Diseño de productos asistidos por realidad virtual inmersiva

INGENIERÍA MECÁNICA
TECNOLOGÍA Y DESARROLLO
Vol. 2 No. 3 (2006) 93 - 100
Diseño de productos asistidos por realidad virtual inmersiva
Miguel Ángel Cruz Morales*, Aracel Ovidio Morales Cárdenas, Álvaro Ayala Ruiz
*Grupo Celanese, S.A., Departamento de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, UNAM.
Tecoyotitla 412, Col. Ex. Hda. Gpe. de Chimalistac, 01050
Teléfono: (55) 54809423. Fax: (55) 54809429.
mcruz@celanece.com.mx
RESUMEN
Este artículo explora el uso de la realidad virtual inmersiva en la revisión y evaluación del diseño de nuevos productos. Tres casos
de estudio son desarrollados, con el fin de mostrar su aplicación en el proceso de diseño. La principal contribución de esta investigación es entender el ámbito de aplicación de la realidad virtual en el diseño, debido a que se han creado muchas expectativas
y pocos resultados formales de su utilidad en la ingeniería mecánica.
ABSTRACT
This paper explores the use of immersive virtual reality in the reviewing and assessment of new products design. Three cases are
developed in order to show its application in the design process. The main contribution of this research is to understand the field
of application of virtual reality in the design, due that it has generated great expectations but little formal proof of usefulness in
mechanical engineering.
INTRODUCCIÓN
El ciclo de vida del producto, comprende un conjunto de etapas
referentes a su desarrollo y otras relacionadas con su uso y
retiro del mercado. El desarrollo de productos en la industria
manufacturera puede abarcar diferentes categorías dependiendo de la complejidad del producto que se va a desarrollar
y el nivel de innovación del mismo. Ante esta situación, las
empresas, han establecido procesos formales para administrar
el desarrollo de nuevos productos dentro de un entorno de
ingeniería concurrente. Estos procesos tienen el objetivo de dar
seguimiento y control a los programas o proyectos por medio
de Listas de verificación técnicas, de Programa, y Comerciales,
con el fin de:
1.Involucrar a todas las áreas de la empresa, desde el inicio
de un programa.
2.Identificar las necesidades del cliente y su transición al diseño,
manufactura, comercialización y servicio.
3.Definir claramente las responsabilidades durante el desarrollo del proyecto
4.Compartir mejores prácticas entre áreas y programas.
En una forma global, se ha establecido un proceso de fases
de trabajo y revisiones entre dos fases consecutivas, con el fin
de lanzar el proyecto de desarrollo de un producto, lo cual
origina actividades directamente asociadas al diseño, pruebas
y fabricación.
Las empresas designan con diversos nombres las fases de
trabajo, normalmente lo dividen en cinco [1], [2]:
-Validación de la idea.
-Diseño conceptual.
-Especificación y diseño.
-Producción y prueba del prototipo.
-Capacidad de producción.
En cuanto a las revisiones, estas son:
-Lanzamiento del proyecto.
-Aprobación de la implantación del proyecto.
-Aprobación del diseño.
-Inicio de la producción.
Las revisiones se realizan a diferentes niveles, los cuales
principalmente abarcan la revisión de Programa, Técnica y
de Mercadotecnia.
Revisiones de Programa “P”.
Lo directores y gerentes efectúan la revisión al más alto nivel
y se enfocan hacia al impacto del negocio: Costos, Inversiones
y Fechas.
Revisiones Técnicas “T”.
El equipo técnico efectúa las revisiones y se enfoca hacia
el Diseño del Producto, Procesos de Manufactura y el
Ensamble.
Revisiones de Mercadotecnia “M”.
Las revisiones son efectuadas por las áreas comerciales y
de mercadotecnia, enfocándose hacia programa comercial y
contemplando Estudios de Mercado, Publicidad, el Lanzamiento
del Producto y Marcas.
En cada una de las revisiones, participan los líderes o
responsables de cada uno de los diferentes grupos, con el fin
de mantener la comunicación y el trabajo en equipo, figura 1.
