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Towards the next generation of advanced technical documentation in augmented reality: the case of MILL 4.0
Full text linkLa Realtà Aumentata (AR) promette di creare collegamenti diretti, automatici e azionabili tra il mondo fisico e le informazioni elettroniche. Fornisce un'interfaccia utente immediata e diretta ad un mondo fisico potenziato elettronicamente. In particolare, la AR industriale permette l'integrazione tra le informazioni basate sulla conoscenza, tradizionalmente utilizzate dagli operatori e fornite principalmente sotto forma di documentazione cartacea e di dati disponibili dai sensori sulle attrezzature. Questo approccio è suggerito dalle aziende, soprattutto dalle piccole e medie imprese, che desiderano un'introduzione graduale delle tecnologie di Industria 4.0 all'interno delle loro pratiche consolidate.
Lo scopo di questo lavoro è quello di sviluppare un sistema avanzato di documentazione tecnica in AR per un impianto di macinazione di farina. Il lavoro discusso in questa tesi mira a portare un valore aggiunto alla letteratura esistente nel campo dell'AR industriale e della documentazione tecnica avanzata. Inoltre, si cercherà di far luce sul ruolo dell'AR come tecnologia abilitante per l'industria del futuro. In primo luogo, ci siamo concentrati su diverse interfacce AR industriali al fine di comprendere le pratiche consolidate per guidare la progettazione dell'interfaccia IAR. Poi, indaghiamo la tecnologia chiave AR con un nuovo approccio basato sulla ricerca sui brevetti. Infine, il risultato principale di questo lavoro è la progettazione e lo sviluppo di due sistemi AR per un impianto di macinazione della farina che seguono due diversi approcci di progettazione.Augmented Reality (AR) promises to create direct, automatic, and actionable links between the physical world and electronic information. It provides an immediate and straightforward user interface to an electronically enhanced physical world. In particular, Industrial AR allows the integration between knowledge-based information, traditionally used by operators and provided mainly in paper documentation and data available from sensors on equipment. This approach is suggested by companies, especially small and medium-sized enterprises, who want a gradual introduction of Industry 4.0 technologies within their established practices.
The scope of this work is to develop an advanced technical documentation system in AR for a flour milling plant. The work discussed in this dissertation aims to bring added value to the existing literature in the field of industrial AR and advanced technical documentation. Besides, an attempt will be made to shed light on the role of AR as an enabling technology for the industry of the future. First, we focused on different industrial AR interfaces in order to understand established practices to guide IAR interface design. Then, we investigate the AR key technology with a novel approach based on patent research. Finally, the main result of this work is the design and development of two AR systems for a flour milling plant that following two different design approaches
Extended realities and discrete events simulations : A systematic review to define design trade-offs and directions
No full textExtended Reality (XR) technologies are increasingly popular to support the engagement of different audiences and stakeholders with Discrete Event Simulations (DES) due to their capability to deliver more accessible visual and immersive experiences. XR applications can be developed either using modules integrated into DES software or game engines, providing different sets of opportunities in the environment design. However, there is a lack of development guidelines for such environments, considering visualization, information presentation, interaction, and navigation aspects. The paper presents a systematic review of the use of XR for DES, relating the results to XR design heuristics to identify and discuss major design tradeoffs. Finally, a case study from the mining sector is exemplified to illustrate possible. solutions to balance the trade-offs. © 2024 The Author
Augmented Reality for Sailing Navigation. Design and Evaluation of Novel User Interfaces
No full textQuesta tesi affronta il tema dell'applicazione della Realtà Aumentata (AR) alla navigazione nautica, in particolare la progettazione e la validazione di un'interfaccia AR per la visualizzazione di informazioni di navigazione specifiche per la navigazione a vela. Attualmente gli utenti, durante la navigazione, utilizzano piccoli display per la visualizzazione delle informazioni di navigazione, fissi sull'imbarcazione. Questo modo di visualizzare le informazioni fa distrarre l'utente dalla scena di navigazione, che è costretto a cambiare costantemente l'attenzione tra la lettura delle informazioni sul display e la scena di navigazione. Questo lavoro a cui è sottoposto l'utente aumenta il carico cognitivo diminuendo la sicurezza a bordo.
