Tesi di Laurea di: LUIGI LITTI

Indice

Introduzione

1. VR e AR: un nuovo modo di vedere l’industria
   1. Background
   1. Concetti di VR e AR
   1. Analisi della letteratura
   1. Sfide industriali nella manutenzione

• La Realtà Virtuale nella riparazione e manutenzione industriale
  • La realtà virtuale per migliorare le operazioni e la manutenzione
  • Struttura per un ambiente di manutenzione virtuale
  • Prototipazione virtuale per migliorare l’ambiente di manutenzione VR

• La Realtà Aumentata nella manutenzione: quadro di riferimento
  • Stato dell’arte
  • Vantaggi e sfide dell’utilizzo della AR per la MRO
  • Progetti ed equipment per la Realtà Aumentata doc

Conclusioni e sviluppi futuri Bibliografia e sitografia

INTRODUZIONE

Il settore della manutenzione si trova oggi ad affrontare sfide importanti. Sicurezza e disponibilità al minimo costo sono obiettivi impegnativi, a causa della crescente complessità, dell’allungamento del ciclo di vita e della dispersione geografica delle apparecchiature sottoposte a manutenzione. Pertanto, l’attenzione si è concentrata sui manutentori e sul supporto loro fornito durante le operazioni. In questo contesto competitivo, ottenere e utilizzare le informazioni è una sfida ricorrente per la manutenzione industriale

La maturità dei dispositivi di realtà aumentata e virtuale è cresciuta notevolmente negli ultimi tempi. Il progresso tecnico ha portato alla disponibilità di dispositivi di realtà aumentata (AR) e virtuale (VR) potenti e a prezzi ragionevoli per il mercato consumer. Inoltre, i dispositivi AR e VR hanno un grande potenziale anche per le applicazioni industriali.

Ad esempio, si sta cercando di implementare sistemi di supporto basati sulla AR per la formazione dei dipendenti, la manutenzione remota o i processi di ispezione e assemblaggio.

A causa dell’elevato grado di processi incentrati sui lavoratori, i sistemi di supporto

cognitivo nell’industria continueranno ad essere particolarmente importanti in futuro. Sebbene gli studi dimostrino che il potenziale delle tecnologie AR e VR è promettente, una valutazione a priori dei potenziali benefici per un processo industriale concreto è difficile.

La misurazione delle prestazioni, la diagnosi, la formazione o anche gli strumenti per facilitare lo sviluppo di applicazioni sono alcune di quelle su cui si sono concentrati gli sforzi di diversi studi.

Pertanto, AR e VR possono essere utili per molte situazioni nella manutenzione in cui gli utenti richiedono informazioni aggiuntive.

In questo lavoro presentiamo un quadro informativo che analizza i requisiti informativi per una completa integrazione si AR e VR nei sistemi di manutenzione industriale.

Esso aiuta a determinare il tipo di dati e informazioni da acquisire e visualizzare nei sistemi, nonché il modo in cui relazionarli con le informazioni di manutenzione esistenti.

Il documento è strutturato come segue. Il Capitolo 1 descrive un quadro generale in

ottica VR e AR e dà un’indicazione di quella che è l’analisi della letteratura. Il Capitolo 2 e il Capitolo 3 si focalizzano rispettivamente su VR e AR, evidenziandone benefici, sfide, dispositivi software e hardware utilizzati in ambito manutenzione. Infine, si traggono le conclusioni derivate e gli sviluppi futuri.

CAPITOLO I

1.                 VR e AR: un nuovo modo di vedere l’industria

1.1  Background

AR e VR fanno entrambe parte di un campo tecnologico più ampio chiamato realtà mista (MR).

La MR descrive diverse tecnologie che fondono il mondo fisico con quello digitale e si colloca tra gli estremi di ambienti completamente reali e virtuali (Fig. 1).

Inoltre, la visualizzazione MR produce stimoli visivi con un livello di somiglianza

maggiore con gli stimoli del mondo reale rispetto ai display standard.

Ciò consente all’utente di utilizzare le abilità apprese nel mondo reale, ad esempio il rilevamento di modelli significativi o il giudizio qualitativo.1

FIGURA 1 – CONTINUO DI REALTÀ MISTA2

Nel campo della risonanza magnetica esiste una varietà di dispositivi, come tablet AR, ambienti virtuali automatici in caverna (CAVE), display montati sulla testa (HMD) o proiettori AR.

Questi dispositivi di solito forniscono la visualizzazione della MR e altre funzionalità di base, in particolare per l’interazione con l’utente.

Inoltre, è possibile integrare controller tracciati, riconoscimento e tracciamento di oggetti (ad esempio le mani) o feedback aptico per supportare un’usabilità intuitiva. Combinando il miglioramento del controllo e della visualizzazione, la MR porta a un’interazione uomo-macchina ottimizzata.

Per quanto riguarda l’industria aeronautica ad esempio, i processi di ispezione e manutenzione sono caratterizzati da un’alta percentuale di fasi di lavoro manuali, da lotti di piccole dimensioni, da una grande varietà di componenti manipolati e da un notevole sforzo di documentazione in combinazione con la necessità di ridurre i tempi di ispezione e di ciclo.

La possibile applicazione di diverse tecnologie di risonanza magnetica come sistemi di supporto cognitivo, in particolare per la manutenzione, è stata studiata a fondo3.

Sebbene questi studi contribuiscano alla comprensione generale dell’applicazione delle tecnologie MR a livello industriale, è difficile determinare a priori il potenziale beneficio per un processo industriale concreto.

Elia et Al,4 hanno proposto un indicatore di performance per l’applicazione dei dispositivi AR nella produzione, basato su criteri tecnologici e organizzativi.

Questo strumento basato su esperti, tuttavia, consente solo uno studio di fattibilità e non una stima a priori dei potenziali.

Inoltre, lo strumento proposto non aiuta nel processo di selezione di uno specifico dispositivo MR.

È quindi inevitabile dettagliare ulteriormente le metodologie che supportano la stima dei

benefici potenziali quando si pianifica l’applicazione di tecnologie MR per un processo specifico, al fine di facilitare l’integrazione umana nei futuri processi di ispezione e manutenzione.

1.2  Concetti di V.R. e A.R.

Per stimare il potenziale dei sistemi MR per i processi di ispezione e manutenzione, proponiamo di classificare tutti i componenti coinvolti in tre gruppi: oggetto, modello e uomo.

• Gli oggetti sono tutti gli asset del mondo reale non umani (ad esempio, pezzi, strumenti e ambiente).
• Il modello contiene tutti gli asset virtuali (ad esempio, il modello del processo, la documentazione e i disegni di progetto).
• L’uomo è il lavoratore umano che deve essere supportato dal sistema di supporto.

Come descritto, la risonanza magnetica fornisce un’interfaccia migliorata tra i dati digitali e l’uomo, grazie a una visualizzazione e a controlli migliori.

Pertanto, proponiamo che il tempo e lo sforzo per l’interazione tra il modello e l’uomo possano essere utilizzati come misura del potenziale della MR.

Il tempo e l’impegno per queste interazioni sono distinti in tre livelli: basso, medio e alto.

L’interazione minima avviene quando non esiste un modello o esiste solo un modello rudimentale. In questo caso, l’interazione con il modello richiede poco o niente tempo.

Di conseguenza, si possono utilizzare strumenti standard. L’interazione di medio livello consiste in un flusso bidirezionale di dati del modello, che non è direttamente visibile sull’oggetto del mondo reale. Tuttavia, i dati sono in relazione diretta con il processo e di complessità relativamente bassa, in modo che un lavoratore esperto possa valutarli senza un sistema di supporto.

