie, Arbeitspsychologie und Unfallprävention untersucht.
N. Lechner

Das Hauptaugenmerk der dreiteiligen Studie lag im Bereich der Ergonomie auf einer eventuell erhöhten Belastung der Nackenmuskulatur durch die AR-Brillen. In Bezug auf die Arbeitspsychologie lag der Fokus auf Faktoren der Wahrnehmung. Aus der Sicht der Unfallprävention sollte untersucht werden, ob das Tragen der Brille und zusätzliche Features direkt vor den Augen zu einer erhöhten Unfallgefahr führen könnten.

Die Studie war ein Projekt der Gewerkschaft PRO-GE in Zusammenarbeit mit Magna, dem Austrian Institute of Technology (AIT) und der AUVA, finanziert aus Mitteln des Digitalisierungsfonds Arbeit 4.0 der AK Wien. Die Tests wurden am Austrian Institute of Technology, Center for Technology Experience, mit fachspezifischer Unterstützung eines Ergonomie-Experten der AUVA durchgeführt.

Dieser Artikel soll über die Ergebnisse der genannten Studien informieren und Handlungsempfehlungen liefern. 

AR – die digital erweiterte Realität

Immer mehr neue Medien kommen an Arbeitsplätzen in Österreich zum Einsatz. Eines davon ist die Anwendung von Augmented Reality (AR). AR beschreibt jede Form von digital erweiterter Realität, eine computerunterstützte Erweiterung der Realitätswahrnehmung. Dies kann unter anderem durch den Einsatz von AR-Brillen, wie die in dieser Studie untersuchten HoloLens 1 und 2, erreicht werden, mit deren Hilfe die reale Welt mit digitalen Inhalten überlagert wird. Diese Information kann alle menschlichen Sinnesmodalitäten ansprechen. Häufig werden jedoch unter der Erweiterung nur visuelle Darstellungen von Informationen verstanden, die Ergänzung von Bildern, Videos oder computergenerierten Zusatzinformationen oder überlagerte virtuelle Objekte.

Das Werkzeug AR-Brille stellt dabei Informationen direkt im Arbeitsraum zur Verfügung, ohne dass dafür ein Bildschirm betrachtet werden muss. Die Steuerung erfolgt mittels Gesten oder Sprache und ersetzt damit die bekannten Möglichkeiten von Maus und Keyboard. So kann die AR-Brille z. B. Anleitungen präsentieren oder Arbeitsfortschritte direkt am Ort der Arbeitserfüllung dokumentierbar machen. Sprach- und Gestiksteuerung erlauben es zudem, die Hände frei zu behalten.

Features:

  • immer verfügbar
  • freie Hände
  • digitale Dokumentation jederzeit
  • Informationssystem, Zugriff auf digitale Inhalte ähnlich einer Workstation
  • Kommunikationsverbindung
Bilaterale Elektrodenplatzierung über dem oberen Trapezmuskel (TRA) und den oberen Nackenstreckermuskeln (SPC) N. Lechner

Dadurch kann Augmented Reality Prozesse erleichtern. Gleichzeitig kann durch die direktere Information und das mögliche Mehr an Information der Prozess der Informationsverarbeitung beim Menschen aufgrund steigender Reichhaltigkeit fordernder werden.

Der immer verfügbare oder anwesende PC direkt vor den Augen wirkt dementsprechend ein. Die richtige Einbettung entscheidet darüber, ob die Erfahrungen positiv oder negativ ausfallen.

Drei wichtige Bereiche

Um das Medium AR-Brille in seinem Einsatz an Arbeitsplätzen der fertigenden Gewerbe zu untersuchen, wurden seitens des AIT drei Bereiche definiert und in Studien bearbeitet: ergonomische Effekte, psychologische Effekte und der Sicherheitsaspekt der Unfallprävention. 

Ein nahe an realen Spezifika aufgebauter Werkbankarbeitsplatz ermöglichte die realitätsnahe Bearbeitung der Untersuchungsschwerpunkte in den Laboren des Centers for Technology Experience am Austrian Institute of Technology (AIT).

Zwei AR-Brillen, die HoloLens 1 und die HoloLens 2, beide von Microsoft, wurden in den Tests verwendet. Die gravierendsten Unterschiede der beiden Brillen liegen in ihrer Handhabung und dem Sichtfeld. Aus physiologischer Sicht war das insofern relevant, weil bei der HoloLens 1 das Hauptgewicht vorne liegt. In der ergonomischen Studie lag der Schwerpunkt auf den Effekten der Hardware und damit dem Tragen der AR-Brillen am Arbeitsplatz: Wie wirken sich das Gewicht und der Schwerpunkt der Brille auf die Nackenmuskulatur aus?