Per questo motivo, il nostro obiettivo di ricerca è quello di sviluppare un sistema di interfaccia AR specifico per la vela che supporti i velisti fornendo loro le informazioni visualizzate direttamente nell'ambiente reale. La soluzione farà in modo che gli utenti evitino di distogliere lo sguardo dalla scena della navigazione, per rendere la navigazione più sicura e confortevole aumentando l'accessibilità a bordo.
Oltre alla possibilità di visualizzare le informazioni tracciate nell'ambiente reale, AR consente di mostrare l'invisibile nella realtà; anche i fenomeni e gli oggetti naturali possono essere invisibili, sia per distanza che per occlusione, oppure per mancanza di luce e scarsa visibilità. L'AR consente quindi di monitorare gli oggetti non identificati come potenziali ostacoli e pericoli, facilitando le decisioni critiche, soprattutto da parte dei meno esperti; il monitoraggio continuo dei dati di navigazione e dei dati ambientali è estremamente essenziale per evitare situazioni pericolose e rende più autonomi i naviganti inesperti in situazioni ordinarie. I potenziali pericoli e la perdita di controllo dell'imbarcazione, nelle stesse condizioni meteorologiche, sono direttamente proporzionali alla mancanza di esperienza del velista. L'AR può essere lo strumento che permette a tutti di navigare in sicurezza indipendentemente dal proprio livello di esperienza e conoscenza della vela.
Il lavoro di ricerca è partito da una Systematic Review delle interfacce grafiche AR presenti nella letteratura scientifica, unita ad un'approfondita ricerca sui dispositivi in commercio, catalogando e analizzando la tipologia e le modalità delle informazioni rappresentate.
È stato quindi creato un elenco completo di 154 informazioni di navigazione utili agli utenti. Attraverso una campagna di questionari su 56 velisti esperti e un panel di esperti, sono state selezionate le informazioni da visualizzare all'interno dell'interfaccia AR da noi proposta. Successivamente si è proceduto alla progettazione delle prime proposte di interfaccia AR, fino alla definizione della versione da testare. L'interfaccia AR proposta è stata testata sia con test di visualizzazione a monitor da parte di 75 utenti, sia con test che utilizzano sistemi di Realtà Virtuale immersiva, su un campione di 45 utenti, per validare l'ipotesi che la Realtà Aumentata renda più immediate le informazioni di navigazione in lettura, diminuendo il carico cognitivo dell'utente . I risultati dei test, la System Usability Scale (SUS) e l'User Experience Questionnaire (UEQ), confermano la nostra ipotesi e forniscono un precedente scientifico nello sviluppo e nella validazione di sistemi di interfaccia AR per la vela che non erano mai stati condotti prima.
Il risultato di questa ricerca è l'ideazione, la progettazione, lo sviluppo e la validazione di un'interfaccia specifica innovativa per la vela, seguendo un percorso completo che non ha precedenti in letteratura scientifica.This thesis deals with the issue of the application of Augmented Reality (AR) technology to nautical navigation, specifically the design and validation of an AR interface for displaying specific navigation information for sailing. Currently, users, while sailing, use small displays for viewing navigation information, fixed on the boat. This way of viewing information causes the user to distract from the navigation scene, who is forced to constantly change the attention between reading the information on the display and the navigation scene. This work to which the user has subjected increases the cognitive load by decreasing safety on board.
For this reason, our research goal is to develop a specific AR interface system for sailing that supports sailors by providing them with the information displayed directly in the real environment. The solution will make users avoid taking they take their eyes off the navigation scene, to make safer and more comfortable sailing by increasing accessibility on board.
In addition to the ability to view tracked information in the real environment, AR allows to show the invisible in reality; natural phenomena and objects can also be invisible, either by distance or by occlusion, or by lack of light and poor visibility. Therefore, AR allows you to monitor unidentified objects as potential obstacles and dangers, making it easier to make critical decisions, especially by the less experienced; continuous monitoring of navigation data and environmental data is extremely essential to avoid dangerous situations and makes inexperienced sailors more autonomous in ordinary situations. Potential dangers and loss of control of the boat, in the same weather conditions, are directly proportional to the lack of experience of the sailor. AR can be the tool that allows everyone to navigate safely regardless of their level of experience and knowledge of sailing.
