WO2013186413A1 - Dispositivo avanzado para la formacion en soldadura basado en simulacion con realidad aumentada y actualizable en remoto. - Google Patents

Dispositivo avanzado para la formacion en soldadura basado en simulacion con realidad aumentada y actualizable en remoto. Download PDF

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WO2013186413A1
WO2013186413A1 PCT/ES2013/070315 ES2013070315W WO2013186413A1 WO 2013186413 A1 WO2013186413 A1 WO 2013186413A1 ES 2013070315 W ES2013070315 W ES 2013070315W WO 2013186413 A1 WO2013186413 A1 WO 2013186413A1
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WO
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welding
augmented reality
real
simulation
student
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Application number
PCT/ES2013/070315
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English (en)
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Inventor
Juan José CHICA BARRERA
Francisco José AGUILAR NIETO
Basilio Marquinez Garcia
Alejandro Villaran Vazquez
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Seabery Soluciones, S.L.
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Publication date
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    • B23K9/095—Monitoring or automatic control of welding parameters
    • B23K9/0953—Monitoring or automatic control of welding parameters using computing means

Definitions

  • the present invention refers to "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable” that provides an effective and efficient tool for the training of welders in All specialties and industrial processes.
  • the present invention has been conceived for its application in the field of infrastructure or resources available for the deployment of training actions aimed at the acquisition by its students of the qualification associated with welding processes.
  • Welding is a complex process that is present in a usual way in the vast majority of the objects we surround our with on a daily basis: vehicles, buildings, appliances, furniture, infrastructure. That is why, both technically and aesthetically, a welding process must be carried out by personnel equipped with the necessary qualification and professional training. For this, an adequate training process based on the most demanding standards is essential, since our own security can depend on it in many cases.
  • the present invention consists in the design and development of a new advanced device, currently non-existent in the market with the technologies that it will incorporate, for the simulation of all types of industrial welding with different materials and alloys, in multiple positions and with the standardized test specimens used in the training, oriented to the training of welders both in initial stages and in more advanced specialties, useful in the processes of recruitment of welders by companies and usable as a replacement for a significant percentage of hours of practices in real workshop, in the processes of homologation and certification of welders based on international standards, both European (EWF) and American (AWS).
  • EWF European
  • AWS American
  • the present invention provides valuable knowledge about advanced training-oriented simulation systems, in order to facilitate the learning process in this case of future welders, so that not only will the progress and productivity of the Welding activity, it will also boost the training systems.
  • the person has the experience of visualizing the digital work shop represented while in reality in a completely different or even empty room, and also with the specimens (in the best case represented by physical pieces that do not have the dimensions or characteristics of the actual specimens used in the workshop) and the welding torches (which also do not correspond to the actual ones used in welding).
  • Virtual realities are almost the limit of communication technologies as they seek to catch the user while becoming invisible.
  • an immersive virtual reality environment is explored, the user loses sight of the physical world and instead explores a space recreated with computer images.
  • Augmented Reality is an evolution of the previous one by combining real elements with virtual images.
  • the user can work and examine real 3D objects while receiving additional information (for example in graphic form, texts or sounds) about these objects or about the task they are performing.
  • Augmented Reality allows the user to stay in touch with their work environment, while their focus is not on the computer, but in the real world.
  • the role played by the computer is to increase reality to improve the user's pedagogical experience.
  • Virtual Reality immerses the user into a virtual world that completely replaces the outside real world
  • Augmented Reality lets the user see the real world around them and increases their vision of their environment through the superposition or composition of 3D virtual objects. This gives the user the feeling that the objects of the real and virtual worlds coexist.
  • Augmented Reality systems take the computer to the user's real working environment, while Virtual Reality systems try to bring the real world into the computer.
  • Simulation is a way of approaching the study of any real dynamic system in which it is feasible to have a behavioral model and in which the variables and parameters that characterize it can be distinguished.
  • simulation tools have evolved in a very positive way over time, so that they have been incorporating new technologies and functionalities that have made them more robust, versatile and modern, and much more functional. .
  • Augmented Reality is the term used to define a direct or indirect vision of a real-world physical environment, whose elements are combined with virtual elements for the creation of a mixed reality in real time, in this case, for the improvement of the training and pedagogical user experience.
  • This new technology complements the perception and interaction with the real world and allows the user to be in an augmented real environment with additional information generated by a computer. Therefore, Augmented Reality offers many new possibilities for interaction, which make it present in many and several areas, such as architecture, entertainment, art, medicine or virtual communities.
  • the proposed system will generate virtually only the result of the user's action during the execution of the welding on the selected piece, as well as its melting bath effects, sparks, smoke.
  • the user will act on a real physical piece of dimensions Standardized standards (based on internationally recognized standards by the European Welding Federation and the American Welding Society) for training and in the same standardized welding positions, visualizing the welding as it would be done with a real equipment, and at the same time you can Continue interacting with your environment, classmates, teacher, without losing track of the reality around you.
  • the sensations obtained are much more real and therefore the most efficient and useful learning process.
  • the present invention it is intended to improve and perfect the training of welders so that the student, using the real elements of any welding process (torches, connectors, box), in a real scenario to choose (type of test tube, thickness, position, situation, type of material, type of joint), and by entering all the necessary real parameters of a welding equipment (intensity, voltage, protective gas, electrode / wire / rod diameter, polarity), you can execute welding and its final result precisely and analogous to reality.
  • the teacher can easily and intuitively manage different courses and students, and freely design welding exercises to assign them individually to each student based on their level of learning, controlling and monitoring their execution in real time. from your own remote device without being physically in the training classroom, what you can do with as many students as you want through the specific Master software that is also part of the simulator device, through the specifically designed network connection architecture for the system, which will guarantee its maximum efficiency and safety in its operation and capabilities.
  • the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable” it is an educational technology that allows the simulation of all types of industrial welding - coated electrode (SMAW), MIG / MAG (GMAW, FCAW) and TIG (GTAW) -, of all materials and all types of joints existing in all welding positions (1 F to 4F, 1 G to 6G, 6GR), which simulates very exact, through the application of an Augmented Reality technology developed by the applicant and that allows the interaction of different elements in several layers, the behavior of a real welding machine and is implemented on a system of control, monitoring and evaluation of students which will allow real-time verification of the learning by the teacher even in a remote position, without being physically in the training classroom.
  • SMAW industrial welding - coated electrode
  • GMAW MIG / MAG
  • GTAW TIG
  • the objective of the invention is to reduce considerably the practice times in real workshops and the costs associated with them, to provide a more attractive, motivating training for the student, safe, adaptable to the needs of each client and sustainable.
  • the applications of this educational technology are initial training, advanced training, assistance in the recruitment processes of welders and support in the approval and certification processes based on the main international standards.
  • the device is characterized in that it comprises the following elements:
  • Central system processing unit designed to reproduce the appearance of a real, portable welding machine, with an LCD monitor for displaying system menus, a central navigation button, an escape button, 1 real connector for MIG / MAG (GMAW, FCAW) and TIG (GTAW) torches, 1 real connector for the electrode holder clamp, a start-up and calibration button for the augmented reality system, an electrode connector and TIG material supply rod (GTAW), a position selector to exchange between wire speed and voltage, 4 legs, and 2 lateral supports to accommodate the torches and the mask when they are not being used, facilitating their storage and reducing the risk of damaging the components due to falls accidental.
  • GMAW MIG / MAG
  • GTAW TIG material supply rod
  • Real electrode holder for the simulated electrode grip and simulated TIG material supply rod (GTAW) whose design is identical to the real electrodes and contribution rods used in welding, which simulate the appearance, touch and weight of these real elements, within which introduces an electronic microplate and one or several fiber optic cords in order to obtain points of light -at least three- on the surface of the electrode or simulated rods which represent the system for identifying the spatial position of the electrode and rod of contribution of material TIG (GTAW), by our system of artificial vision of augmented reality and allows its interaction with the other components of the system.
  • GTAW simulated electrode grip and simulated TIG material supply rod
  • Simulated test pieces designed with the same shape, size and thickness, and representing the same types of joints as those used for welding training based on the international standards recognized by the EWF and AWS, made of plastic material, There are as many designs as possible types of joints in welding.
  • On the surface of the work pieces in PVC a configuration of own invention markers is represented, in green color on a blue base, which allows the correct identification in the three-dimensional space of the specimens by the augmented reality system and facilitates interaction of them with the rest of the system components.
  • Removable, lightweight and transportable work support for specimens that allows to practice all welding positions used in the formation: horizontal, vertical, angled and overhead.
  • Welding mask with augmented reality system designed and manufactured on the basis of a commercial mask which is incorporated by means of a fastening system specifically designed by the applicant, 2 micro-cameras (to generate stereo vision) located at the height of the garlic of the user and oriented in the same direction, and placed convergently at an angle that generates a point of attachment of the image focused at a distance of 40 centimeters from the cameras, with the aim of optimizing the identification and capture of the elements involved in welding: test tubes, torches and rods / electrodes.
  • mini-speakers are coupled to both sides of the welding mask at the user's ears in order to represent the sounds of the welding practiced at any time to generate a training experience as close as possible to reality.
  • all the cables that come out of the different mentioned components of the welding mask are collected in a single pipe that reaches the front panel of the central processing unit, to which it is anchored with a pass-through system.
  • the mask is completed with the incorporation of a lighting system based on one or several LEDs (Light Emitting Diode) and a light diffuser bell, which generates a stable light environment in any place where the training is to be carried out, giving it Our augmented reality system offers great stability and reliability regardless of the lighting conditions of the different training centers.
  • LEDs Light Emitting Diode
  • a light diffuser bell which generates a stable light environment in any place where the training is to be carried out, giving it Our augmented reality system offers great stability and reliability regardless of the lighting conditions of the different training centers.
  • Own operating system based on a version of Linux (free code), optimized for the specific requirements of the system that guarantees maximum functionality and stability of the system and that avoids the dependence of external operating systems subject to license and designed for other requirements, capable of support high-definition 3D graphics as well as communications between student-teams, master-teams and server, and between the virtual classroom (set of student-simulators + master-team + server) and the remote technical assistance center.
  • Linux free code
  • Network architecture necessary to stably and securely support the exchange of data between student-simulators, master-equipment, server and remote assistance center.
  • Human-machine interfaces designed to make the work of the teacher easier and more efficient in its management and administration of the course, exercises and students, and also to promote student learning, which is ultimately the ultimate goal of the device , with menus, connectors, and keypad designed specifically for these tasks.
  • Figure 1. Main views of the central processing unit of the "Advanced simulation-based welding training device with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • Figure 2. Interior of the central processing unit of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • Figure 3 Exploded view of the central processing unit of the "Advanced device for simulation-based welding training with augmented reality and remotely upgradeable” system.
  • Figure 4. Front of the central processing unit of the "Advanced device for welding simulation in training processes" system.
  • Figure 6. Connectors for real welding torches of the "Advanced device for simulation-based welding training with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • Figure 7. Internal frame for distribution of the components of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • FIG. 8 MIG Torch Tip (GMAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • FIG. 8 A- MIG Torch Tip (GMAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Top left perspective view.
