Впровадження технології цифрових двійників для робототехніки

Заголовок (англійською): 
Embedding Digital Twin Technology in Robotics
Автор(и): 
Шаптала С. В.
Миронова Н. О.
Автор(и) (англ): 
Shaptala Stanislav
Myronova Natalia
Ключові слова (укр): 
робототехніка; фреймворк цифрових двійників; цифрові дані; цифрова модель; штучний інтелект
Ключові слова (англ): 
robotics; digital twin framework; digital data; digital model; artificial intelligence
Анотація (укр): 
Обґрунтовано актуальність впровадження технології цифрових двійників у робототехніці, що дає змогу тестувати та моделювати можливості роботів, такі як маніпулювання, захоплення тощо, за допомогою віртуальних прототипів роботів, які є ідентичними копіями фізичних прототипів роботів. Виконано огляд ключових компонентів фреймворку цифрового двійника для робототехніки, включаючи фізичний елемент, віртуальний елемент, проміжне програмне забезпечення, сервісні та транспортні компоненти. Запропоновано технологію проєктування робота з використанням цифрових двійників, що включає проєктування комп’ютерної моделі робота за допомогою системи автоматизованого проєктування або пакетів побудови тривимірної графіки, використання систем симуляції роботів, управління даними, аналіз даних та людино-машинну взаємодію. Подальшим розвитком дослідження є реалізація технології цифрових двійників для робота-рятівника відповідно до запропонованих етапів: побудова комп’ютерної моделі, програмування поведінки робота в системі симуляції, розроблення математичної та цифрової моделі робота, реалізація людино-машинної взаємодії між фізичним роботом та його цифровою реплікою, що допоможе протестувати взаємодію основних компонентів цифрового двійника, виконати обмін даними між фізичною та цифровою копією та побудувати цифрову модель даних з метою веріфікації основних операцій робота-рятівника в реальному часі.
Анотація (англ): 
The relevance of introducing digital twin technology in robotics is substantiated, which allows testing and modelling the capabilities of robots, such as manipulation, grasping, etc., using virtual robot prototypes that are identical copies of physical robot prototypes. An overview of the key components of the digital twin framework for robotics, including the physical element, virtual element, middleware, service and transport components, is provided. A technology for designing a robot using digital twins is proposed, including the design of a computer model of a robot using a computer-aided design system or three-dimensional graphics packages, the use of robot simulation systems, data management, data analysis and human-machine interaction. The further development of the research is the implementation of digital twin technology for a rescue robot according to the proposed stages: building a computer model, programming robot behaviour in a simulation system, developing a mathematical and digital model of the robot, implementing human-machine interaction between a physical robot and its digital replica, which will allow testing the interaction of the main components of the digital twin, performing data exchange between the physical and digital replica, and building a digital data model to verify the main operations.
Публікатор: 
Київський національний університет будівництва і архітектури
Назва журналу, номер, рік випуску (укр): 
Управління розвитком складних систем, номер 53, 2023
Назва журналу, номер, рік випуску (англ): 
Management of Development of Complex Systems, number 53, 2023
Мова статті: 
English
Формат документа: 
application/pdf
Документ: 
45-51.pdf
Дата публікації: 
19 Июнь 2023
Номер збірника: 
53
Розділ: 
ІНФОРМАЦІЙНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОЄКТУВАННЯ
Університет автора: 
Національний університет «Запорізька політехніка», Запоріжжя; Університет прикладних наук Бонн-Рейн-Зіг, Санкт-Августин, Німеччина
Литература: 

1.     Grieves, M. (2014). Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication. White paper, 1–7.

2.     Qi, Q., Tao, F., Hu, T., Anwer, N., Liu, A., Wei, Y., Wang, L. and Nee, A. (2021). Enabling technologies and tools for Digital Twin. Journal of Manufacturing Systems, 58, 3–21.

3.     Hassan, M., Svadling, M., Björsell, N. (2022). Experience from implementing digital twins for maintenance in industrial processes.

4.     Siciliano, B. & Khatib, O. (Eds.). (2016). Springer Handbook of Robotics. Springer International Publishing.

5.     Stallings, W. (2007). DATA AND COMPUTER COMMUNICATIONS, 8th edition.

6.     Schroeder, G. N., Steinmetz, C., Pereira, C. E., et al. (2016). Digital twin data modeling with automation and a communication methodology for data exchange. IFACPapersOnLine, 49 (30), 12–7.

7.     Tao, F., Cheng, J., Qi, Q., Zhang, M., Zhang, H., Sui, F. (2018). Digital twin-driven product design, manufacturing and service with big data. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 94, 3563–3576.

8.     Wang, T., Li, J., Kong, Z., Liu, X., Snoussi, H., Lv, H. (2021). Digital twin improved via visual question answering for vision-language interactive mode in human-machine collaboration. J. Manuf. Syst., 58, 261–269.

