Designing user interactions in virtual reality environments for industrial digital twins

The ongoing digital transformation of manufacturing systems, within the Industry 4.0 paradigm, calls for innovative educational approaches that enable industrial engineers to interact with cyber-physical environments governed by real-time logic, automation, and human-machine interfaces. Conventional, theory-driven teaching methods struggle to convey the operational complexity and contextual dynamics of such systems, particularly when physical access to industrial machinery is not available. This thesis presents the design, implementation, and validation of a modular framework focused on immersive industrial interactions in Virtual Reality (VR). The objective is to support engineering education through realistic and operationally coherent Digital Twin environments, where users can interact with virtual machines and control systems as active participants. Central to the proposed approach is a component-based architecture in which each interactive asset is driven by a Finite State Machine (FSM), defined externally via JSON configuration files. This separation between behavioural logic and visual representation allows for high modularity and flexible reuse across scenarios. The framework was validated within a simulated Pick & Place manufacturing cell, designed to replicate realistic industrial workflows and immersive interaction modalities. This environment served as the main testbed for validating the framework, enabling structured assessment of usability, responsiveness, and educational effectiveness through immersive sessions conducted with standalone VR headsets. Experimental validation demonstrated that the proposed framework effectively supports meaningful interaction, operational realism, and educational engagement. Users highlighted the clarity of system feedback, the intuitiveness of control mappings, and the perceived sense of agency within the virtual environment. The adoption of a finite state machine (FSM) architecture enabled modular behaviour definition and seamless integration of new components, ensuring the scalability of the system across diverse industrial training scenarios.

La trasformazione digitale in atto nei sistemi manifatturieri, nell’ambito dell’Industria 4.0, richiede approcci educativi innovativi che permettano agli ingegneri industriali di interagire con ambienti cyber-fisici governati da logiche in tempo reale, automazione e interfacce uomo-macchina. I metodi didattici convenzionali, basati prevalentemente sulla teoria, faticano a trasmettere la complessità operativa e le dinamiche contestuali di tali sistemi, specialmente in assenza di accesso diretto ai macchinari industriali. Questa tesi presenta la progettazione, l’implementazione e la validazione di un framework modulare per interazioni industriali immersive in Virtual Reality (VR). L’obiettivo è supportare la formazione ingegneristica attraverso ambienti Digital Twin realistici, in cui gli utenti possano interagire con macchinari virtuali e sistemi di controllo, assumendo il ruolo di operatori attivi. L’approccio adottato si basa su un’architettura modulare in cui il com portamento di ciascun asset interattivo è regolato da una Macchina a Stati Finiti (FSM), definita esternamente tramite file JSON. Questa separazione tra logica comportamentale e rappresentazione visiva consente elevata modularità e riutilizzo in diversi scenari. Il framework è stato validato all’interno di una cella di produzione Pick & Place simulata, progettata per replicare flussi di lavoro industriali e modalità di interazione immersiva. Questo ambiente ha rappresentato il banco di prova per la verifica del sistema, permettendo una valutazione strutturata di usabilità, reattività ed efficacia educativa, tramite sessioni immersive condotte con visori VR. La validazione ha confermato l’efficacia del framework nel promuovere un’interazione significativa, un realismo operativo coerente e un solido coinvolgimento formativo. Gli utenti hanno apprezzato la chiarezza dei feedback di sistema, la naturalezza dei comandi e la sensazione di controllo. L’uso di FSM ha facilitato la definizione di comportamenti modulari e l’integrazione di nuovi componenti, garantendo la scalabilità del sistema in contesti formativi industriali.