Universität Stuttgart
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Item Open Access Influence of exoskeleton use on Cardiac Index(2022) Schalk, Marco; Schalk, Ines; Bauernhansl, Thomas; Siegert, Jörg; Schneider, UrsThis study aims to assess the whole-body physiological effects of wearing an exoskeleton during a one-hour standardized work task, utilizing the Cardiac Index (CI) as the target parameter. N = 42 young and healthy subjects with welding experience took part in the study. The standardized and abstracted one-hour workflow consists of simulated welding and grinding in constrained body positions and was completed twice by each subject, with and without an exoskeleton, in a randomized order. The CI was measured by Impedance Cardiography (ICG), an approved medical method. The difference between the averaged baseline measurement and the averaged last 10 min was computed for the conditions with and without an exoskeleton for each subject to result in ∆CIwithout exo and ∆CIwith exo. A significant difference between the conditions with and without an exoskeleton was found, with the reduction in CI when wearing an exoskeleton amounting to 10.51%. This result corresponds to that of previous studies that analyzed whole-body physiological load by means of spiroergometry. These results suggest a strong positive influence of exoskeletons on CI and, therefore, physiological load. At the same time, they also support the hypothesis that ICG is a suitable measurement instrument to assess these effects.Item Open Access Lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Bauer, Dennis; Bauernhansl, Thomas (Univ.-Prof. Dr.-Ing.)Für produzierende Unternehmen steht heute der Kundennutzen und damit auch die Liefertermineinhaltung im Fokus der unternehmerischen Aktivitäten. Parallel steigt die Komplexität des Umfelds und der Märkte sowie innerhalb des Unternehmens. Deshalb ist bei der Leistungserstellung in Wertschöpfungsnetzwerken ein systematischer Umgang mit unvorhergesehenen Ereignissen im Fokus. Eine besondere Herausforderung ist dies für komplexe Werkstattfertigungen mit ihrer immanenten statischen und dynamischen Komplexität. Die vorliegende Arbeit adressiert die Forschungsfrage, wie eine lernende, auf Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk basierte Optimierung der Produktionssteuerung für die komplexe Werkstattfertigung gestaltet werden kann. Die in der vorliegenden Arbeit entwickelte Lösung optimiert die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk durch Korrekturmaßnahmen auf der Ebene der Produktionssteuerung in komplexen Werkstattfertigungen. Hierfür ist ein lernfähiges Entscheidungsmodell notwendig, das eine kontinuierliche Anpassung über die Zeit ermöglicht. Bislang bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk übliche manuelle Eingriffe in die Produktionssteuerung werden dadurch vermieden und die Resilienz des Produktionssystems gesteigert. Ergebnisse der vorliegenden Arbeit sind die Artefakte des Regelkreises, der Methode und der Architektur sowie der Implementierung als Softwareartefakt. Die Halbleiterfertigung ist die industriell wichtigste Anwendung der komplexen Werkstattfertigung. Hier zeigt sich, dass durch die lernende ereignisbasierte Optimierung der Produktionssteuerung die Liefertermineinhaltung bei Ereignissen aus dem Wertschöpfungsnetzwerk signifikant verbessert werden kann. Eine hohe Liefertermineinhaltung sorgt dabei für eine höhere Kundenzufriedenheit, der systematische Umgang mit Ereignissen sorgt für Resilienz. Beides ermöglicht perspektivisch einen Abbau von Sicherheitsbeständen im Wertschöpfungsnetzwerk.Item Open Access Entwicklung einer automatisierten Methode zur Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Fechter, Manuel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Entscheidungsunterstützung im Zuge der Grobplanung hybrider Montagearbeitsplätze. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Ressourcenauswahl und Arbeitsteilung bei der Planung einer Mensch-Roboter-Kollaboration. Ausgehend von einer hybriden Montage wird eine Methode entwickelt, die in der Lage ist, technisch und wirtschaftlich sinnvolle Systemalternativen zu generieren, quantitativ zu bewerten und iterativ zu optimieren. Mit diesem Vorgehen soll eine Entkopplung des Planungsergebnisses vom impliziten Erfahrungswissen und Kenntnisstand des Planers erreicht werden, um hybride Montagearbeitsplätze einem breiteren Anwendungskreis zugänglich zu machen. Dafür soll der zeitintensive, vorwiegend manuell ausgeführte Prozess der Recherche passender Ressourcen, der quantitativen und qualitativen Bewertung von Lösungsalternativen und die Zuordnung von Ressourcen auf Montageschritte automatisiert werden. Das entwickelte Vorgehen orientiert sich am V-Modell des Entwurfs mechatronischer Systeme der VDI-Richtlinie 2206 und greift auf Methoden der Informationsmodellierung