Simulador de Carretillas Elevadoras para Formación y Disminución de Riesgos Laborales

Transcripción

1 Grupo de Investigación Ingeniería Mecánica Aplicada y Computacional Trabajo de Investigación Tutelado Simulador de Carretillas Elevadoras para Formación y Disminución de Riesgos Laborales MEMORIA realizada para la obtención del: Diploma de Estudios Avanzados por: Xabier Iriarte Goñi Pamplona, mayo de 2005 UU N I IVV EE RR SS I IDD AADD PP Ú BB LL I ICC AA DD EE NN AVV A AARR RR AA NN AFF A AARR RR OOAAKK OO UU N I IBB EE RR TT SS I ITT AATT EE PP U BB LL I IKK OOAA

2 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL - ii - Memoria, mayo de 2005

3 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Indice 1. INTRODUCCIÓN Riesgos y Formación. Estado actual de la tecnología Objetivo del Proyecto Fases del Proyecto CARACTERÍSTICAS DEL SIMULADOR Introducción Características del ordenador Sistema de adquisición de datos Descripción del sistema Sistema de visualización Monitor de ordenador Descripción Proyección frontal única Descripción Ventajas e inconvenientes Múltiples proyecciones Descripción Ventajas e inconvenientes Superficies cóncavas Cascos de realidad virtual Descripción Ventajas e inconvenientes Plataformas de movimiento DESCRIPCIÓN DE LA APLICACIÓN DE VISUALIZACIÓN Menú Principal Menú Prácticas Menú Formación y Evaluación Dar de alta a un nuevo usuario Formación Evaluación Resultados Menú Administrador SOFTWARE DE LA APLICACIÓN Introducción Pág. Memoria, mayo de iii -

4 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL 4.2 Motor de la simulación Simulación dinámica Motor gráfico Periféricos gráficos Periféricos de entrada Escenario Módulo de evaluación CONTENIDOS DOCENTES Y EVALUADORES Introducción Contenidos docentes Contenidos docentes prácticos Contenidos evaluadores Examen teórico Examen práctico Metodología de evaluación de un escenario Escenario global. Descripción de la prueba a realizar Parametrización de los elementos presentes en el escenario Riesgos a evaluar Evaluación e informe final ESCENARIOS DE ENTRENAMIENTO Introducción Peligros frecuentes asociados al uso de carretillas elevadoras en almacenes Peligros relacionados con distribución en planta Peligros relacionados con el alzado Peligros relacionados con carga Peligros relacionados con la paletización Peligros debidos a apariciones repentinas Peligros relacionados con estanterías Peligros relacionados con la iluminación Peligros debidos al funcionamiento incorrecto de la carretilla Peligros por acciones de otra persona que el conductor de la carretilla debe rechazar Diseño global del Lay-out en 2D Escenario global en 3D Diseño de escenarios específicos Cuadro de mandos, palancas y pedales Coger / Dejar una carga Trasladar a una carga hacia delante y hacia atrás Conducción en zigzag Subir y bajar una rampa con / sin carga Vuelco lateral o frontal Suelos húmedos o con poca adherencia Situaciones de escasa visibilidad Situaciones de poca maniobrabilidad (pasillos estrechos) Apilado en altura Carga / descarga de camiones frontal y lateralmente iv - Memoria, mayo de 2005

5 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Carga de baterías MODELOS DE SIMULACIÓN EN TIEMPO REAL Modelo cinemático de una carretilla Acotación de un sistema Ecuaciones de restricción Sistemas de coordenadas Coordenadas relativas Coordenadas naturales Elección del sistema de coordenadas Restricciones Restricciones de sólido rígido Restricciones de pares cinemáticos Simulación Cinemática Problema de posición inicial Problemas de velocidad y aceleración Generación del modelo dinámico de una carretilla ANEXOS Organigrama de menús de la aplicación SIMUCEL Lay-out en 2D y escenarios específicos de formación Imágenes del simulador SIMUCEL Artículo para el congreso ECCOMAS Madrid 2005 en el que se describe el modelo dinámico de carretilla Memoria, mayo de v -

6 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA 1. Introducción Esta MEMORIA, que lleva por título Desarrollo de un Simulador de Carretillas Elevadoras para la Formación y Disminución de Riesgos Laborales SIMUCEL recoge el trabajo desarrollado durante los meses de febrero de 2004 a junio de 2005 y es parte del proyecto realizado entre el Instituto Navarro de Salud Laboral (en adelante INSL) y el grupo de Investigación IMAC de la Universidad Pública de Navarra al que pertenezco. 1.1 RIESGOS Y FORMACIÓN. ESTADO ACTUAL DE LA TECNOLOGÍA El manejo de las carretillas elevadoras es una tarea delicada, de la que dependen no sólo la integridad de los productos que son transportados, sino la seguridad de los trabajadores del almacén (incluyendo al propio conductor). En la actualidad, y pese a existir una cierta reglamentación legal al respecto, no se llega a aplicar ninguna regulación oficial y, por tanto, no está operativo un permiso oficial de conducción de carretillas. Esta falta de regulación, unida a la habitual imposibilidad de contar con lugares de entrenamiento, hace que a menudo los nuevos conductores de carretillas aprendan a manejarlas directamente en el propio lugar de trabajo. No es por tanto de extrañar que se haya podido constatar como la principal causa de accidentes fatales con carretillas elevadoras está relacionada con la comisión de errores del conductor en el manejo de la carretilla. Errores que, también en muchos casos, generan en las empresas importantes costes económicos y sociales asociados a la rotura de productos, accidentes de trabajadores, etc. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