Pertanto, è importante prendere in considerazione anche le interazioni che non si verificano immediatamente durante il processo, ma che sono avvenute in precedenza (ad esempio, la formazione o l’apprendimento continuo di una sequenza di lavoro).

Il livello più alto di interazione con il modello è assegnato ai processi in cui il modello contiene informazioni essenziali che non possono essere sostituite dall’esperienza o da una formazione aggiuntiva.

Poiché le diverse tecnologie MR sono classificate in base al grado di realtà che consentono e al grado di virtualità che possono mostrare, l’idoneità delle diverse tecnologie MR può essere determinata analizzando l’interazione tra uomo e oggetto.

Analogamente al modello di interazione, proponiamo la distinzione di tre livelli: poca,

media e alta interazione.

• Poca interazione significa che non c’è alcun cambiamento nello stato fisico dell’oggetto stesso e che avvengono solo osservazioni (flusso di dati unidirezionale).
• Il livello medio contiene processi in cui lo stato fisico dell’oggetto viene

modificato tra stati predefiniti.

• Di conseguenza, la modifica dell’oggetto in stati precedentemente non definiti implica un alto livello di interazione tra l’uomo e l’oggetto.

Come mostrato nella Fig. 2, il potenziale di una tecnologia caratterizzata da un alto grado di realtà (AR) aumenta con un maggiore sforzo di interazione con l’oggetto.

Con un’interazione minima  o nulla tra l’uomo e l’oggetto, il potenziale  dell’AR

sostanzialmente non esiste.

Allo stesso tempo, il potenziale di una tecnologia caratterizzata da un alto grado di virtualità (VR) diminuisce con l’aumento dello sforzo necessario per l’interazione con l’oggetto.

Se è necessaria una forte interazione con beni del mondo reale non umani, la tecnologia VR non è adatta.

In questo caso, lo sforzo non descrive solo la complessità temporale o la quantità

dell’interazione, ma anche la qualità della rappresentazione richiesta per l’esecuzione del processo.

Ad esempio, un display video che vede attraverso, che limita la visione dell’oggetto, non è adatto per un compito per il quale sono necessari tutti gli stimoli del mondo reale.

In alcuni casi, il potenziale di utilizzo della risonanza magnetica può essere ulteriormente

aumentato arricchendo il modello con dati aggiuntivi, ad esempio provenienti da sensori supplementari.

Questo può accadere quando l’estensione del modello consente l’implementazione di funzioni di supporto che sostituiscono o accelerano notevolmente un’interazione esistente con l’oggetto.

Figura 2 – Potenziale di AR e VR in funzione degli sforzi per l’interazione tra uomo e modello e tra uomo e oggetto.

1. Analisi della letteratura

Dopo aver analizzato il database, andiamo nel dettaglio con il numero di pubblicazioni anno per anno per avere un quadro generale sull’evoluzione dei campi AR e VR.

I dati sono stati ottenuti tramite Google Scholar, e il periodo di riferimento parte dal 2000.

Come si può vedere nella Tabella 1 e nella Figura 3, al giorno d’oggi la popolarità di questo campo è minore rispetto al passato: ciò è forse influenzato dal basso costo della tecnologia che ha reso possibile lavorare con l’AR negli smartphone di fascia media e nelle cuffie VR, per cui queste tecnologie sono passate dai laboratori all’industria e, infine, alla gente.

Figura 3 – Evoluzione delle pubblicazioni

Per rafforzare questa ipotesi, si può verificare l’hype cycle di Gartner5; questo hype cycle è noto per stimare le tecnologie emergenti e il momento in cui queste tecnologie saranno in produzione.

L’hype cycle di Gartner rappresenta l’evoluzione dell’interesse per determinate tecnologie, classificandole in cinque fasi durante il loro ciclo di interesse (nell’ordine):

• Innesco della tecnologia: la tecnologia sta iniziando.
• Picco di aspettative gonfiate: le aziende iniziano a fare pubblicazioni con successi e fallimenti.
• Fondo di disillusione: la maggior parte degli esperimenti e delle implementazioni fallisce.
• Pendenza dell’illuminazione: compaiono le seconde o terze generazioni della tecnologia.
• Altopiano della produttività: la tecnologia è ormai mainstream.

TABELLA 1 – EVOLUZIONE DELLE PUBBLICAZIONI

L’evoluzione dell’hype cycle di Gartner per le tecnologie di realtà virtuale e realtà aumentata può essere osservata dall’anno 2000 a oggi nella Figura 4.

In questa figura, l’asse “x” rappresenta l’anno e l’asse “y” rappresenta la fase dell’hype

cycle di Gartner in cui si colloca la tecnologia. La posizione su questo asse è legata all’importanza all’interno dell’hype cycle di Gartner.

Figura 4 – Evoluzione delle tecnologie di realtà aumentata (AR) e realtà virtuale (VR) nel ciclo dell’hype.

Come si può osservare nella Figura 4, la prima apparizione della realtà aumentata nell’hype cycle di Gartner risale al 2005.

Questa tecnologia entra nella sezione “Technology trigger” della curva fino al 2010, quando raggiunge la sezione “Peak of inflated expectation”.

Dal 2013 al 2018 la realtà aumentata si colloca nella sezione “Depressione della disillusione”.

Infine, nel 2019, si trova nuovamente nella sezione “Innesco tecnologico”, ma con l’aggiunta del termine “Cloud”.

Questa evoluzione indica che, tra il 2010 e il 2012, era un argomento molto popolare e, dopo quegli anni, la sua importanza è diminuita.

Tuttavia,  attualmente,  questa  tecnologia  è  tornata  a  essere  interessante  grazie

all’inclusione delle tecnologie cloud, che consentono l’elaborazione nella nuvola e offrono facilità d’uso all’utente finale.

Le tecnologie di realtà virtuale appaiono in modi diversi all’interno dell’hype cycle di Gartner, e tutti questi termini correlati sono stati presi in considerazione per mostrarne l’evoluzione nella Figura 4.

In un primo momento, si può trovare come “Head mounted display” all’interno della sezione “Technology trigger” nel 2001.

La sua successiva apparizione è nel 2007 con il termine “Virtual environment/Virtual worlds” nella sezione “Peak of inflated expectation”, dove rimane fino al 2012.

Dopo quest’anno, il termine cambia sezione: nel 2013, compare nella fase “Depressione della disillusione”.

È importante osservare che, dal 2013 al 2016, compare come termine “Realtà virtuale”.

Infine, nel 2016, raggiunge la fase “Pendenza dell’illuminazione”. La realtà virtuale scompare dal ciclo dell’hype nel 2018, quindi può essere considerata in fase di produzione.

Riassumendo questo primo studio, dopo l’anno 2013, entrambe le tecnologie iniziano una fase di decadenza fino al 2019, quando entrambe quasi scompaiono dall’hype cycle di Gartner.

Tuttavia, l’AR sta avendo una nuova vita come “AR cloud”, che è un nuovo paradigma

che utilizza le tecnologie cloud con le opere di realtà aumentata, ed è importante concentrarsi anche su questo.

Con queste informazioni, non dobbiamo aspettarci che la realtà virtuale aumenti la sua importanza nei prossimi anni; tuttavia, la tendenza dell’AR descrive un nuovo inizio con

l’inclusione delle tecnologie cloud, quindi dobbiamo aspettarci un importante aumento dei lavori e delle referenze in questo campo nei prossimi anni.