  • GMAW MIG Torch Tip
  • face D Right face view
  • face B Left face view
  • GMAW MIG Torch Tip
  • FIG. 9 TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”.
  • FIG. 9 A- TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Top left perspective view.
  • GTAW TIG Torch Tip
  • FIG. 9 C- TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Top right perspective view.
  • GTAW TIG Torch Tip
  • GTAW TIG Torch Tip
  • FIG. 9 G- TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Bottom left perspective view.
  • FIG. 9 H- TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Top face view (face A).
  • FIG. 9 TIG Torch Tip (GTAW) of the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable”. Bottom right perspective view.
  • Figure 10 Augmented Reality welding mask with two micro-cameras (stereo vision), video glasses (head-mounted displays), lighting system with LEDs and light diffuser, mini-speakers and single cable.
  • Figure 1 1.- Probes (work pieces) that represent the types of joints or joints for butt welding with bevel, T-angle, overlapping, flat-tube angle and butt-pipe with bevel, which incorporate a design with Augmented Reality bookmark settings.
  • Figure 12. Detail of A TOPE connection.
  • Figure 13. SOLAPE connection detail.
  • FIG. TIG supply electrode and rod (GTAW).
  • LCD monitor for displaying system menus.
  • Anti-fall safety protective housing anchored to the welding mask.
  • the "Advanced device for welding training based on simulation with augmented reality and remotely upgradeable” it is a simulator that provides a welding environment similar to that of a workshop with real equipment, so that the user can carry out the same operations and procedures obtaining the same visual and sound results of a field welding and that is based on the integration of the following characterizing elements:
  • the Simulator-student claimed here incorporates its own invention software formed among others by different integrated software libraries that provide for the exact behavior of a welding machine and based on the parameters selected by the teacher / student (voltage, intensity, type and proportion of gas), the type of material and joint, the type of test tube and its position, the type of welding procedure chosen (electrode, MIG / MAG (GMAW, FCAW) or TIG (GTAW)), and at the position / inclination / distance of the welding torch, offer an identical result to that obtained with real equipment.
  • the teacher / student voltage, intensity, type and proportion of gas
  • the type of material and joint the type of test tube and its position
  • the type of welding procedure chosen electrode, MIG / MAG (GMAW, FCAW) or TIG (GTAW)
  • GTAW TIG
  • Augmented Reality It differs from the virtual reality in that while it seeks to replace the real world, the Augmented Reality what it does is complement and enrich it.
  • Virtual Reality introduces the user into an artificial and fictitious computing environment, but Augmented Reality does not keep the user from reality but keeps him in touch with her while fusing them with virtual objects to improve his perception.
  • This capability is a pioneer and produces an incredibly realistic simulation experience, in which the user can see a physical piece on which a virtual image is represented - for example a real test tube with a virtual carbon steel texture -, and other tools welding - for example the welding torch, the electrode and the supply rod, or even their own hands - superimposed on the first in the same field of vision, on which the system generates other virtual images that not only do not they collide with each other, but the system is able to distinguish them to show them in the appropriate and logical way for the user to visualize them by determining the different levels of overlap and depth as it happens in reality.
  • the advanced Augmented Reality system that incorporates the present invention cuts out those elements that are hidden below the virtual image and that should be on top, and repaints them on top so that they are displayed consistently by the user.
  • the Augmented Reality processing consists in that the system automatically searches for the images of certain patterns such as the markers of the specimens or torches, or the LEDs of the supply rod or the electrode. Once the pattern is detected, the system places it in space both in three-dimensional position and in orientation.
  • the proposed simulation device bases all the Augmented Reality processing in the OpenCV artificial vision library, which is a set of functions related to image processing.
  • the artificial vision system through Augmented Reality that incorporates the present invention is composed of three parts: image capture, detection of the elements and graphic representation.
  • CV Image library that manages the use of cameras. This library is capable of detecting all the cameras that are connected and capturing the images taken by them. The captured images are transformed to a format that supports OpenCV.
  • CV Stereo library for the creation of a stereo vision system based on cameras recognized by CV Image.
  • Vlib library that interprets the previous library and generates all the welding graphics.
  • Augmented Reality Another of the most important technological challenges that Augmented Reality must solve refers to the need to know where the user is located with reference to their surroundings, as well as the problem of monitoring to recognize user movements and project graphics related to the user. environment from the angle in which it is at each moment observing reality. It should be taken into account in this regard that computer generated virtual objects must always be positioned in reference to the real world but from the subjective position of the user that can vary at any time.
  • the technology associated with the present invention ensures that the user sees the fusion between the real and virtual images correctly: the software updates the overlapping elements as the user and the visible objects move to give a coherent image to the user's eyes.
  • HMDs Head-Mounted Displays
  • video glasses are normally used, a type of device in the form of glasses that incorporates microdisplays that allow you to see a computer generated video signal.
  • the outside world is captured by one or more cameras that show real and virtual images already merged to the user through video glasses.
  • video glasses or commercial head-mounted displays of the first-level market are used, such as the Vuzix, eMagin or Kopin brands.
  • two micro-cameras stereo vision
  • Point Gray The Imaging Source, or IDS, which are located in a welding mask commercial of those used in real welding at the user's eye level.
  • IDS The Imaging Source
  • a welding mask of its own design could be used with the ability to accommodate one or two microdisplays (two screens) and two optical lenses, and incorporating the electronics and connectors necessary to manage its operation and connectivity to the central unit of the invention.
  • the real environment is captured in stereo through the two micro-cameras that are housed in the welding mask, this information is obtained and processed by the system that generates the virtual graphics that overlap the real environment generating a mixed reality in time real, which is offered to the user through video glasses or head-mounted displays.
  • the software implemented can be described as a simulation software for real welding exercises oriented to the training and training of both experienced and apprentice welders, which is controlled by a software-teacher through a network connection through a Class Control application that allows the teacher to assign the desired exercises or theory to each student individually, as well as monitor the status and execution of each exercise in real time, as well as retrieve all the information related to the exercises performed by each student for review or subsequent evaluation.
  • the software teacher manages in real time everything related to a conventional class: you can create courses, register or cancel students, propose exercises and assign your own theory to the system. Filing, including the exercises performed by the students to be evaluated by the teacher thanks to its analysis module, which allows the teacher to see on a graphical diagram the deviation that the student has suffered in the execution of the exercise with respect to the execution ideal, and all about different physical parameters (speed, electric arc distance, working angle, feed angle) and different welding defects (porosity, splashes, bites, lack of fusion).
  • the invention has been designed to be used in a standard training class: just as a classroom has desks where students sit and a table for the teacher, a type classroom in which the present invention would be installed would be composed of the number desired student simulators plus a computer with the teacher software (master equipment) interconnected in wired or wi-fi network.
  • teacher software master equipment
  • it can also be used as independent equipment for example as additional teaching material to support the theory classes, since it incorporates an RGB video output that allows an external video device to be connected as a projector to visualize the execution of the exercises.
  • the system connects to the internet to provide the best support to users in remote and real time.
  • the internet connection has a double functionality: the first is the possibility of downloading updates for the system, and the second is the remote assistance with which the servers of the provider company can connect to any computer anywhere in the world (with permission of the acquirer or user of the device) to repair it remotely.
  • the present invention makes use of a distributed application that supports several configurations, and which consists of several programs hosted on different computers all connected through two Ethernet networks.
  • the first network is a local network in the facilities of the user of the device composed of student simulators, local server and teacher's computer.
  • the second network is a network that connects the first with the server on the internet.
  • the main network of the present invention is formed according to the local network of simulators of the purchaser or user of the device. It is made up of one or more student simulators, a central server and a computer with the teacher software (master-team) according to specific functions mentioned below:
  • Student simulator it is the central nucleus of the invention with which the simulation and execution of the exercises assigned to each student is performed, as well as the on-screen visualization of the theory assigned by the teacher. Load your central server configuration and save the exercises performed on it.
  • Central server this equipment stores all the configurations that the teacher designs for each student, and saves all the executions made by each student in his own personal file.
  • Computer with teacher software or team-teacher: this team configures the central server managing information related to students, courses, exercises and theory. It also recovers the execution of exercises performed by each student to be evaluated.
  • the above devices connected to each other play the network of the invention in its classroom configuration. It also supports an individual configuration where only one student and one computer with the software-teacher are necessary. In this individual configuration the role of the central server is performed by the student simulator itself.
  • the second Ethernet network described above is the connection of the central server of the user of the device with the servers of its provider. This connection is made through the internet. Provider servers have all the necessary updates for each computer and remote assistance management.
  • Updates are managed by the following procedure: the central user server of the device connects via internet to the provider's servers and replicates the updates.
  • the student simulator When the student simulator is turned on, ask your central server if there are updates available for him and if so, he requests the user's permission to update, and if the user accepts the device, the device is automatically updated.
  • the remote assistance is also managed from the servers of your provider through its connection via internet with the central servers of the different classrooms described.
  • the technicians of the supplier company can access it remotely and make the necessary repairs, or if necessary replace the software to eliminate any possible programming error, always saving previously different configurations already created and the histories of student executions.
  • Both the student simulator and the central server have been fully designed at the software level, starting from the Operating System to the final application on each computer.
  • the operating system has been a very decisive element when designing the software since it was necessary to develop a highly configurable system with the ability to limit its functionality to minimize errors. Therefore, the system is completely based on Linux, which provides the opportunity to configure it according to the needs.
  • the operating system consists only of what is necessary to start the simulator and the basic Linux commands, that is, the Xorg server to start graphical applications, the NFS server to share files between the designed software, the Drivers and the necessary commands to start in console mode.
  • the basic Linux commands that is, the Xorg server to start graphical applications, the NFS server to share files between the designed software, the Drivers and the necessary commands to start in console mode.
  • Augmented Reality is a complex technology composed of hardware and software elements as previously mentioned.
  • the simulator device object of the invention can use two micro-cameras, which form a stereo vision system used to detect elements in space.
  • This stereo system works like our eyes detecting both the different peripheral elements that make up the invention and that are not other than those necessary in a real welding (test tubes, torches, electrode or supply rod), as the actual work environment itself in the The application is found.
  • markers are barcodes in two dimensions.
  • the "Advanced device for welding simulation in training processes” makes use of a stereo vision system composed of two micro-cameras powered by USB or Firewire cables, and glasses with HDMI or VGA video input (digital or analog) to show both the reality and the additional information generated by computer. And also a set of welding specimens with markers, three types of welding torches with markers, input rod and electrode with LED type markers.

Abstract

Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto que permite la simulación de todos los tipos de soldadura industrial –electrodo revestido (SMAW), MIG/MAG (GMAW, FCAW) y TIG(GTAW)-, de todos los materiales y de todos los tipos de juntas existentes en todas las posiciones de soldeo (1F a 4F, 1G a 6G, 6GR), y que simula de forma muy exacta, mediante la aplicación de una tecnología de Realidad Aumentada, la cual permite la interacción de diferentes elementos en varias capas, el comportamiento de una máquina de soldar real; todo ello se implementa sobre un sistema de control, seguimiento y evaluación de los alumnos que permitirá la comprobación en tiempo real del aprendizaje por parte del profesor incluso en un puesto remoto, sin esta físicamente en el aula de formación.