7 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL La solución lógica de este problema se encuentra en el entrenamiento previo de los nuevos conductores y en la formación actualizada de los ya experimentados. Sin embargo, estas labores no pueden plantearse directamente en el almacén en producción por razones obvias de seguridad y control, sino en centros especializados. No obstante, el problema de esta solución es que, a su vez, cada almacén y cada tipo de carga pueden tener sus propias particularidades. Como consecuencia, se hace bastante complicado, por no decir imposible, definir un almacén, unas cargas y unos ejercicios validos de forma genérica para la formación del operador de carretillas ante cualquier posible entorno de trabajo. Con el objetivo de tratar de solventar estos problemas, existen en el mercado algunos equipos que podríamos llamar de simulación simple que pretenden cubrir las necesidades de este tipo de formación. Sin embargo, tanto su desarrollo como su introducción en el mercado ha sido mínimo debido principalmente a la falta de: Calidad, en términos de inmersividad del operario y modelado de respuesta dinámica del sistema. Adaptabilidad, a tipos de cargas, de equipos y de entornos de almacenaje. Escalabilidad del equipo resultante. 1.2 OBJETIVO DEL PROYECTO A la vista de lo anteriormente comentado, el objetivo de este trabajo ha consistido en el desarrollo de un moderno sistema de simulación para el entrenamiento en el manejo de carretillas elevadoras en entornos de almacenaje industrial. Este sistema permitirá: El adiestramiento de nuevos operarios, sin necesidad de experiencia previa. El reciclaje con nuevos equipos, cargas y entornos de almacenaje de operarios ya formados anteriormente INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

8 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA El simulador desarrollado no se entiende como un substituto completo de las prácticas realizadas con equipos reales; pero sí como el complemento ideal a las mismas, permitiendo formar y evaluar los conocimientos de los operarios en un entorno siempre seguro y controlado. Gracias al uso de las nuevas tecnologías de realidad virtual, el sistema permite el ensayo de diversas operaciones con diferentes tipos de cargas en entornos de complejidad variable, sin peligro alguno para las personas implicadas, los equipos usados, las cargas o las estructuras de almacenaje. Desde esta perspectiva, los principales beneficios del sistema son: Mejora de la calidad de vida, mejorando la seguridad laboral. Disminución de las perdidas por destrucción de material en accidentes producidos durante el manejo de mercancías. Propuesta de un sistema que puede permitir la homologación de las pruebas necesarias para la obtención del permiso de conducción de carretillas elevadoras, como base de una posterior homologación en los permisos. Posibilidad de formación y control de la habilidad de operarios en entornos muy reducidos, sin peligro y con la posibilidad de provocar situaciones controladas de riesgo simulado (movimiento de cargas, interferencia de agentes externos, etc.) Libre creación de entornos (zonas de almacenaje reales o bajo diseño) en los que poder realizar la formación y las evaluaciones. Monitorización en tiempo real de las prácticas realizadas y grabación de resultados para su análisis posterior. Para alcanzar estos resultados, se planteó una PRIMERA FASE del trabajo a realizar que ha consistido en el desarrollo, a lo largo del año 2004, de un programa específico de ordenador que permite la simulación de las operaciones más características a realizar por un operador de carretillas elevadoras. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

9 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL 1.3 FASES DEL PROYECTO El objetivo global de desarrollar un moderno sistema de simulación para el entrenamiento en el manejo de carretillas elevadoras en entornos de almacenaje industrial, en el marco del proyecto SIMUCEL en el que está englobada esta memoria, está previsto llevarlo a cabo mediante la realización de DOS FASES consecutivas durante los años 2004 y 2005, respectivamente; fases que incluyen, de forma más o menos solapada en el tiempo, diferentes tareas y actividades. En el desarrollo de la PRIMERA FASE del proyecto, la correspondiente al año 2004, en el que se ha desarrollado el trabajo par esta memoria, se identificaron los siguientes elementos principales: Modelización de comportamiento dinámico de la carga y de los equipos a ser utilizados. Generación de un escenario de evaluación y establecimiento del procedimiento de variación y ampliación de los mismos. Generación de los contenidos docentes y de las pruebas de evaluación de los conocimientos adquiridos. Prediseño de las posibles plataformas del simulador virtual, en sus diferentes niveles de acabado. Creación del aplicativo de visualización del simulador virtual INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

10 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA 2. Características del simulador 2.1 INTRODUCCIÓN El objetivo, como se ha comentado, ha sido desarrollar un simulador virtual para el entrenamiento de conductores de carretillas elevadoras. El uso de las técnicas de realidad virtual permitirá realizar el entrenamiento en múltiples escenarios, posibilitando así una simulación adaptada a las peculiaridades de cada empresa. Lógicamente, el éxito del proyecto depende de la credibilidad del simulador; es decir, el comportamiento de la carretilla virtual debe simular de forma realista el de la carretilla real. Esto ha implicado la modelización de sistemas que simulen en tiempo real el comportamiento de los componentes de la carretilla (dirección, ruedas, etc.) teniendo en cuenta su carga. El simulador, por tanto, deberá responder igual que la carretilla real y actuar adecuadamente según el tipo de carga transportada, el peso, el tipo del terreno (deslizante o no), etc. Para obtener el máximo grado de realismo en la conducción de la carretilla elevadora, se plantea, como líneas futuras (SEGUNDA FASE), la construcción del simulador usando una carretilla real, o como mínimo la cabina de una carretilla real, inmersa en un entorno virtual. Así, todos los elementos externos a la carretilla serán virtuales, incluyendo la carga y la propia pinza de la carretilla. De esta manera, se consigue que el nuevo conductor se familiarice con los mandos físicos, las dimensiones de la cabina, etc., aunque en realidad la carretilla esté estática y sea el entorno virtual el que le ofrece la sensación de movimiento. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