I dati numerici relativi al numero totale di pubblicazioni in questi anni sono mostrati nella Tabella 1.

I dati presentati nella Tabella 1 sono rappresentati graficamente nella Figura 3.

In entrambe le rappresentazioni, è importante osservare la tendenza rilevata nell’hype cycle di Gartner per AR e VR: i lavori relativi a entrambe le tecnologie stanno diminuendo negli ultimi anni.

Nel ciclo dell’hype di Gartner, la fase di decadenza è iniziata nel 2013-2014 e le sue conseguenze si osservano nei lavori e nelle citazioni quattro anni dopo.

A causa di questa relazione, esiste la possibilità concreta che, nei prossimi 3-4 anni, si

verifichi un aumento del numero di lavori e pubblicazioni relativi alla realtà aumentata a causa della maggiore importanza dell’AR dovuta alle tecnologie cloud.

1.4              Sfide industriali nella manutenzione

Per definire correttamente le operazioni di manutenzione, è stato necessario impegnarsi in questa ricerca. Sono state quindi condotte quattro interviste di un’ora per scoprire le principali sfide della manutenzione con due esperti di manutenzione e due tecnici, che avevano un’esperienza media di 20 anni nel settore della manutenzione militare.

Sono state condotte interviste semi-strutturate con gli attuali manutentori ed esperti di manutenzione per discutere le sfide riscontrate nei processi di manutenzione e le loro cause principali.

La collaborazione ha portato all’identificazione delle sfide principali di questi processi in cui l’AR potrebbe essere d’aiuto.

La Figura 3 presenta le sfide della manutenzione riconosciute, le loro conseguenze e le loro cause principali o fattori scatenanti.

Figura 5 – Problemi di manutenzione, conseguenze e cause principali rilevate nelle operazioni dei manutentori.

Le principali sfide identificate sono tutte legate alle attività/operazioni di manutenzione (riparazione o diagnosi).

Inoltre, guardando ai fattori scatenanti, si può notare che l’attuale supporto fornito ai

tecnici non è sempre sufficiente per i compiti complessi che svolgono.

Tuttavia, se gli errori aumentano continuamente e le prestazioni diminuiscono (conseguenze), significa che gli strumenti di miglioramento continuo non sono utilizzati né esistono.

Da un punto di vista dei dati, le conclusioni estratte dalla figura sono riassunte nel seguente elenco:

• La diagnosi e la manutenzione sono i processi considerati dai manutentori. Tuttavia, non sono stati segnalati processi che considerassero anche la misurazione delle loro prestazioni in tali processi. Pertanto, anche l’analisi delle prestazioni dovrebbe essere considerata un processo da includere nella manutenzione.
• Le informazioni di supporto fornite non sono fornite in modo corretto (né visive né sufficientemente adattate) e quindi i tecnici non sono in grado di interpretarle correttamente.
• Le informazioni che possono essere acquisite dai processi di manutenzione non vengono gestite o analizzate correttamente per migliorarne le prestazioni (attraverso cicli di miglioramento continuo).

Sia quando le informazioni devono essere visualizzate dai tecnici, sia quando devono essere acquisite per l’analisi delle prestazioni, le conclusioni individuate in questa ricerca hanno portato a descrivere le informazioni necessarie per supportare ogni tipo di processo di manutenzione utilizzando l’AR e la VR.

CAPITOLO II

2.                 La Realtà Virtuale nella riparazione e manutenzione industriale

La tecnica della realtà virtuale è generalmente considerata un’estensione naturale della computer grafica 3D. Questa tecnica è maturata abbastanza da garantire applicazioni industriali efficaci.

La tecnica della realtà virtuale (VR), con sistemi software aggiornati, supporta diverse applicazioni industriali come la progettazione, l’ingegneria, la produzione, le operazioni e la manutenzione. L’integrazione tra realtà virtuale e operazioni industriali fornisce il supporto necessario per sviluppare sistemi di produzione efficienti dal punto di vista dei costi con una sofisticata gestione della manutenzione.

L’interesse per la reingegnerizzazione dei processi aziendali è in crescita, con l’obiettivo

di superare i problemi e le carenze dell’industria manifatturiera. Per affrontare i problemi del business odierno, come l’integrazione nei mercati internazionali, la complessità dei prodotti, il numero crescente di varianti di prodotto, la riduzione dei tempi e dei costi di sviluppo del prodotto, ecc.

Per competere con il mercato globale le aziende devono sviluppare prodotti o servizi facilmente riparabili. Questa esigenza può essere soddisfatta da una corretta ed efficiente manutenzione.

La manutenzione è una parte importante del ciclo di vita del prodotto. In senso stretto, la manutenzione comprende la rimozione dei componenti difettosi del sistema e la loro sostituzione o riparazione.

Nel lavoro di manutenzione, l’affidabilità e la fiducia di un ingegnere sono fondamentali per un sistema di manutenzione efficace. Pertanto, la formazione adeguata dei tecnici di manutenzione è stata identificata come la tecnica fondamentale per migliorare la qualità e l’affidabilità del lavoro di manutenzione.

Nel corso degli anni, i ricercatori hanno proposto diversi approcci alle attività di manutenzione. Uno di questi è considerato la “realtà virtuale” come metodo per fornire la manutenzione industriale.

Questo approccio  VR impiega  un ambiente generato al computer per simulare

l’interazione con il sistema reale. Con il sistema VR si possono integrare diverse tecnologie con l’obiettivo di consentire agli utenti di interagire con lo scenario virtuale in modo multisensoriale.

Il sistema VR offre una serie di vantaggi rispetto all’apprendimento e alla formazione tradizionali. Fornisce una formazione secondo l’approccio learning-by-doing.

La VR è stata ampiamente applicata a problemi non banali del mondo reale. Esistono diversi strumenti commerciali di ingegneria 3D per il mock-up digitale, ma tutti mancano di una cosa: la manipolazione diretta e intuitiva del mock-up digitale da parte dell’uomo. Pertanto, gli strumenti di progettazione 3D disponibili in commercio sono intrinsecamente inferiori alla VR per applicazioni specifiche.

La tecnica della VR come strumento ha già iniziato a essere utilizzata di routine in diversi settori di attività. È ampiamente utilizzata nelle revisioni stilistiche e progettuali nella fase concettuale dello sviluppo del prodotto, ma non è stata utilizzata in modo elaborato ed efficiente nelle operazioni e nella manutenzione dei prodotti.

I processi di sviluppo dei prodotti devono essere più sistematici per essere efficienti ed economicamente competitivi.

Il progresso della tecnologia informatica contribuisce al passaggio dalla produzione di massa alla produzione di una varietà di prodotti in piccole quantità.

Oggi i clienti hanno bisogno soprattutto di prodotti unici, in grado di soddisfare

facilmente le esigenze di un singolo cliente.

Per soddisfare tali esigenze, la tecnica della VR può essere impiegata con successo. L’applicazione della tecnica della realtà virtuale può essere utile per simulare e migliorare i processi di sviluppo del prodotto prima che vengano effettivamente eseguiti nell’ambiente di produzione reale.

Questa tecnica garantisce che le attività di sviluppo del prodotto, come la progettazione, la pianificazione, la lavorazione, ecc. siano eseguite con largo anticipo, senza la necessità di modifiche e rilavorazioni successive.