Description

DESCRIPCIÓN
"Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto" que proporciona una herramienta eficaz y eficiente para la formación de soldadores en todas las especialidades y procesos industriales.
La presente invención ha sido concebida para su aplicación en el ámbito de la infraestructura o recursos disponibles para el despliegue de acciones formativas orientadas a la adquisición por parte de sus alumnos de la cualificación asociada a los procesos de soldadura.
Así, estos contenidos formativos se pueden enmarcar en los propios Ciclos Formativos de Grado Medio o Superior, en enseñanza no reglada, enseñanza universitaria o incluso formación en los propios Centros de Trabajo así como especialización en diferentes homologaciones basadas en estándares internacionalmente establecidos por la European Welding Federation (EWF) y la American Welding Society (AWS).
ANTECEDENTES EN EL ESTADO DE LA TÉCNICA
La soldadura es un proceso complejo que está presente de una forma habitual en la gran mayoría de los objetos de los que nos rodeamos a diario: vehículos, edificios, electrodomésticos, mobiliario, infraestructuras. Es por ello que tanto a nivel técnico como también estético, un proceso de soldadura debe ser realizado por personal dotado de la necesaria cualificación y capacitación profesional. Para ello, se hace imprescindible un adecuado proceso de formación basado en los más exigentes estándares, ya que de ello puede depender en muchos casos nuestra propia seguridad.
Hoy en día existe una fuerte demanda de formación en el campo de la soldadura para el acceso a puestos de trabajo que requieran esta cualificación en una gran variedad de sectores de la actividad económica. Los actuales métodos de formación de soldadores requieren un importante gasto en infraestructura (nave con altura y complejos sistemas de extracción de gases, instalaciones eléctricas sobredimensionadas), materiales (probetas que hay que preparar previamente), consumibles (gases, electrodos, varillas de aporte) y reparaciones de maquinaria o sustitución de piezas dañadas. Esto es lógico en el proceso de aprendizaje de un alumno que se acerca por primera vez a un equipo de soldadura, o incluso en soldadores que aprenden una nueva técnica o procedimiento.
Además de ello, durante la soldadura se emiten gases nocivos al medioambiente que contribuyen al calentamiento global, todo ello a pesar de los complejos y caros equipos de extracción de que disponen los talleres-escuela, por lo que reducir el tiempo de soldadura sin que se vea afectada la calidad del aprendizaje contribuye a mejorar el medioambiente.
Y por si fuera poco, en todo este proceso los alumnos están expuestos a riesgos físicos (quemaduras, descargas eléctricas, daños por esquirlas), especialmente durante las primeras horas en que no están familiarizados con la maquinaria y su funcionamiento.
Por lo tanto, actualmente existen claras limitaciones en los modelos empleados para la formación de soldadores, las cuales hacen que sea necesario invertir recursos en nuevos desarrollos que permitan suprimir dichas limitaciones sin que se vea disminuida la calidad de la enseñanza.
Por todo ello, la presente invención consiste en el diseño y desarrollo de un nuevo dispositivo avanzado, actualmente inexistente en el mercado con las tecnologías que va a incorporar, para la simulación de todos los tipos de soldadura industrial con diferentes materiales y aleaciones, en múltiples posiciones y con las probetas normalizadas utilizadas en la formación, orientado a la formación de soldadores tanto en estadios iniciales como en especialidades más avanzadas, útil en los procesos de reclutamiento de soldadores por las empresas y utilizable como sustitución de un porcentaje importante de las horas de prácticas en taller real, en los procesos de homologación y certificación de soldadores en base a los estándares internacionales, tanto europeos (EWF) como americanos (AWS). La posibilidad de disponer de un sistema de simulación y entrenamiento de soldadura, orientado a la enseñanza avanzada y segura, más eficiente y sostenible, totalmente versátil y de manejo fácil e intuitivo, que motive a los alumnos en el proceso de aprendizaje y a la vez facilite la labor del profesor a la hora de impartir las clases y evaluar los resultados de los diferentes ejercicios, son algunos de los objetivos buscados con el desarrollo de la presente invención en el que se cuida especialmente la orientación al usuario.
La presente invención aporta un valioso conocimiento sobre sistemas avanzados de simulación orientados a la formación, con el fin de facilitar el proceso de aprendizaje en este caso de los futuros soldadores, de manera que no solo se impulsará con ello el progreso y la productividad de la actividad de la soldadura, sino que también se impulsará el de los sistemas formativos.
Por ello, con el desarrollo de la presente invención, se pretende introducir importantes innovaciones en los actuales dispositivos empleados para la simulación de la soldadura, de manera que en definitiva pretende diseñar y desarrollar un nuevo dispositivo que suponga una ruptura y un verdadero paso adelante, un salto tecnológico con respecto a los medios actuales, aprovechando al máximo las nuevas tecnologías existentes e imaginando la mejor forma de usarlas en beneficio tanto de alumnos como de profesores, como incluso de los propios centros de formación, impulsando con ello el progreso y la productividad de los procesos de negocio tanto de la soldadura como de la formación.
Como ya se ha comentado, actualmente existe una fuerte demanda de formación en soldadura para el acceso a puestos de trabajo que requieran esta cualificación en diferentes sectores de la actividad económica.
Como también se ha comentado, los actuales métodos de formación de soldadores requieren un importante gasto en materiales (probetas), consumibles (gases, electrodos) y reparaciones de maquinaria o sustitución de piezas dañadas. Esto es lógico en el proceso de aprendizaje de un alumno que se acerca por primera vez a un equipo de soldadura.
Igualmente, lo anterior supone un importante gasto de tiempo ya que muchas horas de taller son empleadas en aprender a familiarizarse con los equipos y saber utilizarlos de forma efectiva, por lo que de las horas que dura el curso oficial, son pocas las horas efectivas de formación y aprendizaje.
Por todo ello, dada la gran cantidad de limitaciones y desventajas que plantean los actuales sistemas de formación de soldadores, desde hace unos años se ha comenzado a utilizar la técnica de simulación como herramienta de apoyo al proceso de aprendizaje de los soldadores.
Sin embargo, a pesar de que en el mercado existen algunos modelos de simuladores para soldadura, estos presentan todavía una serie de limitaciones y debilidades entre las que destacan las siguientes:
1. Son dispositivos individuales, de manera que su uso es exclusivo para un único alumno, no existiendo interactuación entre alumno-profesor y obligando al profesor a estar junto al alumno para evaluar su destreza mientras desatiende al resto de alumnos.
2. Son dispositivos poco intuitivos, los cuales requieren que para su manejo, sea necesario aprender a utilizarlos previamente, lo que supone una dificultad añadida para el alumno.
3. Son dispositivos con un diseño alejado de los equipos reales de soldadura, y que no incorporan conectores, antorchas o máscaras reales de soldadura para que el alumno se familiarice con su uso.
4. Son sistemas que la mayoría no evalúan el grado de aprendizaje de un alumno, ni hacen un seguimiento e historial específico del mismo mediante una ficha personal que quede archivada para su recuperación en cualquier momento.
5. Son dispositivos que no admiten todos los diferentes tipos de uniones y juntas posibles en soldadura, así como tampoco todas las posiciones de soldeo normalizadas, de forma que la capacidad de aprendizaje o entrenamiento del usuario se ve limitada.
6. Son dispositivos que están preparados únicamente para procedimientos concretos de soldadura, de manera que no pueden aplicarse para todos los tipos de soldadura industrial existentes ni mucho menos adaptarse a procedimientos y/o materiales de soldadura específicos de ciertos sectores de actividad como minería, aeronáutico.
7. Son dispositivos, varios de ellos, que no permiten al alumno regular todos los parámetros que intervienen en un proceso de soldadura real y/o que no muestran toda la gama de efectos visuales o sonoros que se producen en una soldadura real. Igualmente no representan con fidelidad el cordón resultante de la soldadura y por lo tanto los defectos que aparecen en éste cuando la ejecución ha sido inadecuada, para que el alumno pueda visualizarlos y entenderlos. 8. Son dispositivos no ampliables a su configuración inicial, de manera que no pueden evolucionar con los avances que se puedan producir en el campo multimedia y de la animación 3D.
9. Son dispositivos que han sido concebidos con un enfoque industrial tratando simplemente de imitar un equipo de soldadura, sin tener en cuenta el enfoque didáctico necesario en una herramienta pedagógica cuyo objetivo es la formación
10. Son dispositivos que no incorporan las últimas y más avanzadas tecnologías disponibles, sino que trabajan con tecnologías ya superadas como la realidad virtual, y que por lo tanto tienden a quedarse obsoletas en un corto plazo. En el mejor de los casos, los actuales dispositivos simuladores incorporan la realidad virtual mediante la que generan un entorno de trabajo virtual (no real) inmersivo, en el que los únicos sentidos útiles para el usuario son la vista y el oído, y en el cual se pierde la referencia del entorno real en el que se encuentra la persona. Igualmente se trabaja sobre probetas virtuales, no reales y por lo tanto la acción física del usuario nunca se corresponderá con exactitud con la que realizaría en un taller de soldadura, teniendo por lo tanto limitaciones en cuanto a una experiencia formativa cercana a la realidad. La persona tiene la experiencia de visualizar el taller de trabajo digital representado mientras está en realidad en una sala completamente diferente o incluso vacía, y asimismo con las probetas (en el mejor de los casos representadas por piezas físicas que no tienen las dimensiones ni las características de las probetas reales usadas en taller) y las antorchas de soldadura (que igualmente no se corresponden con las reales usadas en la soldadura).
Las realidades virtuales son casi el límite de las tecnologías de la comunicación ya que buscan atrapar al usuario volviéndose al mismo tiempo invisible. Cuando se explora un entorno de realidad virtual inmersiva, el usuario pierde de vista el mundo físico y en su lugar explora un espacio recreado con imágenes por ordenador.
Esta tecnología ha sido ampliamente superada por la Realidad Aumentada presente en nuestra invención, la cual es una evolución de la anterior al combinar elementos reales con imágenes virtuales. El usuario puede trabajar y examinar objetos 3D reales mientras recibe información adicional (por ejemplo en forma gráfica, textos o sonidos) sobre estos objetos o sobre la tarea que está realizando. De este modo, la Realidad Aumentada permite al usuario permanecer en contacto con su entorno de trabajo, mientras su foco de atención no está en el ordenador, sino en el mundo real. El papel que juega el ordenador es el de aumentar la realidad para mejorar la experiencia pedagógica del usuario.
Así, la principal diferencia entre Realidad Virtual y Realidad Aumentada está en el tratamiento que hacen del mundo real. La Realidad Virtual sumerge al usuario dentro de un mundo virtual que reemplaza completamente al mundo real exterior, mientras que la Realidad Aumentada deja ver al usuario el mundo real a su alrededor y aumenta la visión que éste tiene de su entorno mediante la superposición o composición de los objetos 3D virtuales. Esto da al usuario la sensación que los objetos de los mundos real y virtual coexisten.
En resumen, se puede decir que los sistemas de Realidad Aumentada llevan el ordenador al entorno de trabajo real del usuario, mientras que los sistemas de Realidad Virtual intentan llevar el mundo real al interior del ordenador.
