Virtual Reality zur Verbesserung des Arbeitsplatzes

Eine neue Technologie zur Wahrnehmung und Manipulation computergenerierter künstlicher Welten“ – so wenig diese Definition das gesamte Einsatzpotenzial von VR umfassend zu beschreiben vermag, so sehr lässt sich aus ihr doch abschätzen, dass VR in vielen Disziplinen erfolgreich eingesetzt werden kann und wird. Schon jetzt machen große Unternehmen ihren Kunden Produkte mittels VR zugänglich, in vielen Bereichen ist das diesbezügliche Potenzial aber noch lange nicht ausgeschöpft. Und auch im Arbeitsstättenbereich bestehen Möglichkeiten, wenn man etwa an den maßstabsgetreuen virtuellen Rundgang in einem Bauvorhaben, die virtuelle Baustelle oder den virtuellen Betrieb denkt. So kann VR helfen, die Arbeitssicherheit zu erhöhen, wenn Fehler und Gefahren im virtuellen Raum erkannt werden. Aber auch im Bereich der Ergonomie und Arbeitsplatzgestaltung, der Arbeitsplatzanalyse und -optimierung bestehen Möglichkeiten.

Was ist Virtual Reality?

Mit VR gibt es eine Technologie, die es Menschen ermöglicht, sich in künstlich generierte Umgebungen zu versetzen – so, als ob man tatsächlich an dem betreffenden Ort wäre. Alles, was hierfür notwendig ist, ist eine VR-Brille, also ein sogenanntes Head-Mounted Display (HMD, siehe Infokasten). Die notwendigen Visualisierungen werden auf einem Computer erzeugt und statt auf einem klassischen Bildschirm auf Displays in dieser VR-Brille angezeigt. Da die Displays auf dem Kopf direkt vor den Augen getragen werden, bewegen sie sich mit jeder Kopfbewegung mit und können damit immer den jeweils passenden Bildausschnitt aus der virtuellen Welt anzeigen. Für Benutzer entsteht dadurch ein immersives Erlebnis, d. h. man bekommt den Eindruck, als wäre man tatsächlich mittendrin in der künstlich generierten Welt. Um dies zu verstärken, wird auch die akustische Umgebung über Kopfhörer künstlich erzeugt. So stört keine Ablenkung aus der realen Welt die Illusion. Zusätzlich ist es möglich, über an den Händen angepasste Eingabegeräte (Handcontroller) mit Objekten in der virtuellen Welt zu interagieren, also diese auch zu bedienen.

Wofür wird VR eingesetzt?

Die Weiterentwicklung der Technologie wird auch aktuell noch vor allem von der Computerspieleindustrie vorangetrieben. Allerdings ist wie erwähnt nicht nur der Entertainment-Sektor an dem Potenzial interessiert, auch im Industrie- und im Gesundheitssektor gewinnen derartige Simulationen und Trainings zunehmend an Bedeutung. Dabei liegen die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten eigentlich auf der Hand: In virtuellen Umgebungen lassen sich Situationen trainieren und wiederholen, die im realen Leben mit großen Kosten oder auch Gefahren verbunden wären. In vielen Ländern werden etwa bereits Einsatzkräfte (wie Feuerwehrleute oder Rettungssanitäter) in VR-Simulationen geschult, um möglichst natürlich effektiv auf reale Herausforderungen, sowohl handwerklich als auch psychologisch, vorbereitet zu sein. 

Die Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheits- und Präventionsbereich sind vielfältig. Chirurgie- und Pflegepersonal kann schwierige Eingriffe oder Stresssituationen ohne Gefährdung von Menschen üben, die jeweiligen Trainerinnen und Trainer können die Simulationen aufzeichnen und anschließend für die Nachbesprechung auswerten. Auf Patientenseite wird VR mittlerweile vielfältig, etwa in der Motor-Rehabilitation für personalisierte Übungsszenarien, eingesetzt. Dass Trainingsaufgaben mittels VR in ansprechenden Umgebungen mittels „Gamification“, d. h. verpackt in spielerische Aufgaben, durchgeführt werden können, erhöht den Motivationsgrad, die Übungen auch wirklich oft zu wiederholen. Dadurch stellt sich der Behandlungserfolg schneller ein. Auch in der Psychotherapie findet VR, etwa zur Traumabewältigung oder zur Behandlung von Phobien, vielfältige Anwendungsgebiete.