La ricerca sull’applicazione della VR è un’area in forte e rapida crescita. Si tratta di una tecnologia ben nota e attualmente in fase di studio per l’utilizzo pratico in diverse applicazioni industriali. L’applicazione della VR nei processi produttivi e nello sviluppo

di prodotti e processi può portare a tempi di sviluppo più brevi, con costi ridotti e una migliore qualità.

L’obiettivo della VR è creare un sistema perfetto come il mondo reale, se non migliore e più efficiente. Il concetto di produzione virtuale si è evoluto dalla VR, che ha cambiato notevolmente le industrie manifatturiere tradizionali.

La tecnica della VR consente ai clienti di esaminare un progetto e di apportare modifiche nella fase iniziale del processo di sviluppo del prodotto.

Oltre alla progettazione, alla prototipazione e alla pianificazione del layout, la tecnica VR

si applica alle teleoperazioni, alla formazione degli operatori e all’intrattenimento6. Questa tecnologia offre un mezzo economicamente vantaggioso per sostenere lo sviluppo delle competenze umane e la formazione in vari campi, dall’ingegneria automobilistica alla difesa, dalla chirurgia all’istruzione, dalla vendita al dettaglio all’esplorazione petrolchimica, dal patrimonio alla micro-robotica.

Le applicazioni della VR in ambito industriale sono presenti nella letteratura degli ultimi decenni.

Ad esempio, la VR è stata applicata con successo nell’industria automobilistica, nei videogiochi, nelle scienze della salute, nell’istruzione e nella formazione, ecc.7

Sebbene in letteratura sia stata trovata una vasta quantità di ricerche sulle applicazioni

della VR in campi multidirezionali, tuttavia, sono stati trovati lavori molto limitati nel campo della manutenzione e della formazione operativa.

2.1            La realtà virtuale per migliorare le operazioni e la manutenzione

Le operazioni e la manutenzione virtuali richiedono l’integrazione di più domini ed è importante sincronizzare le tecnologie correlate per consentire le applicazioni industriali della manutenzione virtuale.

Si prevede che il sistema VR convergerà come nuovo sistema di manutenzione in un

ambiente di produzione virtuale. Questo ambiente virtuale consentirà al manutentore di effettuare virtualmente la manutenzione del prodotto per renderlo operativo.

Il sistema di manutenzione virtuale offre una formazione e un apprendimento pertinenti all’ingegnere di manutenzione in modo facile e flessibile.

La VR è definita come l’uso di ambienti virtuali generati dal computer e dei relativi sistemi hardware e software per fornire all’utente l’illusione della presenza fisica all’interno di quell’ambiente.

Le tecnologie VR che consentono operazioni e manutenzione virtuali non sono ancora pienamente utilizzate dall’industria.

Sebbene la VR sia in rapida crescita, non è ancora del tutto compresa nelle sue

applicazioni all’interno delle industrie manifatturiere.

È considerata una componente chiave della produzione virtuale, in cui l’uso di strumenti informatici assiste le soluzioni ingegneristiche relative alla manutenzione attraverso l’analisi, la visualizzazione e la presentazione di attività senza la realizzazione fisica dei processi di supporto.

La manutenzione virtuale (VM) è assistita da diverse tecnologie, come la visualizzazione avanzata, la simulazione, la teoria delle decisioni, le procedure di manutenzione e lo sviluppo delle attrezzature di manutenzione.

Come già detto, le tecnologie di manutenzione virtuale attraversano diversi domini e strutture tecniche. Queste tecnologie devono essere sincronizzate per supportare in modo efficiente la manutenzione virtuale.

La funzionalità e l’accettazione della VM dipendono principalmente dai seguenti aspetti:

• In che modo le attività di manutenzione virtuale consentono al manutentore corrispondente di ottenere una visione coesa dei problemi di manutenzione?
• In che modo le attività di manutenzione virtuale supportano il corrispondente

manutentore nel processo decisionale?

• Come le tecnologie di supporto possono essere implementate con successo per le esigenze reali di manutenzione meccanica?
• In che modo il sistema sviluppato può essere utilizzato in modo efficiente e confortevole dai tecnici della manutenzione per svolgere i compiti pertinenti?

È importante che i progettisti analizzino a fondo la producibilità e la manutenibilità dei nuovi prodotti durante la fase iniziale di progettazione, per evitare costi di sviluppo elevati.

Questa realizzazione progettuale aiuta l’utente ad avere un’elevata fiducia nel sistema di

manutenzione virtuale.

Con lo sviluppo della manutenzione virtuale, è necessario sfruttare le conoscenze e le informazioni per mappare le descrizioni VR e CAD in piani di manutenzione.

Questo modello astratto di manutenzione contiene informazioni sufficienti sulla

manutenzione, come la sequenza dei componenti, i dati delle caratteristiche, le traiettorie di manutenzione, l’orientamento dei componenti e i dati di tolleranza per supportare le decisioni nella selezione del processo di manutenzione e consentire una definizione più dettagliata del processo.

2.2                Struttura per un ambiente di manutenzione virtuale

Il quadro di riferimento necessario per creare un ambiente di manutenzione virtuale può essere delineato come nella Figura 6.

Si nota che il framework è composto da cinque livelli:

1. il livello del database
   1. il livello del modello dei dati del prodotto e della gestione
   1. il livello delle risorse e della manutenzione
   1. il livello del sistema di realtà virtuale
   1. il livello del monitoraggio e della valutazione.

Ogni livello contiene il proprio significato e le proprie caratteristiche.

Livello del database

Il livello di database è costituito da vari database necessari per l’esecuzione dell’ambiente di manutenzione virtuale. Questo livello può contenere database critici

come il modello CAD, il modello del prodotto, i dati di simulazione, i dati tecnici/la base di conoscenze e altri dati rilevanti. Ciascun modello di dati ha un proprio contenuto e significato. Ad esempio, il modello CAD contiene informazioni dettagliate relative alla progettazione di un prodotto, tra cui dimensioni, caratteristiche 2D o 3D, ecc.

Livello del modello dei dati del prodotto e della gestione

Nel modello di dati del prodotto e nel livello di gestione, tutti i database vengono memorizzati e recuperati in base alle necessità. Tutti questi dati possono essere convertiti, ridotti e preparati per essere utilizzati nel sistema di manutenzione VR. I d ati memorizzati in questo livello mantengono anche i dati amministrativi insieme ad altri dati rilevanti.

Livello delle risorse e della manutenzione

Nel terzo livello vengono memorizzate le informazioni rilevanti sulle attività di manutenzione.

In questo livello sono presenti tre diversi moduli: attività di manutenzione e programmazione, conoscenza della manutenzione e gestione delle risorse.

Questo livello gestisce le attività di riparazione e manutenzione dell’ambiente di manutenzione virtuale. Mantiene la programmazione delle attività di manutenzione, memorizza le conoscenze sulla manutenzione e organizza le risorse necessarie (personale, strumenti, attrezzature, ecc.) per eseguire le attività di riparazione e manutenzione in modo efficiente.

FIGURA 6 – STRUTTURA PER UN AMBIENTE DI MANUTENZIONE VIRTUALE8

Livello del sistema di realtà virtuale

Il quarto livello, noto come sistema di realtà virtuale, esegue il sistema di realtà virtuale di base, che è considerato la spina dorsale delle attività di manutenzione virtuale.

In questo livello, è necessario un modello ingegneristico del prodotto previsto, che includa la geometria, la fisica e i dati quantitativi o qualitativi del prodotto reale. Attraverso questo livello, l’utente sarà in grado di camminare virtualmente attraverso il sistema operativo e di rispondere a qualsiasi cambiamento nella progettazione, nel funzionamento o in qualsiasi altra modifica necessaria del prodotto.