und mathematischen Optimierung zurück. Die Methode berücksichtigt Anforderungen aus Sicht des zu montierenden Produkts, der Ausprägung der Montageprozesse sowie der gegebenen Rand- und Umweltbedingungen der Montage. Anhand identifizierter Optimierungskriterien des hybriden Montagearbeitsplatzentwurfs wird ein iteratives Vorgehen der multi-kriteriellen Optimierung entwickelt. Aufgrund des exponentiellen Wachstums des kombinatorischen Lösungsraums und der Annahme unvollständiger Daten- und Informationsmodelle werden vornehmlich heuristische Verfahren zur Optimierung der Systemlösungen verwendet.Item Open Access Authentifizierungsverfahren auf Basis von Selbstbeschreibungsmerkmalen cyber-physischer Produktionssysteme(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Stock, Daniel; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Cybersicherheit und die hierfür notwendigen Authentifizierungsverfahren gewinnen in einer zunehmend vernetzten Produktion zwingend an Bedeutung. Diese Vernetzung führt zur Entstehung neuer Angriffsvektoren, die ein Risiko für die IT-Sicherheit im industriellen Umfeld und somit auch für die funktionale Sicherheit und Zuverlässigkeit technischer Systeme darstellen. Neben der Absicherung der Netzwerke und Zugriffs-beschränkter Bereiche stellt sich hier die Frage, ob ein cyber-physisches Produktionssystem als Entität, die Zugriff auf eine andere Ressource oder Zutritt zu einem geschützten Bereich einer Infrastruktur anfragt, auch diejenige ist, die sie mittels ihrer digitalen Identität vorgibt zu sein. Die Authentifizierung der Identität einer Entität kann mit aufwendigen technischen und organisatorischen Mitteln dargestellt werden. Jedoch besteht hier ein Zielkonflikt zwischen Funktionalität, Benutzbarkeit und Sicherheit. Die physischen Komponenten von CPPS werden durch den technischen Fortschritt getrieben immer leistungsfähiger und intelligenter. Ihre Fähigkeiten können durch zusätzliche Dienste im “Cyberspace“ beliebig skalieren. Sie verfügen so über immer komplexere Self-X-Fähigkeiten, die ihren Autonomiegrad erhöhen. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach wie eine CPPS-Selbstbeschreibung, also die Self-X-Fähigkeit Informationen über sich selbst zu übermitteln, dazu genutzt werden kann für dieses CPPS eine sichere Identität zu schaffen, die auf ihren Selbstbeschreibungsmerkmalen basiert. Der Beitrag der Arbeit liegt hierbei auf der Beschreibung eines ganzheitlichen Ansatzes zur Umsetzung von Authentifizierungsverfahren auf Grundlage von Selbstbeschreibungsmerkmalen, die als zusätzliche Maßnahmen im Rahmen einer „Defense-in-Depth“-Strategie eingesetzt werden können.Item Open Access Design of fiber-composite/metal-hybrid structures made by multi-stage coreless filament winding(2022) Mindermann, Pascal; Müllner, Ralf; Dieringer, Erik; Ocker, Christof; Klink, René; Merkel, Markus; Gresser, Götz T.The methods presented in this study assist in fabricating load-bearing structures with high mass-specific mechanical performance at various scales. Possible applications include primary and secondary structures in engineering, architecture, automotive, or aerospace industries.Additive manufacturing processes, such as coreless filament winding with fiber composites or laser powder bed fusion with metals, can produce lightweight structures while exhibiting process-specific characteristics. Those features must be accounted for to successfully combine multiple processes and materials. This hybrid approach can merge the different benefits to realize mass savings in load-bearing structures with high mass-specific stiffnesses, strict geometrical tolerances, and machinability. In this study, a digital tool for coreless filament winding was developed to support all project phases by natively capturing the process-specific characteristics. As a demonstration, an aluminum base plate was stiffened by a coreless wound fiber-composite structure, which was attached by additively manufactured metallic winding pins. The geometrical deviations and surface roughness of the pins were investigated to describe the interface. The concept of multi-stage winding was introduced to reduce fiber–fiber interaction. The demonstration example exhibited an increase in mass-specific component stiffness by a factor of 2.5 with only 1/5 of the mass of a state-of-the-art reference. The hybrid design approach holds great potential to increase performance if process-specific features, interfaces, material interaction, and processes interdependencies are aligned during the digitized design phase.Item Open Access Model-based biomechanical exoskeleton concept optimization for a representative lifting task in logistics(2022) Schiebl, Jonas; Tröster, Mark; Idoudi, Wiem; Gneiting, Elena; Spies, Leon; Maufroy, Christophe; Schneider, Urs; Bauernhansl, ThomasOccupational exoskeletons are a promising solution to prevent