Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulación de Mecanismos en la Ingeniería

Transcripción

1 Desarrollo de un Laboratorio Virtual para el Estudio y Simulación de Mecanismos en la Ingeniería Gerardo Martín Lorenzo; José Pablo Suárez Rivero; Melchor García Domínguez Departamento de Cartografía y Expresión Gráfica Universidad de Las Palmas de Gran Canaria Campus de Tafira. E gmartin@cicei.ulpgc.es; Tfno ;Fax Resumen En los últimos años un nuevo escenario para la representación de mundos virtuales en 3D se está consolidando: la realidad virtual basada en web. Ello permite el acceso público de los diferentes avances y últimas aplicaciones de la Realidad Virtual en áreas como la enseñanza, la simulación, el comercio etc. Este escenario de la Realidad Virtual por ordenador es más accesible a los usuarios. Elementos como guantes de datos, cascos estereoscópicos y otros sensores de alto coste se sustituyen por la pantalla, ratón y conexión a la red usuales en cualquier equipamiento informático. En la presente comunicación se ilustra una de las posibles aplicaciones en el contexto de la enseñanza y la simulación. Desarrollamos un espacio virtual de experimentación basado en web de mecanismos en la ingeniería. Se propone la inclusión de estas tecnologías en universidades, escuelas, centros de formación etc. Una extensión del trabajo permitirá integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje. 2. Abstract In the last years a new enviroment for the representation of 3D virtual worlds is being implanted: web bas ed virtual reality. This fact allows that improvements and later application to virtual reality could be freely accessed. Furthermore, several fields like education, simulation and business are taking advantage of it. Computer Virtual Reality based on web makes it possible for the users more accesibility, it means that data gloves, stereoscope helmets and other high costs sensors have been replaced by a standar computer equipment as a display, a mouse and a network socket. In this communication we present an application for education and simulation. We developed an enviroment of virtual experimentation based on web that deals with engineering mechanisms. It is proposed the blending of this tecnologies in universities, institutes or education centers. An extension of this work will permit the integration of this tools in a true learning paradigm.

2 3. Introducción La combinación de diversas tecnologías e interfaces que permiten a uno o más usuarios interactuar en tiempo real con un entorno o mundo dinámico tridimensional generado por ordenador, lo que se la venido a denominar Realidad Virtual, está teniendo cada vez mas auge y aplicaciones en los distintos campos de la Ingeniería. En los últimos años las herramientas que facilitan el desarrollo de aplicaciones de Realidad Virtual han experimentado un gran avance. Además, el equipo tecnológico necesario para ejecutar estas aplicaciones es simple y estándar. El nuevo escenario basado en web ha hecho posible esta característica. Actualmente ya se disponen de sofisticados entornos de desarrollo de mundos virtuales como SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene Assembler, V-Realm Builder, VR-Creator [10] etc. Los mismos permiten la construcción y/o ensamblaje de mundos virtuales en 3D bajo un entorno de desarrollo visual amigable para el usuario. Todos ellos soportan el lenguaje por excelencia de la Realidad Virtual: VRML. Por otro lado se afianzan los lenguajes de visualización y de programación como HTML, Java, JavaScript que facilitan la integración de texto, imágenes, vídeos, sonidos, aspectos interactivos que suponen una mejora notable en las clásicas aplicaciones informáticas. Mediante estas herramientas se crean entornos multimedia que permiten interactuar de forma amigable intuitiva, pedir información, mostrar resultados, ver aplicaciones, etc. Términos como Laboratorios Virtuales y Espacios Virtuales de Aprendizaje (EVA) han sido fundados por diversos autores [4] [8]. Nuestra presentación corrobora como este tipo de tecnologías que emergen día a día, se pueden utilizar como complemento en la formación en universidades, escuelas, centros de formación etc. sustituyendo a los clásicos laboratorios costosos de acceder, mantener y manipular. Además, una extensión del trabajo permitirá integrar estas herramientas en un verdadero paradigma de aprendizaje, como ya se ha presentado en [4][8]. En este trabajo se ilustra cómo estas técnicas se pueden aplicar al desarrollo de laboratorios virtuales de estudio y experimentación. Se ha tomado el ejemplo de un laboratorio de mecanismos clásicos en la Ingeniería. El usuario, especialmente con motivación de aprendizaje, podrá hacer uso de la navegación por el laboratorio, interacción con los mecanismos diseñados, e inmersión en el mundo que se encuentra, todo ello de una forma tridimensional y basado en Internet, recreando un ambiente cómodo y accesible. Además, se ha integrado en este espacio de experimentación, información relativa a los mecanismos que se exponen, como planos de construcción, aspectos de diseño de los mecanismos, engranajes etc. Con ellos el usuario tiene la posibilidad de analizar el mecanismo con el que se experimenta promoviendo así un medio integrado para conocer el mecanismo en detalle. 4. VRML y herramientas de desarrollo VRML es un lenguaje textual para describir elementos tridimensionales y entornos interactivos. Ha evolucionado a través de distintas versiones. Sus inicios se remonta a finales de La última versión es la VRML 97 y su predecesora la VRML 2.0. Entre ambas hay poca diferencia y de hecho la mayoría de los navegadores de la versión 2.0 soporta sin problemas la última versión. Para construir escenas y mundos mediante VRML se puede recurrir a la programación a bajo nivel, es decir usando la sintaxis y semántica del lenguaje, para lo cual existe una especificación ISO del lenguaje y extensa bibliografia [5][6][9][2]. Una segunda vía es utilizar un entorno de desarrollo para la construcción de mundos, las cuales de una forma visual y gráfica tiene dominio del lenguaje sin necesidad de entrar en aspectos de programación. De entre tales aplicaciones citamos SupersCape, Cybelius, Internet Space Builder, Internet Scene assembler, V-Realm Builder y VR-Creator [10]. Otra alternativa para el desarrollo de mundos es utilizar programas de diseño en 3D y aprovechar las cualidades de exportación a VRML. Las tres formas tienen sus ventajas y desventajas, hacemos a continuación una