Weiters wurde die Augmented-Reality-Funktion der Brille genutzt, um realitätsnah an einer Werkbank definierte Arbeitsschritte durchzuführen. Um den Aspekt der Unfallprävention zu untersuchen, wurden während der Aufgabe des inhaltlichen Erfassens von Videos Reize rund um die Tester:innen eingespielt und deren Wahrnehmung protokolliert.

Ergonomie

Wird ein Head Mounted Device (= ein am Kopf getragenes Gerät) von Arbeitenden als belastend empfunden? Die Studienteilnehmer:innen führten Aufgaben an der Werkbank durch und protokollierten ihren Fortschritt in einer Liste auf einem vorbereiteten Arbeitsplatz. Dabei wurden die AR-Brillen bzw. ein Stirnband getragen. Der Arbeitsfortschritt und die körperliche Beanspruchung wurden gemessen.

Für die objektive Messung wurde das System Captiv eingesetzt, um Muskelaktivitäten und Lageveränderungen des Kopfes während der Testdurchführung zu protokollieren. Unter der Erfassung von Muskelaktivitäten versteht man die Messung des elektrischen Aktivitätspotenzials der Muskulatur, über das man auf die Beanspruchung rückschließen kann. Ziel des ergonomischen Teils dieser Studie war es vor allem, die Dauer der Nutzung und die daraus folgende Auswirkung auf das muskuläre System zu betrachten.

Dafür wurde die Muskelaktivität von drei ausgewählten Muskeln (M. sternocleidomastoideus, M. trapezius pars descendens, M. splenius capitis) auf der linken und rechten Körperseite erfasst. 

Die Elektroden zur Erfassung der Oberflächen-Elektromyographie wurden bilateral positioniert, in Übereinstimmung mit den SENIAM-Empfehlungen und früheren Studien mit dem standardmäßigen Elektrodenabstand von zwei Zentimetern. Die Elektroden wurden (1) über dem oberen Trapezmuskel (TRA), 20 % medial vom Mittelpunkt zwischen dem seitlichen Rand des Akromions und dem siebten Halswirbel, (2) über dem oberen Nackenstrecker (SPC), auf dem prominentesten Teil des Muskels in Höhe des vierten Halswirbels, und (3) über dem Musculus sternocleidomastoideus (SCM), über dem Hauptmuskelbauch in 1/3 Abstand von der Sternumkerbe zum Warzenfortsatz platziert.

Für die Datenauswertung in Matlab wurden folgende drei Auswertekriterien festgelegt: mittlere Amplitude, maximale Amplitude und Integral. Anhand dieser drei Parameter wurden die EMG-Daten aller Testpersonen und aller Muskeln ausgewertet und verglichen. Nach dem Test wurden mittels Fragebögen von den Teilnehmern:Teilnehmerinnen subjektive Parameter erhoben. Dabei wurde die wahrgenommene Arbeitsbelastung gemessen. Um den Tragekomfort zu erfassen, sollten nach jedem Test Druckstellenprotokolle ausgefüllt werden. Die wahrgenommenen Effekte der Hardware wurden in Risszeichnungen von Köpfen eingetragen. Der Test wurde in einem kurzen strukturierten Interview nachbesprochen.

Objektive Parameter

System Captiv

  • EMG-Sensoren – elektrisches Potenzial der Muskulatur mittels Oberflächen-EMG bipolar erfasst
  • IMUs – Beschleunigungssensoren, Körperlagen erfasst mit Fokus Kopf

Subjektive Parameter

  • Borg-CR-Skala
  • NASA Task Load Index
  • Druckstellenprotokoll: 
  • Ort der Irritation
  • Intensität der Irritation

Ergebnisse

Die Lagesensoren des Systems Captiv bestätigten die angestrebten Körperbewegungen und damit die realitätsnahe körperliche Beanspruchung der Testteilnehmer:innen durch den Arbeitsplatz.

Die Muskelaktivitätsmessungen deuteten darauf hin, dass für die getestete Dauer (3-mal etwa 30 min) keine körperlich signifikante Beanspruchung aufritt. So waren die Werte für die mittlere Amplitude des rechten TRA in beiden Fällen mit HoloLens niedriger als ohne HoloLens. Die Muskelbeanspruchung des rechten TRA war bei der Variante mit HoloLens 2 höher als ohne HoloLens und bei der Variante mit HoloLens 1 niedriger als ohne HoloLens. Dabei traten jeweils minimale Schwankungen von 1–2 % zwischen den Testperioden auf. 

