Come mettere gli esseri umani al centro della progettazione di macchine intelligenti con la simulazione

Il futuro della progettazione delle macchine si sta coagulando attorno a una serie di tendenze, tra cui i veicoli a guida autonoma, la teleoperazione dei robot e l’assistenza umana a distanza, in tutti i settori industriali.

In effetti, la tecnologia dei sistemi autonomi e robotici intelligenti sta trasformando il nostro modo di lavorare e i sistemi intelligenti stanno conquistando il cantiere. Ecco perché l’interazione tra l’uomo e la macchina è ora al centro della progettazione: con i sistemi autonomi che lavorano a fianco dell’uomo, l’interfaccia uomo-macchina è diventata critica per la sicurezza. Non solo, ma le aspettative delle persone sono che i prodotti vadano oltre l’aspetto estetico, ma che funzionino anche in modo impeccabile, con un’ergonomia superba.

Non è più sufficiente realizzare un oggetto meccanico potente, efficiente o utile: tutto deve funzionare in modo intuitivo. Ecco perché oggi, ciò che offre il massimo valore agli OEM è l’elettronica e i sistemi di controllo completamente integrati con la progettazione meccanica.

Le valutazioni del driver-in-the-loop sono fondamentali per comprendere le prestazioni uomo-macchina, e sia gli operatori inesperti che quelli esperti sono una parte vitale del processo di validazione dei test. Questo è ancora più vero con i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS), le apparecchiature autonome o quelle controllate a distanza, dove la natura dell’interazione umana con la macchina sta cambiando radicalmente.

In effetti, il design incentrato sull’uomo è fondamentale in diversi ambiti applicativi, tra cui:

• validazione del sistema a livello operativo
• consentendo di testare i sistemi meccatronici di domani
• generazione di dati basati sulla simulazione per l’apprendimento profondo
• sviluppo del sistema di controllo autonomo
• costruire gemelli digitali abilitati alla simulazione per migliorare il processo decisionale nell’ingegneria e nella manutenzione dei prodotti
• creando simulatori per coinvolgere i clienti in dimostrazioni coinvolgenti dei prodotti e nella formazione degli operatori.

L’implementazione della simulazione Driver-In-The-Loop per prodotti più intelligenti

Naturalmente, se lei è un OEM di apparecchiature, sa già che il successo del prodotto dipende dalle reazioni emotive delle persone reali.

Considerando la complessità sempre crescente delle apparecchiature e dei sistemi di bordo di oggi, mettere in contatto persone reali con le apparecchiature virtuali è una parte fondamentale di una progettazione di prodotto efficiente e di successo, e dovrebbe essere fatta presto e spesso nel processo di progettazione.

La simulazione driver-in-the-loop è un modo eccellente per raggiungere questo obiettivo. Tuttavia, non tutte le simulazioni driver-in-the-loop offrono le funzionalità necessarie. Devono essere in grado di creare ambienti in cui gli operatori possano interagire con le macchine virtuali come se stessero interagendo con l’apparecchiatura reale, in modo da poter offrire un feedback preciso e pertinente.

In effetti, gli OEM si stanno orientando sempre di più verso l’utilizzo di simulazioni di livello ingegneristico e di gemelli digitali per il processo decisionale relativo alla buona progettazione dei prodotti, per una serie di motivi:

1. Le simulazioni ad alta fedeltà consentono di testare casi limite che possono essere impossibili o non sicuri da testare su un’apparecchiatura reale – in effetti, la simulazione può essere più realistica dei test limitati sui terreni di prova. Inoltre, è meglio controllata e più ripetibile.
2. Le simulazioni di livello ingegneristico suscitano risposte e comportamenti realistici da parte di operatori umani. Gli operatori reali – in altre parole, l’utente più adatto a diventare il suo evangelista finale – vengono messi in contatto diretto con i sistemi di prova molto prima nel ciclo di progettazione.
3. I motori possono adottare una strategia fail-fast, fail-well, con modelli di valutazione/accettazione/rifiuto per la prototipazione rapida, e passare con fiducia e in modo economico alle fasi successive dello sviluppo.
4. I simulatori possono essere utilizzati anche per testare nuovi concetti di controllo e sistemi ADAS o di assistenza all’operatore.
5. Con l’intelligenza artificiale nel loop di alcuni sistemi di controllo autonomi, c’è anche il rischio reale che gli operatori escano dal loop durante i periodi di inattività, per cui il passaggio di consegne tra il controllo autonomo e quello manuale è un problema che può essere valutato nei simulatori driver-in-the-loop.
6. Anche i test dei sistemi con operatori distratti o affaticati, i test di sicurezza funzionale e persino la messa a punto dei controllori possono essere eseguiti con i simulatori.