Livello del monitoraggio e della valutazione

Il livello finale è responsabile del monitoraggio e della valutazione complessiva dell’ambiente di manutenzione virtuale.

Da questo livello viene monitorato l’avanzamento dei lavori di manutenzione e i relativi

colli di bottiglia o difficoltà. In caso di anomalie, questo livello interagisce con il sistema di realtà virtuale per superare i problemi associati.

Il framework qui evidenziato può essere utile per formare e gestire qualsiasi formato di attività di manutenzione eseguita virtualmente.

Questo framework supporta le aziende manifatturiere colmando il divario di comunicazione tra le attività operative. Integra l’intera pipeline di dati dai sistemi CAD al sistema VR per le attività di manutenzione necessarie.

Inoltre, questo framework trasporta i dati necessari dal modello di dati del prodotto e dal sistema di gestione.

2.3                Prototipazione virtuale per migliorare l’ambiente di manutenzione VR

Per promuovere l’ambiente di manutenzione VR è essenziale sviluppare un prototipo.

Creando il prototipo del prodotto o del processo, è possibile ridurre il lavoro di manutenzione virtuale con largo anticipo.

Tuttavia, la costruzione del prototipo spesso richiede molto tempo ed è anche costosa. Inoltre, questo prototipo non sempre offre materiale e funzionalità dinamiche sufficienti per il processo di test e validazione.

L’obiettivo fondamentale della prototipazione virtuale è quello di sostituire un prodotto o un processo utilizzando i dati CAD del prodotto o del processo in combinazione con gli strumenti di realtà virtuale disponibili.

Questo prototipo virtuale rappresenta, almeno in parte, il prototipo fisico. Il prototipo virtuale offre ulteriori vantaggi alle aziende. Fornisce un prodotto o un processo simulato che può essere riprodotto rapidamente e modificato facilmente in base alle esigenze.

In generale, utilizzando sistemi di simulazione si valutano i progetti di prodotti o processi.

Tuttavia, nella maggior parte dei casi si ricorre ancora alla prototipazione fisica o ai

mock-up.

Nel caso della prototipazione virtuale, si utilizza la tecnica della realtà virtuale per presentare i dati digitali in modo realistico e manipolarli in modo intuitivo.

I principali requisiti funzionali della prototipazione virtuale sono quelli di fornire un ambiente di manutenzione virtuale in 3D.

La Figura 7 mostra lo schema generale di un ambiente di manutenzione basato sulla VR.

Figura 7 – Schema di un ambiente basato sulla VR

Dalla Figura 7, si nota che l’ambiente di manutenzione basato sulla VR è composto da quattro fasi:

1. il modello digitale del prodotto
   1. l’ambiente virtuale
   1. l’interfaccia di realtà virtuale
   1. l’interfaccia utente.

Ciascuna delle fasi contiene i propri compiti. Ad esempio, il modello digitale del prodotto contiene compiti di progettazione e concettualizzazione, progettazione parametrica, modello CAD e configurabilità, mentre la fase dell’ambiente virtuale contiene il modello di simulazione, la modellazione geometrica, la pianificazione e la programmazione della manutenzione.

Allo stesso modo, l’interfaccia di realtà virtuale è composta da compiti come mockup fisico, ambiente in tempo reale, visualizzazione VR e piattaforma di manutenzione, mentre la fase dell’interfaccia utente contiene compiti di visualizzazione, interfaccia grafica, presentazione e interazione.

Il sistema di manutenzione VR può essere definito come un sistema implementato per affrontare uno scenario di manutenzione specifico, rappresentativo dei problemi reali di un impianto di manutenzione industriale.

È costituito da hardware e software di realtà virtuale, che consentono al progettista di immergersi nell’ambiente.

Questo sistema fornisce all’ingegnere di manutenzione una grafica stereoscopica di alta qualità utilizzando un display montato sulla testa.

Il movimento della testa è monitorato e controllato da dispositivi di posizionamento elettromagnetici che consentono automaticamente all’utente di guardarsi intorno.

I movimenti della testa sono seguiti dalle mani dell’utente con l’aiuto di ulteriori

dispositivi di posizionamento.

Questi movimenti vengono utilizzati per creare e manipolare un modello con le mani nell’ambiente virtuale.

Per monitorare il movimento delle dita e del polso, l’utente utilizza un guanto

strumentato.

Il personale addetto alla manutenzione potrà utilizzare questo ambiente di manutenzione virtuale per selezionare la sequenza di manutenzione ottimale, valutare le tolleranze richieste, creare piani di manutenzione e visualizzare i risultati.

Creazione dell’ambiente virtuale

Fino agli ultimi anni, le sfide per gli occhiali VR sono state le questioni mediche legate agli effetti sugli occhi e sulla testa degli esseri umani. Inoltre, per avvicinarsi al mondo della realtà virtuale sono mancati metodi adeguati.

Oggi sono disponibili sul mercato diverse opzioni ragionevoli dal punto di vista commerciale.

Ad esempio, HTC VIVE e Oculus Rift sono arrivati sul mercato nell’estate del 2016. Allo stesso tempo, i principali motori di gioco sono diventati compatibili con gli occhiali VR.

Naturalmente, le principali soluzioni software per gli occhiali provengono dall’industria dei videogiochi.

Anche gli strumenti di progettazione manifatturiera si sono sviluppati per supportare la VR.

Il supporto per la VR in ABB Robot Studio9 è stato rilasciato nell’estate del 2017 e anche il software Visual Components10 utilizzabile per l’ambiente VR è stato rilasciato dalla società ABB al suo rilascio anticipato per la VR.

Il modo più conveniente per costruire i modelli iniziali per le demo VR di fabbrica è utilizzare i motori di gioco come Real Engine di Unity.

I modelli 3D possono essere importati dagli strumenti di progettazione 3D e il layout della fabbrica può essere costruito utilizzando i motori di gioco.

Calibrazione dello spazio virtuale

Una volta che l’utente utilizza gli occhiali VR, è necessario allocare uno spazio libero per i movimenti brevi.

Per gli spostamenti più lunghi, l’utente utilizza il teletrasporto per raggiungere i dispositivi di servizio nel mondo virtuale. Una volta che l’utente è abbastanza vicino all’area specifica all’interno dello spazio libero, la messa a punto dei movimenti dell’utente viene effettuata camminando.

HTC VIVE11 utilizza due fari con tecnologia laser per posizionare l’utente e i controller remoti nel mondo virtuale.

Gli occhiali coprono tutta la visuale, ma l’utente può utilizzare la telecamera frontale che gli consente di monitorare l’ambiente circostante senza rimuovere le cuffie.

CAPITOLO III

3.                  La Realtà Aumentata nella manutenzione: quadro di riferimento

Esistono diverse tecnologie e strumenti che possono contribuire a migliorare in modo significativo il settore della manutenzione, come l’analisi dell’olio, della termografia e delle vibrazioni.

Questi strumenti oncologici, insieme ai sistemi di gestione della manutenzione computerizzati (CMMS), aiutano a prevenire i malfunzionamenti e a diagnosticarne la causa.

Durante un intervento, un tecnico può essere supportato da liste di controllo, manuali tecnici o strumenti che simulano le apparecchiature in un ambiente virtuale per evitare errori e mostrare come procedere.

Tuttavia, i tecnici devono visualizzare le istruzioni su supporti specifici e identificare i componenti di destinazione nell’ambiente reale.