Wie funktioniert VR auf der technischen Ebene?

Um einen Menschen möglichst glaubhaft in eine virtuelle Umgebung zu versetzen, müssen die Sinneswahrnehmungen dieser Person glaubwürdigen Reizen ausgesetzt werden. Aktuell verfügbare VR-Systeme wie „HTC VIVE Pro“ oder „Oculus Rift“ beziehen dabei vor allem den Seh- und den Hörsinn ein und erlauben die Manipulation von Objekten der virtuellen Welt mittels Handcontroller. Für die Visualisierung werden in den VR-Brillen zwei separate, hochauflösende Displays (eines für jedes Auge) mit einem speziellen Linsensystem zur Betrachtung aus unmittelbarer Nähe eingesetzt. Ähnlich wie in der realen Welt muss auf den Displays die computergenerierte Umgebung entsprechend der Blickrichtung des Kopfes dargestellt werden. In der VR-Brille sind daher Lagesensoren verbaut, welche die Winkel der Kopfausrichtung bis zu 1000-mal pro Sekunde messen. Zusätzlich werden bei vielen VR-Systemen noch externe Sensoren wie Infrarotkameras oder Laser-Tracker zur Messung der absoluten Position des HMDs im Raum eingesetzt. Mit sogenannten Sensor-Fusion-Algorithmen können beide Datenquellen zu einer millimetergenauen Bestimmung der Position und Orientierung des Kopfes oder der Handcontroller im Raum verwendet werden. Enorm wichtig ist, dass diese Berechnungen sehr schnell (im Bereich von wenigen Millisekunden) geschehen, damit anschließend die neuen, passenden Bilder für die Displays berechnet werden können. Dauert die Verzögerung zwischen durchgeführter Bewegung und dargestelltem Bild zu lange, läuft man Gefahr, in einen der Seekrankheit ähnlichen Zustand, die Simulatorkrankheit, zu verfallen. Dieser Zustand reicht von Unwohlsein bis zu schwerer Übelkeit, allerdings ist dies bei modernen VR-Systemen mit leistungsfähiger Grafik-Hardware kaum noch ein Problem.

Zur Interaktion mit Elementen der virtuellen Welt werden angepasste Handcontroller verwendet, die mit einer Reihe von Interaktionselementen wie Druckknöpfen, kapazitiven Touch-Feldern und auch Joysticks vielfältige Handgesten wie Zeigen, Greifen und Auswählen imitieren lassen. Auch wenn sich die enorme Vielseitigkeit einer Hand in der virtuellen Welt noch nicht vollständig nachbilden lässt, so lassen sich doch glaubhafte Interaktionen simulieren. Mittels Physik-Simulationen verhalten sich bewegliche Objekte in der virtuellen Welt so, als hätten sie eine Masse und wären der Schwerkraft ausgesetzt. Die Übertragung der Trägheit von virtuellen Objekten bei der Interaktion, etwa um Kraftanstrengungen beim Heben von Objekten zu simulieren, ist aber aktuell noch Gegenstand der Forschung und nur mit Spezialsystemen möglich.

Die Bewegungsfreiheit in einem virtuellen Raum ist potenziell unbegrenzt. Um der Realität möglichst nahe zu kommen, muss entsprechend Platz geschaffen werden, damit keine Verletzungen durch Kollision mit Hindernissen verursacht werden. VR-Systeme wie „HTC-VIVE Pro“ können in der Standardkonfiguration einen Bereich von bis zu 10 mal 10 Metern abdecken, Spezialsysteme können mit eigenen Trackern sogar ein ganzes Gebäude ausfüllen. Dabei muss aber Sorge getragen werden, dass tatsächlich vorhandene Objekte (Wände, Stiegen etc.) auch in die virtuelle Welt umgelegt werden, um Verletzungen zu vermeiden.

