ES2946557A1 - Procedimiento y sistema de simulacion y aprendizaje de destrezas y conocimientos en entornos de realidad aumentada - Google Patents
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Abstract
Procedimiento y sistema de simulación y aprendizaje de destrezas y conocimientos en entornos de realidad aumentada. La invención se refiere a un sistema de realidad aumentada, que comprende: un equipo (1) de representación visual de realidad aumentada; una pluralidad de piezas (5) de trabajo dispuestas en un espacio físico (4) una herramienta (6) de interacción, donde dicha herramienta (6) es manipulable por el usuario (3); un equipo (8) de procesamiento que comprende un módulo (9) de almacenamiento de información configurado para almacenar información relativa a una secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, y a una pluralidad de interacciones (12) realizadas por uno o más usuarios (3) del entorno (2) de simulación; y un módulo de evaluación configurado para comparar la similitud entre la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia y las interacciones (12) realizadas por cada usuario. El equipo (8) de procesamiento comprende un módulo de generación de una simulación en realidad aumentada que implementa, a través de medios software/hardware, un procedimiento según cualquiera de las realizaciones descritas.
Description
DESCRIPCIÓN
PROCEDIMIENTO Y SISTEMA DE SIMULACIÓN Y APRENDIZAJE DE DESTREZAS Y CONOCIMIENTOS EN ENTORNOS DE REALIDAD AUMENTADA
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere, en general, a un sistema y a un procedimiento de generación de simulaciones de realidad aumentada y, más concretamente, a un sistema y a un procedimiento especialmente orientados al aprendizaje de destrezas y conocimientos por medio de dichas simulaciones. En este contexto, la invención es de aplicación al ámbito educativo y, más preferentemente, a la adquisición de habilidades, destrezas y conocimientos en el ámbito STEAM (siglas en inglés de “ciencia, tecnología, ingeniería, artes y matemáticas”), tanto de forma directa como transversal, permitiendo a los usuarios de dicho procedimiento y sistema adquirir conocimientos académicos, profesionales, normativos o procedimentales, basados en la práctica de determinadas disciplinas a través de la interacción con un entorno de simulación de realidad aumentada, así como aprender habilidades blandas (en inglés, “soft skills”), pensamiento crítico, trabajo en equipo, resolución de problemas, creatividad e innovación.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Los sistemas tradicionales de simulación por realidad aumentada requieren la localización tridimensional de diversos objetos de interés respecto a un sistema de referencia común. Para ello es necesario conocer, de forma directa o indirecta, la posición de los usuarios de dichos sistemas en tiempo real, para determinar su punto de vista y poder, así, mostrar diferentes representaciones gráficas simuladas, que se superponen a las imágenes reales captadas del el espacio físico sobre el que se genera la simulación, en una o más regiones de superposición entre dicho espacio físico y el entorno de simulación. Este principio de funcionamiento se utiliza, de forma esencialmente similar, en los sistemas de realidad virtual, donde todos los contenidos visualizados son simulados y, por tanto, no se combinan con imágenes del espacio físico (si bien dicho espacio ha de analizarse, indirectamente, para el adecuado despliegue de elementos simulados en el espacio virtual). A pesar de que, en general, la realidad aumentada y la realidad virtual se consideran diferentes entornos inmersivos, en la presente invención se considerarán equivalentes. De este modo,
cualquier referencia realizada a realidad aumentada se considerará también referida a realidad virtual, y viceversa, así como a cualquier otra modalidad de representación afín, tal como la realidad mixta.
Adicionalmente, en muchos de los sistemas conocidos para simular entornos de realidad aumentada o virtual, se permite interactuar con objetos reales o usarlos como herramientas. Por tanto, también es necesario conocer la localización de estos objetos en tiempo real y respecto al mismo sistema de referencia. En muchos sistemas comerciales (Oculus, HTC Vive, etc.), estos objetos corresponden a diferentes elementos interactivos, así como a diversos mandos o actuadores del usuario, cuyo movimiento permite interactuar con el entorno virtual o aumentado de simulación.
Por otra parte, son conocidos los sistemas de realidad aumentada y virtual orientados al aprendizaje y al entrenamiento de habilidades como, por ejemplo, el sistema descrito en la solicitud de patente US 2020/0273365 A1 (VRSIM, Inc.). Dichos sistemas de basan en la generación de simulaciones de objetos virtuales o aumentados, sobre los que el usuario puede ejercitar disciplinas tales como técnicas de pintura industrial, soldadura, etc. Si bien este tipo de tecnologías resulta adecuado para el aprendizaje de determinadas técnicas, presentan la limitación de que no permiten que sus usuarios manipulen las piezas de trabajo como parte de su entrenamiento. Es decir, dichos usuarios han de ejercitar las habilidades a entrenar mediante operaciones que se practican sobre configuraciones fijas de las piezas de trabajo. Por ello, en algunos ámbitos donde dicha manipulación resulta necesaria (por ejemplo, reparaciones mecánicas o industriales, diseño de componentes de automoción, técnicas de pulido o desbastado, experimentación científica, disciplinas artísticas tales como la escultura y, en general, cualquier oficio disciplina basada en habilidades manuales), estos sistemas conocidos resultan insuficientes.