Con la Realtà Aumentata (AR) le istruzioni possono essere fornite automaticamente sullo scenario reale e l’attenzione del tecnico viene mantenuta sull’apparecchiatura. Un sistema AR deve essere anche interattivo, il che significa che i tecnici possono richiedere ulteriori informazioni su componenti e procedure e compilare rapporti

attraverso un’interazione intuitiva uomo-macchina che può essere ottenuta tramite gesti o riconoscimento vocale.

Al giorno d’oggi, l’AR è una tendenza nel mercato consumer, ma per il settore industriale, soprattutto quello della manutenzione, rappresenta una richiesta e un’aspettativa elevata, a causa dei requisiti e dei costi in calo in questi settori.

Il concetto di AR proviene dall’industria aeronautica negli anni Novanta. Esistono

diverse definizioni di AR, ma due sono più significative:

• Azuma dice che un sistema per essere considerato un sistema AR dovrebbe soddisfare tre requisiti (combina reale e virtuale; interattivo in tempo reale; registrato in 3D);12
• Milgram individua l’AR su un diagramma tra ambiente reale e Realtà Virtuale

(VR) che rappresenta la testa di questo diagramma, in cui è inclusa anche l’AR all’interno della Realtà Mista (MR).13

Secondo i recenti sviluppi e con l’obiettivo di evitare fraintendimenti sul concetto di AR, questa può essere definita utilizzando una combinazione di entrambi i concetti, ovvero un ambiente prevalentemente reale arricchito da caratteristiche virtuali in cui è possibile interagire con lo scenario AR.

L’AR può essere sperimentata direttamente con un proiettore di immagini che proietta elementi virtuali sull’ambiente reale o con un display ottico see-through montato sulla testa, dove le parti virtuali sono mostrate su schermi traslucidi.

In alternativa, i metodi indiretti riproducono su schermi non solo le caratteristiche virtuali ma anche l’ambiente reale, come nel caso di tablet, smartphone, monitor di computer e schermi video see-through montati sulla testa, solitamente utilizzati per la realtà virtuale.

Le apparecchiature stanno diventando sempre più complesse, il che impone nuovi limiti alla manutenzione e garantisce i migliori livelli di affidabilità delle apparecchiature, il che implica la necessità di dotare il settore della manutenzione di strumenti sofisticati. La tendenza è quella di aumentare il livello di integrazione tra i sistemi all’interno delle organizzazioni. In questa situazione significa integrare i CMMS con moduli di manutenzione predittiva on condition, con sistemi esperti, con sistemi informativi geografici, con modelli 3D di asset tecnici e con moduli AR.

3.1  Stato dell’arte

Al giorno d’oggi, esistono numerosi pacchetti software e strumenti che consentono di creare applicazioni AR e VR.

Secondo la letteratura14, esistono tre possibili tipi di combinazioni di realtà: Realtà

aumentata, Virtualità aumentata (AV) e Realtà virtuale.

La prima è l’integrazione di oggetti virtuali nella vita reale grazie a dispositivi head mounted trasparenti. Questa tecnologia permette di interagire tra due mondi combinando ciò che è reale e ciò che non lo è, dando così una percezione più dettagliata della realtà.

La seconda si basa sulla fusione di oggetti reali in un ambiente virtuale.

Infine, la Realtà Virtuale è un mondo completamente digitalizzato, in cui l’osservatore si trova in prima persona in un ambiente completamente virtuale popolato da dispositivi digitali che non vengono percepiti dall’utente finale.

La VR richiede l’uso di dispositivi immersivi, come gli HMD o Oculus Rift e

Playstation VR.

In questo quadro, la definizione di “Mixed Reality” riguarda il rapporto tra reale e virtuale.

Il ponte che collega reale e virtuale è popolato da tecnologie di Mixed Reality che sono

in grado di fondere contenuti virtuali nel mondo reale o viceversa.

Un contributo importante a questo tema è rappresentato dal lavoro seminale di Paul Milgram et al.15 che descrive il “Continuum Realtà-Virtualità”.

Questo continuum va dall’ambiente reale all’ambiente completamente virtuale: La Realtà Aumentata e la Virtualità Aumentata possono essere considerate fasi intermedie tra i limiti esterni.

Accorciare questo ponte significa ottenere la migliore esperienza immersiva, in modo da ottenere risultati ottimali quando l’utente finale non percepisce alcuna differenza tra reale e virtuale.

Le due sottosezioni seguenti descriveranno, in modo più dettagliato, gli aspetti relativi a strumenti software e dispositivi hardware sviluppati per supportare l’AR.

Rassegna di software per la realtà aumentata

Esistono molte librerie dedicate alla realtà virtuale e aumentata: un confronto dettagliato tra i vari Software Development Kit (SDK) viene fatto da Amin et Al. nel loro lavoro16. Sono disponibili sul mercato strumenti basati su marcatori, come ARToolkit, che sfruttano marcatori bianchi e neri per recuperare l’orientamento della telecamera utilizzata per inquadrare il mondo esterno e per riferirsi correttamente ai diversi sistemi di riferimento (telecamera, marcatore, oggetto) necessari per implementare la AR.

Il mercato offre altri programmi, come Vuforia, che consentono di utilizzare tecnologie più avanzate come la strategia AR senza marker. In quest’ultimo caso, non è necessario utilizzare un marker predefinito, ma viene sfruttata la scena esterna stessa per rilevare l’orientamento e la posizione della telecamera.

Questa libreria è in grado di riconoscere pattern su oggetti reali 2D (image tracking) e 3D (object tracking), trasformandoli in un marker e offrendo all’utente finale una maggiore flessibilità.

Nella Figura 8 viene presentato un esempio di utilizzo di Vuforia per sviluppare un’applicazione AR, in cui le immagini virtuali sono riferite a un dispositivo di controllo reale sfruttando la tecnologia marker-less.

Ad esempio, nelle applicazioni di manutenzione l’oggetto da manutenere può essere usato esso stesso come marcatore, evitando la necessità di marcatori o altri dispositivi di tracciamento ingombranti per supportare l’AR: questo approccio è essenziale per trasformare l’AR da una curiosità da laboratorio a uno strumento flessibile, utilizzabile in applicazioni industriali reali.

Figura 8 – Applicazione del Design for Disassembly sviluppato all’Università di Bologna

Recentemente sono stati rilasciati importanti strumenti con il nome commerciale di ARCore e ARkit, rispettivamente da Google e Apple. Entrambi gli strumenti tracciano l’ambiente utilizzando il dispositivo webcam.

Il primo, sviluppato dal cosiddetto “Project Tango”, funziona sui dispositivi Google

Pixel e, oggi, anche su altri dispositivi di alta gamma.

A differenza di ARCore, ARkit funziona solo con dispositivi iOS (sistema operativo iPhone).

Questi strumenti sono in grado di ancorare gli ologrammi ad ambienti mappati

orizzontalmente (i recenti aggiornamenti stanno studiando la possibilità di lavorare anche con piani verticali) e possono renderizzare oggetti 3D come ombre.

Le librerie di elaborazione delle immagini, come OpenCV, sono essenziali: questo tipo

di strumento può acquisire immagini da webcam e applicare filtri e algoritmi matematici per il riconoscimento di pattern, che rappresentano la base del tracciamento delle immagini.

Vale la pena citare Unity e Unreal Engine, pacchetti software in grado di gestire tutte queste librerie di analisi delle immagini in modo semplice.