The research work started from a Systematic Review of the AR graphic interfaces present in scientific literature, combined with in-depth research on the devices on the market, cataloguing and analyzing the type and methods of information represented.
A complete list of 154 navigational information useful to users was then created. Through a campaign of questionnaires on 56 experienced sailor users and a panel of experts, the information to be displayed within the AR interface proposed by us was selected. Then we proceeded to the design of the first AR interface proposals, up to the definition of the version to be tested. The proposed AR interface was tested both with monitor display tests by 75 users and with tests using immersive Virtual Reality systems, on a sample of 45 users, to validate the hypothesis that Augmented Reality makes more immediate navigation information in reading, decreasing the user's cognitive load. The results of the tests, the System Usability Scale (SUS) and the User Experience Questionnaire (UEQ), confirm our hypothesis and provide a scientific precedent in the development and validation of AR interface systems for sailing that had never been conducted before.
The result of this research is the conception, design, development and validation of an innovative specific interface for sailing, following a complete path that is unprecedented in scientific literature
Designing interaction with consumer products in a multisensory VR environment
No full textIn the domain of industrial product development, products have been traditionally communicated to final users by means of technical drawings, sketches and physical prototypes. Recently, companies have tended to develop digital versions of products, which can be used with the purpose of communicating a new product to users, and also with the aim of allowing users to evaluate the product and its variants before its physical construction. Virtual prototyping is a relatively recent practice used in various industrial domains, which aims at anticipating a product that does not exist in reality yet. This practice can be used for evaluating the aesthetic quality of a product, its functional features and also its ergonomic and usability aspects. Current virtual reality technology well supports the implementation of effective virtual prototypes. In fact, one can touch, move, manipulate, and operate the virtual prototypes of products, such as household appliances, electronic devices, etc., with a good degree of realism. In order to do this, the interaction with virtual prototypes is multimodal and multisensory, and is often based on the combination of visual, haptic and auditory modalities. This paper shows how virtual prototypes can be used instead of physical artefacts or mock-ups for the communication of a new product or of variants of an existing product, and for the preliminary evaluation of its usage. The effectiveness of this practice is proved by tests performed by users
Sistema di navigazione aptico, e relativo metodo, per fornire informazioni o indicazioni stradali a un guidatore di un veicolo
No full textLa presente invenzione concerne un sistema di navigazione (10) aptico, configurato
per fornire informazioni e/o indicazioni stradali a un guidatore di un veicolo,
comprendente un dispositivo elettronico (1) provvisto di un’unità di localizzazione
(11) per rilevare la posizione del guidatore, e un’unità di elaborazione (12) per fornire
dati (3) relativi a indicazioni e/o informazioni stradali mentre il guidatore si trova alla
guida del veicolo in funzione della sua posizione. Il sistema di navigazione (10)
comprende inoltre un apparato aptico (2) provvisto di un’unità di controllo (2) per
ricevere i dati dall’unità di elaborazione (12) e generare un corrispondente segnale di
attuazione, e almeno due attuatori (23) disponibili in corrispondenza di un rispettivo
arto superiore del guidatore e configurati per generare uno o più segnali aptici all’arto
superiore associato in relazione a detto segnale di attuazione
Exploring the Intersection of Metaverse, Digital Twins, and Artificial Intelligence in Training and Maintenance
No full textAs technology advances, we are surrounded by more complex products that can be challenging to use and troubleshoot. We often turn to online resources and the help of others to learn how to use a product’s features or fix malfunctions. This is a common issue in both everyday life and industry. The key to being able to use a product or fix malfunctions is having access to accurate information and instructions and gaining the necessary skills to per- form the tasks correctly. This paper offers an overview of how Artificial Intelligence, Digital Twins, and the Metaverse - currently popular technologies - can enhance the process of acquiring knowledge, know-how, and skills, with a focus on industrial maintenance. However, the concepts discussed may also apply to the maintenance of consumer products