Ingeniería Mecánica
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Además del proceso administrativo, el proyecto de desarrollo
de productos utiliza métodos y técnicas de diseño, la mayoría
de ellas asistidas por computadora, las cuales soportan y
aceleran el lanzamiento del producto [3]. Las técnicas más
habituales y conocidas son las que corresponden al modelado
geométrico tridimensional de los sistemas de diseño asistido por
computadora, CAD y el análisis de ingeniería, por ejemplo; el
análisis cinemática y dinámico, el análisis de esfuerzos y los
cuales se encuentra dentro de la denominación de ingeniería
asistida por computadora, CAE, por sus siglas en inglés. Con
este tipo de herramientas se pueden visualizar y analizar los
prototipos virtuales del producto, dentro de las limitaciones
propias de los dispositivos de salida asociados a este tipo
de sistemas, tales como visualización bidimensional del objeto
tanto en la pantalla como en la impresión en papel. Es por esto
que el uso de las técnicas de Realidad Virtual de visualización
del producto proporciona una serie más amplia de opciones
para el diseño y el análisis de ingeniería [4]. Esto, hoy en día
es una realidad para la industria nacional, ya que, empresas
mexicanas que desarrollan y comercializan electrodomésticos,
hacen uso de la realidad virtual para el diseño de apariencia
de sus productos [5]. Cabe destacar que las visualizaciones se
realizan en monitores comunes de computadora y por lo cual
caen dentro del ámbito de la realidad virtual no inmersiva.
Finalmente, existen esfuerzos para trabajar en la realidad
virtual inmersiva, como es el caso de la Cámara MexicanoAlemana de Comercio e Industria (CAMEXA) cuenta con una
sala para la presentación de productos utilizando realidad
virtual [6].
JUSTIFICACIÓN DEL PRESENTE TRABAJO
Este proyecto esta dividido en dos etapas: la primera tiene la
función de entender el campo de aplicación de las técnicas de
visualización de Realidad Virtual Inmersiva en la fase del diseño de productos, así como las ventajas y limitaciones, tomando
como referencia los recursos disponibles del Observatorio de
Visualización iXtli y el poder compartir los resultados a grupos
de diseño interesados en esta técnica. La segunda etapa consiste en establecer un proceso sistémico del uso de la realidad
virtual inmersiva en el ciclo de vida de un producto.
FASE DE DISEÑO DEL PRODUCTO
Por diseño se entiende al proceso que transforma los requisitos en las características especificadas de un producto [7].
El diseño contempla: geometría, condiciones de operación y
funcionalidad, materiales, problemas técnicos de manufactura y
costos. Se puede realizar una taxonomía del diseño en función
del nivel de originalidad del diseño, presentándose tres casos:
diseño innovador, adaptativo y evolutivo. En el primer caso, el
problema a resolver se aborda mediante un nuevo principio de
solución y requiere un esfuerzo especial a lo largo de todas las
etapas del diseño ya que la experiencia acumulada en anteriores diseños no se podrá trasladar. En el diseño adaptativo,
el problema se acomete manteniendo los principios de solución
conocidos y establecidos para otros productos. Finalmente, en
el diseño evolutivo las especificaciones del problema varían ligeramente y se puede resolver mediante la modificación de un
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diseño anterior. Por lo tanto, en el diseño innovador es donde
se cuenta con menos información y por lo cual se requiere de
más recursos con el fin de lograr el lanzamiento exitoso de un
producto nuevo. Para los tres casos, la definición del problema
involucra la voz del cliente, incluyendo las características físicas
y funcionales, costos, calidad y desarrollo operativo; la síntesis
y el análisis están altamente relacionados y se llevan acabo
en forma iterativa en el proceso de diseño. Un componente
o subsistema del sistema completo es conceptualizado por el
diseñador tomando las variables más representativas y que
forman la síntesis del componente, el cual se sujeta a análisis,
se mejora y vuelve a diseñar. El proceso se repite hasta que
el diseño ha sido optimizado con las restricciones impuestas
por el diseñador. La evaluación concierne con la medición del
diseño contra las especificaciones establecidas en la fase de
definición del problema. Esta evaluación a menudo requiere la
fabricación y prueba de prototipos para evaluar el desempeño
operativo, la calidad, la confiabilidad y otros criterios. La fase
final del proceso de diseño es la presentación, que incluye la
documentación, el realismo, la lista de partes, y en general toda
una base de información requerida del producto. Esta última
actividad es la que constituye la revisión técnica de aprobación del diseño y se procede a la revisión de mercadotecnia
en la cual las propuestas son revisadas con la participación
del usuario del producto, aquí se pueden aplicar cuestionarios,
encuestas o el método KJ y obtener sugerencias para modificar
el diseño, finalmente se procede a la revisión de programa en
la cual se decide si se pasa a la siguiente etapa o se cancela
el proyecto.