11 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL El simulador permite el entrenamiento en diferentes entornos. En este sentido, se han desarrollado una serie de escenarios genéricos que se describen en un capítulo posterior, aunque el software permitirá al usuario trabajar con sus propios escenarios que podrán ser definidos mediante herramientas de CAD standard. En lo referente a los sistemas de adquisición de datos y visualización, se detalla a continuación muy brevemente lo que en estos momentos se entiende como plataformas físicas válidas para la simulación realista y sobre las que se ha orientado el desarrollo del software de esta PRIMERA FASE del proyecto. Del mismo modo, se recogen en primer lugar las características que serían deseables para el ordenador en el que debería ir ubicada la aplicación del simulador. 2.2 CARACTERÍSTICAS DEL ORDENADOR Las características deseables para el ordenador a emplear en el simulador podrían ser las siguientes: En este sentido, los componentes más relevantes desde el punto de vista de las prestaciones del simulador son el procesador, la memoria RAM y la tarjeta gráfica. El procesador y la memoria RAM juegan un papel fundamental en la resolución de las ecuaciones dinámicas del movimiento; en cambio, las prestaciones de la tarjeta gráfica establecerán las capacidades gráficas del simulador. En este apartado, se describen las características mínimas y las características deseables de los componentes necesarios para las tareas de cálculo. Las características de las tarjetas INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

12 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA gráficas se describen en un apartado posterior, junto con los sistemas de visualización. Procesador Recomendado: Intel Pentium IV 3.4 GHz. Mínimo: Intel Pentium IV 2.4 GHz. Memoria RAM Recomendado: 1024 Mb. Mínimo: 512 Mb. Para la simulación de modelos más sofisticados, que incluyan otros elementos tales como juntas de goma (bushings o silent blocks), puede optarse por el uso de ordenadores con varios procesadores o, en una arquitectura más moderna, puede emplearse una red local de ordenadores personales o cluster de PC's. Este tipo de arquitecturas de ordenador es también de utilidad en los sistemas de visualización. 2.3 SISTEMA DE ADQUISICIÓN DE DATOS DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA Para la adquisición de los datos de la cabina real en el simulador software, se sensorizarán los mandos de una cabina real. La sensorización, tal y como muestra la figura, consiste en la adquisición de los valores de los controles de la carretilla y su transmisión al simulador. Unidad Adquisición PC Adquisición PC Simulación Figura Hardware necesario para la adquisición de datos de los sensores de la cabina de la carretilla real Como se ve en la figura, para evitar sobrecargar en exceso el PC de simulación, se usará un PC dedicado exclusivamente a la recepción de los INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

13 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL datos y su procesado para enviarlos en el formato esperado al PC de simulación. Así pues, el sistema de adquisición de datos propuesto estará compuesto de: Unidad de adquisición de datos: Dispositivo electrónico que conecta físicamente las señales de los diferentes sensores al PC. El dispositivo permitirá comunicación en ambos sentidos (de los sensores al PC y viceversa). PC de adquisición: PC dedicado en exclusiva al proceso de adquisición de datos. Leerá los valores de los sensores a través de la unidad de adquisición y tras procesarlos convenientemente los pasará al PC de simulación. Software de adquisición: Aplicación software instalada en el PC de adquisición que controla todo el proceso de adquisición de datos y su transmisión al proceso de simulación. Electrónica de sensorización: Conjunto de elementos electrónicos necesarios para sensorizar los controles de la cabina. 2.4 SISTEMA DE VISUALIZACIÓN El sistema de visualización es un aspecto muy importante de todo simulador, ya que de él depende en gran medida el nivel de inmersión percibido por el usuario. El sistema de visualización puede variar desde algo tan sencillo como un monitor de ordenador, hasta algo tan sofisticado como un sistema multiproyección que rodee totalmente la cabina del simulador. En este caso, el nivel de inmersión es muy superior, ya que el usuario está totalmente rodeado por el entorno virtual. Además, la proyección puede ser en mono o estéreo, lo que ofrece un mayor nivel de inmersión. Pero, además del nivel de inmersión, la elección de una de estas opciones no modifica sólo el nivel de inmersión, sino que también cambia radicalmente el coste del hardware necesario y la complejidad del software de visualización INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

14 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA A continuación, se presentan varias opciones diferentes para la implementación del sistema de proyección, considerando tanto opciones de bajo como de alto coste: desde monitores de ordenador hasta sistemas multiproyección o gafas de realidad virtual. La opción actual es la de monitor, pero se prevé incorporar un sistema de visualización avanzado en la 2ª fase del proyecto SIMUCEL MONITOR DE ORDENADOR Descripción El sistema de visualización más básico consiste en el uso de una tarjeta gráfica de prestaciones avanzadas que proyecte las imágenes en el monitor del ordenador. En las siguientes líneas, se enumeran algunas tarjetas gráficas recomendadas para el desarrollo de un simulador y se indican algunos modelos de tarjeta gráfica con las capacidades mínimas exigibles para este tipo de aplicaciones. Recomendado: Wildcat Realizm 100. Nvidia Quadro FX4000. Nvidia Quadro FX3400. Mínimo: ATI Radeon 9800 Pro. GeForce FX ATI FGL Este sistema de visualización es el más básico que puede considerarse y proporciona un nivel de inmersión en el escenario virtual muy elemental. Tal como se ve en la siguiente Figura 2.2, la visualización que proporciona el simulador se centra exclusivamente en monitor, normalmente de dimensiones reducidas, lo que proporciona al usuario una escasa o nula experiencia de inmersión en el entorno virtual. Figura Entorno virtual con monitor INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