Evolución de la simulación en procesos de formación
A la hora de abordar el currículo formativo de un alumno, es preciso tener en cuenta de un modo especial las herramientas didácticas que se van a utilizar para completar las distintas etapas formativas. Una de estas herramientas es la "simulación". La simulación es una forma de abordar el estudio de cualquier sistema dinámico real en el que sea factible poder contar con un modelo de comportamiento y en el que se puedan distinguir las variables y parámetros que lo caracterizan.
Actualmente, la implantación de las técnicas de simulación mediante ordenador en el aula es una realidad en los actuales sistemas educativos. La necesidad de poder comprender determinados mecanismos, operadores técnicos y sistemas obliga a utilizar el ordenador como instrumento para el aprendizaje. Los actuales entornos multimedia y las poderosas herramientas de programación gráfica ponen al servicio del profesor y del alumno un instrumento muy valioso.
En relación a la evolución de los entornos y herramientas de simulación, tanto a nivel general, como en el campo de la soldadura en particular, se pueden apreciar de manera muy clara los grandes cambios producidos en la forma de concebir y utilizar las distintas herramientas desarrolladas con el paso de los años. En este sentido, sin lugar a dudas ha sido la evolución de los entornos y lenguajes de programación la que ha generado el mayor impulso para que evolucione este campo de la informática. Asimismo, la incorporación de los nuevos medios gráficos y multimedia ha dado lugar a un notable avance. De manera resumida, se puede hacer una clasificación que agrupa las tres grandes etapas o generaciones de simuladores:
Simuladores de 1- Generación:
a. Aplicaciones EAO.
b. Aplicaciones en Basic, Pascal, Logo, caracterizadas por:
• Aplicaciones con escasas posibilidades gráficas.
• Baja interactividad con el alumno.
• Escenarios de simulación rígidos.
• Estimulan poco la creatividad.
Simuladores de 2- Generación:
a. Aplicaciones realizadas con multimedia en entorno Windows Neobook, Toolbook, Director, Macromedia.
b. Aparecen aplicaciones específicas para simulación caracterizadas porque:
• Incorporan elementos gráficos y una gran variedad de objetos (botones, sliders, meters, trazadores).
• Permiten la incorporación de Scripts, Macros.
• Se pueden realizar actividades de autoevaluación.
• Se pueden diseñar distintos itinerarios en función del proceso de aprendizaje del alumno.
Simuladores de 3- Generación
a. Entornos y lenguajes gráficos: C++, Visual Basic, Delphi, Java.
b. Se crean herramientas de simulación que constituyen por sí mismas entornos según las siguientes características:
• Se introducen entornos que incorporan conexión con el exterior.
• Gestión plena de recursos multimedia.
• Aplicaciones de aprendizaje a distancia.
• Técnicas de aprendizaje y acción tutorial inteligente.
• Protocolos de comunicación TCP/IP.
• Incorporación de técnicas de programación orientadas a objetos.
• Incorporación de técnicas OLE y ActiveX.
Por todo ello, se puede apreciar que las herramientas de simulación han ido evolucionando de manera muy positiva a lo largo del tiempo, de manera que han ido incorporando nuevas tecnologías y funcionalidades que las han hecho más robustas, polivalentes y modernas, y mucho más funcionales.
Al igual que muchas herramientas, los enfoques educativos tradicionales se han visto drásticamente afectados debido a los grandes avances de las tecnologías de la información y la comunicación, de manera que el mundo académico no se ha quedado al margen y también ha empezado a introducir nuevas tecnologías en el ámbito educativo con el objetivo de optimizar y hacer más eficiente el tiempo y los recursos dedicados a la formación.
Concepto de Realidad Aumentada
Dentro de estas tecnologías de última generación, se encuentra la Realidad Aumentada. La misma es el término que se usa para definir una visión directa o indirecta de un entorno físico del mundo real, cuyos elementos se combinan con elementos virtuales para la creación de una realidad mixta a tiempo real, en este caso, para la mejora de la experiencia formativa y pedagógica del usuario. Esta nueva tecnología complementa la percepción e interacción con el mundo real y permite al usuario estar en un entorno real aumentado con información adicional generada por un ordenador. Por todo ello, la Realidad Aumentada ofrece infinidad de nuevas posibilidades de interacción, que hacen que esté presente en muchos y varios ámbitos, como son la arquitectura, el entretenimiento, el arte, la medicina o las comunidades virtuales.
Sin embargo, el conocimiento y la aplicabilidad de la tecnología de la Realidad Aumentada en la formación aún son mínimos debidos a la propia naturaleza y estado de desarrollo de dicha tecnología, así como también a su escasa presencia en los ámbitos cotidianos de la sociedad. Por todo ello, la investigación y el desarrollo de iniciativas en el uso de esta tecnología en la educación así como su divulgación, contribuirán a su extensión en la comunidad docente. Por todo lo comentado, en el campo específico de la soldadura, actualmente existen diversos sistemas enfocados al área formativa como por ejemplo los simuladores, que sin embargo presentan todavía una serie de limitaciones que hacen que siga siendo necesario investigar en este campo, para llevar a cabo nuevos desarrollos tecnológicos que puedan llevar incorporados nuevas tecnologías, como la Realidad Aumentada, con los cuales se puedan superar dichas limitaciones.
Revisión de productos presentes en el mercado
Atendiendo al estado de la técnica en la materia, presente en los mercados tecnológicamente más avanzados del mundo, en España la empresa Apolo Studios propone su producto "WeldTrainer" el cual presenta los siguientes inconvenientes:
• Gráficos de nivel medio.
• Tecnología de realidad virtual.
• No se utilizan antorchas y conectores de soldadura reales.
• La posición de soldeo no es la real de soldadura.
• No simula la soldadura TIG (GTAW).
• No soporta soldadura en tubo real (sólo de forma figurada).
• Carece de software profesor y multipuesto.
• Es voluminoso y pesado.
• Es muy costoso económicamente.
En Francia la empresa Diginext propone su producto "CS-Wave" el cual presenta respecto a la presente invención la siguiente caracterización:
• Gráficos de nivel medio-alto.
• Tecnología de realidad virtual.
• No se utilizan antorchas y conectores de soldadura reales.
• No soporta soldadura en tubo real (sólo de forma figurada).
• Carece de software profesor y multipuesto.
• Es voluminoso y pesado.
• Es más costoso económicamente.
La empresa austríaca Fronius comercializa su producto "Virtual Welding" que presenta las siguientes características:
• No reproduce los efectos de la soldadura como humo, chispas, enfriamiento del cordón.
• No reproduce los defectos en el cordón de soldadura.
• Tecnología de realidad virtual.
• No se utilizan antorchas y conectores de soldadura reales.
• La posición de soldeo no es la real de soldadura.
• No simula la soldadura con electrodo revestido (SMAW) ni TIG (GTAW) con varilla de aporte.
• Carece de software profesor y multipuesto.
• Es voluminoso y pesado.
Por último Lincoln Electric (E.E.U.U.), con su producto "VRTEX 360" es el producto más avanzado que detecta, el cual, una vez evaluado, presenta respecto a la invención propuesta, las siguientes carencias:
• Tecnología de realidad virtual.
• No se utilizan antorchas y conectores de soldadura reales.
• No soporta soldadura en tubo real, sólo de forma figurada.
• Carece de software profesor y multipuesto.
• Es voluminoso y pesado.
• Es considerablemente más costoso económicamente.
A modo de conclusión final, el sistema propuesto generará de forma virtual únicamente el resultado de la acción del usuario durante la ejecución de la soldadura sobre la pieza seleccionada, así como sus efectos de baño de fusión, chispas, humo. De esta forma el usuario actuará sobre una pieza física real de dimensiones normalizadas (en base a los estándares internacionalmente reconocidos por la European Welding Federation y la American Welding Society) para la formación y en las posiciones de soldeo igualmente estandarizadas, visualizando la soldadura tal y como la estaría realizando con un equipo real, y a la vez podrá seguir interactuando con su entorno, compañeros, profesor, sin perder la noción de la realidad que le circunda. Así, las sensaciones obtenidas son mucho más reales y por lo tanto el proceso de aprendizaje más eficiente y útil. Esta es una de las principales innovaciones que se incorporan al nuevo dispositivo y que supone toda una revolución en los métodos formativos actuales, ya que mediante el uso de útiles reales como antorchas y conectores, el alumno debe adoptar exactamente las mismas posturas, realizar las mismas acciones y ejecutar los mismos procedimientos que si estuviera trabajando con equipos y piezas reales. La conclusión de ello es que se optimizará al máximo el aprendizaje.
Por lo tanto, con la presente invención, se pretende mejorar y perfeccionar la formación de soldadores de manera que el alumno, utilizando los elementos reales de todo proceso de soldeo (antorchas, conectores, caja), en un escenario real a elegir (tipo de probeta, espesor, posición, situación, tipo de material, tipo de unión), e introduciendo todos los parámetros reales necesarios de un equipo de soldadura (intensidad, voltaje, gas protector, diámetro de electrodo/hilo/varilla, polaridad), podrá ejecutar la soldadura y su resultado final de forma precisa y análoga a la realidad. Al mismo tiempo, el profesor podrá de forma sencilla e intuitiva gestionar diferentes cursos y alumnos, y diseñar libremente los ejercicios de soldadura para asignarlos individualmente a cada alumno en función de su nivel de aprendizaje, controlando y monitorizando la ejecución de los mismos a tiempo real desde su propio dispositivo remoto sin necesidad de estar físicamente en el aula de formación, lo que podrá hacer con tantos alumnos como se desee mediante el software Maestro específico que también forma parte del dispositivo simulador, a través de la arquitectura de conexión en red específicamente diseñada para el sistema, lo que garantizará su máxima eficacia y seguridad en su funcionamiento y capacidades.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
A modo explicación del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", se trata de una tecnología educativa que permite la simulación de todos los tipos de soldadura industrial -electrodo revestido (SMAW), MIG/MAG (GMAW, FCAW) y TIG (GTAW)-, de todos los materiales y de todos los tipos de juntas existentes en todas las posiciones de soldeo (1 F a 4F, 1 G a 6G, 6GR), que simula de forma muy exacta, mediante la aplicación de una tecnología de Realidad Aumentada desarrollada por el solicitante y que permite la interacción de diferentes elementos en varias capas, el comportamiento de una máquina de soldar real y se implementa sobre un sistema de control, seguimiento y evaluación de los alumnos que permitirá la comprobación en tiempo real del aprendizaje por parte del profesor incluso en un puesto remoto, sin estar físicamente en el aula de formación. El objetivo de la invención es reducir considerablemente los tiempos de práctica en talleres reales y los costes asociados a los mismos, proporcionar una formación más atractiva, motivadora para el alumno, segura, adaptable a las necesidades de cada cliente y sostenible. Las aplicaciones de esta tecnología educativa son la formación inicial, la formación avanzada, la ayuda en los procesos de reclutamiento de soldadores y el soporte en los procesos de homologación y certificación en base a los principales estándares internacionales. El dispositivo está caracterizado porque comprende los siguientes elementos:
1. Unidad de procesamiento central del sistema, diseñada para reproducir el aspecto de una máquina de soldadura real, portátil, con un monitor LCD para la visualización de los menús del sistema, un botón central de navegación, un botón de escape, 1 conector real para antorchas MIG/MAG (GMAW, FCAW) y TIG (GTAW), 1 conector real para la pinza porta electrodo, un botón de puesta en marcha y calibración del sistema de realidad aumentada, un conector para electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW), un selector de posición para intercambiar entre velocidad de hilo y voltaje, 4 patas, y 2 soportes laterales para alojar las antorchas y la máscara cuando no se estén utilizando, facilitando su almacenamiento y disminuyendo el riesgo de dañar los componentes por caídas accidentales.