La figura 2, muestra la relación entre el proceso clásico de
diseño y los módulos de un ambiente de diseño e ingeniería
asistidos por computadora [9] y se agrega el soporte que
proporciona la realidad virtual inmersiva para llevar acabo
las revisiones de la fase de diseño.
REALIDAD VIRTUAL INMERSIVA
Podemos definir la realidad virtual como la representación de
objetos del mundo real a través de medios electrónicos. Existen
dos tipos de realidad virtual; la realidad virtual inmersiva es
aquella que se da en un ambiente 3D con el cual los usuarios pueden interactuar a través de cascos, guantes y otras
accesorios para el cuerpo. La otra es la realidad virtual no
inmersiva, en la que el usuario interactúa con el mundo virtual
de manera mas sencilla, con la utilización de teclado y el ratón.
Técnicamente hablando, la realidad virtual inmersiva es una
interfaz humano-máquina avanzada que permite experimentar
de manera multisensorial, una simulación computarizada de
manera interactiva y en tiempo real. Consta de equipamientos, instalaciones, software, hardware y aplicaciones diseñadas
para tal fin. En el proceso cognitivo asistido por esta herramienta, resaltan dos factores principales: el aspecto sensorial
en la percepción del mundo virtual (la inmersión) y las formas
de interacción del usuario con él [8]. Son aplicaciones de realidad virtual inmersiva aquellas que son experimentadas con
varios de nuestros sentidos, en especial la visión, la audición y
el tacto. La calidad del sonido tridimensional contribuye mucho
a la sensación de inmersión.
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OBSERVATORIO DE VISUALIZACION iXtli
El elemento clave de la sala es el sistema de Realidad Virtual
Inmersiva, cuyo propósito es lograr que los usuarios tengan la
sensación de encontrarse dentro del mundo creado por computadora, esto se logra al generar, en tiempo real, imágenes
estereoscópicas que el usuario percibe con profundidad y que,
además, responden a sus órdenes o movimientos. Las imágenes
calculadas en tiempo real se generan a partir de un modelo
tridimensional almacenado previamente en el equipo gráfico
de alto rendimiento que está a disposición de la sala. Nuevas
imágenes se generan siguiendo las órdenes y movimientos de
los usuarios, los cuales, son capturados por medio de dispositivos de rastreo de movimiento, guantes o ratón tridimensionales.
Asimismo, se cuenta con un sistema de sonido que proporciona
sensaciones auditivas relacionadas con el ambiente creado. El
espacio de iXtli está diseñado para albergar hasta 42 personas utilizando lentes estereoscópicos. Si el usuario lo requiere,
es posible que un grupo de 6 u 8 investigadores puedan
utilizar una mesa en el frente de la pantalla como espacio de
trabajo para acceder a las diferentes funcionalidades de la
sala, figura 3.
Equipamiento de la sala iXtli:
Pantalla (1). Las imágenes son proyectadas en mono o en
estéreo en una pantalla semicilíndrica de 140 grados, que
mide 8.90m de largo por 2.55m de ancho. La forma cilíndrica
permite cubrir gran parte del campo de visión del usuario lo
que le ayuda a sentirse dentro del ambiente virtual.
Proyectores (2). Las imágenes son generadas por tres proyectores Christie Digital Mirage 2000, basados en tecnología de
alta resolución SXGA (1280x1024). Cada proyector produce
una tercera parte de la imagen y utiliza equipos de corrección
de geometría y mezcla de imágenes, para producir una sola
imagen de resolución 3520 x 1024, que cubre la totalidad
de la pantalla.