Ein ähnliches Verhalten zeigen die Ergebnisse der anderen untersuchten Muskeln. Die sichtbaren Schwankungen von 1–5 % zeigen keine bedeutsamen Unterschiede in der Muskelaktivität. Das bedeutet, dass weder das Tragen der HoloLens 1 noch der HoloLens 2 zu einer erhöhten Muskelbeanspruchung führt. Die Ergebnisse der Fragebögen zeigten ebenso keine signifikanten Unterschiede zwischen den Aktivitäten mit oder ohne AR-Brille (HL1 oder HL2).

Die Druckstellen betreffend wurden bei der HoloLens 1 am häufigsten Nasenrücken und Schläfe genannt, bei der HoloLens 2 vor allem die Stirn. Die angegebenen Intensitäten der Druckstellen waren bei HoloLens 2 geringer.

  • Erkenntnisse aus den ergonomische Analysen: Für die untersuchte Dauer zeigt das Tragen der AR-Brillen keine signifikant negativen Effekte.
    • Die Größe der Studien und Aufgabenstellungen lassen über größere Zeiträume noch keine endgültigen Aussagen zu.
    • Das Tragen der AR-Brillen schränkt in den untersuchten Tätigkeiten nicht ein (Stehen, Sitzen, Überstrecken des Kopfes, Lateralbewegungen von Kopf und Körper) 
  • Das Tragen der AR-Brillen schränkt die Bewegungsfähigkeit bei den untersuchten Tätigkeiten nicht ein.
Die Arbeitsschritte an der Werkbank. Die Userin trägt eine HoloLens 1, an Nacken und Hals sind EMG-Sensoren des Captiv-Systems aufgeklebt. N. Lechner

Psychologie

Im Studienteil zu arbeitspsychologischen Anforderungen und Belastungen wurde die HoloLens 2 im Vergleich zu einem Tablet als Protokollwerkzeug an der Werkbank verwendet.Aufgabe der Probanden:Probandinnen war es, mehrere Parameter der Werkstücke zu vermessen und die Werte zu protokollieren. Im Rahmen der Studie mussten die Brille und ihre Eingabeoptionen aktiv verwendet werden, um die Messungen zu vermerken. Alle Teilnehmenden erhielten eine gute Einschulung in die Software und die benötigen Steuerungsmöglichkeiten sowie in die zu erfüllenden Aufgaben. Die Erfahrungen der Probanden:Probandinnen wurden danach mittels Fragebögen und Interviews erfasst. 

Ergebnisse

Im Vergleich zum Tablet wurde das Arbeiten mit der AR-Brille als komplexer wahrgenommen und die Aufgabenerfüllung löste einen höheren Zeitdruck aus. Die HoloLens 2 machte den Einsatz von mehr Fähigkeiten und Konzentration notwendig. Die Erfüllung der Aufgabe wurde als anspruchsvoller als mit dem Tablet wahrgenommen.

Wir sehen in den Ergebnissen unter anderem die Einschränkung, dass das neuartige Medium mehr Einschulungszeit erfordert, als in dieser Studie möglich war. Die Interaktion mit dem Tablet, dem Touchscreen, ist aus der täglichen Anwendung vertraut und somit sehr gut trainiert. Zusätzlich muss bedacht werden, dass die Aufgabenstellungen in dieser Studie relativ klein und einfach waren und die Möglichkeiten der AR-Brille nicht ausgeschöpft haben. Diese Einschränkungen wurden auch in den Interviews der Studie von Teilnehmenden angemerkt.

Unfallprävention

Beeinflusst AR als Medium die Umgebungswahrnehmung? Um das Auftreten von ergonomischen und psychologischen Effekten zu untersuchen, scheint eine Aufmerksamkeitsanalyse zur veränderten Wahrnehmung von Gefahrenquellen sinnvoll. Es wurde daher eine Studie durchgeführt, in der die Aufmerksamkeit der Teilnehmenden bei einer Handlung gefordert war, während im Raum gleichzeitig von dieser Handlung unabhängige Ereignisse gesetzt wurden.  

Die Aufgabe war es, Filme mittels HoloLens 1, HoloLens 2 oder einem Fernsehgerät anzuschauen. Der Inhalt der Filme sollte danach in einem Interview kurz wiedergegeben werden, zusätzlich wurden Detailfragen über die Filme gestellt. Parallel zu den Filmen wurden Reize in die Umgebung der Probanden:Probandinnen, im Sichtbereich und außerhalb (dahinter) gesetzt. Die wahrgenommenen Reize sollten ebenfalls im Interview genannt werden. 

Ergebnisse 

Die Umgebungswahrnehmung der Teilnehmer:innen war in der Studie unter Verwendung des Fernsehgeräts signifikant besser. Zwischen HoloLens 1 und HoloLens 2 konnte kein signifikanter Unterschied erkannt werden. Um die unterschiedliche Umgebungswahrnehmung zwischen den Medien zu erklären und die Gründe korrekt zu bewerten, sind weitere Studien erforderlich. 

