Ανάπτυξη συστημάτων εικονικής πραγματικότητας για εκπαίδευση σε προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής

Abstract

This thesis, entitled “Development of virtual reality systems for training in advanced production technologies”, was prepared in the Sector of Industrial Management and Operations Research (SIMOR) of the School of Mechanical Engineering of the National Technical University of Athens. The purpose of this thesis is the development of modern virtual environment software systems in advanced production technologies, namely a CNC machining center and a robotic 6-axis arm. With the subscription of them, factors contributing to the optimal transfer of the necessary virtual skills from virtual reality environment to the real environment are investigated. Production processes in engineering rely heavily on operators of modern machine tools, which makes their contribution to the whole process catalytic. It is therefore very important for future operators to learn the essentials of skills, which is largely carried out today with the use of educational virtual environments. For this reason, in this thesis, factors that may help or inhibit the proper construction of an educational virtual environment are analyzed, examined and evaluated, and similar conclusions can be drawn which can be used for the mentioned purpose. In the first introductory chapter, the subject of the production process in engineering is thoroughly analyzed, and in particular its individual stages, namely the stage of designing a product, the stage of testing, the final manufacture of the product, and finally the appropriate educational process for acquiring the skills from operators. This chapter also highlights the traits required by trainees in a productive process, such as 'knowledge', 'skill' and 'competence'. The second chapter of the dissertation defines virtual reality (VR) as "an interactive, three-dimensional computer-generated environment in which one can immerse", and the terms “immersion” and “presence” are specified. These terms are currently being used in the construction of these environments. The following describes the basic stages of creating a virtual learning environment, from the right choice of educational task, until the final evaluation of the results. The third chapter classifies, defines and lists the types of skills required to achieve learning, namely kinesthetic & motor skills, perceptual skills, and cognitive-procedural skills. The fourth chapter provides an outline of the subjects of this thesis, while the fifth chapter provides a bibliographic overview of the research topics of the thesis. In particular, the existence of the following parameters related to the construction of a virtual environment are investigated in international literature : - Users' perceptions of simple virtual machine drives. - Physical - dynamic feedback, simulating a real feedback. - The existence of prior real experience of trainees. - Replacement - substitution of user manual training. - Effects and reactions of trainees in high-stress virtual environments, while exploring the evolution of virtual reality over the last few years (10-15 years). In the same chapter also before reviewing the literature, it is attempted to group it, (a) on the basis of the multiplicity or complexity of the task to be performed; moderate freedom of choice or if there is significant - great freedom of choice and finally c) how to acquire skills as discussed in Chapter 3 (kinesthetic, cognitive and cognitive - process ). In chapter six, and in accordance with the steps required to create a virtual environment, as presented