Skaitmeninis dvynys – tai virtualus realaus objekto atitikmuo, tikslus kompiuterinis modelis, atspindintis jo struktūrą, kinematiką, dinamiką ir valdymo logiką. Kaip pažymi KTU Mechanikos inžinerijos ir dizaino fakulteto docentė dr. Sigita Urbaitė, tokioje virtualioje aplinkoje galima detaliai stebėti, analizuoti ir simuliuoti robotinės rankos elgseną, judesių trajektorijas bei apkrovas dar prieš pradedant fizinio prototipo gamybą. Tai leidžia identifikuoti galimas klaidas ankstyvoje stadijoje ir reikšmingai sumažinti techninę riziką.

Robotinė ranka pasirinkta neatsitiktinai – tai vienas universaliausių, bet kartu ir sudėtingiausių robotikos elementų. Ji suteikia galimybę tirti judesių tikslumą, koordinaciją, mechaninių ir valdymo sistemų sąveiką bei žmogaus judesių imitavimo principus. Dėl aiškiai apibrėžtos kinematinės struktūros tokia sistema itin tinkama skaitmeninio dvynio koncepcijai, nes jos veikimą galima tiksliai modeliuoti ir tiesiogiai lyginti su fiziniu prototipu.

Inžineriniai sprendimai virtualioje aplinkoje

2025 metais KTU Mechanikos inžinerijos ir dizaino fakultete, bendradarbiaujant su viena didžiausių pasaulyje Prancūzijos 3D programinės įrangos kūrėjų Dassault Systèmes, atidarytas Skaitmeninio modeliavimo kompetencijų centras – 3DEXPERIENCE EDU Center of Excellence. Šio centro vizija – stiprinti skaitmeninės inžinerijos, virtualaus projektavimo ir pramonėje taikomų pažangių technologijų kompetencijas, integruojant jas į studijų procesą ir mokslinius tyrimus.

Centre diegiamos modernios skaitmeninio modeliavimo, simuliacijos ir skaitmeninių dvynių technologijos leidžia kurti, testuoti ir optimizuoti inžinerinius sprendimus virtualioje erdvėje dar prieš jų fizinį įgyvendinimą. Būtent ši koncepcija tapo pagrindu robotinės rankos su skaitmeniniu dvyniu projektui.

Projektas įgyvendinamas laimėjus Lietuvos mokslo tarybos finansuojamą iniciatyvą „Studentų tyrimai semestro metu“. Jame dalyvaujantis Mechatronikos studijų programos antro kurso studentas Aldas Marcinkus kuria tiek virtualų robotinės rankos modelį, tiek fizinį prototipą, užtikrindamas glaudų ryšį tarp skaitmeninės ir realios sistemos versijų.

Skaitmeninis dvynys kuriamas naudojant pažangią 3DEXPERIENCE platformą, kuri vienoje aplinkoje integruoja projektavimo, modeliavimo ir simuliacijos procesus. Funkciniai ir dinaminiai bandymai atliekami pasitelkiant „DELMIA Robotics“ modulį, leidžiantį trimatėje erdvėje modeliuoti roboto judėjimą, analizuoti trajektorijas, apkrovas, greičius bei pagreičius ir optimizuoti valdymo algoritmus.

Visi sprendimai pirmiausia išbandomi virtualiai – tik įsitikinus jų veikimo patikimumu pereinama prie fizinio modelio gamybos. Toks metodas mažina projektavimo klaidų tikimybę, taupo resursus ir leidžia pasiekti aukštesnį sistemos saugumo lygį.

Žmogaus judesius atkartojanti sistema

Fizinis robotinės rankos prototipas kuriamas taikant adityviąją gamybą – 3D spausdinimą. Ši technologija suteikia lankstumo: detalės gali būti greitai pagaminamos, testuojamos ir, prireikus, koreguojamos. Tai itin svarbu eksperimentiniams projektams, kuriuose konstrukciniai sprendimai nuolat tobulinami.

Šiame etape robotinė ranka neveikia autonomiškai – ji tiesiogiai atkartoja žmogaus judesius. Speciali judesių sekimo pirštinė fiksuoja rankos padėtį ir sąnarių kampus, o duomenys realiuoju laiku perduodami robotui. Taip užtikrinamas tikslus ir sklandus judesių atkūrimas.

Svarbu pažymėti, kad projekte šiuo metu nenaudojami dirbtinio intelekto ar savarankiško mokymosi algoritmai. Sistema orientuota į stabilų, prognozuojamą ir saugų valdymą. Toks sprendimas leidžia koncentruotis į esminį tikslą – patikimą žmogaus ir roboto sąveiką bei precizišką judesių perdavimą. Ateityje sistema galėtų būti papildyta pažangesnėmis funkcijomis, tačiau šiame etape prioritetas teikiamas saugumui ir mechaniniam bei valdymo tikslumui.

Taikymo galimybės: nuo pramonės iki medicinos

Robotikos rinka šiandien yra viena dinamiškiausiai augančių technologijų sričių. Pramonėje robotai jau plačiai naudojami – nuo automobilių gamybos linijų iki aukšto tikslumo operacijų aviacijos, kosmoso ar gynybos sektoriuose. Tačiau žmogaus judesius atkartojančios sistemos atveria dar platesnes galimybes.

Viena perspektyviausių krypčių – medicina. Tokios robotinės sistemos galėtų būti naudojamos nuotolinėms operacijoms ar procedūroms atlikti, suteikiant gydytojams galimybę dirbti su pacientais fiziškai nebūnant toje pačioje vietoje. Kita svarbi sritis – reabilitacija, kur robotinė ranka galėtų tapti terapiniu įrenginiu, padedančiu atkurti motorikos funkcijas, stebėti paciento pažangą ir individualizuoti treniruočių programas.

Kasdienėje aplinkoje tokie sprendimai galėtų veikti kaip pagalbiniai įrenginiai žmonėms su judėjimo negalia ar ribotu mobilumu, didindami jų savarankiškumą ir gerindami gyvenimo kokybę. Tai taip pat svarbus žingsnis link platesnio bendradarbiaujančių robotų (cobots) taikymo – sistemų, kurios geba saugiai veikti greta žmogaus ir realiuoju laiku reaguoti į jo veiksmus.

Robotinė ranka su skaitmeniniu dvyniu KTU projekte tampa ne tik akademiniu eksperimentu, bet ir praktiniu modeliu, parodančiu, kaip virtualus projektavimas, pažangi simuliacija ir realaus laiko valdymas gali sukurti saugią, patikimą ir ateities poreikiams pritaikytą robotikos sistemą.