work-related musculoskeletal disorders (WMSDs). However, there are no established systems that support heavy lifting to shoulder height. Thus, this work presents a model-based analysis of heavy lifting activities and subsequent exoskeleton concept optimization. Six motion sequences were captured in the laboratory for three subjects and analyzed in multibody simulations with respect to muscle activities (MAs) and joint forces (JFs). The most strenuous sequence was selected and utilized in further simulations of a human model connected to 32 exoskeleton concept variants. Six simulated concepts were compared concerning occurring JFs and MAs as well as interaction loads in the exoskeleton arm interfaces. Symmetric uplifting of a 21 kg box from hip to shoulder height was identified as the most strenuous motion sequence with highly loaded arms, shoulders, and back. Six concept variants reduced mean JFs (spine: >70%, glenohumeral joint: >69%) and MAs (back: >63%, shoulder: >59% in five concepts). Parasitic loads in the arm bracing varied strongly among variants. An exoskeleton design was identified that effectively supports heavy lifting, combining high musculoskeletal relief and low parasitic loads. The applied workflow can help developers in the optimization of exoskeletons.Item Open Access A system thinking normative approach towards integrating the environment into value-added accounting : paving the way from carbon to environmental neutrality(2022) Miehe, Robert; Finkbeiner, Matthias; Sauer, Alexander; Bauernhansl, ThomasLife Cycle Assessment (LCA) is increasingly being applied in corporate accounting. Recently, especially carbon footprinting (CF) has been adopted as ‘LCA light’ in accordance with the Greenhouse Gas Protocol. According to the strategy ‘balance, reduce, substitute, compensate’, the approach is intended to provide the basis for optimization towards climate neutrality. However, two major problems arise: (1) due to the predominant focus on climate neutrality, other decisive life-cycle impact categories are often ignored, resulting in a misrecognition of potential trade-offs, and (2) LCA is not perceived as an equal method alongside cost and value-added accounting in everyday business, as it relies on a fundamentally different system understanding. In this paper, we present basic considerations for merging the business and life-cycle perspectives and introduce a novel accounting system that combines elements of traditional operational value-added accounting, process and material flow analysis as well as LCA. The method is based on an extended system thinking, a set of principles, a calculation system, and external cost factors for the impact categories climate change, stratospheric ozone depletion, air pollution, eutrophication and acidification. As a scientifically robust assessment method, the presented approach is intended to be applied in everyday operations in manufacturing companies, providing a foundation for a fundamental change in industrial thought patterns on the way to the total avoidance of negative environmental impacts (i.e., environmental neutrality). Therefore, this is validated in two application examples in the German special tools industry, proving its practicability and reproducibility as well as the suitability of specifically derived indicators for the selective optimization of production systems.Item Open Access Gestaltung einer schlanken Informationslogistik im komplexen Produktionsumfeld(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Hartleif, Silke Maria; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)Produktionsunternehmen sind mit einem komplexer werdenden Umfeld konfrontiert, welches erhöhte Anforderungen an die Flexibilität von Produktionssysteme stellt. Mit dem Einsatz moderner Informations- und Kommunikationstechnik und der damit verbundenen Vernetzung technischer Systeme soll diesen Herausforderungen begegnet werden. Das lässt die Komplexität in betrieblichen Informationssystemen steigen und führt zu Verschwendung in der Informationsversorgung. Um dieser Problemstellung zu begegnen, wird in der vorliegenden Forschungsarbeit eine Methode zur Gestaltung schlanker Informationslogistiksysteme vorgestellt. Mit den gestalteten Informationssystemen sollen Mitarbeiter effektiv und effizient mit Informationen versorgt werden, sodass sie ihre Aufgaben richtig und schnell erfüllen können. Die Gestaltungsmethode soll außerdem die Zusammenarbeit von Informatik- und Betriebsingenieuren unterstützen. Um dieses Ziel zu erreichen, sieht der Lösungsansatz der Arbeit eine Gesamtlösung vor, die aus einer theoretischen, einer deskriptiven und einer pragmatischen Lösungskomponente besteht. Im Rahmen der theoretischen Lösungskomponente werden Wertschöpfung und Verschwendung in der Informationsversorgung voneinander abgegrenzt und Verschwendungsarten beschrieben. Darauf