Estéreo Activo (3). La sensación de profundidad se genera al
producir imágenes diferentes para el ojo derecho e izquierdo;
éstas se proyectan en forma alternada con una alta velocidad.
Los lentes de cristal líquido, Crystal Eyes, bloquean la visión
de los ojos siguiendo la sincronía proporcionada por la computadora; así, cada ojo recibe solamente la imagen que le
corresponde de manera tan rápida que engaña al cerebro y
le hace creer que ve una sola imagen con profundidad.
AMIRA 3.5 (4). Otro elemento de la realidad virtual es el
software, AMIRA es un de los programas de mayor uso para
visualización estereoscópica y con el cual es posible ver los
diferentes modelos que se tienen dentro de la sala. Las herramientas CAD/CAE, permiten exportar archivos VRML los
cuales son importados por AMIRA. Los archivos VRML pueden
ser en versiones 1.0 y 2.0, las cuales tienen muchas diferencias, pero la más sobresaliente es que la versión 2.0 permite
la animación.
Dispositivos (6). La sala cuenta con un sistema de rastreo de
movimiento InterSense IS-900 para detectar con precisión la
posición y orientación de las partes del cuerpo, en relación
con el modelo visualizado. Se tienen dos sensores, uno para
el rastreo del movimiento de la cabeza y otro que rastrea la
posición y movimientos de un ratón tridimensional o wanda.
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Además, se cuenta con un guante inalámbrico 5DT Data Glove,
con dos sensores por dedo, para medir tanto la flexión como
la abducción entre los dedos.
Audio (7). La sala iXtli posee un sistema de sonido de alta
tecnología: Equipo Dolby Surround 5.1 que a través de tres
bocinas delanteras, dos bocinas traseras y un sub-woofer, envuelve al público con sonido tridimensional. Está equipada para
reproducir formatos CD, DVD-A, Wav y MP3, entre otros.
Cámaras. iXtli cuenta con tres cámaras robóticas en la parte
superior de la pantalla que pueden integrarse a un sistema
de videoconferencia o de utilizarse como dispositivos para
interacción con algoritmos de visión por computadora.
MODELADO DEL PROCESO DE DISEÑO CAD/CAE
Para realizar el modelado se utilizo IDEF0, que es un método
para modelar las decisiones, las acciones y las actividades de
una organización o de un sistema. Se utiliza la combinación de
gráficas y texto presentados en forma organizada y sistemática. Consiste de cinco elementos: Las unidades básicas dentro
de un modelo son las actividades, las que se definen como “el
componente de un sistema que desarrolla una acción, transformando sus entradas en salidas”, y se representan como cajas.
Un modelo IDEF0 está compuesto por una serie jerárquica de
diagramas que gradualmente presentan niveles de detalle
describiendo actividades y sus interfaces con el contexto del
sistema. Las entradas (izquierda de la caja) que son trasferidas
a los datos de salida (derecha de la caja). Los controles (arriba
de la caja) gobiernan a las funciones y los mecanismos (abajo
de la caja) indican cómo será realizada la función.
El propósito del modelo que se presenta en la figura 4, es
asistir en el diseño y evaluación de productos. Consiste de
cuatro actividades, figura 5:
Modelado geométrico. Es la función donde se genera la representación simplificada de una entidad que se desea estudiar.
Con la cual es posible interactuar, que tiene propiedades
geométricas inherentes, características, conectividad entre
elementos que conforman al componente y que se puede
almacenar.
Análisis de ingeniería. El análisis de ingeniería es utilizado
para realizar cálculos y simulaciones.
Revisión y evaluación del diseño. En esta función se realizan
las revisiones entre actividades de trabajo.
Aplicación de realidad virtual. En esta función tiene lugar
la experiencia multisensorial con la simulación del caso de
estudio.
Del modelado de proceso de diseño CAD/CAE, se obtienen
categorías de información requeridas para realizar dicho
proceso:
Especificaciones: Esta información dicta y restringe las guías
que se deben de tomar durante el proceso.
Producto: Representa la información geométrica de la entidad
y su organización.