En el ámbito del entretenimiento, son también conocidos los sistemas de realidad aumentada basados en bloques de construcción, especialmente utilizados en la industria del juguete como, por ejemplo, los sistemas descritos en las solicitudes de patente EP 2714223 B1 (LEGO AS) y EP 3511062 B1 (LEGO AS). Si bien estos sistemas están orientados a la detección de diferentes configuraciones en el espacio físico de un conjunto de piezas de trabajo (concretamente, de bloques de construcción conectables), presentan la limitación de que sus entornos de simulación son, por lo general, fijos, estando orientados únicamente al reconocimiento de los bloques constructivos en su conjunto o de las piezas individuales, con el objetivo de indicar a
los usuarios cuáles deben ser los siguientes bloques a utilizar en dicho conjunto, lo que facilita la ejecución de los procesos constructivos. No obstante, estos sistemas no tienen en cuentas las posibles variaciones de dichos conjuntos a la hora de generar contenidos aumentados en las regiones de superposición entre el espacio físico y el entorno de simulación. Así pues, no están diseñados para modificar dichas regiones a partir de distintas configuraciones de conexión de los bloques, sino para desplegar contenidos adicionales (por ejemplo, indicadores de cuáles deben ser los siguientes bloque en ser colocados, o elementos añadidos que se representan junto con los bloques), bien para guiar al usuario durante los procesos de construcción, o para proporcionar experiencias mejoradas. Por tanto, en estos sistemas, los bloques representados bajo realidad aumentada siempre se visualizan como elementos de naturaleza fija. A pesar de que ello resulta adecuado para proporcionar una mejor experiencia de usuario en este tipo de juguetes, resulta insuficiente para el aprendizaje de otro tipo de técnicas, donde la conexión de las piezas de trabajo implica un cambio de propiedades o de naturaleza en los elementos que representan en el espacio físico. Por ejemplo, en el aprendizaje de la química, la conexión de diferentes átomos puede cambiar su naturaleza a escala molecular, generándose nuevos enlaces o propiedades en función de su orientación o disposición específica.
De acuerdo a lo anterior existe, en el campo de la invención, una necesidad de proporcionar procedimientos y sistemas de realidad aumentada orientados al aprendizaje de habilidades y conocimientos, principalmente en el ámbito STEAM o cualesquiera otras metodologías de adquisición de conocimientos de forma trasversal para la adquisición de habilidades (oficios o disciplinas basadas, total o parcialmente en habilidades manuales), que presenten prestaciones mejoradas respecto a las alternativas conocidas del estado de la técnica. La presente invención permite satisfacer la citada necesidad, mediante el uso de un novedoso procedimiento de simulación y aprendizaje de destrezas y conocimientos en entornos de realidad aumentada, así como de un sistema adaptado para implementar dicho procedimiento.
DESCRIPCIÓN BREVE DE LA INVENCIÓN
La presente invención se enmarca en los sistemas para localización tridimensional de objetos en sistemas de realidad aumentada (RA) o realidad virtual (RV) y permite solventar las limitaciones del estado de la técnica mencionadas anteriormente. El sistema propuesto permite conocer en tiempo real la posición y rotación 3D de un objeto relativo a un sistema de referencia común.
Tal y como se ha mencionado en la sección anterior, existe una necesidad en el estado de la técnica de disponer de procedimientos y sistemas de realidad aumentada con aplicación al ámbito educativo y, más preferentemente, para la adquisición de destrezas y conocimientos en el campo STEAM, que permitan a los usuarios de dichos procedimientos y sistemas aprender habilidades blandas, pensamiento crítico, trabajo en equipo, resolución de problemas, creatividad e innovación.
Más concretamente, un objeto principal de la presente invención se refiere a un procedimiento de simulación y aprendizaje de destrezas en entornos de realidad aumentada, apto para su aplicación a:
- una pluralidad de piezas de trabajo dispuestas en un espacio físico, donde dichas piezas de trabajo son conectables entre sí a través de su manipulación por parte de un usuario; y a
- al menos una herramienta de interacción dispuesta en el espacio físico, donde dicha herramienta de interacción es manipulable por el usuario.
Ventajosamente, el procedimiento de la invención comprende la realización de los siguientes pasos, en cualquier orden técnicamente posible:
a) generar, mediante un equipo de representación visual de realidad aumentada, un entorno de simulación que se superpone, al menos en parte, sobre las piezas de trabajo del espacio físico, donde dicho entorno de simulación es variable en función de la configuración de conexión de la pluralidad de piezas de trabajo en el espacio físico;
b) generar un conjunto de objetos de simulación en la región de superposición del entorno de simulación, donde dichos objetos son representaciones de objetos físicos con los que el usuario puede interactuar en dicho entorno de simulación, a través de la herramienta de interacción en el entorno de simulación;
c) definir, en un equipo de procesamiento conectado al equipo de representación visual:
- una secuencia de operaciones de referencia, asociadas a la interacción de la herramienta de interacción con uno o más de los objetos del entorno de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta de interacción por parte del usuario;
- una pluralidad de configuraciones de objetos de referencia, asociadas a la configuración de conexión de las piezas de trabajo en el espacio físico;
d) mostrar al usuario, mediante el equipo de representación visual, el entorno de simulación y realizar, por parte del usuario:
- una secuencia de operaciones asociadas a la interacción de la herramienta de interacción con uno o más de los objetos del entorno de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta de interacción por parte del usuario;
- una pluralidad de configuraciones de conexión de las piezas de trabajo en el espacio físico, asociadas a la configuración de los objetos en el entorno de simulación;
e) detectar, por medio de una pluralidad de sensores comprendidos en el equipo de representación visual, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión realizadas por el usuario;
f) registrar, con el equipo de procesamiento, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión realizadas por el usuario y calcular la similitud de la misma con la secuencia de operaciones de referencia y con las configuraciones de objetos de referencia.
En una realización preferente de la invención, la herramienta de interacción no está integrada con el equipo de representación visual, y dicha herramienta de interacción es, asimismo, manipulable por parte del usuario. Particularmente, en esta realización el procedimiento comprende el siguiente paso adicional:
g) generar al menos una representación de la herramienta de interacción en el entorno de simulación, mediante el equipo de representación visual.
En otra realización preferente de la invención, la representación de la herramienta de interacción en el entorno de simulación comprende elementos adicionales asociados al funcionamiento propio de dicha herramienta, comprendiendo dichos elementos, uno o más de los siguientes: materiales de soldadura, deposición de pintura, surcos de corte, cables, elementos de conexión o líneas de fluido.
En otra realización preferente de la invención, las propiedades de representación de los objetos generados en la región de superposición del entorno de simulación se modifican por el usuario, a través de la interacción de dicho usuario con el equipo de procesamiento conectado al equipo de representación visual, por medio de la herramienta de interacción. Más preferentemente, las propiedades de representación de los objetos comprenden la forma, el color, el tamaño y/o el material de dichos objetos. Aún más preferentemente, las propiedades de representación pueden comprender parámetros indirectos de comportamiento mecánico (rigidez, resistencia, adherencia, etc.), o incluso informativos (por ejemplo, la huella de carbono generada por un determinado vehículo, obtenido a través de una configuración de piezas específica).