in Chapter 2 of this thesis, an appropriate training task is selected and a HAASTM processing center is designed, using SOLIDWORKSTM software, and then deployed in a virtual environment through a specialized VIRTOOLSTM software. The training task, was the compensation of a cutting tool at a machining center, taking into account empirical observations of artisans, taken into account in the design of the virtual environment, as additional visual signals (augmented environment). For the construction of the virtual environment, new simulated controllers were developed, with the assistance of the Machining Technology Laboratory, NTUA School of Mechanical Engineering. Subsequently, a methodical, experimental cutting tool compensation process was conducted in virtual and real environments followed by appropriate measurements between groups of learners in virtual and / or real environments, in order to investigate factors that assist or are inhibiting the development of skills in real-world, after exercising in a virtual environment. Finally, it was investigated, the similar effect of the perceived signals of the augmented virtual environment in order to improve the educational process. In the seventh chapter, it was developed a virtual environment of a a 6-axis STAUBLI RX-90 robotic arm using SOLIDWORKSTM and VIRTOOLSTM. The virtual robot was designed for both straight and reverse kinematics by solving the Denavit - Hartenberg method. For the construction of the virtual environment, new simulated controllers were developed, with the assistance of the Machining Technology Laboratory, NTUA School of Mechanical Engineering. Handling the robotic arm, the driving the arm end - effector to 2 different positions was selected as an educational task, with a progressive degree of difficulty. Appropriate assumptions were first formulated for the implementation of the experimental procedure, and then appropriate groups were selected, which implemented the experimental procedure, either in a virtual environment (augmented or not), or in combination with an experiment in a real robotic arm. Throughout the process, factors similar to, or inhibiting, the development of real-world skills were also explored following the execution of instructional scenarios in a virtual environment. Finally, for any additional conclusions, it was analyzed the strategy followed by the trainees towards the completion of the educational task. In the eighth chapter and taking into account the conclusions drawn in the previous chapter, this experiment was redesigned and further considerations of learning taking place, namely its improvement by using step-by-step learning methods or by combinatorial learning methods. The utility of predicting subsequent moves to achieve the best result was also explored. Finally, the ninth chapter provides a comprehensive overview of the dissertation's conclusions, followed by the bibliography, and annexes the questionnaires completed by the participants, in all the experimental procedures, for the purpose of this thesis.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Ανάπτυξη συστημάτων εικονικής πραγματικότητας για εκπαίδευση σε προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής», εκπονήθηκε στον Τομέα Βιομηχανικής Διοίκησης και Επιχειρησιακής Έρευνας της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Αντικείμενο της διατριβής, είναι η ανάπτυξη σύγχρονων λογισμικών συστημάτων εικονικού περιβάλλοντος σε προηγμένες τεχνολογίες παραγωγής, ήτοι σε κέντρο κατεργασιών CNC και σε ρομποτικό βραχίονα 6 αξόνων, με τη συνδρομή των οποίων διερευνώνται παράγοντες οι οποίοι συνεισφέρουν στη