15 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL PROYECCIÓN FRONTAL ÚNICA Descripción El uso de proyectores de vídeo puede permitir mejorar la sensación transmitida al usuario del simulador. Estos elementos son ampliamente conocidos y empleados para presentaciones multimedia. La ventaja derivada del uso de este tipo de equipos radica en que proporcionan un campo de visión más amplio al operador del simulador. Los proyectores constituyen una gama de productos que cubren una amplia gama de aplicaciones para las cuales puede localizarse desde sencillos proyectores, como los empleados en presentaciones multimedia, hasta grandes equipos, como los empleados en teatros dinámicos y salas de proyección. La siguiente figura muestra ejemplos de proyectores, desde los más sencillos a los más sofisticados. Figura Proyectores de vídeo Tal y como muestra la figura, el sistema de proyección con proyección frontal única es una solución de bajo coste, respecto a otras alternativas, ya que el sistema se puede implementar con un solo PC para la simulación, que alimenta al proyector que visualiza sobre la pantalla. Proyector PC Figura Sistema de proyección con una sola pantalla de proyección frontal INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

16 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA El inconveniente principal de esta solución es que el campo de visión es limitado, pues el usuario no dispone de visualización lateral ni posterior, y de ahí la falta de sensación de inmersión que proporcionan. El usuario recibe una información visual que cubre un campo ciertamente mayor al obtenido con un simple monitor de ordenador, pero el resultado obtenido carece del nivel de inmersión que puede lograrse con otros sistemas de visualización. La ventaja principal es que el sistema se puede implementar con un único PC, lo cual simplifica el software de simulación y reduce costes. Además, este sistema puede ser ampliado si se le añade visualización estereoscópica, lo cual añadiría al sistema un mayor nivel de inmersión. La proyección estéreo se podría implementar: Estéreo pasivo: Se requieren dos proyectores polarizados convenientemente (uno para la proyección de cada ojo) y el uso de gafas de filtros polarizados. El principal inconveniente es que el estéreo pasivo se pierde si el usuario gira la cabeza. Estéreo activo: Se requiere un proyector de alta frecuencia de refresco (alto coste) y unas gafas obturadoras de estéreo activo (también alto coste). En cambio, el PC simplemente necesita una tarjeta de vídeo estéreo. En este caso, el inconveniente principal es que una larga exposición puede cansar la vista. Como se puede ver, el sistema mono es claramente el más económico. El sistema estéreo pasivo requiere un gasto mayor en el PC y un proyector adicional. Por último, el sistema de estéreo activo requiere un proyector de mayor frecuencia y las gafas activas Ventajas e inconvenientes La tabla mostrada a continuación resume de forma más esquemática las ventajas e inconvenientes que presenta la implementación del sistema de visualización con una proyección frontal única. Ventajas Bajo coste hardware (especialmente en mono) Software de simulación menos complejo Sistema cómodo para el usuario (no tiene que llevar ningún dispositivo) Inconvenientes Campo de visión muy reducido (sólo visión frontal) Espacio requerido para la proyección INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

17 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL MÚLTIPLES PROYECCIONES Descripción Un paso más adelante en la sofisticación de los sistemas de proyección consiste en el empleo de varios proyectores sincronizados entre sí. Dichos proyectores están controlados por un PC con varias tarjetas gráficas o, en la mayor parte de los casos, por un superordenador con avanzadas prestaciones gráficas. Recientemente se están imponiendo las soluciones basadas en redes de ordenadores, también conocidas por clusters de ordenadores personales. En este caso, la proyección se realiza sobre pantallas dispuestas alrededor del usuario del simulador. En estas soluciones, los proyectores y las pantallas pueden disponerse detrás o alrededor del puesto de simulación, tal como se muestra en las siguientes figuras. Figura Ejemplos de multiproyección INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

18 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA El sistema de proyección con múltiples proyecciones permite aumentar el nivel de inmersión del simulador, al aumentar el campo de visión del usuario. Así, por ejemplo, la figura muestra una posible configuración con 4 proyectores, que casi llegan a cerrar los 360 grados de visión. P1 P3 P2 Carretilla P4 Figura Sistema de proyección con múltiples proyecciones En este sistema, cada una de las proyecciones es alimentada por un PC diferente, ya que la visualización ha de ser de calidad y en tiempo real. Además, todos estos PC's tienen que estar perfectamente sincronizados entre ellos, de forma que se garantice que en todo momento se está dibujando el mismo frame en todas las vistas. Como en el caso anterior, este sistema se puede ampliar para visualización estéreo activa. Sin embargo, en esta opción, el estéreo activo requiere la sincronización exacta de la frecuencia de barrido de todos los proyectores. En cuanto al estéreo pasivo, no es recomendable en sistemas con pantallas con diferentes ángulos de visón Ventajas e inconvenientes La tabla mostrada a continuación resume de forma más esquemática las ventajas e inconvenientes que presenta la implementación del sistema de visualización con múltiple proyección. Ventajas Mayor campo de visión Cómodo para el usuario Inconvenientes Alto coste hardware (especialmente en estéreo) Espacio grande para el sistema Software de simulación más complejo Ajuste entre pantallas visible INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