En otra realización preferente de la invención, las piezas de trabajo y/o las herramientas de interacción de espacio físico comprenden uno o más marcadores ópticos dispuestos sobre el mismo, donde dichos marcadores están codificados con información óptica apta para su adquisición por los sensores del equipo de representación visual.
En otra realización preferente de la invención, la representación de la herramienta en el entorno de simulación se muestra, en el equipo de representación visual, como un útil de soldadura, un útil de pintura, un soplete, un taladro, un martillo, un cincel, un útil de limpieza, un útil de pulido, un útil de desbastado.
En otra realización preferente de la invención, el procedimiento de la invención comprende, adicionalmente, generar una puntuación del rendimiento del usuario en función de la similitud de las operaciones del usuario y la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos de referencia.
En otra realización preferente de la invención, el procedimiento comprende definir adicionalmente una pluralidad de usuarios que interactúan, cooperativamente o no, en un mismo entorno de simulación, donde a cada usuario se le asigna, opcionalmente, un rol, y donde la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos comprende una o más interacciones permitidas a cada usuario respecto a los objetos y/u otros usuarios en función dicho rol; sincronizándose las interacciones de los usuarios en dicho entorno de simulación, mediante el procesamiento, por parte del equipo de procesamiento, de las secuencias de operaciones y configuraciones de objetos realizadas por los usuarios.
Un segundo objeto de la invención se refiere a un sistema de realidad aumentada que comprende:
- un equipo de representación visual de realidad aumentada, configurado para generar y mostrar un entorno de simulación a un usuario;
- una pluralidad de piezas de trabajo dispuestas en un espacio físico, donde dichas piezas de trabajo son conectables entre sí a través de su manipulación por parte de un usuario;
- al menos una herramienta de interacción, donde dicha herramienta es manipulable por el usuario; y
- un equipo de procesamiento que comprende un módulo de almacenamiento de información configurado para almacenar información relativa a una secuencia de operaciones y configuraciones de objetos de referencia, y a una pluralidad de interacciones realizadas por uno o más usuarios del entorno de simulación; y un módulo de evaluación configurado para comparar la similitud entre la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos de referencia y las interacciones realizadas por cada usuario.
Ventajosamente en dicho sistema, el equipo de procesamiento comprende un módulo de generación de una simulación en realidad aumentada que implementa, a través de medios software/hardware, un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
En una realización preferente de la invención, el equipo de representación visual y la herramienta de interacción están integrados en un mismo dispositivo.
En otra realización preferente de la invención, el dispositivo comprende una tablet, un teléfono o un ordenador.
En otra realización preferente de la invención, el equipo de representación visual comprende una pluralidad de sensores adaptados para detectar la posición u orientación en el espacio físico de las piezas de trabajo y, opcionalmente, de la herramienta de interacción.
En otra realización preferente de la invención, la herramienta de interacción no está integrada con el equipo de representación visual, y dicha herramienta de interacción es, asimismo, manipulable por parte del usuario.
En otra realización preferente de la invención, la herramienta de interacción comprende una herramienta de soldadura, una herramienta de pintura, un soplete, una herramienta de percusión, una herramienta de corte, una herramienta de pulido y/o una herramienta de desbastado.
En otra realización preferente de la invención, el equipo de procesamiento comprende al menos uno de los siguientes elementos:
- medios de reproducción y/o grabación de audio, adaptados para permitir la interacción del usuario con el entorno de simulación;
- medios de visualización externos del entorno de simulación aptos para permitir la visualización de dicho entorno y de las interacciones realizadas por un usuario sobre otros usuarios diferentes;
- módulo de retroalimentación, adaptado para registrar la información obtenida de los usuarios durante la realización de interacciones en el entorno de simulación;
- medios de comunicación configurados para transmitir información almacenada y/o procesada por el equipo de procesamiento a dispositivos externos o ubicaciones remotas, a través de redes telemáticas.
Más preferentemente, el módulo de retroalimentación para el usuario está configurado adicionalmente para:
- calcular una puntuación en función de la información registrada del usuario, según la similitud entre las secuencias de operaciones y las configuraciones de objetos de referencia, y las secuencias de interacciones realizadas por el usuario;
- proporcionar una pluralidad de indicaciones al usuario de aquellas interacciones diferentes a las comprendidas en la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos de referencia; donde dichas indicaciones comprenden, al menos una de las siguientes: tiempo empleado para las interacciones con los objetos, tiempo total empleado para la realización de las interacciones, orden inadecuado de realización de las interacciones.
DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Para completar la descripción de la invención se proporciona un conjunto de figuras, que forman parte integral de la descripción e ilustran una realización preferente de la invención. Dichas figuras deben interpretarse de modo ilustrativo, no limitativo, y se detallan a continuación.
La Figura 1 muestra una vista esquemática general del sistema de realidad aumentada de la invención, en una realización preferente de la misma.
La Figura 2 muestra una realización particular de la invención en la que la herramienta de interacción no está integrada con el equipo de representación visual y donde, asimismo, dicha herramienta de interacción es manipulable por parte del usuario.
La Figura 3 muestra, de forma esquemática, los módulos y componentes esenciales del equipo de procesamiento del sistema de la invención, en una realización preferente
de la misma.
La Figura 4 muestra, esquemáticamente, una realización preferente del sistema de la invención donde las piezas de trabajo y las herramientas de interacción comprenden uno o más marcadores ópticos dispuestos sobre el mismo, donde dichos marcadores están codificados con información óptica apta para su adquisición por los sensores del equipo de representación visual.
Las citadas Figuras se acompañan de una serie de referencias numéricas, correspondientes a los siguientes elementos:
(1) Equipo de representación visual.
(2) Entorno de simulación.
(3) Usuario.
(4) Espacio físico.