2. Antorchas reales de soldadura MIG/MAG (GMAW, FCAW) y TIG (GTAW) adaptadas mediante la modificación de su punta final, sustituyendo la original por una de invención propia para la incorporación del sistema de marcadores que hagan reconocible en el espacio tridimensional las antorchas, por el sistema de visión artificial de realidad aumentada diseñado por el solicitante y permita su interacción con el resto de componentes del sistema.
3. Pinza porta electrodo real para el agarre del electrodo simulado y varilla simulada de aporte de material TIG (GTAW) cuyo diseño es idéntico al de los electrodos y varillas de aporte reales usados en soldadura, que simulan el aspecto, tacto y peso de estos elementos reales, dentro de los que se introduce una micro placa electrónica y uno o varios cordones de de fibra óptica con el fin de obtener puntos de luz -al menos tres- en la superficie del electrodo o varillas simulados los cuales representan el sistema de identificación de la posición espacial del electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW), por nuestro sistema de visión artificial de realidad aumentada y permite su interacción con el resto de componentes del sistema.
Probetas (piezas de trabajo) simuladas diseñadas con igual forma, tamaño y espesor, y representando los mismos tipos de uniones que las usadas para la formación en soldadura en base a los estándares internacionales reconocidos por la EWF y la AWS, fabricadas en material plástico, existiendo tantos diseños como tipos de juntas posibles en soldadura. Sobre la superficie de las piezas de trabajo en PVC se representa una configuración de marcadores de invención propia, en color verde sobre una base azul, que permite la correcta identificación en el espacio tridimensional de las probetas por el sistema de realidad aumentada y facilita la interacción de las mismas con el resto de componentes del sistema.
Soporte de trabajo desmontable, ligero y transportable para probetas que permite practicar todas las posiciones de soldeo que se usan en la formación: horizontal, vertical, en ángulo y sobre cabeza. Máscara de soldadura con sistema de realidad aumentada, diseñada y fabricada sobre la base de una máscara comercial a la que se le incorporan mediante un sistema de fijación diseñado expresamente por el solicitante, 2 micro-cámaras (para generar visión en estéreo) situadas a la altura de los ajos del usuario y orientadas en su misma dirección, y colocadas de forma convergente en un ángulo que genera un punto de unión de la imagen enfocada a una distancia de 40 centímetros de las cámaras, con el objetivo de optimizar la identificación y captación de los elementos que intervienen en la soldadura: probetas, antorchas y varillas/electrodos. Al atalaje de la máscara que sujeta ésta a la cabeza del usuario, se acoplan mediante un sistema de anclaje lateral y frontal de invención propia que permite un perfecto ajuste al contorno facial del usuario, las gafas de video 3D que le muestran la Realidad Aumentada durante la ejecución de un ejercicio de soldadura. Asimismo y a través de un sistema de anclaje de invención propia, se acoplan unos mini-altavoces a ambos lados de la máscara de soldadura a la altura de los oídos del usuario con el objeto de representar los sonidos propios de la soldadura practicada en cada momento para generar una experiencia formativa lo más cercana posible a la realidad. Para facilitar la ergonomía de uso todos los cables que salen de los diferentes componentes mencionados de la máscara de soldadura van recogidos en una única canalización que llega hasta el panel frontal de la unidad central de procesamiento, a la que va anclado con un sistema pasa-cables que garantiza la robustez y fiabilidad de las conexiones, y minimiza el riesgo de desconexiones por el uso al que serán sometidos por los estudiantes de los cursos de formación. La máscara se completa con la incorporación de un sistema de iluminación basado en uno o varios LEDs (Diodo Emisor de Luz) y una campana difusora de luz, que genera un entorno lumínico estable en cualquier lugar donde se vaya a ejecutar la formación, confiriéndole a nuestro sistema de realidad aumentada una gran estabilidad y fiabilidad independientemente de las condiciones lumínicas de los distintos centros de formación.
Sistema operativo propio basado en una versión de Linux (código libre), optimizado para los requerimientos específicos del sistema que garantice la máxima funcionalidad y estabilidad del mismo y que evite la dependencia de sistemas operativos externos sujetos a licencia y diseñados para otros requerimientos, capaz de soportar gráficos 3D de alta definición así como las comunicaciones entre equipos-alumno, equipos-maestro y servidor, y entre el aula virtual (conjunto de simuladores-alumno + equipo-maestro + servidor) y el centro remoto de asistencia técnica.
Arquitectura de red necesaria para soportar de forma estable y segura el intercambio de datos entre simuladores-alumno, equipo-maestro, servidor y centro remoto de asistencia.
Implementación de algoritmos matemáticos capaces de simular en 3D un proceso de soldadura real con todas las variables que interactúan en el mismo, tanto a nivel de procedimiento (regulación de parámetros, determinación de la posición y situación de la probeta, elección del material, probeta, gas protector, varilla de aporte), como de ejecución (baño de fusión de los metales, humo, chispas, enfriamiento del cordón, zona afectada térmicamente) como de resultado y posibles defectos en el cordón de soldadura (poros, salpicaduras, mordeduras, desfondamiento, gravedad, exceso de penetración, falta de fusión).
Despliegue de matrices de datos que prevean el comportamiento exacto de una máquina de soldadura, y que a su vez en base a los parámetros seleccionados por el profesor/alumno (voltaje, intensidad, tipo y proporción de gas), al tipo de material y de junta, al tipo de probeta y su posición, al tipo de procedimiento de soldadura escogido (electrodo, MIG/MAG (GMAW, FCAW) o TIG (GTAW)), y a la posición/inclinación/distancia de la antorcha de soldadura, ofrezcan un resultado idéntico al que se obtendría con un equipo real. 1 1 . Sistema de análisis técnico y de calidad de la soldadura realizada, mediante el que el profesor podrá determinar fácilmente los errores cometidos durante la ejecución y obtener una comparativa gráfica que muestre las desviaciones con respecto al resultado ideal a nivel de penetración de la soldadura, resistencia, carga.
12. Menús contextúales de uso sencillo e intuitivo que acerquen al alumno al funcionamiento de una máquina real mediante la selección de los parámetros necesarios en todo proceso de soldadura.
13. Interfaces hombre-máquina, pensados para hacer más sencilla y eficiente la labor del profesor en su gestión y administración del curso, los ejercicios y los alumnos, y asimismo para favorecer el aprendizaje de los alumnos que en definitiva es el objetivo último del dispositivo, con menús, conectores, y botonera diseñados específicamente para estos cometidos.
14. Sistemática de actualización que asegura la renovación tecnológica y actualizaciones tanto del sistema como de alguna de sus variables (por ejemplo materiales) en remoto mediante software, sin cambiar la arquitectura del simulador y sin necesidad de adquirir equipos nuevos. Asimismo esta característica permitirá la verticalización del sistema por sectores de actividad que demanden procedimientos, materiales o aleaciones específicos para las soldaduras, como por ejemplo el de automoción, aeronáutica, naval, minería. Igualmente el sistema posibilita ofrecer asistencia técnica en remoto a cualquier parte del mundo y en tiempo real mediante la conexión con servidores propios.
15. Librerías de software necesarias para la incorporación de la más avanzada tecnología en visión artificial como es la Realidad Aumentada, de manera que el alumno visualizará en todo momento el entorno real de trabajo en el que se encuentre, sin encontrarse en una realidad virtual inmersiva generada por ordenador ajena a su entorno real.
DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Vistas principales de la unidad de procesamiento central del sistema del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 2.- Interior de la unidad de procesamiento central del sistema del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 3.- Despiece de vista interior de la unidad de procesamiento central del sistema del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 4.- Frontal de la unidad de procesamiento central del sistema del "Dispositivo avanzado para simulación de soldadura en procesos de formación".
Figura 5.- Panel de Control de la unidad de procesamiento central del sistema del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 6.- Conectores para antorchas reales de soldadura del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 7.- Bastidor interior para distribución de los componentes del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 8.- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 8.A- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva superior izquierda.
Figura 8.B- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara inferior (cara C). Figura 8.C- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva superior derecha.
Figura 8.D- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara derecha (cara D).
Figura 8.E- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista trasera.
Figura 8.F- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara izquierda (cara B).
Figura 8.G- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva inferior izquierda.
Figura 8.H- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara superior (cara A).
Figura 8.1- Punta Antorcha MIG (GMAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva inferior derecha.
Figura 9.- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto".
Figura 9.A- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva superior izquierda.
Figura 9.B- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara inferior (cara C).
Figura 9.C- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva superior derecha.
Figura 9.D- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara derecha (cara D).
Figura 9.E- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista trasera.
Figura 9.F- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara izquierda (cara B).
Figura 9.G- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva inferior izquierda.
Figura 9.H- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista cara superior (cara A).
Figura 9.1- Punta Antorcha TIG (GTAW) del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto". Vista perspectiva inferior derecha.
Figura 10.- Máscara de soldadura de Realidad Aumentada con dos micro-cámaras (visión estéreo), gafas de video (head-mounted displays), sistema de iluminación con LEDs y difusor de luz, mini-altavoces y cable único.
Figura 1 1.- Probetas (piezas de trabajo) que representan los tipos de juntas o uniones para soldar a tope con bisel, en ángulo T, a solape, en ángulo tubo-plano y tubería a tope con bisel, que incorporan un diseño con la configuración de marcadores de Realidad Aumentada.
Figura 12.- Detalle de unión A TOPE. Figura 13.- Detalle de unión A SOLAPE.
Figura 14.- Detalle de unión en ÁNGULO T.
Figura 15.- Detalle de unión en ÁNGULO TUBO-PLANO.
Figura 16.- Detalle de unión TUBO-TUBO A TOPE CON BISEL.
Figura 17.- Electrodo y Varilla aporte TIG (GTAW).
En dichas figuras, los elementos numerados se relacionan a continuación:
1 . Monitor LCD para la visualización de los menús del sistema.
2. Botón central de navegación.
3. Botón de escape/volver atrás/cancelar.
4. Conector real para antorchas MIG/MAG (GMAW) y TIG (GTAW).
5. Conector real para la pinza porta electrodo.
6. Botón de puesta en marcha y calibración del sistema de realidad aumentada.
7. Conector para electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW).
8. Selector de posición para intercambiar entre velocidad de hilo y voltaje.
9. Máscara de soldadura con sistema de guiado de cable.
10. Carcasa protectora de seguridad anti-caídas anclado a la máscara de soldadura.
1 1 . Atalaje de sujeción comercial.