19 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL SUPERFICIES CÓNCAVAS Una solución alternativa consiste en el uso de superficies de proyección de forma cóncava. Estas superficies permiten aumentar de forma notable la sensación de inmersión, produciendo mayor efecto que el obtenido al realizar la proyección sobre una pantalla plana, con un precio muy competitivo frente al uso de sistemas de varios proyectores y pantallas. La siguiente figura muestra un ejemplo de un sistema de proyección que hace uso de pantallas parabólicas, proporcionando de este modo una mayor sensación de inmersión al usuario del simulador. Figura Visualización en pantallas cóncavas Esta idea de espacio inmersivo con diversas pantallas de proyección puede extenderse hasta cubrir espacios más amplios, lo que conduce a las soluciones conocidas como visualization domes. Las siguientes figuras muestran ejemplos de este tipo de equipos. Figura Visualization domes INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

20 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA CASCOS DE REALIDAD VIRTUAL Descripción Una posible alternativa a los sistemas de proyecciones propuestos anteriormente, es el uso de cascos de realidad virtual. De entrada, esta solución ofrece un nivel de inmersión prácticamente total, ya que el usuario visualiza el mundo virtual en todo momento, independientemente de la dirección de visualización. Además, la mayoría de los cascos actuales permiten visión estereoscópica. Esta solución permite implementar el sistema de visualización con un solo PC ya que dichos cascos se conectan directamente a la salida gráfica del ordenador; lo que, como se ha dicho anteriormente, simplifica el desarrollo del mismo. Actualmente, el mercado propone una amplia gama de soluciones en este tipo de equipos, permitiendo la selección del equipo que mejor se adapta en prestaciones y precio a los requerimientos del simulador desarrollado. Figura Ejemplos de cascos de realidad virtual INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

21 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Básicamente, los parámetros que determinan las prestaciones de un casco de realidad virtual son los siguientes: Resolución. Interface de conexión con la tarjeta gráfica. Ángulo de visión. Opción de visión estereoscópica. La visión estereoscópica es una opción importante si se desea dotar de un alto grado de realismo al simulador desarrollado. La estereoscopia es una técnica que permite dar una sensación de profundidad a la imagen, mediante la generación de dos imágenes ligeramente desenfocadas entre sí, de modo que cada imagen generada corresponde a la visión de cada ojo del usuario. Esta técnica requiere frecuentemente del uso de tarjetas gráficas con capacidades especiales, de modo que pueda generarse la visión estereoscópica. La combinación de los cascos de realidad virtual con los sistemas de tracking o seguimiento del movimiento permite la implementación de simuladores totalmente inmersivos. El sistema de seguimiento permite conocer en todo instante la posición de la cabeza del usuario, de modo que el ordenador genera la vista correspondiente a la perspectiva del usuario. De este modo, el usuario recibe en todo momento la vista que correspondería a su posición real en el entorno simulado. La Figura 2.10 muestra un ejemplo de este tipo de sistemas de seguimiento. El sistema de seguimiento envía al ordenador, en tiempo real, la posición y orientación de la cabeza del individuo, de modo que el ordenador genera su punto de vista subjetivo y lo proyecta en las gafas de realidad virtual. Figura Sistema de tracking INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

22 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Sin embargo, los cascos de realidad virtual pueden presentar algunos problemas para el usuario, tales como: En la mayoría de cascos el usuario pierde totalmente de vista el mundo real, y por tanto no puede visualizar su propio cuerpo o los mandos de control de la cabina. La solución a este problema pasaría por modelar también virtualmente la cabina de control y hacer coincidir en el espacio el modelo real y el virtual. También las manos del usuario podrían ser sensorizadas, y modeladas en el entorno virtual. El casco puede ser incómodo de llevar para algunas personas. El peso del casco puede molestar. La vista puede llegar a cansarse tras un rato de exposición largo. Parece pues, que la mayoría de estos problemas aparecen como consecuencia del cansancio, después de un rato de exposición al casco de realidad virtual. Por tanto, antes de elegir esta opción, hay que analizar el tipo de ejercicios que se plantean realizar en el simulador y la duración de los mismos para, posteriormente, elegir el modelo de casco que mejor se adapte a las necesidades del simulador Ventajas e inconvenientes La tabla mostrada a continuación resume de forma más esquemática las ventajas e inconvenientes que presenta la implementación del sistema de visualización con un casco de realidad virtual. Ventajas Campo de visión total (360 grados en todas direcciones) Coste hardware más reducido Software de simulación menos complejo Inconvenientes El casco puede resultar incómodo (peso, ergonomía, calor, etc.) Puede producir cansancio en la vista tras un tiempo de exposición largo En la mayoría de modelos, pérdida del mundo real que obliga a la modelización de la cabina y del propio usuario 2.5 PLATAFORMAS DE MOVIMIENTO Finalmente, un componente importante en la implementación de un simulador de un vehículo es una plataforma de restitución del movimiento. Los sentidos del usuario del simulador trabajan al unísono y todas las INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

23 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL sensaciones que llegan al cerebro deben estar sincronizadas y corresponder a la experiencia sensorial del individuo en el mundo real. Los componentes descritos en los subapartados anteriores cumplen el cometido de crear el mundo virtual (ordenador) y presentarlo al usuario (sistema de visualización) del modo más convincente posible (casco de realidad virtual). Sin embargo, las señales visuales que recibe el individuo no coinciden con su experiencia del mundo real, dado que otros sentidos como el oído o el tacto no reciben las señales correspondientes. En el campo de la simulación de vehículos el oído cumple una doble función, como receptor del sonido ambiente y como sensor de aceleraciones. El oído humano es el órgano que permite percibir la sensación de movimiento; más estrictamente hablando, la sensación de cambio en el movimiento. Es en este apartado, en donde las plataformas de movimiento cumplen su función dentro del desarrollo del simulador. Hasta fechas recientes, este tipo de plataformas era empleado únicamente en simuladores de grandes dimensiones, especialmente para la simulación de vehículos y aviones, tanto en aplicaciones civiles como militares. Las siguientes figuras muestran ejemplos de este tipo de aplicaciones. Figura Plataformas en simuladores de grandes dimensiones INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