9.     Ascone, C. & Vanderhaegen, F. (2022). Holistic framework for digital twins of human-machine systems. IFAC-PapersOnLine, 55(29), 67-72.

10.  Delbrügger, T., Meißner, M., Wirtz, A., Biermann, D., Myrzik, J., Rossmann, J., Wiederkehr, P. (2019). Multi-level simulation concept for multidisciplinary analysis and optimization of production systems. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019, 103, 3993–4012.

11.  Wang, X., Liang, C.J., Menassa, C., Kamat, V. (2020). Real-Time Process-Level Digital Twin for Collaborative Human-Robot Construction Work. In Proceedings of the 37th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), Kitakyushu, Japan, 28 October 2020.

12.  Bilberg, A., Malik, A. A. (2019). Digital twin driven human–robot collaborative assembly. CIRP Ann., 68, 499–502.

13.  Malik, A. A., Brem, A. (2021). Digital twins for collaborative robots: A case study in human-robot interaction. Robot. Comput.-Integr. Manuf., 68, 102092.

14.  Rosen, R., von Wichert, G., Lo, G., Bettenhausen, K. D. (2015). About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing. IFAC-PapersOnLine, 48 (3), 567–572.

15.  Myronova, N. O., Shaptala, S. V. (2022). Study of the use of digital twins technology for the implementation of simulation of a rescuer. Modern problems and achievements in the field of radio engineering, telecommunications and information technology: XI International scientific and practical conference, 12-14 December 2022: abstracts / Edited by D. M. Pisa. Electronic data. Zaporizhzhia: National University of Zaporizhzhia Polytechnic, 2022. pp. 87–89. (in Ukrainian)

References: 

1.     Grieves, M. (2014). Digital twin: manufacturing excellence through virtual factory replication. White paper, 1–7.

2.     Qi, Q., Tao, F., Hu, T., Anwer, N., Liu, A., Wei, Y., Wang, L. and Nee, A. (2021). Enabling technologies and tools for Digital Twin. Journal of Manufacturing Systems, 58, 3–21.

3.     Hassan, M., Svadling, M., Björsell, N. (2022). Experience from implementing digital twins for maintenance in industrial processes.

4.     Siciliano, B. & Khatib, O. (Eds.). (2016). Springer Handbook of Robotics. Springer International Publishing.

5.     Stallings, W. (2007). DATA AND COMPUTER COMMUNICATIONS, 8th edition.

6.     Schroeder, G. N., Steinmetz, C., Pereira, C. E., et al. (2016). Digital twin data modeling with automation and a communication methodology for data exchange. IFACPapersOnLine, 49 (30), 12–7.

7.     Tao, F., Cheng, J., Qi, Q., Zhang, M., Zhang, H., Sui, F. (2018). Digital twin-driven product design, manufacturing and service with big data. Int. J. Adv. Manuf. Technol., 94, 3563–3576.

8.     Wang, T., Li, J., Kong, Z., Liu, X., Snoussi, H., Lv, H. (2021). Digital twin improved via visual question answering for vision-language interactive mode in human-machine collaboration. J. Manuf. Syst., 58, 261–269.

9.     Ascone, C. & Vanderhaegen, F. (2022). Holistic framework for digital twins of human-machine systems. IFAC-PapersOnLine, 55(29), 67-72.

10.  Delbrügger, T., Meißner, M., Wirtz, A., Biermann, D., Myrzik, J., Rossmann, J., Wiederkehr, P. (2019). Multi-level simulation concept for multidisciplinary analysis and optimization of production systems. Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2019, 103, 3993–4012.

11.  Wang, X., Liang, C.J., Menassa, C., Kamat, V. (2020). Real-Time Process-Level Digital Twin for Collaborative Human-Robot Construction Work. In Proceedings of the 37th International Symposium on Automation and Robotics in Construction (ISARC), Kitakyushu, Japan, 28 October 2020.

12.  Bilberg, A., Malik, A. A. (2019). Digital twin driven human–robot collaborative assembly. CIRP Ann., 68, 499–502.

13.  Malik, A. A., Brem, A. (2021). Digital twins for collaborative robots: A case study in human-robot interaction. Robot. Comput.-Integr. Manuf., 68, 102092.

14.  Rosen, R., von Wichert, G., Lo, G., Bettenhausen, K. D. (2015). About the importance of autonomy and digital twins for the future of manufacturing. IFAC-PapersOnLine, 48 (3), 567–572.

15.  Myronova, N. O., Shaptala, S. V. (2022). Study of the use of digital twins technology for the implementation of simulation of a rescuer. Modern problems and achievements in the field of radio engineering, telecommunications and information technology: XI International scientific and practical conference, 12-14 December 2022: abstracts / Edited by D. M. Pisa. Electronic data. Zaporizhzhia: National University of Zaporizhzhia Polytechnic, 2022. pp. 87–89. (in Ukrainian)