12. Sistema de anclaje de invención propia.
13. Gafas de video.
EJEMPLO DE REALIZACIÓN PREFERENTE
A modo de ejemplo de realización preferente del "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", se trata de un simulador que proporciona un entorno de soldadura análogo al de un taller con equipos reales, de modo que el usuario puede llevar a cabo las mismas operaciones y procedimientos obteniendo los mismos resultados visuales y sonoros de una soldadura en campo y que se fundamenta en la integración de los siguientes elementos caracterizadores:
1. Sistema operativo propio basado en una versión de Linux, optimizado para los requerimientos específicos del sistema objeto de invención que garantice la máxima funcionalidad y estabilidad del mismo y que evite la dependencia de sistemas operativos externos sujetos a licencia y diseñados para otros requerimientos, capaz de soportar gráficos 3D de alta definición así como las comunicaciones entre equipos-alumno, equipos-maestro y servidor, y entre el aula virtual (conjunto de simuladores- alumno + equipo-maestro + servidor) y el centro remoto de asistencia técnica.
2. Algoritmos matemáticos capaces de simular en 3D un proceso de soldadura real con todas las variables que interactúan en el mismo, tanto a nivel de procedimiento (regulación de parámetros, determinación de la posición y situación de la probeta, elección del material, probeta, gas protector, varilla de aporte), como de ejecución (baño de fusión, humo, chispas, enfriamiento del cordón, zona afectada térmicamente) como de resultado y posibles defectos en el cordón de soldadura (poros, salpicaduras, mordeduras, desfondamiento), y por lo tanto capaces de simular de forma precisa un proceso de soldadura real de los tipos electrodo revestido (SMAW), TIG (GTAW) y MIG/MAG (GMAW, FCAW), tanto si está bien ejecutado como si no lo está para permitir la detección de errores y consiguiente aprendizaje. Estos algoritmos tienen en cuenta las propiedades físicas de los distintos materiales para mostrar un resultado final acorde con éstas, con los parámetros de soldadura seleccionados y con la propia acción del usuario.
3. Software-maestro específico que gestiona de forma integral el sistema de Aula Virtual compuesto por los diferentes puestos de simulador-alumno inte reo nectados entre sí y conectados a su vez con el equipo-profesor en una red local. El software-maestro permite la gestión del curso a nivel de aulas, alumnos y ejercicios, así como tiene una función de monitorización de la actividad de los simuladores- alumno en cada momento y en remoto. Asimismo el Simulador-alumno aquí reivindicado incorpora un software de invención propia formado entre otros por diferentes librerías de software integradas que prevén el comportamiento exacto de una máquina de soldadura y en base a los parámetros seleccionados por el profesor/alumno (voltaje, intensidad, tipo y proporción de gas), al tipo de material y de junta, al tipo de probeta y su posición, al tipo de procedimiento de soldadura escogido (electrodo, MIG/MAG (GMAW, FCAW) o TIG (GTAW)), y a la posición/inclinación/distancia de la antorcha de soldadura, ofrecen un resultado idéntico al que se obtendría con un equipo real.
4. Desarrollo de la aplicación eficaz de la Realidad Aumentada al simulador, de manera que el alumno pueda simular el proceso de soldadura directamente sobre una pieza real, en lugar de simular el proceso a través de una pantalla o de un entorno exclusivamente virtual.
Haciendo uso de técnicas de Realidad Aumentada se consiguen superponer imágenes virtuales generadas por ordenador sobre un entorno real, combinando ambos elementos para la creación de una realidad mixta en tiempo real. De esta forma, el entorno real siempre se mantiene, evitando por tanto que el usuario pierda la noción del mismo y sus referencias físicas, aunque a su vez esa realidad se enriquezca con imágenes virtuales que aportan una información extra sobre dicho entorno real.
Se diferencia de la realidad virtual en que mientras ésta pretende reemplazar al mundo real, la Realidad Aumentada lo que hace es complementarlo y enriquecerlo. La Realidad Virtual introduce al usuario en un ambiente informático artificial y ficticio, pero la Realidad Aumentada no aleja al usuario de la realidad sino que lo mantiene en contacto con ella al mismo tiempo que la fusiona con objetos virtuales para mejorar su percepción.
Con la presente invención sería posible visualizar tres capas de imágenes virtuales superpuestas sobre diferentes objetos reales que interactúan entre sí a voluntad del usuario y que, en función de esta interactuación y de los parámetros previamente seleccionados, generan un comportamiento variable de las imágenes virtuales así como que el resultado final de la imagen una vez que el usuario ha terminado de actuar sea diferente en cada caso.
Esta capacidad es pionera y produce una experiencia de simulación increíblemente realista, en la que el usuario puede ver una pieza física sobre la que se representa una imagen virtual -por ejemplo una probeta real con una textura virtual de acero al carbono -, y otros útiles de soldadura -por ejemplo la antorcha de soldadura, el electrodo y la varilla de aporte, o incluso sus propias manos- superpuestos al primero en el mismo campo de visión, sobre los que a su vez el sistema genera otras imágenes virtuales que no sólo no entran en colisión entre ellas, sino que el sistema es capaz de distinguirlas para mostrarlas en la forma adecuada y lógica para que el usuario las visualice determinando los distintos niveles de superposición y profundidad tal y como ocurre en la realidad.
Cuando sobre la imagen real se imprime una imagen virtual se tapa todo o parte de la imagen real. En esta imagen real, hay elementos que quedarían por debajo de la imagen virtual y elementos que quedarían por encima de la imagen virtual. Para ello, el avanzado sistema de Realidad Aumentada que incorpora la presente invención recorta esos elementos que quedan ocultos por debajo de la imagen virtual y que deberían estar encima, y los vuelve a pintar encima para que sean visualizados de forma coherente por el usuario.
Como ejemplo de lo anterior, podríamos pintar sobre una probeta de soldadura de material plástico con sus marcadores incorporados (objeto real), una probeta de soldadura metálica (imagen virtual). Si el usuario coloca su mano por encima de esta probeta entre sus ojos (en la presente invención las cámaras incorporadas en la máscara de soldadura) y el propio objeto real, la imagen virtual en principio debería ocultar la mano de su vista. Pero gracias a la capa de representación gráfica adicional el sistema recorta la mano que colisiona con la imagen virtual y la vuelve a pintar encima de la probeta metálica (imagen virtual), generando una imagen coherente para el usuario que se corresponde con sus sensaciones físicas de movimiento, tacto y profundidad, tal como ocurre en la realidad sin perder las referencias físicas a su alrededor.
Así, el procesamiento de la Realidad Aumentada consiste en que el sistema de forma automática busca las imágenes de determinados patrones como son los marcadores de las probetas o antorchas, o los LEDs de la varilla de aporte o el electrodo. Una vez detectado el patrón, el sistema lo sitúa en el espacio tanto en posición tridimensional como en orientación. El dispositivo de simulación propuesto basa todo el procesamiento de la Realidad Aumentada en la librería de visión artificial OpenCV, la cual es un conjunto de funciones relacionadas con el procesamiento de imágenes.
Por lo tanto el sistema de visión artificial mediante Realidad Aumentada que incorpora la presente invención se compone de tres partes: captura de imágenes, detección de los elementos y representación gráfica.
A nivel software, la detección de los elementos y la representación gráfica de la soldadura se divide en las siguientes librerías: a. CV Image: librería que gestiona el uso de las cámaras. Esta librería es capaz de detectar todas las cámaras que están conectadas y capturar las imágenes tomadas por ellas. Las imágenes capturadas son transformadas a un formato que admite OpenCV.
b. CV Stereo: librería para la creación de un sistema estéreo de visión basado en cámaras reconocidas por CV Image.
c. Específica: librería de desarrollo propio para la detección de los distintos elementos de la Realidad Aumentada.
d. Vlib: librería que interpreta la anterior librería y genera todos los gráficos de la soldadura.
Otro de los desafíos tecnológicos más importantes que debe resolver la Realidad Aumentada se refiere a la necesidad de conocer dónde se sitúa el usuario con referencia a su alrededor, así como el problema del seguimiento para reconocer los movimientos del usuario y proyectar los gráficos relacionados con el ambiente desde el ángulo en el que éste se encuentra en cada momento observando la realidad. Hay que tener en cuenta al respecto que los objetos virtuales generados por ordenador deben posicionarse siempre en referencia al mundo real pero desde la posición subjetiva del usuario que puede variar en cualquier momento. La tecnología asociada a la presente invención asegura que el usuario vea la fusión entre las imágenes reales y virtuales de forma correcta: el software actualiza los elementos superpuestos conforme el usuario y los objetos visibles se mueven para dar una imagen coherente a los ojos del usuario.
Para la visualización de los procesos generados mediante Realidad Aumentada normalmente se utilizan los denominados Head-Mounted Displays (HMDs) o gafas de video, un tipo de dispositivo en forma de gafas que incorpora unos microdisplays que permiten ver una señal de video generada por ordenador. En este sistema, el mundo exterior es captado por una o más cámaras que muestran ante el usuario a través de las gafas de video las imágenes reales y virtuales ya fusionadas.
En su realización preferente se hace uso de gafas de video o head-mounted displays de tipo comercial de los de primer nivel de mercado, como por ejemplo de las marcas Vuzix, eMagin o Kopin. Igualmente se utilizan dos micro-cámaras (visión estéreo) que trabajan simultáneamente para ofrecer las máximas prestaciones al sistema y que igualmente son de tipo comercial de las marcas Point Grey, The Imaging Source, o IDS, las cuales se ubican en una máscara de soldadura comercial de las usadas en la soldadura real a la altura de los ojos del usuario. No obstante el sistema está desarrollado para ser compatible con la gran mayoría de cámaras y gafas de video del mercado, evitando la dependencia de un único fabricante o proveedor.
A modo de realización alternativa se podría hacer uso de una máscara de soldadura de diseño propio con la capacidad de alojar uno o dos microdisplays (micropantallas) y dos lentes ópticas, e incorporando la electrónica y los conectores necesarios para gestionar su funcionamiento y su conectividad a la unidad central de la invención.
Así, el entorno real es captado en estéreo mediante las dos micro-cámaras que van alojadas en la máscara de soldadura, esta información es obtenida y procesada por el sistema que genera las gráficas virtuales que se superponen al entorno real generando una realidad mixta a tiempo real, la cual es ofrecida al usuario a través de las gafas de video o head-mounted displays.
Todo ello es posible haciendo uso de un software a medida que comprende multitud de aspectos hasta hacer que el uso del dispositivo simulador sea muy fácil e intuitivo para el usuario en base a un diseño basado en la filosofía plug&play {enchufar y usar), desechando todo aquello que no sea realmente necesario para conseguir la mejor experiencia formativa en soldadura.
A grandes rasgos se puede describir el software implementado como un software de simulación de ejercicios reales de soldadura orientado a la formación y entrenamiento de soldadores tanto aprendices como ya experimentados, el cual es controlado por un software-profesor mediante conexión en red a través de una aplicación Class Control que permite al profesor tanto asignar individualmente a cada alumno los ejercicios o teoría que desee, como monitorizar el estado y ejecución de cada ejercicio a tiempo real, como también recuperar toda la información relativa a los ejercicios realizados por cada alumno para su revisión o evaluación posterior.