24 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Sin embargo, actualmente gracias al impulso experimentado en el desarrollo de máquinas de cinemática paralela, se han desarrollado plataformas de movimiento de reducidas dimensiones, capaces de mover cargas útiles reducidas, de entre 150 y 300 Kg, en espacios de trabajo reducidos y con unos requerimientos mínimos de instalación y mantenimiento. El uso de este tipo de plataformas de 2 y 3 ejes (2 ó 3 grados de libertad) permitiría dotar de un retorno de movimiento realista en aplicaciones tales como la simulación de carretillas elevadoras. Las siguientes figuras muestran algunos ejemplos de este tipo de plataformas. Figura Plataformas en simuladores de reducidas dimensiones La utilización de una de estas plataformas es uno de los objetivos de la 2ª fase del proyecto SIMUCEL. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

25 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

26 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA 3. Descripción de la aplicación de visualización. Menús En este capítulo, se describen todos aquellos aspectos que conforman la aplicación de visualización desarrollada: opciones de menú, escenarios virtuales, aplicación de prácticas, formación, evaluación, etc. Los diferentes menús que permiten moverse por la aplicación, desarrollada a lo largo del 2004 en VisualBasic.NET, aparecen descritos a continuación en sus correspondientes subapartados. Al mismo tiempo, de forma esquemática, el flujo y distribución de todos ellos puede observarse en el desplegable de la página 25. Por otro lado, a día de hoy, aunque todos los menús están programados, no todas las opciones disponibles se encuentran implementadas. En tales casos, sus botones de acceso no están activados. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

27 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Figura 3.1 Pantalla de presentación de la aplicación 3.1 MENÚ PRINCIPAL El MENÚ PRINCIPAL es el primer menú con el que se encontrará cualquier usuario del simulador al entrar en la aplicación. En él aparecerán tres (3) diferentes opciones a elegir. Cada una de ellas está destinada a un usuario diferente y conduce a una determinada pantalla que, posteriormente, permite la realización de unas actividades específicas: Pantalla MENÚ PRÁCTICAS (usuario Alumno) Pantalla MENÚ FORMACIÓN Y EVALUACIÓN (usuario Profesor) Pantalla MENÚ ADMINISTRADOR (usuario Administrador) INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

28 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Figura 3.2 Menú principal La entrada a cada una de esas nuevas pantallas estará precedida de la necesaria introducción de un nombre de usuario y una contraseña. Éste primer menú pretende que cada usuario pueda acceder única y exclusivamente a aquella información y aquellas actividades y funcionalidades que le corresponden, y para las que está establecido de antemano que tenga permitido el acceso. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

29 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

30 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

31 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

32 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA 3.2 MENÚ PRÁCTICAS Como ya se ha reflejado, la pantalla MENÚ PRÁCTICAS dará acceso a un entorno diseñado para el uso individualizado de los usuarios Alumno. El menú que se muestre en dicho entorno permitirá optar a las acciones de FORMACIÓN o PRÁCTICA en diferentes escenarios de entrenamiento. Antes de poder entrar en la pantalla MENÚ PRÁCTICAS, el sistema siempre pedirá nombre de usuario y contraseña (Figura 3.3). Parámetros cuyo valor necesariamente habrá tenido que ser definido previamente por el Profesor junto con el Alumno la primera vez que éste recibió formación con él a través del MENÚ FORMACIÓN Y EVALUACIÓN. De esta forma, se asegura el hecho de que el Alumno pueda entrar y practicar sin compañía siempre que previamente haya recibido, como mínimo, una sesión teórica con un Profesor para poder conocer los aspectos más importantes del sistema. Figura 3.3 Menú login Alumno Una vez que el Alumno se ha identificado correctamente, el sistema le pedirá (Figura 3.4) determinar el tipo de vehículo sobre el que quiere realizar las practicas, así como el nivel de dificultad de dichas prácticas. En concreto, tres serán las cuestiones previas sobre las que tendrá que llevar a cabo una selección: El NIVEL DE DIFICULTAD de las prácticas a desarrollar: Nivel básico. Nivel avanzado. (No implementado). INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

33 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL El TIPO DE CARRETILLA a utilizar en las prácticas: Carretilla frontal. Carretilla retráctil. (No implementado). El TONELAJE DE LA CARRETILLA a utilizar en las prácticas: 1.6 Toneladas. 3 Toneladas. (No implementado). 5 Toneladas. (No implementado). Figura 3.4 Menú opciones de ejercicio Una vez seleccionado el tipo de carretilla, el nivel de dificultad y el tonelaje de la carretilla el usuario Alumno podrá acceder al correspondiente SUB-MENÚ ESCENARIOS con tres posibles opciones (Figura 3.5) en cuanto al tipo de escenario sobre el que trabajar en las prácticas: Figura 3.5 Menú escenarios INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