3 revisión de todas ellas puesto que esta decisión es fundamental a la hora del desarrollo de mundos virtuales. Editor de Texto Entornos de desarrollos VRML Modelador 3D y traductor de formato Ventajas No es necesario comprar sofware adicional. Acceso a todas las características de VRML. Control detallado de la eficiencia del lenguaje. De facil creación los elementos 3D, la animación y el interfaz de usuario. No es necesario conocimiento detallado de VRML. Buena capacidad de desarrollo de los elementos en 3D, animación e interacción. Se logran imágenes foto-realistas. Desventajas Difícil de contruir elementos 3D. Require conocimiento del lenguaje: sintaxis y semántica. No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El código que se genera no es el más eficiente. No se tiene acceso a todas las posibilidades del lenguaje VRML. El código que se genera no es el más eficiente. El software no fue diseñado para soportar VRML. Normalmente sólo existe una vía en la traducción al lenguaje. Tabla 1 - Comparativa entre los métodos para usar VRML Desde otro punto de vista, VRML puede utilizarse junto con un potente lenguaje de desarrollo de software, como el C++ o el Java para crear aplicaciónes software integradas. Diversos trabajos se han desarrollado en esta línea [1]. Desde un lenguaje nativo como C++ o Java, es posible asignar comportamientos diversos a elementos de un mundo VRML, con lo cual se crean mundos virtuales dotados de capacidades propias del lenguaje de programación nativo, o más propiamente dicho, software que integra mundos virtuales con comportamientos complejos. 5. Las herramientas de desarrollo del Laboratorio Virtual en la Ingeniería Como se ha visto en el apartado anterior la elección de las herramientas de desarrollo es un factor decisivo. En el presente trabajo se ha utilizado de forma combinada las tres tipos herramientas expuestos anteriormente en la construcción de los mundos VRML. Así es posible aprovechar las ventajas de cada una de las opciones utilizando la herramienta o método más conveniente. Por un lado el software de diseño 3D Studio Max, el cual proporciona los aspectos de foto-realismo y animación necesarios. Con éste se han desarrollado los mecanismos, las animaciones respectivas y el uso de texturas convenientes, elementos base del trabajo. Podemos considerar como buena la traducción a código VRML que realiza este software si bien hay que soportar otros inconvenientes apuntados anteriormente. De entre las herramientas de desarrollo VRML citadas en la Introducción y después de evaluarlas, se ha tomado el VR-Creator. Ésta es una buena herramienta para componer mundos sencillos y proporciona una extensa librería con elementos tridimensionales. Hemos usado este software para decorar los distintos entornos del laboratorio y dotar el mundo virtual de una estructura conveniente a un laboratorio.

4 Fig. 1 - Desarrollo de la máquina de engranajes en 3D Studio Max R2. Finalmente se ha recurrido a la programación VRML mediante edición de los ficheros wrl. Hasta el momento no hemos encontrado una herramienta fácil para ensamblar mundos virtuales separados y es por ello que hemos recurrido a hacerlo via programación. Para las representación gráfica de los distintos mecanismos del laboratorio se ha utilizado el software estándar del dibujo técnico por ordenador Autocad. Cabe destacar el uso de un plug-in específico (Whip de Autodesk) para web que permite navegar en la web por dibujos realizados con este software, lo cual permite conservar el espacio de navegación propio del Autocad en web, almacernar los ficheros de planos etc. 6. Estudio de un mecanismo virtual. La Máquina de Engranajes El mecanismo que se presenta representa un ejemplo sencillo de transmisión por engranajes de dientes rectos. Consta de dos placas soporte que se mantienen en su posición mediante cuatro separadores, que para su fijación disponen en sus extremos de un trozo roscado que sirve de alojamiento de arandela y tuerca. La rueda motriz, o rueda conductora se mantiene en su posición mediante chaveta alojada en el extremo del eje primario, que es el que recibe la acción de una manivela que le hace girar a una cierta velocidad. La composición de la transmisión hace que el movimiento de la rueda conductora se comunique a la rueda conducida, de menor diámetro, cumpliendo una relación de transmisión de 2:1, o sea, por cada vuelta de la rueda conductora se obtienen dos de la conducida.