Unreal Engine è relativamente nuovo nel mondo AR/VR, mentre gli sviluppatori di Unity sono più esperti nello sviluppo di strumenti di integrazione efficaci ed efficienti. In questo contesto, Unity può essere considerato come un contenitore che offre allo sperimentatore la possibilità di utilizzare molti codici allo stesso tempo e di creare la

scena finale che verrà eseguita dall’applicazione AR. Questo software può compilare applicazioni per molte piattaforme diverse: da Windows a Mac OS, ma anche Linux, IOS e Android.

Il punto di forza, e allo stesso tempo la principale debolezza di questo programma, è che

è stato originariamente concepito per applicazioni di computer grafica di uso generale: questo include un motore di rendering in tempo reale che aiuta l’utente a interagire facilmente con l’AR o la VR in modo più naturale, ma è inadatto per applicazioni meccaniche e industriali.

Unity non è un CAD. Non è possibile gestire oggetti parametrici (come anche un CAD 3D di base attualmente fa) o modificare mesh elaborate. Lo scopo di questo software è quello di raccogliere modelli, impostare scene con l’interazione tra gli oggetti e compilare un’applicazione per il loro utilizzo finale: può gestire oggetti semplici che potrebbero adattarsi a casi di intrattenimento o di ricerca, ma attualmente non supporta la complessità di un vero modello CAD.

Rassegna di hardware per la realtà aumentata

La portata dell’applicazione finale è il fattore principale nella scelta dell’hardware per le applicazioni AR.

Se consideriamo l’hardware sviluppato specificamente per soddisfare le esigenze dell’AR, i display montati sulla testa (HMD) svolgono un ruolo cruciale.

Gli HMD possono essere classificati in due tipi principali: Video-See Through (VST) e Optical-See-Through (OST).

La tecnologia VST si basa sull’uso di una telecamera che inquadra la scena esterna. Di

seguito, i simboli o i modelli virtuali vengono aggiunti in tempo reale allo streaming video.

I dispositivi OST funzionano in modo diverso, proiettando modelli virtuali sintetici su lenti semitrasparenti: in questo caso, l’utente vede il mondo esterno reale, aggiunto da un modello virtuale. D’altra parte, utilizzando hardware VST, l’utente vede il mondo reale nel display del dispositivo: le applicazioni per smartphone sono esempi tipici di tecnologia VST.

Un’ulteriore classificazione dell’hardware AR può essere effettuata dividendo l’hardware in due categorie in base all’unità di elaborazione: i dispositivi stand-alone comprendono le schede elettroniche e i processori in grado di inquadrare il mondo esterno, sovrapporre modelli e visualizzare lo streaming finale; altri dispositivi richiedono

hardware aggiuntivo per funzionare correttamente, che deve essere collegato tramite cavi, Bluetooth o connessione Wi-Fi.

3.2  Vantaggi e sfide dell’utilizzo della AR per la MRO

Vantaggi

Anche solo una conoscenza superficiale dell’AR dovrebbe dare a qualsiasi professionista del settore manifatturiero idee per l’implementazione di questa tecnologia in una linea di produzione.

Per fare un semplice esempio, Mitsubishi Electric ha sviluppato una tecnologia di supporto alla manutenzione che utilizza la realtà aumentata basata su un modello 3D che consente agli utenti di confermare l’ordine di ispezione su un display AR e quindi di inserire i risultati dell’ispezione con la voce.

“Pensiamo che l’applicazione più utile dell’AR sia la manutenzione in un ambiente di produzione“, ha dichiarato un rappresentante del team di Mitsubishi che sta sviluppando questa tecnologia. “Attualmente, gli operatori sul campo confermano un obiettivo di manutenzione utilizzando un manuale di manutenzione. Il processo richiede tempo e fatica per i lavoratori, perché il manuale e l’obiettivo di manutenzione devono essere confermati insieme“.

Oltre a snellire le ispezioni sostituendo la lista di controllo con carta e penna con un sistema vocale, la realtà aumentata può migliorare la capacità degli operatori di eseguire le routine di manutenzione sovrapponendo semplici istruzioni passo-passo al loro campo visivo.

Questo è il logico passo successivo alla possibilità di vedere lo stato delle macchine a colpo d’occhio utilizzando la AR, un vantaggio che va oltre le applicazioni MRO. Forse il vantaggio più interessante dell’uso dell’AR per la manutenzione e la riparazione è la possibilità per gli utenti di invocare il supporto di esperti in remoto quando completano attività di manutenzione o riparazione.

L’assistenza sul campo spesso richiede che gli esperti si rechino in cantieri remoti, ma la telepresenza offerta dall’AR consente a un singolo esperto di intervenire su più siti senza dover mai lasciare l’ufficio.

Nel loro insieme, questi vantaggi costituiscono una sorta di upskilling on-demand, che consente ai lavoratori di svolgere compiti che possono andare ben oltre le loro competenze non aumentate.

Ciò si traduce in una riduzione dei tempi di formazione e in un aumento dei tassi di

risoluzione dei problemi al primo tentativo.

Sebbene molti di questi vantaggi si applichino a più operazioni produttive rispetto alla sola manutenzione, l’AR è particolarmente adatta a soddisfare le esigenze delle applicazioni MRO.

Sfide

È facile farsi travolgere dal clamore delle nuove tecnologie e di conseguenza non riconoscere le difficoltà pratiche che esse presentano.

Questo è particolarmente vero nel caso delle tecnologie dell’Industria 4.0, come la realtà aumentata, che tendono a essere avvolte da così tante parole di marketing che ci si può chiedere se ci sia qualcosa di concreto.

Sebbene la realtà aumentata sia certamente più di una parola d’ordine, le sfide per i nuovi utilizzatori possono essere suddivise in due categorie: tecniche e organizzative. Le sfide tecniche dell’AR si riducono generalmente all’interfaccia utente, con la necessità di migliorare il campo visivo (FOV), la luminosità, la qualità della visualizzazione, la latenza, ecc.

Nel caso del FOV, ad esempio, anche i migliori HUD AR possono offrire solo fino a 90 gradi.

Se si confronta questo dato con i 190 gradi di FOV orizzontale e 120 gradi di FOV verticale della normale visione umana, risulta evidente il divario tra la tecnologia attuale e quella necessaria.

Le principali sfide organizzative per l’AR sono la mancanza di conoscenza della tecnologia e un livello insufficiente di digitalizzazione all’interno dell’azienda.

La prima sfida è un po’ ironica, viste le nuove possibilità di formazione ed educazione che la realtà aumentata offre. Tuttavia, per sbloccare questo potenziale occorre innanzitutto riconoscerlo, il che è difficile in assenza di un’esperienza diretta.

La seconda sfida – una digitalizzazione insufficiente – è un problema per molte tecnologie dell’Industria 4.0, compresa la realtà aumentata.

Tuttavia, è particolarmente problematica per l’AR a causa di quanto la tecnologia si basi sulla raccolta e sull’analisi dei dati. Senza un numero sufficiente di asset che condividono le informazioni, l’aggiunta di funzionalità AR farà ben poco per migliorare l’efficienza dell’impianto.

3.3  Progetti ed equipment per la Realtà Aumentata

Grazie ai recenti sviluppi dell’AR sul mercato consumer, il concetto si è diffuso molto rapidamente in tutto il mondo. Sono note alcune potenzialità dell’AR, ma non tutte, né le loro limitazioni.

Inizialmente una delle limitazioni dell’AR era legata alle apparecchiature di visualizzazione che riducevano la portabilità di un sistema AR, nonché le sue dimensioni e il suo peso.