Wie werden VR-Anwendungen erstellt?

Zur Entwicklung von VR-Anwendungen wird üblicherweise auf Technologien zurückgegriffen, die ursprünglich aus dem Computerspielebereich stammen. Besonders die Grafik- und Interaktionsprogrammierung unterscheidet sich dabei auf technischer Ebene nur sehr gering.

Für Gesundheit und Prävention strebt man meist einen hohen Grad an Realismus in der visuellen Umsetzung und bei den Interaktionsmöglichkeiten an. Je näher eine Simulation an tatsächlichen Gegebenheiten ist, desto eher werden die trainierten Vorgänge auch in der Realität erfolgreich umgesetzt werden können. 

Für manche Szenarien ist es notwendig, das VR-System mit weiteren Komponenten zu kombinieren – etwa einem Full-Body-Tracking-System, das mehrere Körperteile akkurat erfassen kann. Nur so können präzise Aussagen über tatsächliche Belastungen bei Bewegungsvorgängen getätigt werden. 

Und hier kommt die im Fachbereich Ergonomie der Präventionsabteilung der AUVA eingesetzte Software Captiv Motion ins Spiel. Diese Synchronisationssoftware erlaubt auf einfache Art, Analysen, die mit einer Vielzahl von Sensoren, sogenannten „Inertial Measurement Units“, kurz IMUs, und einem Datenerfassungssystem gemacht wurden, mit einer Videoaufnahme zu synchronisieren und die Bewegungen des Menschen im dreidimensionalen Raum zu erfassen: Daten der Beschleunigungssensoren werden in die Software eingespielt und ausgewertet, Gelenkwinkel und deren Grenzwertüberschreitungen werden berechnet. Die Software Captiv Motion bietet jetzt gemeinsam mit dem neuen VR-Feature eine Möglichkeit, eine Bewegungsanalyse der Tätigkeiten auch im virtuellen Raum zu erfassen.

Die bestehende Software, die in der Prävention gemeinsam mit weiteren Sensoren hauptsächlich zur Bewegungsanalyse eingesetzt wird, kann nun zusätzlich mit einem virtuellen Lagerraum aufwarten, in dem Hebetätigkeiten zu verrichten sind, und soll ab sofort für Schulungen in Betrieben eingesetzt werden.

In Zukunft sollen durch den Autor weitere virtuelle Räume konstruiert und entwickelt werden. In Planung sind etwa ein virtueller Trainingsraum für unterschiedlichste Hebetätigkeiten, der in diversen Berufssparten zur Schulung oder Analyse für Manipulation von Lasten eingesetzt werden kann. Ebenso besteht die Idee eines Raums für allgemeine Sturz- und Falltrainings. 

Das Endziel ist, Arbeitsunfälle sowie langfristig Muskel- und Skeletterkrankungen und Krankenstandstage zu vermeiden. Gegebenenfalls natürlich auch, Arbeitsprozesse im Allgemeinen zu verbessern.

Aktuell ist geplant, das Institut für Creative Media Technologies der FH St. Pölten im Rahmen eines Forschungsprojekts einzubinden.

Der Autor bietet als AUVA-Beschäftigter diese Analysen und Schulungen im virtuellen Raum für Betriebe aller Sparten im Rahmen ihrer Präventionsarbeit an.

Zusammenfassung

Der Autor beschreibt die technischen Grundzüge von VR-Systemen (VR = virtuelle Realität) und zeigt auf, welche Anwendungen heute bereits realisierbar sind. Auch in der AUVA wird VR bereits in der Präventionsarbeit eingesetzt.