Investigating an Immersive Virtual Mock-Up Approach for Workstation Design

Abstract

Innen vareproduksjon er skiftende produkter en fremvoksende trend. Forbrukeren ønsker nye produkter, flere tilpasningsmuligheter og mer variasjon. Det fører med seg at bedriftene må tilpasse seg og opprettholde konkurransedyktigheten. Ved å implementere automatisert produksjon oppnår produksjonsfirmaer økt presisjon, høyere produksjonshastighet og en mer konkurransedyktig forretningsmodell. Likevel kan for mye automatisert produksjon føre med seg at en fullautomatisert fabrikk får nedsatt evne til å respondere på endringer får lavere fleksibilitet når det gjelder produkter. Det å oppnå et høyt nivå i fleksibiliteten via automatisering er svært kostbart, dette fører med seg at det vil være et kostnadseffektivtalternativ ved å bruke menneskelige arbeidstakere til automatisering i enkelte stadier i produksjonen. Menneskelige arbeidstakere utfører jobben sin ved en arbeidsstasjon og i forkant av dette arbeidet må arbeidsstasjonen planlegges og bygges. Når arbeidsstasjonen designes er det en viktig kobling mellom kvaliteten, fokuset på designet, samt nivået på produktiviteten. Virtual reality og motion capture-teknologi er nå i enda større grad tilgjengelig for utnyttelse for design av arbeidsstasjoner i industrien.

Forskningen i denne studien er strukturert rundt tre forskningsspørsmål. 1) Hva er stateof-art ved bruk av sammenlignbare systemegenskaper og forskjellige former for virtuelle mock-ups relatert til arbeidsstasjondesign i litteraturen? 2) Når kan en fullstendig virtuell mock-up erstatte en fysisk mock-up innenfor arbeidsstasjondesignprosessen? 3) Hva er fordelene, utfordringene og begrensningene ved å bruke en virtuell design tilnærming sammenlignet med en tradisjonell tilnærming?

Forskningen er gjennomført med fokus på produksjonsledelse. Gjennom anvendelse av teknologien og ikke på selve teknologien i seg selv. Omfanget av oppgaven er begrenset til arbeidsstasjondesign som er en underkategori av fasilitetsplanlegging. Målet med denne oppgaven er å undersøke bruken av en virtuell interaktiv representasjon av en arbeidsstasjon innefor arbeidsstasjonsdesignprosessen. Denne kvalitative studien har ansett teknologien som svarte bokser, det betyr at det er bare informasjonen som går inn og ut av teknologien er av interesse. Studien har dermed ikke fokus på utvikling av selve teknologien.

For å belyse omfanget omfavner studien tidligere forskning og en utforskende laboratorieundersøkelse, hvor empiriske data ble samlet ved bruk observasjoner av deltaker i laboratoriearbeidet. I litteraturstudiet ble det identifisert et akademisk hull i tidligere forskning, som ga rom for konkretisering av studien. Det akademiske hullet omhandler bruk av en rent virtuell interaktiv modell uten noen fysiske gjenstander blandet inn i opplevelsen. Litteraturstudien er en grundig presentasjon av relatert arbeid. Litteraturstudien ser på sammenlignbare systemer innenfor temaet arbeidsstasjondesign og bruk av interaktiv virtuell teknologi i bran sjen. Litteraturstudiet ga også kunnskap om emnene til teorikapittlet. De empiriske resultatene ble oppnådd ved å skape en virtuell modell i laboratoriet og ved hjelp av avansert bevegelsesteknologi skape interaksjonsfunksjoner. Oppgaven som ble valgt for den virtuelle arbeidsstasjonen var en monteringsoppgave av en vannpumpe.

Gjennom forskningsprosessen har vi fått svarene på, 1) Når en helt virtuell tilnærming kan erstatte den tradisjonelle designtilnærming til å bygge en fysisk mock-up i lette forbruksmaterialer. Dette ble gjort ved å anslå tiden og innsatsen som ble brukt i de ulike tilnærmingene. 2) En oversikt over fordelene, utfordringene og begrensningene til en fullstendig virtuell tilnærming i forhold til en fysisk tilnærming er også gitt.

Emerging trends in manufacturing are changing products; the consumer wants new products, more customization possibilities and more variety. With automation of manufacturing the manufacturing company gain precision, speed and competitive business models, but a fully-automated factory loses responsiveness and flexibility and achieving a high level of flexibility in what to produce is very expensive. This means that the continued use of human workers can be a cost-effective alternative to expensive automation in some stages of production. Human workers perform their tasks at a workstation. This workstation has to be designed before it can be constructed. When designing for humans, there is a link between designing the workstation for humans and increased productivity. Virtual reality and motion capture technology has matured and is now available for exploitation in workstation design. The interaction capabilities in virtual reality by combining the two technologies makes it possible to create intuitive virtual workstations.

The research of this thesis is structured around three research questions; 1) What is the state-of-art with the use of comparable systems capabilities and different virtual mock-ups related to workstation design in literature? 2) When can an immersive virtual mock-up replace a physical mock-up in the workstations design process? 3) What are the benefits, challenges and limitations of using immersive virtual mock-up approach vis a vis a physical mock-up approach?

The research uses a operations management perspective, with a focus on the application of the technology and not the technology itself. The scope is limited to workstation design which as a subcategory of facility planning. The goal of this thesis is to investigate the applications of a virtual interactive representation of a workstation in the workstation design process. The technology is considered as black-boxes, meaning that only the input and output is of interest. There will be no development of technology during this thesis. Qualitative research methods have been applied, including a literature study and an exploratory laboratory study. Participant observations from the laboratory work are used for collecting empirical data.

Through the literature study, an academic gap was identified and used for the scoping of the thesis. The academic gap is the applications of a purely virtual mock-up with no physical objects mixed into the experience. The literature study is a thorough presentation of related work using comparable systems within the topic of workstations design and the use of immersive technology in the industry. The literature study also provided knowledge of the topics needed to be introduced in the theoretical background.

The empirical results were achieved by creating a virtual model in the laboratory and using advanced motion capture technology to produce interaction capabilities. The task selected for the virtual workstation was an assembly task consisting of a water pump.

Through the relevant theoretical topics presented, the experience gained and observations done through the creation of the virtual environment answers about; 1) when a fully virtual approach could replace the traditional design approach of building a physical mockup in some light-weight material. This was done by estimating the time and effort used in the different approaches. 2) An overview of the benefits, challenges and limitations of an immersive virtual approach compared to a physical approach is also given.