Digital twins: uma célula de manufatura inteligente na indústria 4.0

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2025
Autor(a) principal: Perez, Leonardo Mazetto lattes
Orientador(a): Gatti, Daniel Couto lattes
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Pontifícia Universidade Católica de São Paulo
Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Tecnologias da Inteligência e Design Digital
Departamento: Faculdade de Ciências Exatas e Tecnologia
País: Brasil
Palavras-chave em Português:
Palavras-chave em Inglês:
Área do conhecimento CNPq:
Link de acesso: https://repositorio.pucsp.br/jspui/handle/handle/45401
Resumo: The advancement of digital technologies within the context of Industry 4.0 has enabled new forms of integration between physical and virtual systems. However, their practical implementation still faces limitations related to cost, complexity, and accessibility in experimental environments. This study is based on the hypothesis that the implementation of emerging technologies—such as digital twins, computer vision, and embedded control—within a compact physical cell can enhance predictability, control, and understanding of intelligent manufacturing processes. The objective of this dissertation is to develop and validate a small-scale intelligent manufacturing cell, designed independently and built with open-source technologies and low-cost components. The research adopts a technical and experimental approach, aiming to demonstrate the feasibility of integrating cyber-physical systems, sensors, actuators, and real-time digital simulation. Although the proposed model shows potential for academic use, its primary focus is not educational, but rather the practical demonstration and functional validation of the integration among key technological pillars of Industry 4.0 within a controlled laboratory environment. Methodologically, this is an applied and exploratory study combining qualitative and quantitative approaches. The research involved three-dimensional modeling, physical prototyping, the development of a convolutional neural network (YOLO) for object detection, and the construction of a digital twin synchronized in real time with the physical system. The results demonstrate that the developed model is functional, modular, and replicable, operating in an integrated manner between sensors, actuators, and digital simulation. The findings indicate that the proposed system can serve as a foundation for future applications in robotic autonomy, predictive maintenance, and integration with reference architectures of Industry 4.0
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This study is based on the hypothesis that the implementation of emerging technologies—such as digital twins, computer vision, and embedded control—within a compact physical cell can enhance predictability, control, and understanding of intelligent manufacturing processes. The objective of this dissertation is to develop and validate a small-scale intelligent manufacturing cell, designed independently and built with open-source technologies and low-cost components. The research adopts a technical and experimental approach, aiming to demonstrate the feasibility of integrating cyber-physical systems, sensors, actuators, and real-time digital simulation. Although the proposed model shows potential for academic use, its primary focus is not educational, but rather the practical demonstration and functional validation of the integration among key technological pillars of Industry 4.0 within a controlled laboratory environment. Methodologically, this is an applied and exploratory study combining qualitative and quantitative approaches. The research involved three-dimensional modeling, physical prototyping, the development of a convolutional neural network (YOLO) for object detection, and the construction of a digital twin synchronized in real time with the physical system. The results demonstrate that the developed model is functional, modular, and replicable, operating in an integrated manner between sensors, actuators, and digital simulation. The findings indicate that the proposed system can serve as a foundation for future applications in robotic autonomy, predictive maintenance, and integration with reference architectures of Industry 4.0O avanço das tecnologias digitais no contexto da Indústria 4.0 tem possibilitado novas formas de integração entre sistemas físicos e virtuais. Entretanto, sua aplicação ainda enfrenta limitações relacionadas ao custo, à complexidade e à acessibilidade em cenários experimentais. Parte-se da hipótese de que a implementação de tecnologias emergentes — como gêmeos digitais, visão computacional e controle embarcado — em uma célula física compacta pode promover ganhos em previsibilidade, controle e aprendizado sobre processos produtivos inteligentes. O objetivo desta dissertação é desenvolver e validar uma célula de manufatura inteligente em escala reduzida, construída de forma independente e acessível, com base em tecnologias de código aberto e componentes de baixo custo. O trabalho tem caráter técnico e experimental, buscando demonstrar a viabilidade de integração entre sistemas ciberfísicos, sensores, atuadores e simulação digital em tempo real. Embora o modelo desenvolvido possua potencial de aplicação em ambientes acadêmicos, o foco central da pesquisa não reside no uso didático, mas sim na comprovação prática e funcional da integração entre os pilares tecnológicos da Indústria 4.0 em ambiente laboratorial. Metodologicamente, trata-se de uma pesquisa aplicada de natureza exploratória, com abordagem qualitativa e quantitativa combinada. O estudo envolveu modelagem tridimensional, prototipagem física, desenvolvimento de uma rede neural convolucional (YOLO) para detecção de objetos e construção de um gêmeo digital sincronizado com o sistema físico em tempo real. Os resultados obtidos demonstram que o modelo desenvolvido é funcional, modular e replicável, operando de forma integrada entre sensores, atuadores e simulação digital. Os testes realizados indicam que a solução proposta pode servir de base para futuras aplicações em autonomia robótica, manutenção preditiva e integração com arquiteturas referenciais da Indústria 4.0porPontifícia Universidade Católica de São PauloPrograma de Pós-Graduação em Tecnologias da Inteligência e Design DigitalPUC-SPBrasilFaculdade de Ciências Exatas e TecnologiaCNPQ::ENGENHARIASSimulação digitalManufatura inteligenteVisão computacionalAutomaçãoCiberfísicoDigital simulationIntelligent manufacturingComputer visionAutomationCyber-physicaDigital twins: uma célula de manufatura inteligente na indústria 4.0Digital twins: an intelligent manufacturing cell in industry 4.0info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da PUC_SPinstname:Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP)instacron:PUC_SPORIGINALLeonardo Mazetto Perez.pdfLeonardo Mazetto Perez.pdfapplication/pdf5751166https://repositorio.pucsp.br/xmlui/bitstream/handle/45401/1/Leonardo%20Mazetto%20Perez.pdffa330cc42bcb73945c7016dfc5c7768cMD51TEXTLeonardo Mazetto Perez.pdf.txtLeonardo Mazetto Perez.pdf.txtExtracted texttext/plain368424https://repositorio.pucsp.br/xmlui/bitstream/handle/45401/2/Leonardo%20Mazetto%20Perez.pdf.txtb2592b813dd28a952e2b962a41f523a7MD52THUMBNAILLeonardo Mazetto Perez.pdf.jpgLeonardo Mazetto Perez.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1152https://repositorio.pucsp.br/xmlui/bitstream/handle/45401/3/Leonardo%20Mazetto%20Perez.pdf.jpg12c4b37b1abb493e7b38d9808ab810acMD53handle/454012025-10-24 01:03:42.141oai:repositorio.pucsp.br:handle/45401Repositório Institucionalhttps://sapientia.pucsp.br/https://sapientia.pucsp.br/oai/requestbngkatende@pucsp.br||rapassi@pucsp.bropendoar:2025-10-24T04:03:42Repositório Institucional da PUC_SP - Pontifícia Universidade Católica de São Paulo (PUC-SP)false
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