El software profesor gestiona a tiempo real todo lo relacionado con una clase convencional: puede crear cursos, dar de alta o baja alumnos, proponer ejercicios y asignar su propia teoría al sistema. Archivando, incluso los ejercicios realizados por los alumnos para que sean evaluados por el profesor gracias a su modulo de análisis, que permite al profesor ver sobre un diagrama de gráficas el desvío que ha sufrido el alumno en la ejecución del ejercicio con respecto a la ejecución ideal, y todo ello sobre diferentes parámetros físicos (velocidad, distancia del arco eléctrico, ángulo de trabajo, ángulo de avance) y sobre diferentes defectos de la soldadura (porosidad, salpicaduras, mordeduras, falta de fusión).
Además la invención se ha concebido para utilizarse en una clase estándar de formación: al igual que un aula tiene pupitres donde se sientan los alumnos y una mesa para el profesor, un aula tipo en la que se instalaría la presente invención estaría compuesta por el número deseado de simuladores alumnos más un ordenador con el software profesor (equipo-maestro) interconectados en red por cable o wi-fi. Además de la configuración en aula, también puede usarse como equipo independiente por ejemplo como material didáctico adicional para respaldar las clases de teoría, ya que incorpora una salida de vídeo RGB que permite conectar un dispositivo de video externo como un proyector para visualizar la ejecución de los ejercicios.
Por último, el sistema se conecta a internet para dar el mejor soporte a los usuarios en remoto y en tiempo real. La conexión a internet tiene una doble funcionalidad: la primera es la posibilidad de descargar actualizaciones para el sistema, y la segunda es la asistencia remota con la que los servidores de la empresa proveedora pueden conectarse a cualquier equipo en cualquier parte del mundo (bajo permiso del adquirente o usuario del dispositivo) para repararlo a distancia.
Teniendo en cuenta todo lo mencionado, a nivel software la presente invención hace uso de una aplicación distribuida que admite varias configuraciones, y que consiste en varios programas alojados en equipos diferentes todos ellos conectados a través de dos redes Ethernet. La primera red es una red local en las instalaciones del usuario del dispositivo compuesta por simuladores alumnos, servidor local y ordenador del profesor. La segunda red es una red que conecta la primera con el servidor en internet.
Por otro lado la red principal de la presente invención se conforma según la red local de simuladores del adquirente o usuario del dispositivo. La misma se compone por uno o varios simuladores alumnos, un servidor central y un ordenador con el software profesor (equipo-maestro) según funciones específicas que se citan a continuación:
e. Simulador alumno: es el núcleo central de la invención con el cual se realiza la simulación y la ejecución de los ejercicios asignados para cada alumno, así como la visualización en pantalla de la teoría asignada por el profesor. Carga su configuración del servidor central y guarda los ejercicios realizados en él.
f. Servidor central: este equipo almacena todas las configuraciones que diseña el profesor para cada alumno, y guarda todas las ejecuciones realizadas por cada alumno en su propia ficha personal. g. Ordenador con software profesor (o equipo-maestro): este equipo configura al servidor central gestionando la información relativa a alumnos, cursos, ejercicios y teoría. Además recupera las ejecuciones de ejercicios realizadas por cada alumno para ser evaluadas.
Los anteriores equipos conectados entre sí desempeñan la red de la invención en su configuración de aula. La misma también soporta una configuración individual donde sólo un alumno y un ordenador con el software- profesor son necesarios. En esta configuración individual el rol del servidor central lo desempeña el propio simulador alumno.
La segunda red Ethernet anteriormente descrita es la conexión del servidor central del usuario del dispositivo con los servidores de su proveedor. Esta conexión se hace a través de internet. Los servidores del proveedor poseen todas las actualizaciones necesarias para cada equipo y la gestión de asistencia remota.
La gestión de las actualizaciones se hace por el siguiente procedimiento: el servidor central del usuario del dispositivo se conecta vía internet a los servidores del proveedor y hace una réplica de las actualizaciones. Cuando el simulador alumno es encendido pregunta a su servidor central si hay actualizaciones disponibles para él y en caso afirmativo solicita el permiso del usuario para actualizarse, y en caso de aceptar el usuario el dispositivo se actualiza automáticamente.
La asistencia remota se gestiona igualmente desde los servidores de su proveedor mediante su conexión vía internet con los servidores centrales de las diferentes aulas descritas. De esta forma si existen problemas en el software de algún equipo, los técnicos de la empresa proveedora pueden acceder al mismo en remoto y realizar las reparaciones necesarias, o en su caso sustituir el software para eliminar cualquier posible error de programación, siempre guardando previamente las distintas configuraciones ya creadas y los historiales de ejecuciones de los alumnos. Tanto el simulador alumno como el servidor central han sido íntegramente diseñados a nivel software, partiendo desde el Sistema Operativo hasta la aplicación final en cada equipo. El sistema operativo ha sido un elemento muy determinante a la hora de diseñar el software ya que era necesario desarrollar un sistema altamente configurable y con capacidad de limitar su funcionalidad para minimizar errores. Por ello el sistema está basado completamente en Linux, lo que brinda la oportunidad de configurarlo a medida de las necesidades. Se ha optado por usar la distribución de la versión Linux Ubuntu 10.10, la cual ha sido reducida casi a su mínima expresión: el sistema operativo está compuesto sólo por lo necesario para arrancar el simulador y los comandos básicos de Linux, es decir el servidor Xorg para arrancar aplicaciones gráficas, el servidor NFS para compartir archivos entre el software diseñado, los Drivers y los comandos necesarios para arrancar en modo consola. Al dejar Linux Ubuntu en una configuración tan básica, se consigue que desde el exterior sólo se pueda acceder al referido software.
La Realidad Aumentada es una tecnología compleja compuesta por elementos hardware y software como ya se ha comentado con anterioridad. A nivel hardware el dispositivo simulador objeto de la invención puede usar dos micro-cámaras, las cuales forman un sistema estéreo de visión usado para detectar elementos en el espacio. Este sistema estéreo funciona como nuestros ojos detectando tanto los diferentes elementos periféricos que componen la invención y que no son otros que los necesarios en una soldadura real (probetas, antorchas, electrodo o varilla de aporte), como el propio entorno de trabajo real en el que se encuentre la aplicación.
Para conseguir la máxima eficiencia del sistema y que funcione en tiempo real sin retardos, ha sido prioritario en el diseño encontrar una manera de hacer una búsqueda rápida de los elementos que intervienen en los procesos de soldadura real: probetas de soldadura, antorchas, varilla de aporte y electrodo. Para posibilitar la localización espacial de cada elemento se les ha incorporado unos marcadores de detección específicos para cada objeto. En función de las diferentes geometrías de los objetos se han utilizado dos tipos de marcadores, los más adecuados en cada caso para no distorsionar la apariencia real de cada elemento real del proceso de soldadura y garantizar la mejor experiencia pedagógica para los alumnos:
a. Localización por medio de marcadores: los marcadores son códigos de barras en dos dimensiones.
Poseen la ventaja de que resulta fácil localizarlos de forma muy rápida en el espacio, y además son capaces de guardar un dato numérico que sirve para distinguir entre los distintos elementos usados. Es decir que en función de este dato numérico el sistema es capaz de distinguir por ejemplo si se trata de un tipo de probeta u otro. Estos marcadores son de forma cuadrada y todos ellos diferentes entre sí.
b. Localización por LEDs (Light-Emitting Diode o Diodo Emisor de Luz): existe el inconveniente de que algunos de los elementos reales de un proceso de soldeo, como por ejemplo los electrodos o las varillas de aporte, tienen una forma que no permite incorporar marcadores tradicionales de RA puesto que su aspecto final resultaría considerablemente alterado y ello alejaría la experiencia de simulación de la realidad. Al intentar mantener todos los elementos necesarios para la soldadura idénticos a la realidad para así obtener una experiencia formativa completa, esto generaba la necesidad de diseñar unos marcadores reconocibles por el sistema de RA y que a la vez pudieran situarse en tubos de unos 4 mm de espesor sin alterar su aspecto. Para lograr este objetivo se ha optado por incorporar tanto en la varilla como en el electrodo simulado 3 pequeños puntos de luz alineados y no equidistantes. Con este grupo de LEDs es posible localizar tanto la varilla de aporte como el electrodo en su posición espacial y en su orientación o direccionalidad (el sistema reconoce "hacia donde apunta" la varilla o el electrodo).
En resumen, a nivel hardware el "Dispositivo avanzado para simulación de soldadura en procesos de formación" hace uso de un sistema estéreo de visión compuesto por dos micro-cámaras alimentadas por cables USB o Firewire, y unas gafas con entrada de video HDMI o VGA (digital o analógica) para mostrar tanto la realidad como la información adicional generada por ordenador. Y asimismo un juego de probetas de soldadura con marcadores, tres tipos de antorchas de soldadura con marcadores, varilla de aporte y electrodo con marcadores tipo LED.
Con todas las características comentadas, se obtiene un entorno, unas condiciones, unas sensaciones y unos resultados en la soldadura muy similares a los que se obtienen en la soldadura real, facilitando así la formación y el aprendizaje de los alumnos.
No se considera necesario hacer más extensa esta descripción para que cualquier experto en la materia comprenda el alcance de la invención y las ventajas que de la misma se derivan. La tecnología que lo implemente, el diseño, las dimensiones de los elementos descritos y los materiales empleados en su fabricación serán susceptibles de variación siempre y cuando ello no suponga una alteración en la esencialidad del invento.