Looking Into a Future Which Hopefully Will Not Become Reality: How Computer Graphics Can Impact Our Behavior-A Study of the Potential of VR
No full textHumans tendency to engage in behaviors that are harmful to themselves, the environment, and the society has always been present on a personal and collective level. However, the concern for this kind of phenomena is increasing, as demographic and economic growth is amplifying its impact on people health, economies, and ecosystems. As a consequence, we have seen the rise of research fields as design for behavior change, with a growing interest in the use of tools as persuasive technologies, serious games and interactive systems to affect people awareness, attitude, and behavior. To these purposes, computer graphics and especially virtual reality (VR) has great potential since it can provide experiences to deepen users' understanding and emotional involvement regarding a variety of social and environmental issues. Here, we discuss the use of VR as a powerful, versatile, and cost-effective tool to deliver virtual experiences that inform and motivate users to change behavior. We describe and relate different aspects regarding sustainable behavior and VR experience design with respect to their potential to support behavior change
Fast Prototyping of Virtual Replica of Real Products
No full textThe ability to capture customers’ needs and the voice of customers, and to translate them into a set of product specifications that at best satisfy the target customers has increasingly become a key element of business strategy. The common practice consists in evaluating products at the end of the design process through physical prototypes with the participation of users and potential customers. The same practice can be implemented by using virtual replica of real products, reducing cost and time necessary to build some variants. The paper presents a methodology for the development of the virtual prototype of a piece of furniture, produced by a company that is interested in studying how customers perceive and evaluate some variants of the hinge mechanism. The virtual prototype has been implemented using a tool for virtual reality applications oriented to non-expert programmers. The modularity and flexibility of the approach used for implementing the virtual replica has allowed us to re- use the components, and to easily change the parameters, also during the test activities
Operator 4.0: Industrial Augmented Reality, Interfaces and Ergonomics
Full text linkIl programma Industry 4.0, in Germania, e le corrispondenti iniziative internazionali continueranno a trasformare la forza e l’ambiente di lavoro nell’industria fino al 2025.
Parallelamente all'evoluzione del settore, la storia dell'interazione dell’operatori con le varie tecnologie di produzione industriale e digitale può essere riassunta come un'evoluzione generazionale verso la generazione dell’Operatore 4.0.
Questo lavoro di tesi mira ad applicare le tecnologie abilitanti di Industry 4.0 per progettare e sviluppare, metodi e applicazioni a supporto della figura di Operator 4.0 rispetto a tre delle sue otto sfaccettature: l'Augmented Operator, il Virtual Operator e l'Healthy Operator.
Nel Capitolo 1, presentiamo le ricerche svolte nel campo Industrial Augmented Reality. Descriviamo la tecnologia della Realtà Aumentata (AR) e la sua applicazione nel campo della Realtà Aumentata Industriale (IAR). Nel capitolo 2 presentiamo un prototipo di banco di lavoro badato su Spatial Augmented Reality (SAR) progettato nelle prime fasi di questa ricerca e descriviamo gli esperimenti effettuati per convalidare la sua efficienza come supporto per Operator 4.0.
Nel Capitolo 3 descriviamo gli esperimenti effettuati per ottimizzare la leggibilità del testo mostrato nelle interfacce AR per Optical See-Through Displays. In questa ricerca, proponiamo nuovi indici estratti dalle immagini di background, visualizzati su uno schermo LCD, e li confrontiamo con quelli proposti in letteratura attraverso un test utente specifico.
Nel Capitolo 4 presentiamo un framework AR per dispositivi palmari che aiuta gli utenti nella comprensione delle informazioni sugli impianti descritte tradizionalmente attraverso i Piping and Instrumentation Diagrams (P & ID) su supporto cartaceo.
