Diseño de productos asistidos por realidad virtual...

Mayo 2003, Vol.1 Ingeniería Mecánica

93Diseño de productos asistidos por realidad virtual inmersiva

INGENIERÍA MECÁNICA

TECNOLOGÍA Y DESARROLLO

Diseño de productos asistidos por realidad virtual inmersiva

RESUMENEste 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 investi-gación 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.

ABSTRACTThis 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.

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) [email protected]

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INTRODUCCIÓNEl 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 depen-diendo 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 desa-rrollo del proyecto4.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.

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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 Mexicano-Alemana de Comercio e Industria (CAMEXA) cuenta con una sala para la presentación de productos utilizando realidad virtual [6]. JUSTIFICACIÓN DEL PRESENTE TRABAJOEste 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 dise-ño 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 con-siste en establecer un proceso sistémico del uso de la realidad virtual inmersiva en el ciclo de vida de un producto.

FASE DE DISEÑO DEL PRODUCTOPor diseño se entiende al proceso que transforma los requi-sitos 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 ante-riores 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 li-geramente y se puede resolver mediante la modificación de un

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 aproba-ción 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 INMERSIVAPodemos 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 usua-rios 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 equipamien-tos, instalaciones, software, hardware y aplicaciones diseñadas para tal fin. En el proceso cognitivo asistido por esta herra-mienta, 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 rea-lidad 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 iXtliEl 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 com-putadora, 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 dispositi-vos 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 perso-nas 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 proyec-tores 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 com-putadora; 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 he-rramientas 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 diferen-cias, 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.

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, en-vuelve 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/CAEPara 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 sistemá-tica. 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, transfor-mando 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 repre-sentación 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 informa-ción 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.




CASOS DE ESTUDIOLos 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 de-sarrollo 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: PelotaEl 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 mo-delo 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 pro-ducto, 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: TricicletaLa tricicleta es un triciclo con suspensión independiente en las ruedas traseras, figura 10. La revisión técnica y de mercado-tecnia, 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 tridimensionalEl rompecabezas tridimensional es un avión de ocho compo-nentes, 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

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.

RESULTADOSDe 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), in-crementa 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 per-mite 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.

CONCLUSIONESEl 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.

RECONOCIMIENTOSEste trabajo esta soportado por la UNAM-DGSCA, Dirección de Cómputo para la Investigación, proyecto 0511024 “Apli-cación de la realidad virtual en el proceso de implementación de nuevos productos”.Los autores manifiestan su agradecimiento a la Dra. Gene-viéve 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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Mecatrónica de la asignatura de Diseño y Manufactura Asis-tida 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. Finalmen-te, a las maestras Martha Patricia López y Ma. del Carmen Alviso por su participación en la revisión del rompecabezas tridimensional.

BIBLIOGRAFIA[1] Stephen R. Rosenthal, “Diseño y Desarrollo Eficaces del Nuevo Producto”, McGraw-Hill, 1998. Pág. 19.[2] Cooper Robert G., “Winning at New Products”, Basic Books, 2001, Pág, 113[3] Cruz M., García V., Hernández G. “Análisis de Flujo en el Diseño de Componentes de Plástico en Electrodomésticos”[4] L. Casey Larijani, “Realidad Virtual”, McGraw-Hill, 1994. Pág. 161.

[5] Conversaciones telefónicas y pláticas con administradores de software y recursos de cómputo de empresas fabricantes de electrodomésticos en México.[6] EuroNegocios, Revista Bimestral, Año 2, Número 7, Mayo-Junio 2004. Pág. 16.[7] Norma Mexicana IMNC NMX-CC-9000-IMNC-2000, “Sis-temas de gestión de calidad - Fundamentos y vocabulario”[8] Lucet L. Geneviève, Espinosa J. Daniel, “IXTLI, un espacio para el aprendizaje y descubrimiento asistidos por la realidad virtual”, Mensaje Bioquímico, Vol. XXVIII. Depto. Bioquímica, Fac. Medicina, Universidad Nacional Autónoma de México. Cd. Universitaria, México, DF, México, 2004.[9] Álvarez M. Gabriel, “Modelado Geométrico por Compu-tadora”, DEPFI, UNAM, 1990.[10]http://www.profeco.gob.mx/html/encuenta/histo_mirador.htm, Encuesta sobre cómo se divierten los niños en México, Dirección General de Estudios sobre Consumo, Sep-tiembre 2005. Última fecha de consulta: 8 de marzo 2006.[11] García M., “Al Volante Virtual, los coches del futuro se diseñan en simuladores”, Revista Muy Interesante, Año XII, Núm. 12, 2002, Pág. 62.

Figura 1. Fases y Revisiones.

Figura 2. Proceso de diseño y realidad virtual Figura 3. Plano de la Sala iXtli.




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.





Figura 9. Efecto de la visualización de la Pelota. Figura 10.Caso de estudio Tricicleta.

Figura 11. Inmersión en el amortiguador.




Figura 12. Propuestas de diseño, caso de estudio Rompecabezas Tridimensional.

Figura 13. Presentación de los prototipos en explosivo.



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