Cosa cercare in una soluzione di simulazione driver-in-the-loop

I componenti principali di un simulatore driver-in-the-loop possono essere ampiamente separati tra software e hardware:

Software

Innanzitutto, è necessaria una simulazione multidominio in tempo reale della macchina o dell’attrezzatura. È essenziale che le simulazioni siano modelli di dinamica meccanica di livello ingegneristico, piuttosto che basati su giochi. Potrebbe anche essere necessario tradurre i modelli da applicazioni multibody esistenti in azienda.

In secondo luogo, deve essere possibile simulare l’interazione tra la macchina e il suo ambiente operativo. Ciò include il contatto tra la macchina e gli oggetti del cantiere, nonché la modellazione dei cingoli e degli pneumatici per le attrezzature edili e agricole, che possono includere modelli di meccanica del terreno in tempo reale per gli attrezzi che scavano o arano il terreno, la sabbia o la roccia.

Infine, il software deve essere in grado di simulare l’intero cantiere, fino a includere i lavoratori, le altre macchine, il traffico e persino il maltempo.

Hardware

Dal punto di vista dell’hardware, un simulatore incorpora un sistema visivo e audio, ovviamente. Questo sistema può spaziare da cuffie VR molto semplici sul desktop a televisori multipli, fino a sistemi di proiezione immersivi e circondati da distorsioni e miscele.

Anche il movimento è spesso un componente chiave nei simulatori driver-in-the-loop e riteniamo che sia il movimento che il controllo aptico per lo sterzo e altri comandi siano importanti per creare una valutazione ad alta fedeltà. Tuttavia, né il movimento né l’aptica possono rendere accuratamente il comportamento corretto se la simulazione che li guida non è di livello ingegneristico.

Infine, le soluzioni driver-in-the-loop possono includere un mock-up dei controlli dell’operatore e delle HMI. Questi possono opzionalmente integrare anche le unità di controllo elettronico (ECU) e l’hardware di controllo reali della macchina, oppure possono essere simulati. I mock-up possono ovviamente variare da configurazioni desktop molto semplici a repliche di cabine complete.

Esempi del mondo reale di simulazione Driver-In-The-Loop

Un paio di esempi dei nostri clienti aiuteranno a concretizzare il caso d’uso della simulazione human-in-the-loop per gli OEM.

La prima proviene da un importante OEM del settore forestale che stava prototipando l’uso della cinematica inversa (IK) per le operazioni di spedizione. L’idea era di utilizzare l’IK per rendere questa operazione più facile da imparare e da usare.

Utilizzando per prima cosa la simulazione, hanno eliminato la necessità di un prototipo fisico in questa fase iniziale di progettazione del controllo, e hanno permesso ai motori di mettere a punto i controlli. Una volta che il concetto di controllo iniziale è stato provato nel software, i controlli hardware di controllo fisico hanno potuto essere integrati nella versione del driver.

Il risultato: una nuova potente funzione di controllo per il prodotto Spedizioniere dell’OEM, che ha permesso ai clienti di migliorare l’efficienza. Non solo significava che un singolo operatore poteva caricare molti più camion all’anno, ma anche che era più facile da usare e formare gli operatori, poiché il funzionamento era più semplice.

È importante notare che c’è una significativa carenza di competenze nell’industria forestale – spesso i tronchi non possono essere portati dalla foresta alla cartiera a causa di queste carenze, e le cartiere possono persino chiudere le operazioni durante l’anno. Ecco perché è fondamentale rendere le macchine più facili da usare e più produttive.