34 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Escenario "EJERCICIO LIBRE" El usuario Alumno accede al lay-out general diseñado para la aplicación, y que se describe posteriormente en el capítulo 6 de esta misma MEMORIA, dónde podrá practicar libre y aleatoriamente todo tipo de acciones y movimientos. Escenario "EJERCICIO ESPECÍFICO" Ésta es la primera opción que el usuario Alumno deberá seleccionar al entrar por primera vez a practicar con la aplicación del simulador. De hecho, el resto de opciones de tipos de escenarios de este menú no estarán disponibles hasta que ésta primera opción no se haya completado correctamente. Bajo esta primera opción, se encuentran los denominados ESCENARIOS DE FORMACIÓN que el usuario deberá seleccionar mediante el SUB-MENÚ ESCENARIOS DE FORMACIÓN (Figura 3.6). En dichos escenarios, deberán llevarse a cabo de forma correcta diferentes tareas consideradas básicas en la manipulación de carretillas como son: Coger una carga. Dejar una carga. Trasladar una carga hacia delante y hacia atrás. Conducir en zigzag. Manejo de carretilla con escasa visibilidad. Manejo de carretillas en pasillos estrechos. Carga y descarga de un camión. Apilado en altura. Figura 3.6 Menú ESCENARIOS DE FORMACIÓN INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

35 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Resulta de gran importancia que el usuario Alumno sea capaz de realizar de forma correcta todas y cada una de estas tareas. No en vano, las tareas que habrá de llevar a cabo en los diferentes escenarios con los que se encuentre posteriormente, serán siempre una múltiple combinación de estas tareas individuales. Escenario "ITINERARIO FIJO CON ENTORNO ALEATORIO". (NO IMPLEMENTADO). Éste es un escenario en el que las tareas a realizar están determinadas a priori. Habitualmente, ésta suele ser la única de las opciones de este tipo de simuladores; a veces enriquecida en base a disponer de un determinado número de itinerarios fijos. Sin embargo, está comprobado que, después de practicar en un determinado escenario varias ocasiones, resulta mucho más fácil completarlo correctamente por el simple hecho de haberlo hecho muchas veces, y no tanto por haber adquirido realmente la habilidad necesaria para conducir de forma correcta la carretilla. Por todo ello, en la aplicación que nos ocupa se podrán programar aleatoriamente diferentes itinerarios fijos de manera que el usuario Alumno tenga que enfrentarse a una secuencia de actividades dictadas por el sistema, y variable de forma aleatoria, de forma que pueda constatar él mismo el grado de formación y destreza adquirido. 3.3 MENÚ FORMACIÓN Y EVALUACIÓN La pantalla MENÚ FORMACIÓN Y EVALUACIÓN constituye un entorno destinado a actividades que, en cualquier caso, requieren la presencia del usuario Profesor. Las opciones que pueden encontrarse en él, y que serán descritas a continuación, están pensadas desde una doble perspectiva: Para ser ejecutadas directamente por el propio Profesor (actividades propias, exclusivamente, de este tipo de usuarios) INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

36 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Para ser ejecutadas por el usuario Alumno bajo la supervisión del Profesor (escenarios de simulación en los que el Alumno actúa de conductor bajo la supervisión del Profesor). Al igual que en la anterior opción del MENÚ PRINCIPAL, para poder acceder a la pantalla del MENÚ FORMACIÓN Y EVALUACIÓN será preciso (Figura 3.7) haber introducido previamente el correspondiente nombre del usuario y la contraseña. En este caso, serán las adjudicadas al usuario Profesor por el Administrador del sistema, como se explicará en el siguiente subapartado. Figura 3.7 Menú login Profesor Las opciones de las que dispone el usuario Profesor al entrar en esta pantalla (Figura 3.8) son cuatro: Dar de alta a un nuevo usuario Alumno, o editar su ficha. Formación. Evaluación. Resultados. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

37 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Figura 3.8 Menú opciones del Profesor DAR DE ALTA A UN NUEVO USUARIO ALUMNO Cuando un alumno comienza su formación, ésta es la primera acción que debe realizar el usuario Profesor, en compañía del alumno, para poder dar así de alta al nuevo usuario en el sistema. A partir de ese momento: El usuario Alumno dispondrá de un nombre de usuario y una contraseña para poder practicar las diferentes opciones descritas al analizar el MENÚ PRÁCTICAS. Comenzarán a computar las horas de formación del usuario Alumno dentro de la aplicación. Al entrar en esta pantalla, el usuario Alumno que accede por primera vez al simulador, acompañado por el usuario Profesor, deberá introducir (Figura 3.9) los datos personales que conforman la Ficha del Alumno: Nombre y Apellidos. Empresa a la que pertenece. Fecha de nacimiento. Disponibilidad de carnet de conducir. Además, esa primera vez deberá establecer (Figura 3.9) la Clave de usuario que completa la Ficha del Alumno en base a la introducción de: DNI (sin letra) INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

38 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA Contraseña (y su posterior confirmación). Figura 3.9 Ficha del Alumno Posteriormente, y a partir de ese primer acceso, la aplicación del simulador irá actualizando de forma automática en su Base de Datos los registros correspondientes al usuario Alumno, que se verán reflejados igualmente dentro de esta Ficha del Alumno mediante la incorporación de los datos siguientes: Número de horas dedicadas a formación con el simulador. Resultado de la prueba teórica. Resultado de las pruebas prácticas. Número de convocatorias consumidas. De esta manera, la Ficha del Alumno estará integrada en una Base de Datos que dará la opción a los usuarios Profesor de extraer información estadística, o históricos de sus usuarios Alumno, además de poder editar sus datos personales. Por ende, para el usuario Profesor las opciones habituales de edición están también disponibles: Modificar registros introducidos, mostrarlos en pantalla etc. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

