În ultimele două decenii, am asistat la revoluția din industrie adusă de automatizarea și digitalizarea proceselor tehnologice la nivel global. Domeniul roboticii a fost și încă este în prim-planul acestui fenomen, având ca preocupare atât aspecte din sfera IT (Tehnologia Informației), cât și din sfera OT (Tehnologia Operațiilor). Astfel, domeniul roboticii autonome se concentrează pe integrarea IIoT (Industrial Internet of Things), prin fuziunea serviciilor informatice (precum preluarea, stocarea și analiza datelor) cu controlul și monitorizarea proceselor industriale desfășurate în unitățile de producție [1],[2].
Astfel, pe fondul acestui val de digitalizare și al nevoii de tehnologii care să permită simularea, controlul și monitorizarea proceselor industriale, motoarele grafice sunt văzute ca având potențialul de a fi mediul propice pentru crearea acestor aplicații. Folosite în mod aproape exclusiv la crearea jocurilor video sau a animațiilor, dorința de a obține rezultate cât mai realiste din punctul de vedere al graficii (texturi foto-realistice, motor de iluminare, efecte vizuale), dar și din cel al modului de a simula fizica (motor de simulare a forțelor, simularea fluidelor etc.) a adus aceste motoare grafice la un nivel de realism pertinent pentru cerințele din industria roboticii și a automatizării.
Motoarele grafice din prezent precum Unity și Unreal Engine 5 au potențial ridicat pentru industrie datorită versatilității acestora și a capabilității de a îmbina aspectul vizual de înaltă fidelitate cu aspecte practice dezirabile în industrie, precum:
Simulare și testare: Motoarele grafice oferă un mediu de simulare realist și dinamic pentru testarea algoritmilor și comportamentelor robotice. Acest lucru permite dezvoltatorilor să experimenteze diverse scenarii fără a fi nevoie de roboți fizici, reducând costurile și riscurile asociate cu testarea în lumea reală.
Simulare a fizicii în timp real: Motoarele moderne grafice încorporează motoare fizice avansate care simulează interacțiuni realiste între obiecte prin detectarea precisă a coliziunilor și implementarea realistică a forțelor. În timp ce pentru un joc funcționalitatea aceasta adaugă o nota de realism, această caracteristică este esențială pentru aplicațiile robotice, deoarece permite modelarea precisă a dinamicii robotului, a coliziunilor și a interacțiunilor cu mediul.
Dezvoltare cross-platform: Multe motoare grafice acceptă dezvoltarea cross-platform, permițând dezvoltatorilor de robotică să creeze și să testeze aplicații care pot rula pe diferite configurații hardware și sisteme de operare.
Vizualizare și debugging: Motoarele grafice oferă instrumente bogate de vizualizare care ajută dezvoltatorii să analizeze comportamentele roboților, datele senzorilor și rezultatele produse de sistem în timp real. Acest lucru ajută la analizarea și optimizarea algoritmilor robotici și a strategiilor de control.
Medii complexe: Motoarele grafice pot modela medii complexe și diverse, inclusiv diferite tipuri de relief, condiții meteorologice și obstacole. Această capacitate este crucială pentru testarea sistemelor robotizate concepute pentru aplicații din lumea reală, de la simularea unei hale industriale pentru aplicații în producție la medii naturale aspre pentru operațiuni de cercetare.
Simularea senzorilor: Motoarele grafice pot simula diferiți senzori, cum ar fi camere, LiDAR, senzori ultrasonici, senzori de temperatură/umiditate etc. Acest lucru permite dezvoltatorilor să testeze algoritmii de fuziune a senzorilor, sistemele de percepție și navigarea bazată pe senzori într-un mediu virtual înainte de a le implementa pe roboți fizici.
Comunitate și resurse: Motoarele grafice populare precum Unity și Unreal Engine au comunități mari de dezvoltatori și documentație sau resurse extinse. Dezvoltatorii de robotică pot utiliza aceste resurse, pluginuri și active (modele 3D, animații etc.) pentru a accelera dezvoltarea și pentru a aborda provocările mai eficient.
O aplicație imediată și de mare actualitate a motoarelor grafice este folosirea acestora pentru crearea unui Digital Twin - un "geamăn digital". Spre deosebire de o simulare, care presupune folosirea unui model digital pentru un robot sau un întreg sistem (roboți, benzi transportoare, mașini CNC) pentru a testa și optimiza procese industriale, un Digital Twin presupune o comunicare bidirecțională între obiectul real și obiectul virtual [3].
Fig. 1. Descrierea relației "Digital Twin"
Datorită comunicării în timp real dintre obiectul real și cel virtual, putem crea o perspectivă panoramică asupra proceselor industriale în timpul desfășurării acestora. Astfel este posibilă monitorizarea acestora prin actualizări instantanee a modelului virtual dar și a aplicării de măsuri corective prin prisma controlului asupra obiectului real [4].
Fig. 2. Shadow Mode- Simularea preia date de la obiectul fizic și actualizează obiectul digital.
Următorul pas în îmbunătățirea capabilităților unui Digital Twin creat cu ajutorul motoarelor grafice este valorificarea inteligenței artificiale (AI) deja prezentă în funcționalitățile motoarelor grafice și orientarea acesteia către analiza datelor privind procesele industriale. Astfel, va fi posibilă prezicerea eficienței unui sistem și optimizarea în timp real a acestuia, dar și luarea deciziilor preventive pentru evitarea defecțiunilor.
Fig 3. Control Mode in VR - Simularea transmite date de la obiectul digital șii controlează obiectul fizic.
Motoarele grafice au evoluat semnificativ în ultimii ani și au ajuns în punctul în care potențialul lor nu se mai rezumă doar la jocuri video. Capacitatea acestora de a crea experiențe imersive, în special datorită popularității în creștere a tehnologiei VR și de a simula scenarii din lumea reală ce pot fi analizate cu ajutorul inteligenței artificiale deschide oportunități pentru a integra această tehnologie în revoluția industrială digitală aflată în momentul de față în plin proces de desfășurare.
[1] TSM - Cloud Robotics: Revoluție prin fuziunea tehnologiilor (todaysoftmag.ro)
[2] TSM - Convergența IT / OT: Dilema decalajului percepției IoT (todaysoftmag.ro)
[3] Kritzinger W, Karner M, Traar G, Henjes J, Sihn W, Digital twin in manufacturing: a categorical literature review and classifcation. IFAC-PapersOnLine 51(11):1016-1022, (2018); https://doi.org/10.1016/j.ifacol.2018.08.474
[4] Clausen, C.S.B., Ma, Z.G. & Jørgensen, B.N., Can we benefit from game engines to develop digital twins for planning the deployment of photovoltaics?. Energy Inform 5 (Suppl 4), 42 (2022).
https://doi.org/10.1186/s42162-022-00222-7
de Ovidiu Mățan
de Andrei Sipoș