Il prossimo esempio proviene da un importante OEM di macchine edili. Naturalmente, le apparecchiature di movimento della terra si affidano a sofisticati impianti idraulici, composti da valvole, pompe e tubi flessibili, nonché da sistemi di controllo e sensori. Questi sistemi idraulici devono essere abbinati a un motore di dimensioni adeguate, e poi ottimizzati per le prestazioni e il risparmio di carburante, essenzialmente attraverso la messa a punto dei parametri di controllo.

Questa messa a punto è molto costosa sui prototipi fisici, soprattutto nei terreni di prova remoti. In questo caso, i motori dell’OEM avevano già utilizzato gli strumenti di simulazione idraulica, ma dovevano sviluppare un simulatore in scala reale di una macchina completa che incorporasse sottosistemi idraulici, meccanici, elettrici o elettronici.

Il team aveva bisogno di strumenti che consentissero di modellare tutti questi sottosistemi in un unico ambiente, per eseguire simulazioni in tempo reale del sistema completo. Questo approccio avrebbe permesso loro di fare dei compromessi di progettazione informati, che tenessero conto non solo delle prestazioni e dell’efficienza, ma anche del feedback dell’operatore che sta guidando la macchina.

Un ambiente di modellazione e simulazione che supportasse più domini era essenziale per l’approccio di ingegneria concorrente dell’azienda, in cui i team sviluppano vari sottosistemi del prodotto finale in parallelo e poi convergono su una soluzione ottimale.

Utilizzando i loro modelli idraulici in tempo reale, sono stati in grado di collegarli a una simulazione dinamica meccanica della macchina e a simulazioni della meccanica del suolo con Vortex Studio.

Tutto questo è stato combinato con un sistema visivo multicanale sincronizzato a 24 proiettori, gestito da Vortex Studio, oltre a una piattaforma di movimento a 6 DOF con una cabina completa e un mock-up di controllo.

Il risultato per l’OEM è stato una riduzione del 30% della prototipazione fisica, con un notevole risparmio sui costi. Inoltre, ha permesso di ridurre i tempi di sviluppo di un nuovo prodotto e di migliorare la qualità del prodotto, poiché sono stati presi in considerazione più scenari di test.

Attualmente, consente ai motori di replicare qualsiasi problema che possa verificarsi in campo, di risolvere i problemi e di trovare rapidamente le soluzioni, quindi l’impatto è stato molto significativo nel loro processo di progettazione, e continuiamo a lavorare con questo OEM.

Parola finale

Ben prima della pandemia, le economie si stavano spostando dalla fornitura di beni e servizi a un pacchetto di esperienze totali, dove l’esperienza stessa sta diventando il prodotto. Naturalmente, le aspettative dei clienti e il design dei prodotti stanno cambiando come mai prima d’ora in questa era dell’esperienza.

Molti produttori di apparecchiature industriali sono ora alla ricerca di soluzioni per soddisfare queste aspettative, il che mette a fuoco il fattore umano – la combinazione di elementi fisiologici e psicologici che definisce l’esperienza operativa totale.

Fondamentalmente, è questa esperienza che affascina gli esseri umani e li motiva all’acquisto e persino all’evangelizzazione delle macchine con cui lavorano, quindi tutto torna al principio fondamentale, che è l’interazione tra l’uomo e la macchina al centro della progettazione delle apparecchiature.

In definitiva, la progettazione, la costruzione, l’integrazione e il supporto dei simulatori driver-in-the-loop è uno sforzo multidisciplinare, e CM Labs dispone di specialisti e partner che sono disponibili ad assisterla con progetti speciali nell’area della simulazione driver-in-the-loop, tra cui la modellazione della simulazione, l’integrazione del software, la progettazione del simulatore e la progettazione audiovisiva. Disponiamo anche di una rete di partner a livello globale per fornire assistenza locale nelle Americhe, in Europa e nell’Asia Pacifica. Basta mettersi in contatto con noi per parlare con uno dei nostri esperti, che potrà guidarla nelle prime fasi di definizione e valutazione del suo progetto.