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Convergence of Virtual Reality and Digital Twin technologies to enhance digital operators’ training in industry 4.0

Alberto Martínez-Gutiérrez, Javier Díez-González, Paula Verde, Hilde PerezAuthors Info & Claims

Department of Mechanical, Computer and Aerospace Engineering, University of León, León, 24007, Spain

Abstract

Industry 4.0 technologies enable the generation of added value throughout the production process. Among them, Digital Twins (DT) allow the modelization of cyber–physical systems in the virtual world and Virtual Reality (VR) allows an immersive perspective of the behavior of industrial equipment in a digitized environment. The combination of DT and VR can generate a digital platform for operators’ training where the industrial operator can perceive a more realistic environment for digital learning. In this paper, we introduce the convergence of DT and VR to enhance the digital learning process of driving an industrial mobile robot. To validate this proposal, an experimental methodology looking for measuring the transfer of skills from digital training into the real world has been set. This experiment consists of handling a mobile robot in a predefined course looking for committing the lowest number of failures in the minimum possible time. The experiment has been carried out by defining three different training methods: training with real equipment as the control group and two different experimental groups following digital training (VR and computer application-supported techniques). The abilities of their subjects have been measured in the initial and final stages of the experiment showing an improvement of 47% through real training, 38% through VR and 28% through the computer application. Results demonstrate the utility of using DT to attain significant digital learning and validate the initial hypothesis demonstrating the enhancement of digital learning through VR-supported training.

Keynote

Industry 4.0, Digital twin, Virtual reality, Training

摘要

工业4.0技术能够在整个生产过程中创造附加价值。其中，数字孪生（DT）技术能够在虚拟世界中模拟信息物理系统，而虚拟现实（VR）技术则能让用户沉浸在数字化环境中，以直观的方式观察工业设备的运行状况。将DT与VR相结合，可以构建一个用于操作员培训的数字化平台，使工业操作员能够在更加逼真的环境中进行数字化学习。本文介绍了DT与VR的融合，旨在优化工业移动机器人驾驶的数字化学习过程。为验证这一方案的有效性，我们设计了一种实验方法，旨在衡量数字培训技能向现实世界的转移程度。该实验要求操作员在预定路线上操控移动机器人，以尽可能少的时间和最少的失误完成任务。实验通过设定三种不同的培训方法来进行：以使用真实设备培训的控制组，以及接受数字培训的两个不同实验组（VR支持和计算机应用支持）。我们在实验初期和末期对受试者的能力进行了评估，结果显示，通过真实培训，受试者能力提升了47%，通过VR培训提升了38%，而通过计算机应用培训则提升了28%。实验结果表明，利用DT技术可以显著提高数字化学习的效果，验证了初始假设，即VR支持的培训能够增强数字化学习效果。

关键词

工业4.0，数字孪生, 虚拟现实, 培训

Fig. 2. Framework for digital operator training platform.

Fig. 3. Data flow of the digital platform for the training of industrial operators.

Fig. 4. Diagram on the design of the ROS-based Digital Twin for operator training in the industry

研究背景

1. 工业4.0技术：工业4.0技术通过数字化整个价值链来提高生产力，其中数字孪生（DT）和虚拟现实（VR）是关键组成部分。

2. 操作员培训：为了提高生产过程，需要对操作员进行有效的技能培训，数字培训可以降低成本并提高灵活性。

3. 数字平台：通过DT和VR的结合，可以创建一个数字平台，使操作员在虚拟环境中进行交互式学习。

研究方法

1. 实验挑战：设计了一个实验，要求操作员在预定义的课程中驾驶移动机器人，目标是尽可能少的失败次数和时间。

2. 真实设备培训：作为对照组，操作员使用真实设备进行培训。

3. 数字孪生培训：使用计算机应用程序支持的技术进行数字孪生培训。

4. 虚拟现实培训：使用VR眼镜进行沉浸式培训。

5. 方法论：通过比较三种不同培训方法的效果，来评估数字培训向现实世界技能转移的有效性。

实验设计

1. 移动机器人描述：使用MIR 100型号的移动机器人，具有自动刹车功能以保证安全。

2. 虚拟现实眼镜：使用Oculus Quest 2 VR眼镜，提供高分辨率和刷新率，以及实时图像适应。

3. 数字平台：开发了一个基于工业DT的数字平台，用于操作员技能培训。

4. 实验室：在Leon大学工程学院的E3实验室进行实验，使用工业网络收集数据。

结果分析

1. 客观数据：实验结果显示，真实设备培训提高了47%的技能，VR培训提高了38%，计算机应用程序培训提高了28%。

2. 主观数据：通过调查问卷收集了实验对象的主观感受，VR培训组显示出更高的动机和对数字车辆与真实车辆相似度的更高感知。

3. 技能转移：实验结果表明，数字培训是有效的学习方法，VR培训在数字培训中表现最好，但存在一些实验对象的不适感。

4. 结论：VR和DT技术的结合对于优化工业操作员的培训过程和性能是有用的。

总体结论

1. 技能转移：数字培训方法可以有效地提高操作员的技能，尤其是VR培训在数字学习环境中比传统计算机屏幕培训更有效。

2. 培训方法：实验结果支持使用VR进行操作员培训的假设，验证了数字孪生和VR技术结合的数字平台对于工业4.0工厂操作员培训的有效性。

3. 未来研究：未来的研究可以探索如何减少VR培训中的一些限制，例如头晕或方向感丧失，并定义最佳的数字培训对象。

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