aufbauend wird eine Idealvorstellung für die zu gestaltenden schlanken Informationslogistiksysteme entwickelt. Die deskriptive Lösungskomponente besteht aus einem Strukturmodell, in dem Systemelemente und Relationen der Informationslogistiksysteme generisch beschrieben werden. Die pragmatische Lösungskomponente umfasst die Gestaltungsmethode bestehend aus fünf Gestaltungsschritten. Sie basiert auf den Ergebnissen der theoretischen Lösungskomponente und verwendet die generischen Gestaltungsbausteine aus dem Strukturmodell. Die Lösung wird in zwei Fallstudien validiert.Item Open Access Gestaltungsrahmen von Business Ecosystems für Maschinenbauunternehmen im Kontext der digitalen Transformation(Stuttgart : Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA, 2022) Geitner, Richard E.; Bauernhansl, Thomas (Prof. Dr.-Ing.)In Folge der Digitalisierung verschmelzen Kundenbedürfnisse und das Nutzerverhalten sowie das Nutzenverständnis der Kunden verändern sich schneller. Wettbewerbsfähige Wertangebote erfordern einen größeren Lösungsraum und das Bündeln von Leistungen, die oft außerhalb der bestehenden Produktarchitektur, dem Kerngeschäft bzw. Wertschöpfungssystem, aber auch der Branche liegen. Dieser Prozess der digitalen Transformation verändert Wettbewerbssituationen, die Wertschöpfungsketten der Unternehmen, deren Kultur sowie das Verständnis von kooperativer Zusammenarbeit. Dabei entstehen Business Ecosystems (BES) zur Umsetzung von kundenzentrierten visionären bzw. innovativen zentralen, übergeordneten Wertangeboten - bestehend aus einer Konfiguration von in der Vergangenheit getrennten, nicht generischen komplementären bzw. modularen Produkten und (Dienst-)Leistungen. Diese spezifische Ausprägung der Koevolution wird als Struktur-BES bezeichnet, da die Aktivitäten der multilateral interagierenden Gruppe gleichrangiger Partner auf das - in ein gemeinsames Geschäftsmodell eingebettete - Wertangebot ausgerichtet werden. Eine vorab durchgeführte Studie belegt diese Entwicklung und zeigt auf, dass den Maschinenbauunternehmen das Wissen zur Gestaltung von Struktur-BES fehlt. Deshalb wurde unter Berücksichtigung der Studie, der Implikationen und den Konsequenzen der digitalen Transformation sowie der relevanten theoretischen Grundlagen ein Gestaltungsrahmen entwickelt. Dieser Gestaltungsrahmen beschreibt das Vorgehen, die Grundsätze der Zusammenarbeit und die Handlungsfelder zur Etablierung eines auf Vertrauen, Offenheit und Gegenseitigkeit beruhenden Struktur-BES. Dies umfasst den methodischen Ansatz zur Ableitung der strategisch relevanten Partner sowie deren Bindungsintensität und Beziehungsstruktur. Ebenfalls werden ein agiles Steuerungs- und Organisationskonzept vorgestellt, einschließlich der Aufgaben zur Orchestration und den Voraussetzungen sowie Fähigkeiten der Partner von Struktur-BES.Item Open Access Biomechanical analysis of stoop and free-style squat lifting and lowering with a generic back-support exoskeleton model(2022) Tröster, Mark; Budde, Sarah; Maufroy, Christophe; Andersen, Michael Skipper; Rasmussen, John; Schneider, Urs; Bauernhansl, ThomasMusculoskeletal disorders (MSDs) induced by industrial manual handling tasks are a major issue for workers and companies. As flexible ergonomic solutions, occupational exoskeletons can decrease critically high body stress in situations of awkward postures and motions. Biomechanical models with detailed anthropometrics and motions help us to acquire a comprehension of person- and application-specifics by considering the intended and unintended effects, which is crucial for effective implementation. In the present model-based analysis, a generic back-support exoskeleton model was introduced and applied to the motion data of one male subject performing symmetric and asymmetric dynamic manual handling tasks. Different support modes were implemented with this model, including support profiles typical of passive and active systems and an unconstrained optimal support mode used for reference to compare and quantify their biomechanical effects. The conducted simulations indicate that there is a high potential to decrease the peak compression forces in L4/L5 during the investigated heavy loaded tasks for all motion sequences and exoskeleton support modes (mean reduction of 13.3% without the optimal support mode). In particular, asymmetric motions (mean reduction of 14.7%) can be relieved more than symmetric ones (mean reduction of 11.9%) by the exoskeleton support modes without the optimal assistance. The analysis of metabolic energy consumption indicates a high dependency on lifting techniques for the effectiveness of the exoskeleton support. While the exoskeleton support substantially reduces the metabolic cost for the free-squat motions, a slightly higher energy consumption was found for the symmetric stoop motion technique with the active and optimal support mode.