(5) Piezas de trabajo conectables
(6) Herramienta de interacción
(7, 7’, 7’’) Sensores
(8) Equipo de procesamiento
(9) Módulo de almacenamiento de información
(10) Operaciones de referencia
(11) Configuraciones de objetos de referencia
(12) Interacciones con el entorno de simulación
(13) Módulo de evaluación
(14) Módulo de generación de simulaciones de realidad aumentada
(15) Medios de reproducción y/o grabación de audio
(16) Medios de visualización externos del entorno de simulación
(17) Módulo de retroalimentación
(18) Medios de comunicación
(19) Objetos del entorno de simulación
(20) Marcadores ópticos
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
En la Figura 1 se representa una vista esquemática general del sistema de realidad aumentada de la invención, en una primera realización preferente de la misma. Dicho sistema comprende, esencialmente, un equipo (1) de representación visual de realidad aumenta, configurado para generar y mostrar un entorno (2) de simulación a un usuario
(3) . En una realización preferente de la invención, el equipo (1) de representación visual de realidad aumentada comprende un monitor o pantalla de un dispositivo de tipo tablet, de un teléfono o de un ordenador. La función principal del equipo (1) de representación visual es, así pues, proporcionar una interfaz entre el entorno (2) de simulación y el espacio físico (4) en el que se encuentra el usuario (3), permitiendo la visualización de una pluralidad de elementos en dicho entorno (2) de simulación, superpuestos sobre las imágenes del espacio físico (4).
Asimismo, el sistema de la invención comprende, de forma esencial, una pluralidad de bloques o piezas (5) de trabajo, dispuestas también en el espacio físico (4), donde dichas piezas (5) de trabajo son conectables entre sí, a través de su manipulación por parte del usuario (3). La conexión de las piezas (5) de trabajo se realiza por medio de uniones preferentemente no permanentes, por ejemplo de tipo magnético, por machihembrado, medios adhesivos, cierres de gancho y bucle, o similares. Tal y como se muestra en la Figura 1, las piezas (5) de trabajo pueden adoptar una pluralidad de formas mediante la configuración de sus conexiones. Así, mediante formas y tamaños adecuados, las piezas (5) de trabajo pueden formar volúmenes similares a los de los objetos físicos en los que basará el aprendizaje a adquirir. Por ejemplo, las piezas (5) de trabajo pueden configurar, mediante sus conexiones y formas correspondientes, un componente industrial, un componente de automoción, aeronáutico o de cualquier otro medio de transporte, un componente electrónico o de computación, un componente de edificación o ingeniería, una obra artística, un diagrama científico o matemático, etc. A modo de ejemplo, las diferentes configuraciones de las piezas pueden representar configuraciones moleculares, estructuras de materiales, diferentes configuraciones de un vehículo, diferentes elementos de una escultura, etc. La función principal de las piezas (5) de trabajo es, por tanto, proporcionar las diferentes formas y volúmenes en el espacio físico (4), mediante la manipulación de sus conexiones, sobre las que se proyectarán las imágenes del entorno (2) de simulación en el equipo (1) de representación visual. De forma ilustrativa, en la Figura 1 se representan dos configuraciones diferentes (detalles 1a y 1b) de un mismo conjunto de piezas (5) de trabajo, correspondiendo una de ellas a un vehículo de tipo patinete y, la otra, a un vehículo motocicleta, respectivamente.
Además de los elementos anteriores, el sistema de la invención comprende, de forma esencial, al menos una herramienta (6) de interacción dispuesta en el espacio físico (4) , donde dicha herramienta (6) de interacción es manipulable por el usuario (3). En una realización preferente de la invención, la herramienta (6) de interacción puede ser
parte de una interfaz táctil de un dispositivo de tipo tablet, de un teléfono o de un ordenador. Ejemplos de dicha interfaz son una pantalla táctil (en tablets y teléfonos), un teclado, un ratón, etc. En estas realizaciones, el equipo (1) de representación visual y la herramienta (6) de interacción están, preferentemente, integrados en un mismo dispositivo (esto es, un dispositivo de tipo tablet, el teléfono o el ordenador), que proporciona tanto las funciones de visualización del entorno (2) de simulación como las de interacción con el citado entorno (2).
En otra realización preferente de la invención, mostrada en la Figura 2, la herramienta (6) de interacción no está integrada con el equipo (1) de representación visual y, asimismo, dicha herramienta (6) de interacción es manipulable por parte del usuario (3). En diferentes realizaciones de la invención, en función del ámbito específico de aprendizaje al que se aplique el sistema, la herramienta (6) de interacción puede comprender una herramienta de soldadura, una herramienta de pintura, un soplete, una herramienta de percusión, una herramienta de corte, una herramienta de pulido, una herramienta de desbastado, etc.
Bajo las realizaciones anteriores, el equipo (1) de representación visual está preferentemente configurado para detectar tanto la posición y/o la orientación de las piezas (5) de trabajo como, opcionalmente, de la herramienta (6) de interacción. Para ello, dicho equipo (1) de representación visual estará equipado con uno o más sensores (7, 7’) (por ejemplo, cámaras) adaptados para detectar la posición u orientación en el espacio físico de las piezas (5) de trabajo y de la herramienta de interacción. En otras realizaciones, pueden utilizarse también cámaras (7’’) externas, no integradas con el equipo el equipo (1) de representación visual, pero conectadas a éste. Y, en otras realizaciones adicionales, los sensores pueden formar parte de otros elementos, como por ejemplo de las propias piezas (5) (sensores magnéticos, de posición, de proximidad, etc.). Los diferentes tipos de sensores aplicables a la invención pueden utilizarse solos o en combinación.
Con el objetivo de generar la información asociada al entorno (2) de simulación y a las acciones realizadas en el espacio físico por el usuario (3), y según lo mostrado en la Figura 3, el sistema de la invención comprende también, de forma esencial, un equipo (8) de procesamiento que comprende, a su vez, un módulo (9) de almacenamiento de información, configurado para almacenar información relativa a una secuencia de operaciones (10) y a configuraciones (11) de objetos de referencia, y a una pluralidad de interacciones (12) realizadas por uno o más usuarios (3) del entorno (2) de
simulación; y un módulo (13) de evaluación, configurado para comparar la similitud existente entre la secuencia de configuraciones (11) de objetos y las operaciones (10) de referencia, y las interacciones (12) realizadas por los usuarios (3).
