Metaverse hyperconnected for operators training within industry 5.0

Resumen

La transformación digital está revolucionando la industria manufacturera, fomentando una convergencia entre los mundos físico y virtual a través de los sistemas ciberfísicos (CPS). Estos sistemas, equipados con sensores, actuadores, inteligencia y conectividad, forjan un entorno de colaboración crucial. Sin embargo, superar los retos tecnológicos inherentes a la fusión de diversas tecnologías asociadas a la fabricación inteligente es fundamental para lograr la virtualización industrial. Este cambio digital ha abierto nuevas perspectivas para la simulación de procesos y la formación de operarios, elevando la eficiencia y la colaboración en los entornos industriales. El desarrollo de estas aplicaciones requiere virtualizar los CPS, lo que exige modelar su comportamiento mediante la comprensión de sus respuestas a estímulos reales en el entorno físico. Así, la virtualización se extiende más allá de los CPS para abarcar sus entornos físicos dinámicos, creando un entorno de simulación denominado Digital Twins (DTs). Estos DTs pueden recrear numerosos escenarios e hipótesis que replican el comportamiento real de los sistemas de forma virtual permitiendo el análisis de diferentes condiciones operativas en el mundo virtual. En este sentido, los DTs encuentran relevancia en contextos como el transporte industrial inteligente, donde el entorno juega un papel fundamental a la hora de guiar la navegación de los Robots Móviles Autónomos (AMRs). Por esta razón, en el capítulo 5, se desarrolló un DT para comparar tiempos y trayectorias entre un vehículo autónomo virtual y uno real, obteniendo una alta similitud. La implementación de DTs en el transporte industrial mejora la toma de decisiones para la optimización de procesos clave críticos para el rendimiento global de la planta industrial. Además, este entorno virtualizado incorpora posteriormente una flota de AMR para analizar su comportamiento en entornos industriales reales. Esto permite comprender la respuesta de cada AMR de la flota utilizando diferentes algoritmos de navegación dentro de un entorno virtualizado dinámico. En particular, el capítulo 6 analiza los algoritmos de navegación Timed Elastic Band (BET) y Dynamic Window Approach (DWA). Además, para facilitar la comprensión de las simulaciones realizadas, se ideó una interfaz para modificar dinámicamente los parámetros y visualizar los datos de simulación en tiempo real. Sin embargo, los valiosos conocimientos del DT no se integran a la perfección dentro de los capítulos 5 y 6 en el entorno colaborativo de los procesos productivos, según el paradigma de la Fabricación Inteligente (Smart Manufacturing, SM). Por ello, la transmisión de datos de DT y otros activos externos a las arquitecturas industriales y protocolos de comunicaciones exigió el desarrollo de una pasarela de interoperabilidad. Esta pasarela analiza las comunicaciones de los activos, adaptándolas a las necesidades de hardware y software de destino, logrando lo que en esta tesis se define como hiperconectividad entre activos heterogéneos. Esto se aplica específicamente al entorno colaborativo industrial propuesto en el capítulo 4. Este entorno hiperconectado facilita la convergencia de diversas tecnologías industriales en su interior para aplicaciones polivalentes. Por ejemplo, la integración de las DT con la Realidad Virtual (RV) ofrece una percepción más inmersiva de la virtualización de los procesos industriales, tendiendo puentes no sólo tecnológicos sino también humanos a través de experiencias inmersivas. Esto facilita el desarrollo de numerosas aplicaciones industriales, incluyendo la formación de operarios para mitigar costes y riesgos en entornos reales, tal y como se estudia en el capítulo 7. En este sentido, se demuestra que los humanos pueden aprender a manejar máquinas industriales en un entorno virtual casi con la misma eficacia que en el mundo real. Sin embargo, la generación de un ecosistema virtual que replique completamente el entorno real no sólo implica las relaciones entre humanos y máquinas, sino también entre humanos. Así, incluir a otro humano en este entorno virtual permite interacciones y colaboraciones más realistas, creando un espacio totalmente virtual, el metaverso industrial. Así, finalmente, el capítulo 8 evalúa el rendimiento y la satisfacción del usuario comparando entornos reales y virtuales en actividades colaborativas que involucran a dos humanos y un AMR, mostrando una dirección de investigación novedosa que ayuda a desarrollar completamente los principios de la próxima revolución industrial, la Industria 5.0. Por estas razones, esta tesis explora especialmente la virtualización de activos industriales, superando las barreras tecnológicas para desarrollar aplicaciones hiperconectadas dentro del paradigma de la Industria 5.0, situando a los humanos al frente de la fábrica del futuro.