Un chiaro vantaggio dell’AR è la capacità di sovrapporre effetti invisibili all’ambiente reale, come nel caso del flusso d’aria o delle procedure di (dis)assemblaggio delle apparecchiature.

La speranza di nuovi risultati dell’AR nei settori industriali è enorme, non solo per le attività di manutenzione, ma anche per i settori di produzione e di progetto.

Con l’aumento dei progetti di AR e la loro estensione a molti settori, come quello medico.

Inoltre, i progetti AR hanno affrontato diverse limitazioni tecnologiche, molte delle quali legate all’hardware.

Sono stati raggiunti risultati significativi e promettenti e sono state identificate anche le lacune e le prospettive per i futuri progetti di AR con riferimento all’industria.

Tra i diversi progetti di AR industriale implementati, uno di questi è stato rilevante per

la manutenzione e l’AR industriale in generale, il progetto ARVIKA17.

Si tratta di un progetto che ha riunito attori forti dell’industria automobilistica e aerospaziale e anche centri tecnologici con l’obiettivo di sviluppare soluzioni AR per l’industria; è stato sviluppato dal 1999 al 2003.

I sistemi AR di questo progetto utilizzavano il riconoscimento vocale per interagire con il sistema, marcatori per recuperare il posizionamento delle apparecchiature e

identificare i contenuti virtuali da visualizzare, head-mounted display come dispositivi di output e un framework di interfaccia utente da eseguire su un browser.

Dal progetto ARVIKA è stato applicato un prototipo ad ambienti industriali reali, la pistola intelligente per saldatura che richiede marcatori riflettenti per stimare la posa dei componenti sulla scena.

Subito dopo il progetto ARVIKA è partito un nuovo progetto (ARTESAS) che mira a risolvere i problemi identificati in ARVIKA ed è stato sviluppato dagli attori più significativi di ARVIKA.

Un altro progetto europeo sull’AR per applicazioni industriali, con particolare attenzione al settore della manutenzione, è stato il progetto STARMATE18, che ha ottenuto buoni risultati ma è stato validato solo in ambiente di laboratorio.

Il sistema AR sviluppato per la formazione era composto da due telecamere e da marcatori retro-riflettenti. L’uso di marcatori è stato identificato come un chiaro handicap dei sistemi AR, in quanto ritarda l’implementazione dell’AR negli ambienti industriali.

Nonostante i limiti del sistema sviluppato, l’AR è stata identificata come una tecnologia con un enorme potenziale per la manutenzione. Per la manutenzione delle attrezzature di difesa è stato sviluppato il progetto ARMAR, un sistema AR per la formazione degli interventi di manutenzione19. È stato applicato un sistema di tracciamento della testa dell’utente per indicare la posizione dei componenti target utilizzando diversi metodi di output AR e per valutare il tempo speso per ciascun metodo. A causa delle restrizioni esistenti sull’uso di dispositivi come le tastiere per interagire con il sistema AR in alcune industrie, l’interazione umana con il sistema ARMAR è avvenuta attraverso il riconoscimento dei gesti utilizzando una telecamera separata. Questo progetto è interessante anche perché ha studiato la funzionalità dell’interfaccia grafica utente (GUI) e ha valutato le prestazioni dell’algoritmo di riconoscimento dei gesti per una disposizione verticale di pulsanti virtuali.

Un sistema AR richiede una telecamera per catturare l’ambiente reale, un’unità di elaborazione e un dispositivo di output.

I sistemi AR avanzati utilizzano anche un microfono combinato con algoritmi di riconoscimento vocale per l’interazione uomo-macchina, un sistema audio per presentare le informazioni e un sistema di luce artificiale per migliorare le prestazioni del sistema di visione.

L’ambiente AR è generato da librerie che identificano i marker sulla scena e ne recuperano la posa per visualizzare i contenuti virtuali associati a ciascun marker. Questi contenuti possono essere animazioni statiche o dinamiche che vengono sovrapposte alle immagini catturate e sono adattate alla posa del marker; se il marker viene ruotato, l’animazione viene mostrata da un punto di vista diverso.

Tutte le procedure per sviluppare un’applicazione AR, dall’acquisizione delle immagini fino alla visualizzazione dell’ambiente AR, sono disponibili nelle librerie AR. La libreria più comune è ARtoolkit, o altre librerie basate su questa con miglioramenti specifici, come un algoritmo migliore per riconoscere i marcatori parzialmente occlusi. Un componente critico di un sistema AR è l’unità di elaborazione; essa dipenderà dai requisiti del sistema, ovvero la portabilità, la capacità di elaborazione e l’accesso remoto.

I tablet o gli smartphone sono molto interessanti perché funzionano come un pacchetto completo. Tuttavia, hanno una capacità di elaborazione inferiore e non rappresentano la soluzione migliore per gestire direttamente grandi quantità di dati.

Per le attività più impegnative è necessario utilizzare un computer locale per gestire i dati. Un’altra alternativa è il cloud computing, in cui un dispositivo locale acquisisce immagini dalla scena, le invia al server e questo restituisce un’immagine con lo scenario AR da visualizzare. Ma questo richiede connessioni veloci tra il client finale e il server.

Conclusioni e sviluppi futuri

Il presente lavoro di tesi ha sviluppato un quadro informativo per consentire l’integrazione si VR e AR nei sistemi di manutenzione esistenti.

Tali sistemi possono essere implementati nei processi di manutenzione (diagnosi,

riparazione e analisi) da una prospettiva di gestione dei dati.

Ciò significa che il quadro descrive le informazioni per migliorare le prestazioni e la conoscenza dei processi di manutenzione e le capacità di gestire, acquisire e visualizzare correttamente tali dati.

I risultati derivante dall’analisi fatta indicano che è possibile e vantaggioso integrare VR

e AR nei sistemi di manutenzione.

Tuttavia, sono necessarie ulteriori ricerche sulle capacità che questi possono fornire per acquisire e analizzare dati distintivi al fine di migliorare le operazioni di manutenzione. In questo modo, si identificano le regole generali per la replicabilità della ricerca nelle applicazioni di manutenzione e le direzioni di ricerca future.

Si possono avanzare alcuni suggerimenti per gli sviluppi futuri.

• In primo luogo, sono necessarie ulteriori interviste di validazione con esperti di manutenzione di diversi settori per convalidare complessivamente il quadro di riferimento nell’ambito della manutenzione.
• In secondo luogo, si dovrebbero studiare metodi di interazione multimodale per tracciare l’interazione tra gli oggetti del mondo reale; in altre parole, per consentire ai sistemi di analizzare quando l’apparecchiatura viene riparata e come è stata eseguita la riparazione.
• In terzo luogo, i sistemi AR e VR dovrebbero essere integrati con strumenti analitici in grado di fornire raccomandazioni basate sulla precedente analisi dell’interazione. In questo modo si potrebbe migliorare la conoscenza della manutenzione.
• In quarto luogo, si dovrebbe analizzare l’integrazione con altre tecnologie per ottenere le capacità richieste.
• In quinto luogo, per aumentare le capacità di visualizzazione e di analisi, si dovrebbe prevedere un’ulteriore contestualizzazione (con dati dell’utente o dell’apparecchiatura), utilizzando ad esempio regole basate su ontologie.

Pertanto, i quadri informativi che derivano da queste ricerche potrebbero rendere i sistemi di VR e AR adattivi e intelligenti e ciò potrebbe consentire la trasformazione degli attuali sistemi di manutenzione.

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