Funciones: Las funciones asociadas al producto.
Aplicación de la realidad virtual: Representa la información de intercambio con el usuario, percepción, interacción,
manipulación y comprensión de la tarea a realizar. Para
validar esta actividad se desarrollaron tres casos de estudio.
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CASOS DE ESTUDIO
Los productos a validar son juguetes, que se seleccionaron de
la encuesta realizada por la Profeco [10], como sustento de los
requerimientos del mercado. Los tres proyectos están dirigidos
a niños, siendo ellos los clientes potenciales del producto. El desarrollo de dichos productos, fue realizado por alumnos de las
carreras de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica, de la materia
de diseño y manufactura asistida por computadora y los cuales
formaron el equipo de diseño con los cuales se llevo acabo la
revisión técnica. En tanto que las revisiones de mercadotecnia y
programa, se realizaron con niños de primaria y con los Jefes
de Departamento de las carreras respectivas a los cuales se
les presento toda la información de los productos, con el fin
de lograr la aprobación del diseño y obtener los recursos
necesarios para la producción del producto. Las revisiones se
realizaron en base a cuestionarios y a los comentarios durante
las sesiones de trabajo, figura 6.
Caso de estudio: Pelota
El producto es una pelota de plástico para jugar “quemados”
y por lo cual uno de sus requerimientos es tener mínimo rebote
y ser lo más ligera posible para no lastimar a la persona que
recibirá el impacto de la pelota. En la figura 7, se muestra el
modelado geométrico de la pelota y se compara con el modelo de realidad virtual observado sin lentes estereoscópicos.
Debido a que se trata de un producto de un solo componente,
se valido en la revisión técnica y de mercadotecnia el color,
la forma de la pelota, propuestas de nombre para el producto, la simulación de su movimiento al caer, el sonido de la
misma al botar y los resultados del análisis de esfuerzos de
la pelota, figura 8.
La respuesta que genera la visualización de la pelota en los
niños, fue el tratar de sujetarla con las manos, figura 9.
Caso de estudio: Tricicleta
La tricicleta es un triciclo con suspensión independiente en las
ruedas traseras, figura 10. La revisión técnica y de mercadotecnia, tuvo como fin explorar la capacidad del tamaño de la
sala en cuanto a objetos de gran tamaño que no se pueden
ver en tamaño natural en un monitor convencional y el poder
penetrar dentro de los componentes de la tricicleta, figura 11.
Cabe destacar que en este modelo, el efecto tridimensional se
pudo validar fácilmente con los niños, debido a que intentaban
sujetar la tricicleta y gritaban cuando se rotaba el modelo, ya
que daba la sensación de que podía golpearlos con dichos
movimientos.
Caso de estudio: Rompecabezas tridimensional
El rompecabezas tridimensional es un avión de ocho componentes, el cual fue revisado desde el punto de vista técnico por
especialistas en el área infantil, en los aspectos de estética del
producto al comparar dos propuestas de diseño, la facilidad
de ensamble y los beneficios para el cliente final por el uso
de este producto, figura 12. Para este caso de estudio, en la
revisión de programa, se autorizaron los recursos materiales
y económicos para iniciar la fase de prueba de prototipos
y producción, figura 13. Debido a que se mostraron en la
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revisión de programa los herramentales para la inyección de
cada uno de los componentes, se pudo observar que en piezas
prismáticas como placas de moldes se distorsionan y se pierde
parte del efecto tridimensional.
RESULTADOS
De la revisión de los casos de estudio anteriores, la realidad
virtual inmersiva soporte el diseño de productos de la siguiente
manera:
1.- Visualización tridimensional y multisensorial. Las imágenes
de los productos se observan con profundidad, dando el efecto
tridimensional del objeto. El dicho “una imagen dice más que
mil palabras” da paso a la afirmación “150 millones de datos
siempre son mejor que una imagen, sobre todo si se sabe qué
hacer con ellos” [11], y que en este caso se comprueba con
las diferentes revisiones para cada producto. La utilización
de la dimensión tiempo (movimiento, animación y sonido), incrementa la sensación de inmersión e interacción. Con esto se
puede afirmar que se pueden validar todo tipo de máquinas
o mecanismos de manera interactiva y en tiempo real.