Por otra parte, en diferentes realizaciones particulares de la invención descrita, la herramienta (6) de interacción comprende, por ejemplo, una o más de las siguientes: una herramienta de soldadura, una herramienta de pintura, un soplete, una herramienta de percusión, una herramienta de corte, una herramienta de pulido y/o una herramienta de desbastado. Dichas herramientas (6) pueden ser tanto herramientas reales para el ejercicio de las actividades descritas, como representaciones de las mismas, adaptadas en forma, tamaño, peso, etc. a las herramientas reales, con el objetivo de proporcionar una experiencia realista al usuario (3) durante el uso del sistema.
En otra realización de la invención, el equipo (8) de procesamiento comprende, al menos, uno de los siguientes elementos:
- Módulo (14) de generación de simulaciones de realidad aumentada.
- Medios (15) de reproducción y/o grabación de audio, adaptados para permitir la interacción (12) del usuario (3) con el entorno (2) de simulación mediante voz.
- Medios (16) de visualización externos del entorno (2) de simulación, aptos para permitir la visualización, por parte de otros usuarios (3), de dicho entorno (2) de simulación y de las interacciones (12) con el mismo realizadas por un usuario (3).
- Módulo (17) de retroalimentación, adaptado para registrar la información obtenida de los usuarios (3) durante la realización de operaciones en el entorno (2) de simulación. Dicha información puede utilizarse tanto para calcular los valores de similitud con las operaciones (10) y a configuraciones (11) de objetos de referencia, como para generar ejercicios específicos a partir de la citada información.
- Medios (18) de comunicación configurados para transmitir información almacenada y/o procesada por el equipo (8) de procesamiento a dispositivos externos o ubicaciones remotas, preferentemente a través de redes telemáticas.
En diferentes realizaciones de la invención, el equipo (1) de representación visual y/o el equipo (8) de procesamiento pueden estar conectados, localmente, remotamente y/o de forma distribuida, a un sistema de “e-learning”, integrado por uno o más servidores y uno o más dispositivos cliente. Dicho sistema está conectado a través de una red de comunicación y, en él, una pluralidad de estudiantes puede ser evaluada por uno o más profesores. El sistema de “e-learning” comprende, preferentemente,
medios adaptados para el registro de las operaciones y configuraciones realizadas por los estudiantes, así como de las valoraciones (en base a los valores de similitud obtenidos) realizadas por los profesores.
Asimismo y de forma ventajosa, el equipo (1) de representación visual y, opcionalmente, el equipo (8) de procesamiento implementan, a través de medios software/hardware, un procedimiento según cualquiera de las realizaciones descritas en el presente documento. Dichas realizaciones se describirán en mayor detalle a continuación.
Según lo descrito, el procedimiento de la invención comprende, ventajosamente, la realización de los siguientes pasos, en cualquier orden técnicamente posible:
a) Generar, mediante el equipo (1) de representación visual de realidad aumentada, un entorno (2) de simulación que se superpone, al menos en parte, sobre las piezas (5) de trabajo dispuestas en el espacio físico (4), donde dicho entorno (2) de simulación es variable, en función de la configuración de conexión de la pluralidad de piezas (5) de trabajo en el espacio físico (4).
Según el paso a) anterior, el procedimiento de la invención se basa, esencialmente, en la modificación del entorno (2) de simulación en función de cómo se encuentran conectadas y/o agrupadas las piezas (5) de trabajo. Esta funcionalidad se muestra, de forma específica, en las Figuras 1a-1b, donde se representan dos configuraciones diferentes de dichas piezas (5) de trabajo. Como se aprecia en dicha figura, el equipo (1) de representación visual está equipado con medios que permiten analizar la forma global de las piezas (5) y de sus conexiones, generando un entorno (2) de simulación específico adaptado a dicha forma, y que puede cambiar dinámicamente si dicha forma global se ve modificada. Así pues, el sistema de la invención permite modificar, de modo automático y reactivo, el aspecto de los elementos de realidad aumentada mostrados en el entorno (2) de simulación, en respuesta a la manipulación de las piezas (5) de trabajo por parte del usuario (3). De esa forma, se mejora la adquisición de destrezas y conocimientos de tipo STEAM, basados principalmente en la práctica, así como en la interacción directa con los objetos para el aprendizaje de nuevas técnicas y conocimientos, que se van mostrando al usuario (3) a medida que éste manipula las piezas (5) de trabajo.
b) Generar un conjunto de objetos (19) en la región de superposición del entorno (2) de simulación, donde dichos objetos (19) son representaciones de objetos físicos
con los que el usuario (3) puede interactuar con el entorno (2) de simulación, a través de la herramienta (6) de interacción.
Según el paso b) anterior, para cada configuración de las piezas (5) de trabajo seleccionada en el paso a), el equipo (1) de representación visual y el equipo (8) de procesamiento permiten generar una pluralidad de objetos (19) virtuales en el entorno (2) de simulación, en la región de superposición con las posiciones de las piezas (5) de trabajo. A modo de ejemplo, dichos objetos (19) pueden ser, en una aplicación de la invención orientada al desarrollo de habilidades en el ámbito de la automoción, diferentes componentes de un vehículo, cuya forma o modelo específico cambian en función de la configuración de las piezas (5) de trabajo realizada por el usuario (3), interactuando con las mismas. Así, al disponer las citadas piezas (5) en determinadas posiciones, se generan objetos (19) tales como ruedas, ejes, elementos de dirección, elementos estructurales, etc.
Ventajosamente en la invención, el procedimiento comprende, asimismo, los siguientes pasos:
c) Definir, en el equipo de procesamiento (8) conectado al equipo (1) de representación visual:
- una secuencia de operaciones (10) de objetos de referencia, asociadas a la interacción de la de la herramienta (6) de interacción con uno o más de los objetos (19) del entorno (2) de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta (6) de interacción por parte del usuario (3);
- una pluralidad de configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, asociadas a la configuración de conexión de las piezas (5) de trabajo en el espacio físico.