5 Algunas de las características de esta transmisión por engranajes son: Rueda conductora: Diámetro primitivo: 80 mm Número de dientes: 40 Rueda conducida: Diámetro primitivo: 40 mm Número de dientes: 80 Relación de transmisión: 2:1 Módulo: 2 Altura del diente: Altura de cabeza (addendum) ; a=2 Altura del pie (dedendum); b=2.5 Altura total (a+b); 4.5 Paso circunferencial; p=6.28 Espesor del diente; e=2.98 Espesor del hueco; v=3.29 A continuación se presenta en las figuras 2 y 3 algunos de los planos del mecanismo en cuestión realizados en AutoCAD (Tm). Fig. 2 - Perspectiva.

6 Fig. 3 - Plano de conjunto.

7 7. El Espacio Virtual de Experimentación. El Laboratorio Virtual en la Ingeniería Para cumplir con los requerimientos de libre acceso al usuario se ha realizado un pagina HTML con la estructura del laboratorio virtual en la que se han integrado adecuadamente los mundos VRML, las representaciones gráficas y toda la información concerniente al los mecanismos del laboratorio. En la misma el usuario podrá acceder a toda la estructura del laboratorio de una forma interactiva y visual. A continuación se presenta tres figuras que dan una idea global del trabajo realizado. El espacio virtual del laboratorio se divide en cuatro módulos que coincide con cuatro opciones en la página web. Primeramente existe un módulo de Presentación donde se introduce al usuario en el contexto del laboratorio, objetivos, metas y recursos disponibles. El módulo de Recorrido Virtual permite hacer un recorrido por las distintas salas del laboratorio, para lo cual se presenta un navegador VRML que lo hace posible. El módulo Laboratorios contiene las máquinas expuestas y toda la información gráfica y teórica de los mismos. Finalmente en el Glosario se expone los términos y conceptos relacionados con el tema de estudio. Fig. 4 - Página presentación del laboratorio.

8 Fig. 5. Información de diseño del mecanismo. Fig.6. Instántanea del recorrido virtual por una sala del labratorio.

9 8. Conclusiones y trabajo futuro Consideramos este trabajo un aporte de las nuevas tecnologías de la información al campo del aprendizaje y simulación en la Expresión Gráfica. Otros autores han trabajado en esta línea como se refleja en [3][4][7][8]. Se ha tomado como caso de estudio mecanismos de la ingeniería para creación de un laboratorio virtual de experimentación y aprendizaje. En la actualidad existe valiosos recursos accesibles en el campo de las tecnologías de la información que empiezan a ser usados para replantear disciplinas como el aprendizaje entre otros. Los que nos ocupa centran su atención en Realidad Virtual e Internet. El futuro próximo y la confianza puesta en estos trabajos nos revelará si estas aplicaciones podrán utilizarse como verdaderos elementos integrados en la enseñanza y educación como nosotros pensamos. Otros elementos que serán decisivos en este objetivo son la creación de un sistema de evaluación del aprendizaje y un permanente uso de las herramientas cooperativas como el control remoto en tiempo real, el correo electrónico o el chat. 9. Bibliografía [1] Armentara Alcántara; Andrés A.; Asignación de comportamiento complejo a mundos virtuales vrml utilizando java, Tesis de Maestria. Instituto Politécnico Nacional. México. Julio [2] Ames Andrea L.; Nadeau David R., Moreland John L.; The VRML 2.0 Sourcebook. John Wiley & Sons. [3] Gómez Skarmeta, A. F.; Ibáñez Martínez, J.; Un Entorno para la Edición y Simulación de Plantas de Producción Virtuales. XI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica. Logroño. Pamplona. 2-4 junio [4] Guzmán, A; Nuñez, G.; Virtual Learning Spaces in Distance Education: Tools for the Eva Project. International Journal Expert Systems with Applications (Special Issue), Pergamon Press, [5] Joint Technical Committee ISO/IEC JTC 1 and The VRML Consortium, Inc. The Virtual Reality Modeling Language. International Standard ISO/IEC :1997, The ISO VRML 97 specification: Specifications/ [6] Lemay, L.; Murdock, K; Couch, J.; 3D Graphics and VRML 2. Sams.net [7] Morer, P.; Fernández, A.; Insua, M.; Fernández, M.I. Desarrollo de una Herramienta en el Entorno Virtual de la Expresión Gráfica. XI Congreso Internacional de Ingeniería Gráfica. Logroño.Pamplona. 2-4 junio [8] Nuñez, G. Tecnologías avanzadas de información para soportar el aprendizaje: el proyecto EVA. Proc. ff the Int. Simposium on Information Technologies for Learning, D. F., Mexico, [9] The VRML Repository. [10] VR_Creator.