βέλτιστη μεταφορά των απαραίτητων δεξιοτήτων, από το εκπαιδευτικό εικονικό περιβάλλον σε πραγματικές εν τέλει συνθήκες. Ειδικότερα, οι παραγωγικές διαδικασίες στη μηχανολογία, στηρίζονται σε μεγάλο βαθμό στους χειριστές των σύγχρονων εργαλειομηχανών, γεγονός που καθιστά καταλυτική τη συμβολή τους στην όλη διαδικασία. Ως εκ τούτου καθίσταται πολύ σημαντική η εκμάθηση των απαραιτήτων δεξιοτήτων από τους μελλοντικές χειριστές, η οποία σε μεγάλο βαθμό σήμερα πραγματοποιείται με τη χρήση εκπαιδευτικών εικονικών περιβαλλόντων. Για το λόγο αυτό, στην παρούσα διατριβή αναλύονται, εξετάζονται και αξιολογούνται παράγοντες που μπορεί να συνδράμουν ή καθίστανται ανασταλτικοί στην ορθή κατασκευή ενός εκπαιδευτικού εικονικού περιβάλλοντος και εξάγονται ανάλογα συμπεράσματα, τα οποία μπορούν να αξιοποιηθούν προς τον αναφερόμενο σκοπό. Στο πρώτο εισαγωγικό κεφάλαιο, αναλύεται διεξοδικά το αντικείμενο της παραγωγικής διαδικασίας στη μηχανολογία και ειδικότερα καταγράφονται τα επιμέρους στάδια της, ήτοι το στάδιο του σχεδιασμού ενός προϊόντος, το στάδιο των δοκιμών, την τελική κατασκευή του προϊόντος μέχρι τέλος την κατάλληλη εκπαιδευτική διαδικασία για την απόκτηση των δεξιοτήτων από τους χειριστές. Στο κεφάλαιο αυτό, επισημαίνονται επίσης και τα γνωρίσματα που απαιτείται να γίνουν κτήμα από εκπαιδευόμενους σε μία παραγωγική διαδικασία, όπως είναι η «γνώση (knowledge)», η «δεξιότητα (skill)» και η «επιτηδειότητα (competence)». Στο δεύτερο κεφάλαιο της διατριβής, ορίζεται η εικονική πραγματικότητα (ΕΠ) ως «ένα αλληλεπιδραστικό, τρισδιάστατο περιβάλλον, παραγόμενο από υπολογιστή, στο οποίο μπορεί κάποιος να εμβυθιστεί» και προς τούτο εξειδικεύονται οι όροι immersion (εμβύθιση) και presence (παρουσία), η χρήση των οποίων αξιοποιείται σήμερα στην κατασκευή των εν λόγω περιβαλλόντων. Αναλύονται ακολούθως τα βασικά στάδια δημιουργίας ενός εκπαιδευτικού εικονικού περιβάλλοντος, από την ορθή επιλογή ενός εκπαιδευτικού καθήκοντος, μέχρι και την τελική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων του. Στο τρίτο κεφάλαιο ταξινομούνται, ορίζονται και παρατίθενται τα είδη των δεξιοτήτων που απαιτούνται για την επίτευξη της μάθησης, ήτοι οι κιναισθητικές δεξιότητες (kinesthetic & motor skills), οι αντιληπτικές δεξιότητες (perceptual skills) και οι γνωσιακές – διαδικαστικές δεξιότητες (cognitive - procedural). Στο τέταρτο κεφάλαιο παρατίθεται ένα περίγραμμα των αντικειμένων της παρούσας διατριβής, ενώ στο πέμπτο κεφάλαιο πραγματοποιείται βιβλιογραφική ανασκόπηση, σχετική με τα ερευνητικά αντικείμενα της διατριβής. Ειδικότερα, διερευνάται σε διεθνή βιβλιογραφία, η ύπαρξη των ακολούθων παραμέτρων, που σχετίζονται με την κατασκευή ενός εικονικού περιβάλλοντος. - Η αντίληψη των χρηστών σε απλή οδήγηση συσκευών εικονικού περιβάλλοντος. - Η φυσική – δυναμική ανάδραση, σε προσομοίωση μίας πραγματικής ανάδρασης. - Η ύπαρξη πρότερης πραγματικής εμπειρίας των εκπαιδευομένων. - Η αντικατάσταση – υποκατάσταση της εκπαίδευσης με χρήση εγχειριδίων (user manual). - Επιδράσεις και αντιδράσεις των εκπαιδευομένων σε εικονικά περιβάλλοντα υψηλού άγχους. ενώ διερευνάται η διαχρονική εξέλιξη της εικονικής πραγματικότητας τα τελευταία έτη (10 – 15 χρόνια). Στο ίδιο κεφάλαιο επίσης και πριν την ανασκόπηση της βιβλιογραφίας, επιχειρείται ομαδοποίησή της, α) βάσει της πολλαπλότητας ή πολυπλοκότητας του προς εκτέλεση καθήκοντος, β) βάσει της δυνατότητας ελευθερίας επιλογής παραμέτρων, ήτοι εάν για το καθήκον απαιτούνται συγκεκριμένα διακριτά βήματα ή εάν υφίσταται περιορισμένη - μέτρια ελευθερία επιλογών ή εάν υφίσταται σημαντική – μεγάλη ελευθέρια επιλογών και τέλος γ) βάσει του τρόπου απόκτησης δεξιοτήτων, όπως αναλύθηκαν στο κεφάλαιο 3 (κιναισθητικές, αντιληπτικές και γνωσιακές – διαδικαστικές). Στο κεφάλαιο έξι και σύμφωνα με τα απαιτούμενα στάδια δημιουργίας ενός εικονικού περιβάλλοντος, όπως παρουσιάστηκαν στο δεύτερο κεφάλαιο της παρούσας διατριβής, επιλέγεται ένα κατάλληλο εκπαιδευτικό καθήκον και σχεδιάζεται ένα κέντρο κατεργασίας HAASTM, με χρήση λογισμικού SOLIDWORKSTM και κατόπιν αναπτύσσεται σε εικονικό περιβάλλον μέσω του εξειδικευμένου προς τούτο λογισμικού VIRTOOLSTM. Ως εκπαιδευτικό καθήκον επιλέχθηκε η αντιστάθμιση ενός κοπτικού εργαλείου στο κέντρο κατεργασίας, λαμβάνοντας υπόψη εμπειρικές παρατηρήσεις τεχνιτών, που λήφθηκαν υπόψη στο σχεδιασμό του εικονικού περιβάλλοντος, ως πρόσθετα οπτικοαντιληπτικά σήματα (επαυξημένο περιβάλλον). Για την κατασκευή του εικονικού περιβάλλοντος, κατασκευάστηκαν νέα προσομοιωμένα χειριστήρια, με τη συνδρομή του εργαστηρίου Τεχνολογίας των κατεργασιών, της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. Ακολούθως πραγματοποιήθηκε μεθοδικά, πειραματική διαδικασία αντιστάθμισης κοπτικού εργαλείου σε εικονικό και πραγματικό περιβάλλον και ακολούθησαν οι κατάλληλες μετρήσεις μεταξύ ομάδων εκπαιδευομένων στο εικονικό ή και στο πραγματικό περιβάλλον, προκειμένου να διερευνηθούν παράγοντες που συνδράμουν ή είναι ανασταλτικοί στην ανάπτυξη δεξιοτήτων σε πραγματικό περιβάλλον, κατόπιν εκτέλεσης εκπαιδευτικών σεναρίων σε εικονικό περιβάλλον. Τέλος διερευνήθηκε και η ανάλογη επίδραση των αντιληπτικών σημάτων του επαυξημένου εικονικού περιβάλλοντος, προς το σκοπό της βελτίωσης της εκπαιδευτικής διαδικασίας. Ακολούθως, στο έβδομο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε με τη χρήση του SOLIDWORKSTM και του VIRTOOLSTM, εικονικό περιβάλλον ρομποτικού βραχίονα 6 αξόνων STAUBLI RX90. Το εικονικό ρομπότ σχεδιάστηκε τόσο για ευθεία, όσο και για αντίστροφη κινηματική με επίλυση της μεθόδου Denavit – Hartenberg. Για την κατασκευή του εικονικού περιβάλλοντος, κατασκευάστηκαν νέα προσομοιωμένα χειριστήρια, με τη συνδρομή του εργαστηρίου Τεχνολογίας των κατεργασιών, της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Ε.Μ.Π. Ως εκπαιδευτικό καθήκον επιλέχθηκε ο χειρισμός του ρομποτικού βραχίονα και η οδήγηση σε 2 διαφορετικές θέσεις του άκρου του βραχίονα, με προοδευτικό βαθμό δυσκολίας. Για την υλοποίηση της πειραματικής διαδικασίας, διατυπώθηκαν αρχικά κατάλληλες υποθέσεις και ακολούθως επιλέχθηκαν κατάλληλες ομάδες, οι οποίες υλοποίησαν την πειραματική διαδικασία, είτε σε εικονικό περιβάλλον (επαυξημένο ή μη), είτε και σε συνδυασμό εκτέλεσης πειράματος σε πραγματικό ρομποτικό βραχίονα. Από την όλη διαδικασία διερευνήθηκαν ομοίως παράγοντες που συνδράμουν ή είναι ανασταλτικοί στην ανάπτυξη δεξιοτήτων σε πραγματικό περιβάλλον, κατόπιν εκτέλεσης εκπαιδευτικών σεναρίων σε εικονικό περιβάλλον. Τέλος, αναλύθηκε και η στρατηγική που ακολουθήθηκε από τους εκπαιδευόμενους, προς την ολοκλήρωση του εκπαιδευτικού καθήκοντος, για τυχόν εξαγωγή πρόσθετων συμπερασμάτων. Στο όγδοο κεφάλαιο και λαμβάνοντας υπόψη τα συμπεράσματα που εξήχθησαν στο προηγούμενο κεφάλαιο, επανασχεδιάσθηκε το εν λόγω πείραμα και εξετάστηκαν περαιτέρω παράμετροι που λαμβάνουν χώρα στη μάθηση, ήτοι η βελτίωσή της με χρήση μεθόδων βηματικής (σταδιακής) μάθησης ή με χρήση μεθόδων συνδυαστικής μάθησης. Διερευνήθηκε επίσης η χρησιμότητα της προεκτίμησης των επόμενων κινήσεων στην επίτευξη του βέλτιστου αποτελέσματος. Τέλος, στο ένατο κεφάλαιο πραγματοποιείται μία συνολική επισκόπηση συμπερασμάτων της διατριβής και ακολουθεί η βιβλιογραφία, ενώ ως παράρτημα παρατίθενται τα ερωτηματολόγια που συμπληρώθηκαν από τους συμμετέχοντες, σε όλες τις πειραματικές διαδικασίες που έλαβαν χώρα, για τους σκοπούς της παρούσας διατριβής.