Nel Capitolo 5 descriviamo la ricerca svolta nel campo delle Human Machine Interfaces relativa all'uso delle interfacce utente naturali in realtà virtuale. Abbiamo progettato e sviluppato un'interfaccia gestuale per la navigazione di tour virtuali costituiti da immagini sferiche. Abbiamo confrontato l'interfaccia sviluppata con una classica controllata da mouse per valutare l'efficacia di tale interfaccia in termini di accettazione e coinvolgimento degli utenti.
Nel Capitolo 6, descriviamo un framework generale per la progettazione di un vocabolario di gesti per la navigazione delle istruzioni tecniche nei manuali digitali per le operazioni di manutenzione. Viene anche proposta e utilizzata una procedura di validazione per confrontare i vocabolari gestuali in termini di fatica e carico cognitivo.
Nel Capitolo 7, trattiamo l'aspetto dell’Healthy Operator. Descriviamo la progettazione e lo sviluppo di uno strumento software semi-automatico in grado di monitorare l'ergonomia dell'operatore nell’ambiente di lavoro valutando la metrica Rapid Upper Limb Assessment (RULA). Descriviamo il design e lo sviluppo del nostro prototipo software, il K2RULA, basato su un sensore a basso costo, il Microsoft Kinect v2. Successivamente, convalidiamo il nostro strumento con due esperimenti. Nel primo, lo confrontiamo con un sistema di tracking ottico, il golden standard di settore. Nel secondo confrontiamo i risultati restituiti dal prototipo con quelli calcolati da un valutatore esperto.
Infine, traiamo le nostre conclusioni sul lavoro svolto e cerchiamo di tracciare un percorso per lo sviluppo futuro delle nostre ricerche.The German program Industry 4.0 and the corresponding international initiatives will continue to transform the industrial workforce and their work environment through 2025.
In parallel with the evolution of the industry, the history of the interaction of operators with various industrial and digital production technologies can be summarized as a generational evolution towards the Operator 4.0 generation.
This work aims at applying the enabling technologies of Industry 4.0 in order to design and develop, methods and applications supporting the figure of the Operator 4.0 with respect three out of her/his eight facets – the Augmented Operator, the Virtual Operator, and the Healthy Operator.
In Chapter 1, we introduce the researches carried out in the IAR field. We describe the Augmented Reality (AR) technology and its application in the field of the Industrial Augmented Reality (IAR). In chapter 2, we present a Spatial Augmented Reality (SAR) workbench prototype designed in the early stage of this research and we describe the experiments carried out to validate its efficiency as support to the Operator 4.0.
In Chapter 3, we describe the experiments carried out to optimize legibility of text shown in AR interfaces for optical see-through displays. In this research, we propose novel indices extracted from the background images, displayed on an LCD screen, and we compare them with those proposed in the literature by designing a specific user test.
In Chapter 4, we present an AR framework for handheld devices that enhance users in the comprehension of plant information traditionally conveyed through printed Piping and Instrumentation Diagrams (P&ID).
In Chapter 5 we describe the research carried out in the field of HMI related to the use of Natural User Interfaces in Virtual Reality. We designed and developed a gesture interface for navigation of virtual tours made-up of spherical images. We compared the developed interface with a classical mouse-controlled one to evaluate the effectiveness of such an interface in terms of user acceptance and user engagement.
In Chapter 6, we describe a general framework to design a mid-air gesture vocabulary for the navigation of technical instructions in digital manuals for maintenance operations. A validation procedure is also proposed and utilized to compare gesture vocabularies in terms of fatigue and cognitive load.
In Chapter 7, we treat the facet of the Healthy Operator. We describe the design and development of a semi-automatic software tool able at monitoring the operator ergonomics in the shop floor by assessing Rapid Upper Limb Assessment (RULA) metrics. We describe the design and development of our software prototype – the K2RULA - based on a low- cost sensor, the Microsoft Kinect v2 depth-camera. Subsequently, we validate our tool with two experiments. In the first one, we compared the K2RULA grand-scores with those obtained with a reference optical motion capture system. In the second experiment, we evaluate the agreement of the grand-scores returned by the proposed application with those obtained by a RULA expert rater.
Finally, we draw our conclusions regarding the work carried out and try to map out a path for the future development of our researches in these fields
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