2.-Validación del ensamble. Se verifica la interacción de una
pieza con el resto del conjunto.
3.-Comercialización, estudios de mercado. El cliente final puede
opinar sobre el diseño del producto en las etapas tempranas
del diseño del producto. Mercadotecnia puede tener un papel
más activo en el desarrollo del producto al conocer la voz del
cliente y sugerir los cambios pertinentes del producto.
4.-Mostrar vistas ficticias del objeto que permitan comprender
su funcionamiento. La posibilidad de penetrar los objetos permite visualizar ensambles de una manera diferente.
5.-Conversión de modelos de CAD/CAE a realidad virtual. La
mayoría de los programas de diseño e ingeniería asistidos por
computadora permiten crear archivos VRML, de tal forma que
la migración es de una forma fácil y natural a los usuarios de
programas de diseño.
6.-Simulación realista de productos. La representación realista
de productos se puede llevar acabo al agregar al modelo
texturas de materiales, luces y animación.
CONCLUSIONES
El trabajo muestra la integración de la realidad virtual en
el contexto de la fase de diseño de un producto. Identifica
la información y las actividades para asistir al proceso de
diseño con CAD/CAE y permite dar una referencia para el
uso adecuado de este tipo de técnicas por parte del grupo
multidisciplinario de desarrollo del producto.
RECONOCIMIENTOS
Este trabajo esta soportado por la UNAM-DGSCA, Dirección
de Cómputo para la Investigación, proyecto 0511024 “Aplicación de la realidad virtual en el proceso de implementación
de nuevos productos”.
Los autores manifiestan su agradecimiento a la Dra. Geneviéve Lucent Lagriffoul por creer en este proyecto, a la Mat.
Ma. del Carmen Ramos Nava y a su equipo de trabajo por el
soporte en programación y la asesoría para el uso de la sala
iXtli. A los alumnos de las carreras de Ingeniería Mecánica y
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Miguel Ángel Cruz Morales*, Aracel Ovidio Morales Cárdenas, Álvaro Ayala Ruiz
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Mecatrónica de la asignatura de Diseño y Manufactura Asistida por Computadora de la Facultad de Ingeniería UNAM,
semestres 2006-1 y 2006-2 por el diseño de la pelota y el
avión respectivamente. Asimismo, a los alumnos y profesores
de cuarto año de primaria ciclo 2004-2005 y sexto año del
ciclo 2005-2006 de la Escuela Activa, por participar en el
rol de usuario final de los productos presentados. Finalmente, a las maestras Martha Patricia López y Ma. del Carmen
Alviso por su participación en la revisión del rompecabezas
tridimensional.
BIBLIOGRAFIA
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Figura 1. Fases y Revisiones.
Figura 2. Proceso de diseño y realidad virtual
Figura 3. Plano de la Sala iXtli.
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Vol. 2 No. 3 (2006) 93 - 100
Figura 4.- Modelado del proceso de diseño.
Figura 5.- Interacción entre las fases principales de la actividad Diseño CAD/CAE.
Figura 6. Revisión y aplicación de encuestas.
Figura 7. Caso de estudio Pelota.
Figura 8. Visualización del producto en la sala.
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Vol.1 Vol.2
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Miguel Ángel Cruz Morales*, Aracel Ovidio Morales Cárdenas, Álvaro Ayala Ruiz
INGENIERÍA MECÁNICA TECNOLOGÍA Y DESARROLLO
Figura 9. Efecto de la visualización de la Pelota.
Vol. 2 No. 3 (2006) 93 - 100
Figura 10.Caso de estudio Tricicleta.
Figura 11. Inmersión en el amortiguador.
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Vol. 1 No. 5 (2004) 182 - 187
Figura 12. Propuestas de diseño, caso de estudio Rompecabezas Tridimensional.
Figura 13. Presentación de los prototipos en explosivo.
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Mayo 2003,2006,
Vol.1 Vol.2
100 Miguel Ángel Cruz Morales*, Aracel Ovidio Morales Cárdenas, Álvaro Ayala Ruiz