El paso c) anterior se relaciona con las operaciones (10) de referencia que el usuario (3) debe, idealmente, ejercitar para la adecuada adquisición de las destrezas o conocimientos asociados a la aplicación específica de la invención. Dichas operaciones (10) estarán típicamente preconfiguradas, y pueden estar basadas en criterios normativos (por ejemplo, cuando se quiere entrenar una serie de operaciones (10) asociadas a un protocolo técnico), pedagógicos, académicos o docentes (cuando las operaciones (10) se asocian a “mejores prácticas” a la hora de adquirir determinada destreza o conocimiento). Las operaciones (10) de referencia se asociarán, por lo general, a configuraciones (11) de referencia de las piezas (5) de trabajo y, por tanto, de los objetos (19) virtuales asociados a las mismas. Con ello, se genera una base de
aprendizaje para el usuario (3), estableciéndose cómo debe, idealmente, configurar adecuadamente las piezas (5) de trabajo en el espacio físico, así como las operaciones específicas que debe realizar sobre las mismas. Ejemplos de estas operaciones pueden asociarse, en diferentes aplicaciones de la invención, a procedimientos de soldadura, pintura, corte, percusión, pulido, desbastado, así como a procedimientos generales de montaje, reparación, mantenimiento o instalación de todo tipo de equipos. Las operaciones pueden representar también, en otras realizaciones particulares, procedimientos de tipo científico, académico o artístico.
d) Mostrar al usuario (3), mediante el equipo (1) de representación visual, el entorno (2) de simulación y realizar, por parte del usuario (3):
- una secuencia de operaciones asociadas a la interacción del usuario (3) con uno o más de los objetos (19) en el entorno (2) de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta (6) de interacción por parte del usuario (3) en el espacio físico (4);
- una pluralidad de configuraciones de conexión de las piezas (5) de trabajo en el espacio físico (4), asociadas a la configuración de los objetos (19) en el entorno (2) de simulación.
Según el paso d) anterior, el usuario (3) realiza, de forma efectiva, las operaciones y configuraciones asociadas a las destrezas o conocimientos adquiridos, interactuando con el entorno de simulación, a través de la herramienta (6) de interacción.
e) Detectar, por medio de una pluralidad de sensores (7, 7’) comprendidos en el equipo (1) de representación visual, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión realizadas por el usuario (3).
Según el paso e) anterior, las operaciones y configuraciones del usuario (3) son detectadas por los sensores (7, 7’), por ejemplo a través de cámaras. De este modo, las secuencias específicas de dichas operaciones y configuraciones pueden ser detectadas, para su posterior procesamiento y análisis.
f) Registrar, con el equipo (8) de procesamiento, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión de piezas (5) de trabajo realizadas por el usuario (3) y calcular la similitud de la misma con la secuencia de operaciones (10) y con las configuraciones (11) de objetos (19) de referencia.
Según el paso f) anterior, el registro de las secuencias de operaciones y las configuraciones de conexión de piezas (5) de trabajo realizadas por el usuario (3), así como el cálculo posterior de la similitud de las mismas con la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de referencia, permite establecer un estimador del grado de adecuada adquisición de las destrezas y conocimientos asociados a cada simulación ya que, si la similitud es alta, ello indicará que el usuario (3) ha ejecutado las operaciones y las configuraciones tal y como se haría en las operaciones (10) y configuraciones (11) de referencia.
En diferentes realizaciones de la invención, el cálculo de la similitud se puede hacer de forma directa, a través del propio equipo (8) de procesamiento, o por medio de estimación indirecta, por ejemplo a partir del registro y reproducción de las operaciones y configuraciones realizadas por el usuario (3) a modo de repetición, y su comparación automática o manual con las operaciones (10) y configuraciones (11) de referencia (por ejemplo, calculándose la similitud por parte de un evaluador humano). Asimismo, dicha evaluación puede ser completa, respecto a la totalidad de las operaciones y configuraciones realizadas por el usuario (3), o parcial, respecto a una parte de las mismas.
Según lo descrito previamente con relación al sistema de la invención, la herramienta (6) de interacción puede ser, en una realización preferente, parte de una interfaz táctil de un dispositivo de tipo tablet, de un teléfono o de un ordenador. En dicha realización la interfaz puede ser, por ejemplo, una pantalla táctil, un teclado, un ratón, etc., de forma que el equipo (1) de representación visual y la herramienta (6) de interacción están, preferentemente, integrados en un mismo dispositivo. De este modo, las interacciones (12) del usuario (3) con el entorno (2) de simulación de realidad aumentada se realizarán, preferentemente, mediante dicha herramienta (6) en forma de pulsaciones, cursores, ayudas visuales, etc. A modo de ejemplo, las interacciones (12) se pueden llevar a cabo sobre la pantalla de un teléfono móvil, en el que se representan imágenes del espacio físico (4) y, superpuestas sobre ellas, elementos del entorno (2) de simulación.
Alternativamente, en las realizaciones en las que la herramienta (6) de interacción no está integrada con el equipo (1) de representación visual, por ejemplo, cuando la herramienta (6) comprende un útil físico de soldadura, una herramienta de pintura, un soplete, una herramienta de percusión, una herramienta de corte, una herramienta de
pulido, una herramienta de desbastado, etc., o una representación física de cualquiera de los mismos, el procedimiento de la invención comprende el siguiente paso:
g) 
Generar al menos una representación de la herramienta (6) de interacción en el entorno (2) de simulación, mediante el equipo (1) de representación visual;
De ese modo, el usuario (3) podrá ver, en el citado espacio (2) de simulación, una representación aumentada de la herramienta (6), adaptada a las destrezas o conocimientos a adquirir. En diferentes realizaciones de la invención, la representación de la herramienta (6) de interacción en el entorno (2) de simulación puede incluir elementos adicionales asociados al funcionamiento propio de dicha herramienta (6), tales como materiales de soldadura, deposición de pintura, surcos de corte, cables, líneas de fluido, etc.
