Registration Number
0826U004841, PhD dissertation
Status
Доктор філософії
Date
28-08-2026
popup.evolution
.
Title
Methods and information technology for intelligent learning environments and virtual experiments based on digital twins
Author
Yevhen Palazhchenko,
popup.head Vira Shendryk
popup.head Georg Meyer
popup.opponent Vladyslav Pliuhin
popup.opponent Tetiana Honcharenko
popup.review Yana Chybiriak
popup.review Olha Boiko
popup.rada
Sumy State University
Description
У дисертації розглядається завдання підвищення ефективності, безпеки та доступності взаємодії людини та робота у переході до людиноорієнтованої парадигми, де продуктивність кіберфізичних систем слід узгодити з благополуччям людини та її фізичною й емоційною безпекою, тоді як дослідження й підготовка операторів обмежені витратами та складністю. Розроблено та перевірено методи та інформаційну технологію для інтелектуального навчального середовища й віртуальних експериментів на основі цифрових двійників.
Систематичний огляд показав, що бар'єри безпеки, комунікації та адаптивності значною мірою долаються поєднанням відстеження дій, штучного інтелекту, тактильного зворотного зв'язку, розпізнавання мови та імерсивних інтерфейсів, тоді як брак довіри до роботів і етичні питання не вирішуються суто технологічно.
Віртуальна та доповнена реальність забезпечують найвищий рівень занурення й найповніше представляють дані цифрового двійника, даючи змогу керувати від першої особи природними рухами. Розширена реальність доповнює двокомпонентну модель цифрового двійника до трирівневої архітектури з рівнів реального світу, цифрового світу та інтерфейсів, доз воляючи людині діяти у віртуальному середовищі над фізичним обладнанням через його цифрове представлення. Доступніше VR-обладнання підвищує доступність, а віртуальний світ надає підказки, недоступні в реальності, роблячи навчання безпечнішим.
Виявлено три прогалини: обмеження наявних методів калібрування робочих просторів у кількох системах моніторингу; відсутність універсальної моделі даних кінематики роботів, що змушує розробляти власні рішення для кожного нового типу робота; стандарти безпеки, які ігнорують людські фактори, вирішальні в людиноорієнтованих системах.
Архітектуру реалізовано в інформаційній технології керування взаємодією людини та робота через VR-інтегрований цифровий двійник. Рівень реального світу містить фізичний двійник і обладнання моніторингу; рівень цифрового світу – ядро цифрового двійника як посередник даних, засоби моделювання, аналізу та прийняття рішень і базу даних; рівень інтерфейсів – імерсивний VR-інтерфейс, інтерфейс наглядача та панель керування. Технологію формалізовано функціональною декомпозицією та діаграмами потоків даних і IDEF0, що забезпечує двосторонні потоки даних.
Універсальну модель даних кінематики промислових роботів розроблено методом Денавіта-Гартенберга. Її схема бази даних зберігає дані роботів з довільною кількістю шарнірів і ступенів свободи в єдиній структурі, утримуючи для кожної контрольної точки змінні параметри з очікуваними й фактичними значеннями для виявлення аномалій.
Розроблено та перевірено метод просторового узгодження систем координат кількох пристроїв: вісь обертання робота слугує механічною опорою для обчислення матриць жорсткого перетворення між системами координат оптичного трекінгу та гарнітури за даними внутрішніх датчиків. Перевірка з роботом Sawyer Black Edition, оптичною системою ART і гарнітурою Meta Quest Pro дала точність, що лежить у межах похибки обладнання.
Реалізовано метод динамічної адаптації зон безпеки до емоційного стану оператора. Стан визначається за даними трекінгу очей за допомогою моделлі, навченої на наборі VREED. Сервіс отримує положення шарнірів робота, положення тіла оператора та згладжений стан каналом WebSocket і публікує коефіцієнт адаптації зон. Зони розширюються при виявленні негативного стану, підвищуючи комфорт і відчуття безпеки, і залишаються базовими, коли оператор спокійний.
Ефективність інформаційної технології оцінено в контрольованому експерименті з навчання 30 учасників у трьох групах: «Real» (фізичний робот), «VR» та «VR+» (VR із візуальними підказками). Після трьох навчальних прогонів кожна група виконала контрольний прогін на фізичному роботі з фіксацією часу, натискань кнопок, рухів джойстиком і помилок. Траєкторії навчання відрізнялися, але контрольний прогін не показав значущих відмінностей за жодним показником; додаткові підказки покращували навчання, але створювали залежність, що обмежувала перенесення результатів після їх вимкнення. Суб'єктивні оцінки (NASA TLX, опитувальники User Experience і Presence) також не виявили відмінностей, підтвердивши перенесення навчання у VR на фізичне обладнання.
Результати подано як методи й моделі, реалізовані в інформаційній технології, що забезпечує взаємодію людини та робота у VR-інтегрованому середовищі цифрових двійників. Доступність підвищено модульною еталонною архітектурою, придатною для систем різної складності, безпеку – перенесенням взаємодії у віртуальний світ і збиранням більшої кількості даних про середовище та стан людини.
Registration Date
2026-08-25
popup.nrat_date
2026-08-25 / 2026-09-01
