Un framework basato sul concetto di Human-centric Digital Twin per progettare sistemi industriali ergonomici ed inclusivi

The ongoing transition from Industry 4.0 (I4.0) to Industry 5.0 (I5.0) marks a fundamental shift from a technology-driven paradigm to a human-centric vision focusing on well-being, sustainability, and resilience at the centre of industrial innovation. While the Digital Twin (DT) has enabled the virtual replication of machines and processes for optimization purposes, it has traditionally focused on system simulation rather than the overall system design. DT usually emphases process simulation and prediction, without involving people interacting with industrial systems. This technocentric focus has led to significant advances in automation and efficiency, but it has largely neglected the human dimension of industrial environments. To overcome these limitations, the concept of Human-Centric Digital Twin (HCDT) has recently emerged, expanding the DT paradigm to include human factors, both physical and cognitive, within the design and simulation of industrial systems. Despite its conceptual potential, current research on HCDT remains fragmented, with existing studies often addressing isolated aspects such as ergonomics, usability testing or users’ training, without integrating them into a unified methodological and technological framework. Moreover, there is an absence of standardised methodologies for integrating human factors into the digital representation of machines during the design phase. Addressing this gap, this PhD program deepens the requirements to build up a HCDT and proposes a comprehensive HCDT framework to support the design of industrial systems. To operationalize this framework, a UX-driven methodology is introduced, guiding the transition from traditional DT to HCDT through a structured process that incorporates user experience, cognitive workload, and ergonomic evaluation from the early design stages. The proposed framework consists of 4 main components: an AutomationML-based representation (C1) of users and tasks, ensuring standardized documentation and interoperability across digital platforms; a dataset analysis toolkit (C2) able to analyse retrieve and interpret data collected about human-machine interaction; an interaction digital toolkit (C3) to allow a comprehensive analysis of human interaction with both machine human–machine interfaces (HMIs) and machine digital prototype during user testing; an ergonomic assessment toolkit (C4) including posture analysis based on the EN 1005 standard and visibility evaluation. The proposed approach has been validated through three industrial case studies, each of them addressing a specific component of the methodology. Overall, this research provides a structured and replicable path for embedding human factors into digital industrial design processes. It advances the HCDT paradigm by integrating methodological, technological, and experimental contributions, demonstrating that human well-being, usability, and system efficiency can be simultaneously achieved within the evolution toward I5.0.

L’attuale transizione dall'Industria 4.0 (I4.0) all'Industria 5.0 (I5.0) segna un cambiamento di paradigma fondamentale: dal dominio della tecnologia ad una visione centrata sull'uomo, in cui il benessere, la sostenibilità e la resilienza diventano i pilastri dell’innovazione industriale. In questo contesto, il Digital Twin (DT) ha reso possibile la replica virtuale di macchine e processi, ma nella sua forma tradizionale si concentra prevalentemente sulla simulazione dei sistemi, più che sulla loro progettazione. Inoltre, i moderni DT tendono a privilegiare la modellazione e la previsione dei processi industriali, trascurando spesso il ruolo delle persone che interagiscono con tali sistemi. Questo approccio tecnocentrico ha indubbiamente favorito l’efficienza e l’automazione, ma ha in larga parte ignorato la dimensione umana nello studio degli ambienti produttivi. Per superare questi limiti, è stato introdotto il concetto di Human-Centred Digital Twin (HCDT), che estende il paradigma del DT includendo i fattori umani (fisici, cognitivi e comportamentali) nella progettazione e nella simulazione dei sistemi industriali. Tuttavia, la ricerca attuale sugli HCDT risulta ancora frammentaria: gli studi esistenti affrontano spesso aspetti isolati, come l’ergonomia, i test di usabilità o la formazione degli operatori, senza integrare questi saperi in un quadro metodologico e tecnologico unificato. Mancano inoltre metodologie standardizzate per rappresentare in modo coerente i fattori umani nei modelli digitali delle macchine già nelle prime fasi di progettazione. Per colmare tale lacuna, il presente programma di dottorato analizza i requisiti fondamentali per lo sviluppo di un HCDT e propone una struttura integrata a supporto della progettazione dei sistemi industriali. La struttura è resa operativa attraverso una metodologia basata sull’esperienza utente (UX), che guida la transizione dal DT tradizionale all’HCDT integrando fin dalle fasi iniziali di progetto la valutazione dell’esperienza utente, del carico cognitivo e degli aspetti ergonomici. Il framework proposto si articola in quattro componenti principali: C1 – Rappresentazione basata su AutomationML degli utenti e delle attività, che assicura documentazione standardizzata e interoperabilità tra piattaforme digitali; C2 – Toolkit di analisi dei dati, per analizzare, recuperare ed interpretare le informazioni relative all’interazione uomo-macchina; C3 – Toolkit digitale di interazione, che consente un’analisi approfondita delle interazioni tra l’utente, le interfacce uomo-macchina (HMI) e il prototipo digitale della macchina durante le prove utente; C4 – Toolkit di valutazione ergonomica, che comprende l’analisi posturale conforme alla norma EN 1005 e la valutazione della visibilità. L'approccio proposto è stato validato attraverso tre casi di studio industriali, ognuno dei quali ha approfondito una specifica componente della metodologia. Nel complesso, questa ricerca propone un percorso strutturato e replicabile per integrare i fattori umani nei processi di progettazione industriale digitale. Essa contribuisce all’avanzamento del paradigma HCDT combinando prospettive metodologiche, tecnologiche e sperimentali, e dimostrando come benessere umano, usabilità ed efficienza dei sistemi possano coesistere e rafforzarsi reciprocamente nell’evoluzione verso l’Industria 5.0.