En otra realización preferente de la invención, el usuario (3) puede modificar las propiedades de representación de los objetos (19) generados en la región de superposición del entorno (2) de simulación, a través de la interacción de dicho usuario (3) con el equipo (8) de procesamiento conectado al equipo (1) de representación visual, mediante una herramienta (6) de interacción integrada en dichos equipos (1,8).
Bajo esta realización, un usuario (3) puede, a modo de ejemplo, seleccionar diferentes modelos de ruedas que se superponen sobre una determinada pieza (5) de trabajo, donde dicha pieza (5) forma parte de un vehículo bajo su representación en el espacio (2) de simulación. Más preferentemente, las propiedades de representación de los objetos (19) comprenden la forma, el color, el tamaño y/o el material de los mismos.
En otra realización preferente de la invención mostrada en la Figura 4, las piezas (5) de trabajo y/o las herramientas (6) de interacción en el espacio físico (4) comprenden uno o más marcadores (20) ópticos dispuestos sobre el mismo, donde dichos marcadores (20) están codificados con información óptica apta para su adquisición por los sensores (7, 7’) del equipo (1) de representación visual.
En otra realización preferente de la invención, el procedimiento comprende, adicionalmente, generar una puntuación del rendimiento del usuario (3) en función de la similitud de las interacciones (12) del usuario y la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia.
En otras realizaciones preferentes, es posible implementar aplicaciones multiusuario para la adquisición de destrezas y conocimientos según la invención.
Así, por ejemplo, en una realización preferente de la invención, el procedimiento comprende, adicionalmente, definir una pluralidad de usuarios (3) que interactúan, cooperativamente o no, en un mismo entorno (2) de simulación, donde a cada usuario (3) se le asigna, opcionalmente, un rol y donde la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos (19) comprende una o más interacciones permitidas a cada usuario respecto a los objetos (19) y/u otros usuarios (3) en función dicho rol; sincronizándose las interacciones de los usuarios (3) en dicho entorno (2) de simulación, mediante el procesamiento, por parte del equipo (8) de procesamiento, de las secuencias de operaciones y configuraciones de objetos (19) realizadas por los usuarios (3).
En otra realización preferente de la invención, el procedimiento comprende, adicionalmente:
- calcular una puntuación en función de la información registrada del usuario (3), según la similitud entre las secuencias de operaciones (10) y las configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, y las secuencias de interacciones (12) realizadas por el usuario (3); y
- proporcionar una pluralidad de indicaciones al usuario (3) de aquellas interacciones (12) diferentes a las comprendidas en la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia; donde dichas indicaciones comprenden, al menos una de las siguientes: tiempo empleado para las interacciones (12) con los objetos (19), tiempo total empleado para la realización de las interacciones (12), orden inadecuado de realización de las interacciones (12).
Claims (18)
1. 
Procedimiento de simulación y aprendizaje de destrezas en entornos de realidad aumentada, apto para su aplicación a:
- una pluralidad de piezas (5) de trabajo dispuestas en un espacio físico (4), donde dichas piezas (5) de trabajo son conectables entre sí a través de su manipulación por parte de un usuario (3); y a
- al menos una herramienta (6) de interacción dispuesta en el espacio físico (4), donde dicha herramienta (6) de interacción es manipulable por el usuario (3);
donde el procedimiento está caracterizado por que comprende la realización de los siguientes pasos, en cualquier orden técnicamente posible:
a) generar, mediante un equipo (1) de representación visual de realidad aumentada, un entorno (2) de simulación que se superpone, al menos en parte, sobre las piezas (5) de trabajo del espacio físico (4), donde dicho entorno (2) de simulación es variable en función de la configuración de conexión de la pluralidad de piezas (5) de trabajo en el espacio físico (4);
b) generar un conjunto de objetos (19) de simulación en la región de superposición del entorno (2) de simulación, donde dichos objetos (19) son representaciones de objetos físicos con los que el usuario (3) puede interactuar en dicho entorno (2) de simulación, a través de la herramienta (6) de interacción en el entorno (2) de simulación;
c) definir, en un equipo (8) de procesamiento conectado al equipo (1) de representación visual:
- una secuencia de operaciones (10) de referencia, asociadas a la interacción de la herramienta (6) de interacción con uno o más de los objetos (19) del entorno (2) de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta (6) de interacción por parte del usuario (3);
- una pluralidad de configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, asociadas a la configuración de conexión de las piezas de trabajo (5) en el espacio físico;
d) mostrar al usuario (3), mediante el equipo (1) de representación visual, el entorno (2) de simulación y realizar, por parte del usuario (3):
- una secuencia de operaciones asociadas a la interacción de la herramienta (6) de interacción con uno o más de los objetos (19) del entorno (2) de simulación, a través de la manipulación de dicha herramienta (6) de interacción por parte del usuario (3);
- una pluralidad de configuraciones de conexión de las piezas (5) de trabajo en el espacio físico (4), asociadas a la configuración de los objetos (19) en el entorno (2) de simulación;
e) detectar, por medio de una pluralidad de sensores (7, 7’) comprendidos en el equipo (1) de representación visual, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión realizadas por el usuario (3);
f) registrar, con el equipo (1) de procesamiento, la secuencia de operaciones y las configuraciones de conexión realizadas por el usuario (3) y calcular la similitud de la misma con la secuencia de operaciones (10) de referencia y con las configuraciones (11) de objetos (19) de referencia.
2. - Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la herramienta (6) de interacción no está integrada con el equipo (1) de representación visual, y donde dicha herramienta (6) de interacción es, asimismo, manipulable por parte del usuario (3), y que comprende la realización adicional del siguiente paso:
g) generar al menos una representación de la herramienta (6) de interacción en el entorno (2) de simulación, mediante el equipo (1) de representación visual.
3. - Procedimiento según la reivindicación anterior, donde la representación de la herramienta (6) de interacción en el entorno (2) de simulación comprende elementos adicionales asociados al funcionamiento propio de dicha herramienta (6), comprendiendo dichos elementos, uno o más de los siguientes: materiales de soldadura, deposición de pintura, surcos de corte, cables, elementos de conexión o líneas de fluido.
4. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las propiedades de representación de los objetos (19) generados en la región de superposición del entorno (2) de simulación se modifican por el usuario (3), a través de la interacción de dicho usuario (3) con el equipo (8) de procesamiento conectado al equipo (1) de representación visual, por medio de la herramienta (6) de interacción.
5. - Procedimiento según la reivindicación anterior, donde las propiedades de representación de los objetos (19) comprenden la forma, el color, el tamaño y/o el material de dichos objetos (19).
6. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde las piezas (5) de trabajo y/o las herramientas (6) de interacción de espacio físico (4)
comprenden uno o más marcadores (20) ópticos dispuestos sobre el mismo, donde dichos marcadores (20) están codificados con información óptica apta para su adquisición por los sensores (7, 7’) del equipo (1) de representación visual.
7. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde la representación de la herramienta (6) en el entorno (2) de simulación se muestra, en el equipo (1) de representación visual, como un útil de soldadura, un útil de pintura, un soplete, un taladro, un martillo, un cincel, un útil de limpieza, un útil de pulido, un útil de desbastado, un cable, una tubería.
8. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente generar una puntuación del rendimiento del usuario en función de la similitud de las operaciones del usuario y la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia.
9. - Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde se define adicionalmente una pluralidad de usuarios (3) que interactúan, cooperativamente o no, en un mismo entorno (2) de simulación, donde a cada usuario (3) se le asigna, opcionalmente, un rol y donde la secuencia de operaciones y configuraciones de objetos (19) comprende una o más interacciones permitidas a cada usuario respecto a los objetos (19) y/u otros usuarios (3) en función dicho rol; sincronizándose las interacciones de los usuarios (3) en dicho entorno (2) de simulación, mediante el procesamiento, por parte del equipo (8) de procesamiento, de las secuencias de operaciones y configuraciones de objetos (19) realizadas por los usuarios (3).
10. - Sistema de realidad aumentada que comprende:
- un equipo (1) de representación visual de realidad aumentada, configurado para generar y mostrar un entorno (2) de simulación a un usuario (3);
- una pluralidad de piezas (5) de trabajo dispuestas en un espacio físico (4), donde dichas piezas (5) de trabajo son conectables entre sí a través de su manipulación por parte de un usuario (3);
- al menos una herramienta (6) de interacción, donde dicha herramienta (6) es manipulable por el usuario (3);
- un equipo (8) de procesamiento que comprende un módulo (9) de almacenamiento de información configurado para almacenar información relativa a una secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, y
a una pluralidad de interacciones (12) realizadas por uno o más usuarios (3) del entorno (2) de simulación; y un módulo de evaluación configurado para comparar la similitud entre la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia y las interacciones (12) realizadas por cada usuario;
estando dicho sistema caracterizado por que el equipo (8) de procesamiento comprende un módulo de generación de una simulación en realidad aumentada que implementa, a través de medios software/hardware, un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
11. - Sistema según la reivindicación anterior, donde el equipo (1) de representación visual y la herramienta (6) de interacción están integrados en un mismo dispositivo.
12. - Sistema según la reivindicación anterior, donde el dispositivo comprende una tablet, un teléfono o un ordenador.
13. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-12, donde el equipo (1) de representación visual comprende y/o está conectado a uno o más sensores (7, 7’, 7’) adaptados para detectar la posición u orientación en el espacio físico (4) de las piezas (5) de trabajo y, opcionalmente, de la herramienta (6) de interacción.
14. - Sistema según la reivindicación anterior, donde la herramienta (6) de interacción no está integrada con el equipo (1) de representación visual, y donde dicha herramienta (6) de interacción es, asimismo, manipulable por parte del usuario (3).
15. - Sistema según la reivindicación anterior, donde la herramienta (6) de interacción comprende una herramienta de soldadura, una herramienta de pintura, un soplete, una herramienta de percusión, una herramienta de corte, una herramienta de pulido y/o una herramienta de desbastado.
16. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-15, donde el equipo (8) de procesamiento comprende al menos uno de los siguientes elementos:
- medios (15) de reproducción y/o grabación de audio, adaptados para permitir la interacción del usuario con el entorno (2) de simulación;
- medios (16) de visualización externos del entorno (2) de simulación aptos para permitir la visualización de dicho entorno (2) y de las interacciones (12) realizadas por un usuario (3) sobre otros usuarios (3) diferentes;
- módulo (17) de retroalimentación, adaptado para registrar la información obtenida de los usuarios (3) durante la realización de interacciones (12) en el entorno
(2) de simulación;
- medios (18) de comunicación configurados para transmitir información almacenada y/o procesada por el equipo (8) de procesamiento a dispositivos externos o ubicaciones remotas, a través de redes telemáticas.
17. - Sistema según la reivindicación anterior, donde el módulo de retroalimentación para el usuario está configurado adicionalmente para:
- calcular una puntuación en función de la información registrada del usuario (3), según la similitud entre las secuencias de operaciones (10) y las configuraciones (11) de objetos (19) de referencia, y las secuencias de interacciones (12) realizadas por el usuario (3);
- proporcionar una pluralidad de indicaciones al usuario (3) de aquellas interacciones (12) diferentes a las comprendidas en la secuencia de operaciones (10) y configuraciones (11) de objetos (19) de referencia; donde dichas indicaciones comprenden, al menos una de las siguientes: tiempo empleado para las interacciones (12) con los objetos (19), tiempo total empleado para la realización de las interacciones (12), orden inadecuado de realización de las interacciones (12).
18. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 10-17, donde la conexión de las piezas (5) de trabajo se realiza por medio de uniones no permanentes de tipo magnético, por machihembrado, medios adhesivos, cierres de gancho y bucle, o una combinación de las mismas.
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2023
- 2023-01-18 WO PCT/ES2023/070026 patent/WO2023139304A1/es unknown
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| WO2023139304A1 (es) | 2023-07-27 |
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