39 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL FORMACIÓN Al entrar en el SUB-MENÚ FORMACIÓN el sistema pedirá el nombre y la contraseña del usuario Alumno a formar. De está forma, el sistema irá asignando al alumno las horas de formación que vaya recibiendo. Una vez que el usuario Alumno se haya identificado correctamente, el sistema le pedirá determinar el tipo de vehículo sobre el que quiere realizar las practicas, así como el nivel de dificultad de dichas prácticas. En concreto, tres serán las cuestiones previas sobre las que tendrá que llevar a cabo una selección: Figura 3.10 Menú opciones de ejercicio El NIVEL DE DIFICULTAD de las prácticas a desarrollar: Nivel básico. Nivel avanzado. (No implementado). El TIPO DE CARRETILLA a utilizar en las prácticas: Carretilla frontal. Carretilla retráctil. (No implementado). El TONELAJE DE LA CARRETILLA a utilizar en las prácticas: 1.6 Toneladas. 3 Toneladas. (No implementado). 5 Toneladas. (No implementado). Una vez seleccionado el tipo de carretilla, el nivel de dificultad y el tonelaje de la carretilla el usuario Alumno podrá acceder al INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

40 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA correspondiente SUB-MENÚ ESCENARIOS con tres posibles opciones (Figura 3.11) en cuanto al tipo de escenario sobre el que trabajar en las prácticas: Figura 3.11 Menú escenarios Escenario "EJERCICIO LIBRE" El usuario Alumno accede al lay-out general diseñado para la aplicación, y que se describe posteriormente en el capítulo 6 de esta misma MEMORIA, dónde podrá practicar libre y aleatoriamente todo tipo de acciones y movimientos. Escenario "EJERCICIO ESPECÍFICO" Ésta es la primera opción que el usuario Alumno deberá seleccionar al entrar por primera vez a practicar con la aplicación del simulador. De hecho, el resto de opciones de tipos de escenarios de este menú no estarán disponibles hasta que ésta primera opción no se haya completado correctamente. Bajo esta primera opción, se encuentran los denominados ESCENARIOS DE FORMACIÓN que el usuario deberá seleccionar mediante el SUB-MENÚ ESCENARIOS DE FORMACIÓN (Figura 3.12). En dichos escenarios, deberán llevarse a cabo de forma correcta diferentes tareas consideradas básicas en la manipulación de carretillas como son: Coger una carga. Dejar una carga. Trasladar una carga hacia delante y hacia atrás. INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

41 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Conducir en zigzag. Manejo de carretilla con escasa visibilidad. Manejo de carretillas en pasillos estrechos. Carga y descarga de un camión. Apilado en altura. Figura 3.12 Menú ESCENARIOS DE FORMACIÓN Resulta de gran importancia que el usuario Alumno sea capaz de realizar de forma correcta todas y cada una de estas tareas. No en vano, las tareas que habrá de llevar a cabo en los diferentes escenarios con los que se encuentre posteriormente, serán siempre una múltiple combinación de estas tareas individuales. Escenario "ITINERARIO FIJO CON ENTORNO ALEATÓRIO". (NO IMPLEMENTADO). Éste es un escenario en el que las tareas a realizar están determinadas a priori. Habitualmente, ésta suele ser la única de las opciones de este tipo de simuladores; a veces enriquecida en base a disponer de un determinado número de itinerarios fijos. Sin embargo, está comprobado que, después de practicar en un determinado escenario varias ocasiones, resulta mucho más fácil completarlo correctamente por el simple hecho de haberlo hecho INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004

42 UNIVERSIDAD PÚBLICA DE NAVARRA muchas veces, y no tanto por haber adquirido realmente la habilidad necesaria para conducir de forma correcta la carretilla. Por todo ello, en la aplicación que nos ocupa se podrán programar aleatoriamente diferentes itinerarios fijos de manera que el usuario Alumno tenga que enfrentarse a una secuencia de actividades dictadas por el sistema, y variable de forma aleatoria, de forma que pueda constatar él mismo el grado de formación y destreza adquirido EVALUACIÓN La labor de evaluación de un usuario Alumno se llevará a cabo, en compañía del usuario Profesor, a través del SUB-MENÚ EVALUACIÓN. El primer requisito al acceder a esta opción es introducir la clave y contraseña del usuario Alumno que va a ser examinado. Una vez completado esta información, el usuario Profesor tendrá acceso (Figura 3.13) a tres nuevas opciones que engloban lo que va a ser el examen de evaluación: Una prueba teórica. Dos pruebas prácticas. Si el usuario Alumno ya tuviera aprobada alguna de las partes, al entrar en el SUB-MENÚ EVALUACIÓN sólo se activaría la parte o partes del examen no superadas (Figura 3.13). Figura 3.13 Menú opciones de examen INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL

43 Grupo de Investigación: INGENIERÍA MECÁNICA, APLICADA Y COMPUTACIONAL Examen teórico Esta opción permite realizar el examen teórico al usuario Alumno. Constituye la primera parte del examen y su aprobación es un requisito previo para poder acceder al desarrollo de las otras dos partes del examen. Consta de un test de 30 preguntas, a responder verdadero o falso, de las cuales han de ser correctas 27. Figura 3.14 Examen teórico Inicialmente, existirá una base con 100 preguntas de las que el sistema elegirá aleatoriamente 30 cada vez que se vaya a realizar un examen teórico. Tal y como se detallará posteriormente, el usuario Administrador tendrá la posibilidad de modificar esa base de 100 preguntas, añadiendo, modificando o quitando preguntas. También tendrá la posibilidad de variar, previo acuerdo con los usuarios Profesor, los criterios de evaluación. Examen práctico: ejercicios específicos La segunda parte del examen consiste en una prueba práctica en la que el usuario Alumno debe superar 14 escenarios específicos de INSTITUTO NAVARRO DE SALUD LABORAL - SIMUCEL 2004