Die Körperhaltung, Sitzen oder Stehen, hatte keinen signifikanten Effekt auf die Umgebungswahrnehmung, und auch der Unterschied zwischen HoloLens 1 und HoloLens 2 ist nicht signifikant, sodass hier keine gesicherten Aussagen gemacht werden können. 

Eine Auswertung der Reizwahrnehmung und begleitende Interviews ermöglichten die Analyse der Tests.

  • HoloLens zu Fernsehgerät: signifikanter Effekt
  • Sitzen oder Stehen ohne signifikanten Effekt
  • HoloLens 1 zu HoloLens 2 ohne signifikanten Effekt

Zusammenfassung & abgeleitete Handlungsempfehlungen

  • Ergonomisch konnte für die untersuchte Arbeitszeit keine erhöhte körperliche Beanspruchung festgestellt werden. 
  • Die qualitative Arbeitsbelastung (Kompliziertheit der Aufgabe, erforderte Konzentrationsfähigkeit) war unter AR-Nutzung gesteigert.
  • Die quantitative Arbeitsbelastung (die Menge der Arbeit, empfundener Zeitdruck) war unter AR-Nutzung gesteigert.
  • Bei AR-Nutzung mittels Head Mounted Device sollte Unfallprävention mitgedacht werden.

Die Augmented-Reality-Brille schnitt im Schnitt schlechter ab als etablierte Medien. Sowohl bei der qualitativen als auch der quantitativen Arbeitsbelastung muss aber beachtet werden, dass die Interaktion mit einem neuartigen bzw. ungewohnten System an sich kognitive Anforderungen stellt. Aufgrund des Fokus der Studie auf das Protokollwerkzeug AR-Brille an einem Arbeitsplatz ist zudem eine herabgesetzte Komplexität der Arbeitsaufgaben zu berücksichtigen. So wurde einem größeren Aufgabenfeld oder dem Bedarf an mehr oder wechselnden Informationen durch die Brillen nur wenig Aufmerksamkeit gewidmet.

Auf Basis der gewonnenen Erkenntnisse und Überlegungen wurden seitens der Studienverantwortlichen des AIT, Mag. Stefan Suette und DI Jaison Puthenkalam, fünf Handlungsempfehlungen formuliert.

Handlungsempfehlung 1: In Umgebungen mit AR-Systemen sollten sicherheitsrelevante Hinweise besonders gut sicht- bzw. hörbar dargestellt werden. Mitarbeiter:innen sollten auf das Risiko, relevante Reize zu übersehen, hingewiesen, und die Arbeitsplätze dementsprechend sicher gestaltet werden. 

Handlungsempfehlung 2: Arbeitsprozesse mit AR-Systemen sollten zeitlich und inhaltlich so gestaltet werden, dass sie die Bildung von Routinen zulassen. 

Handlungsempfehlung 3: Mitarbeitern:Mitarbeiterinnen sollten ausreichend Ausbildungs- und Unterstützungsmöglichkeiten geboten werden, um Sicherheit im arbeitsbezogenen Umgang mit AR-Systemen zu entwickeln. 

Handlungsempfehlung 4: Bei komplexeren bzw. kognitiv auf-wendigeren Tätigkeiten mit AR-Systemen sollten Mitar-beitern:Mitarbeiterinnen genügend Pausen gewährt werden, um sich zwischenzeitlich zu erholen. 

Handlungsempfehlung 5: Mitarbeitern:Mitarbeiterinnen sollten in der Interaktion mit AR-Systemen unterschiedliche Eingabemodalitäten angeboten werden, um die Arbeit an die jeweilige Situation anpassen zu können. 

Virtual und Augmented Reality sind Schwerpunkte im Fachbereich Ergonomie der Abteilung für Unfallverhütung und Berufskrankheitenbekämpfung der AUVA-Hauptstelle. So werden in Forschungsprojekten wie VeRgonomiX oder IMPACT-sXR Virtual-Reality- und Augmented-Reality-Anwendungen entwickelt, die unter anderem im aktuellen MSE-Schwerpunkt „Packen wir’s an“ für Beratung, Training und Schulung in Betrieben eingesetzt werden sollen.

Zusammenfassung

Die Autoren berichten über die Ergebnisse einer dreiteiligen Studie, die sich mit Augmented Reality im betrieblichen Umfeld beschäftigte. Untersucht wurde der Einsatz von AR-Brillen aus ergonomischen und arbeitspsychologischen Aspekten sowie aus der Sicht der Unfallprävention.