Claims

REIVINDICACIONES
1 .- "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", caracterizado porque comprende los siguientes elementos:
a. Unidad de procesamiento central del sistema (equipo de soldadura simulado), diseñada para reproducir el aspecto de una máquina de soldadura real, portátil, con un monitor LCD para la visualización de los menús del sistema, un botón central de navegación, un botón de escape, 1 conectar real para antorchas MIG/MAG (GMAW, FCAW) y TIG (GTAW), 1 conector real para la pinza porta electrodo, un botón de puesta en marcha y calibración del sistema de realidad aumentada, un conector para electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW), un selector de posición para intercambiar entre velocidad de hilo y voltaje, 4 patas, 1 asa de transporte y 2 soportes laterales para alojar las antorchas y la máscara cuando no se estén utilizando.
b. Antorchas reales de soldadura MIG/MAG (GMAW, FCAW), TIG (GTAW) adaptadas mediante la modificación de su punta final, para la incorporación del sistema de marcadores que hagan reconocible en el espacio tridimensional las antorchas, mediante el sistema de visión artificial de realidad aumentada propuesto, y permita su interacción con el resto de componentes del sistema.
c. Pinza porta electrodo real para el agarre del electrodo simulado y varilla simulada de aporte de material TIG (GTAW), cuyo diseño es idéntico al de los electrodos y varillas de aporte reales usados en soldadura, que simulan el aspecto, tacto y peso de estos elemento reales, dentro de los que se introduce una micro placa electrónica y uno o varios cordones de de fibra óptica con el fin de obtener puntos de luz -al menos tres- en la superficie del electrodo o varillas simulados los cuales representan el sistema de identificación de la posición espacial del electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW), por el sistema de realidad aumentada propuesto, y permite su interacción con el resto de componentes del sistema.
d. Probetas (piezas de trabajo) simuladas diseñadas con igual forma, tamaño y espesor, y representando los mismos tipos de uniones que las usadas para la formación en soldadura en base a los estándares internacionales, fabricadas en material plástico (PVC o similar). Sobre la superficie de las piezas de trabajo se representa una configuración de marcadores, en color verde sobre una base azul, que permite la correcta identificación en el espacio tridimensional de las probetas por el sistema de realidad aumentada y facilita la interacción de las mismas con el resto de componentes del sistema.
e. Soporte de trabajo desmontable, ligero y transportable para probetas que permite practicar todas las posiciones de soldeo que se usan en la formación: horizontal, vertical, en ángulo y sobre cabeza. f. Máscara de soldadura con sistema de realidad aumentada, diseñada y fabricada sobre la base de una máscara comercial a la que se le incorporan mediante un sistema de fijación dos micro-cámaras (para generar visión en estéreo) situadas a la altura de los ajos del usuario y orientadas en su misma dirección, y colocadas de forma convergente en un ángulo que genera un punto de unión de la imagen enfocada a una distancia de 40 centímetros de las mismas, con el objetivo de optimizar la identificación y captación de los elementos que intervienen en la soldadura: probetas, antorchas y varillas/electrodos. Al atalaje de la máscara que sujeta ésta a la cabeza del usuario, se acoplan mediante un sistema de anclaje lateral y frontal que permite un perfecto ajuste al contorno facial del usuario, las gafas de video 3D que le muestran la Realidad Aumentada durante la ejecución de un ejercicio de soldadura. Asimismo y a través de un sistema de anclaje diseñado expresamente a tal efecto, se acoplan unos mini-altavoces a ambos lados de la máscara de soldadura a la altura de los oídos del usuario con el objeto de representar los sonidos propios de la soldadura practicada en cada momento para generar una experiencia formativa lo más cercana posible a la realidad. Para facilitar la ergonomía de uso todos los cables que salen de los diferentes componentes mencionados de la máscara de soldadura van recogidos en una única canalización que llega hasta el panel frontal de la unidad central de procesamiento, a la que va anclado con un sistema pasa-cables que garantiza la robustez y fiabilidad de las conexiones, y minimiza el riesgo de desconexiones por el uso al que serán sometidos por los estudiantes de los cursos de formación. La máscara se completa con la incorporación de un sistema de iluminación basado en uno o varios LEDs (Diodo Emisor de Luz) y una campana difusora de luz, que genera un entorno lumínico estable en cualquier entorno donde se vaya a ejecutar la formación.
g. Sistema operativo propio basado en una versión de Linux (código libre), optimizado para los requerimientos específicos del sistema, capaz de soportar gráficos 3D de alta definición así como las comunicaciones entre equipos-alumno, equipos-maestro y servidor, y entre el aula virtual (conjunto de simuladores-alumno, equipo-maestro y servidor) y el centro remoto de asistencia técnica.
h. Arquitectura de red necesaria para soportar de forma estable y segura el intercambio de datos entre simuladores-alumno, equipo-maestro, servidor y centro remoto de asistencia.
i. Implementación de algoritmos matemáticos capaces de simular en 3D un proceso de soldadura real con todas las variables que interactúan en el mismo, tanto a nivel de procedimiento (regulación de parámetros, determinación de la posición y situación de la probeta, elección del material, probeta, gas protector, varilla de aporte), como de ejecución (baño de fusión de los metales, humo, chispas, enfriamiento del cordón, zona afectada térmicamente) como de resultado y posibles defectos en el cordón de soldadura (poros, salpicaduras, mordeduras, desfondamiento, gravedad, exceso de penetración, falta de fusión).
j. Despliegue de matrices de datos que prevean el comportamiento exacto de una máquina de soldadura, y que a su vez en base a los parámetros seleccionados por el profesor/alumno (voltaje, intensidad, tipo y proporción de gas), al tipo de material y de junta, al tipo de probeta y su posición, al tipo de procedimiento de soldadura escogido (electrodo, MIG/MAG (GMAW, FCAW) o TIG (GTAW)), y a la posición/inclinación/distancia de la antorcha de soldadura, ofrezcan un resultado idéntico al que se obtendría con un equipo real.
k. Sistema de análisis técnico y de calidad de la soldadura realizada, mediante el que el profesor podrá determinar los errores cometidos durante la ejecución y obtener una comparativa gráfica que muestre las desviaciones con respecto al resultado ideal a nivel de penetración de la soldadura, resistencia, carga, afectación térmica.
I. Menús contextúales que acerquen al alumno al funcionamiento de una máquina real mediante la selección de los parámetros necesarios en todo proceso de soldadura,
m. Interfaces hombre-máquina, con menús, conectores, y botonera diseñados específicamente hacer la eficiencia de la labor del profesor en su gestión y administración del curso, los ejercicios y los alumnos, n. Sistemática de actualización que asegura la renovación tecnológica y actualizaciones tanto del sistema como de alguna de sus variables (por ejemplo materiales) en remoto mediante software, sin cambiar la arquitectura del simulador y sin necesidad de adquirir equipos nuevos. Asimismo esta característica permitirá la verticalización del sistema por sectores de actividad que demanden procedimientos, materiales o aleaciones específicos para las soldaduras, como por ejemplo el de automoción, aeronáutica, naval, minería. Igualmente el sistema posibilita ofrecer asistencia técnica en remoto a cualquier parte del mundo y en tiempo real,
o. Librerías de software necesarias para la incorporación de Realidad Aumentada, de manera que el alumno visualizará en todo momento el entorno real de trabajo en el que se encuentre, sin encontrarse en una realidad virtual inmersiva generada por ordenador ajena a su entorno real.
2. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicación 1 , caracterizado porque comprende los siguientes elementos: unidad central de procesamiento, antorchas de soldadura, máscara de soldadura con dos cámaras en visión estéreo para Realidad Aumentada, gafas de video (head-mounted displays), probetas con juntas para soldar en unión a tope con bisel, probetas con juntas para soldar en unión a solape, probetas con juntas para soldar en unión de ángulo tubo-plano, probetas con juntas para soldar en unión en ángulo o "T", y probetas con juntas para soldar en unión tubo-tubo a tope con bisel. Igualmente el dispositivo está concebido para actuar con probetas que representen otros tipos de uniones o juntas para soldar, sin restricciones.
3. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el sistema de visión artificial mediante Realidad Aumentada se compone de tres partes: captura de imágenes, detección de los elementos y representación gráfica, en el que, a nivel software, la detección de los elementos y la representación gráfica de la soldadura se divide en las siguientes librerías: CV Image, que gestiona el uso de las cámaras; CV Stereo para la creación de un sistema estéreo de visión basado en cámaras reconocidas por CV Image; Específica o librería para la detección de los distintos elementos de la Realidad Aumentada; y Vlib que interpreta la anterior librería Específica y genera todos los gráficos de la soldadura.
4. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2 y 3, caracterizado porque para la visualización de los procesos generados mediante Realidad Aumentada se emplean gafas de video, consistente en un dispositivo en forma de gafas que incorpora unos microdisplays que permiten ver una señal de video generada por ordenador. Igualmente, se utilizan dos micro-cámaras (visión estéreo) que trabajan simultáneamente, las cuales se ubican en una máscara de soldadura comercial de las usadas en la soldadura real a la altura de los ojos del usuario. Alternativamente, para la visualización de los procesos generados mediante Realidad Aumentada se emplea una máscara de soldadura de diseño propio con la capacidad de alojar uno o dos microdisplays (micropantallas) y dos lentes ópticas, e incorporando la electrónica y los conectores necesarios para gestionar su funcionamiento y su conectividad a la unidad central de la invención.
5. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2, 3 y 4, caracterizado porque el entorno real es captado en estéreo mediante las dos cámaras que van alojadas en la máscara de soldadura, y porque ésta información es obtenida y procesada por el sistema que genera las gráficas virtuales que se superponen al entorno real, generando una realidad mixta a tiempo real, la cual es ofrecida al usuario a través de las gafas de video o head-mounted displays.
6. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque a nivel hardware las dos cámaras forman un sistema estéreo de visión usado para detectar elementos en el espacio. Este sistema estéreo funciona como el ojo humano detectando tanto los diferentes elementos periféricos que componen la invención necesarios en una soldadura real (probetas, antorchas, electrodo o varilla de aporte), así como el propio entorno de trabajo real en el que se encuentre la aplicación, incorporado unos marcadores de detección específicos para cada objeto. En función de las diferentes geometrías de los objetos el dispositivo incorpora dos tipos de sistemas de localización: localización por medio de marcadores (códigos de barras en dos dimensiones, o localización por LEDs (Diodo Emisor de Luz), mediante la incorporación, en ésta última opción, tanto en la varilla como en el electrodo simulado de tres pequeños LEDs alineados y no equidistantes.
7. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque el dispositivo implementa un software de simulación de ejercicios reales de soldadura, el cual es controlado por un software- profesor mediante conexión en red a través de una aplicación del tipo Class Control.
8. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque el dispositivo se conecta a internet con la posibilidad de descargar actualizaciones para el sistema, y con posibilidad de asistencia remota a tiempo real.
9. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicaciones 1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8, caracterizado porque a nivel software la presente invención hace uso de una aplicación distribuida que admite varias configuraciones, y que consiste en varios programas alojados en equipos diferentes todos ellos conectados a través de dos redes Ethernet. La primera red es una red local en las instalaciones del usuario del dispositivo compuesta por simuladores alumnos, servidor local y ordenador del profesor. La segunda red es una red que conecta la primera con el servidor en internet.
10. - "Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto", según reivindicación 9, caracterizado porque la red principal de la presente invención se conforma según la red de simuladores del usuario del dispositivo. La misma, se compone por uno o varios simuladores alumnos, un servidor central y un ordenador con el software profesor. Los equipos conectados entre sí desempeñan la red de la invención en su configuración de aula. Dicha red también soporta una configuración individual donde sólo un alumno y un ordenador con el software-profesor son necesarios. En esta configuración individual el rol del servidor central lo desempeña el propio simulador alumno. La segunda red Ethernet es la conexión del servidor central del usuario del dispositivo con los servidores de su proveedor. Esta conexión se hace a través de internet. Los servidores del proveedor poseen todas las actualizaciones necesarias para cada equipo y la gestión de asistencia remota. La gestión de las actualizaciones se hace por el siguiente procedimiento: el servidor central del usuario del dispositivo se conecta vía internet a los servidores del proveedor y hace una réplica de las actualizaciones. Cuando el simulador alumno se enciende pregunta a su servidor central si hay actualizaciones disponibles para él y en caso afirmativo se actualiza. La asistencia remota se gestiona igualmente desde los servidores de su proveedor mediante su conexión vía internet con los servidores centrales de las diferentes aulas descritas.
PCT/ES2013/070315 2012-06-13 2013-05-17 Dispositivo avanzado para la formacion en soldadura basado en simulacion con realidad aumentada y actualizable en remoto. WO2013186413A1 (es)

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