DISPOSITIVO AVANZADO PARA LA FORMACION EN SOLDADURA BASADO EN SIMULACION CON REALIDAD AUMENTADA Y ACTUALIZABLE EN REMOTO.

Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto que permite la simulación de todos los tipos de soldadura industrial -electrodo revestido (SMAW),

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

DESCRIPCIÓN

Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto.

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Objeto de la invención

La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a â??Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remotoâ?? que proporciona una herramienta eficaz y eficiente para la formación de soldadores en todas las especialidades y 10 procesos industriales.

La presente invención ha sido concebida para su aplicación en el ámbito de la infraestructura o recursos disponibles para el despliegue de acciones formativas orientadas a la adquisición por parte de sus alumnos de la cualificación asociada a los procesos de soldadura. 15

Así, estos contenidos formativos se pueden enmarcar en los propios Ciclos Formativos de Grado Medio o Superior, en enseñanza no reglada, enseñanza universitaria o incluso formación en los propios Centros de Trabajo así como especialización en diferentes homologaciones basadas en estándares internacionalmente establecidos por la European Welding Federation (EWF) y la American Welding Society (AWS) . 20

Antecedentes en el estado de la técnica

La soldadura es un proceso complejo que está presente de una forma habitual en la gran mayoría de los objetos de los que nos rodeamos a diario: vehículos, edificios, electrodomésticos, mobiliario, infraestructuras. Es por ello que 25 tanto a nivel técnico como también estético, un proceso de soldadura debe ser realizado por personal dotado de la necesaria cualificación y capacitación profesional. Para ello, se hace imprescindible un adecuado proceso de formación basado en los más exigentes estándares, ya que de ello puede depender en muchos casos nuestra propia seguridad.

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Hoy en día existe una fuerte demanda de formación en el campo de la soldadura para el acceso a puestos de trabajo que requieran esta cualificación en una gran variedad de sectores de la actividad económica. Los actuales métodos de formación de soldadores requieren un importante gasto en infraestructura (nave con altura y complejos sistemas de extracción de gases, instalaciones eléctricas sobredimensionadas) , materiales (probetas que hay que preparar previamente) , consumibles (gases, electrodos, varillas de aporte) y reparaciones de maquinaria o 35 sustitución de piezas dañadas. Esto es lógico en el proceso de aprendizaje de un alumno que se acerca por primera vez a un equipo de soldadura, o incluso en soldadores que aprenden una nueva técnica o procedimiento.

Además de ello, durante la soldadura se emiten gases nocivos al medioambiente que contribuyen al calentamiento global, todo ello a pesar de los complejos y caros equipos de extracción de que disponen los talleres-escuela, por lo 40 que reducir el tiempo de soldadura sin que se vea afectada la calidad del aprendizaje contribuye a mejorar el medioambiente.

Y por si fuera poco, en todo este proceso los alumnos están expuestos a riesgos físicos (quemaduras, descargas eléctricas, daños por esquirlas) , especialmente durante las primeras horas en que no están familiarizados con la 45 maquinaria y su funcionamiento.

Por lo tanto, actualmente existen claras limitaciones en los modelos empleados para la formación de soldadores, las cuales hacen que sea necesario invertir recursos en nuevos desarrollos que permitan suprimir dichas limitaciones sin que se vea disminuida la calidad de la enseñanza. 50

Por todo ello, la presente invención consiste en el diseño y desarrollo de un nuevo dispositivo avanzado, actualmente inexistente en el mercado con las tecnologías que va a incorporar, para la simulación de todos los tipos de soldadura industrial con diferentes materiales y aleaciones, en múltiples posiciones y con las probetas normalizadas utilizadas en la formación, orientado a la formación de soldadores tanto en estadios iniciales como en 55 especialidades más avanzadas, útil en los procesos de reclutamiento de soldadores por las empresas y utilizable como sustitución de un porcentaje importante de las horas de prácticas en taller real, en los procesos de homologación y certificación de soldadores en base a los estándares internacionales, tanto europeos (EWF) como americanos (AWS) .

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La posibilidad de disponer de un sistema de simulación y entrenamiento de soldadura, orientado a la enseñanza avanzada y segura, más eficiente y sostenible, totalmente versátil y de manejo fácil e intuitivo, que motive a los alumnos en el proceso de aprendizaje y a la vez facilite la labor del profesor a la hora de impartir las clases y evaluar los resultados de los diferentes ejercicios, son algunos de los objetivos buscados con el desarrollo de la presente invención en el que se cuida especialmente la orientación al usuario.

La presente invención aporta un valioso conocimiento sobre sistemas avanzados de simulación orientados a la formación, con el fin de facilitar el proceso de aprendizaje en este caso de los futuros soldadores, de manera que no 5 solo se impulsará con ello el progreso y la productividad de la actividad de la soldadura, sino que también se impulsará el de los sistemas formativos.

Por ello, con el desarrollo de la presente invención, se pretende introducir importantes innovaciones en los actuales dispositivos empleados para la simulación de la soldadura, de manera que en definitiva pretende diseñar y 10 desarrollar un nuevo dispositivo que suponga una ruptura y un verdadero paso adelante, un salto tecnológico con respecto a los medios actuales, aprovechando al máximo las nuevas tecnologías existentes e imaginando la mejor forma de usarlas en beneficio tanto de alumnos como de profesores, como incluso de los propios centros de formación, impulsando con ello el progreso y la productividad de los procesos de negocio tanto de la soldadura como de la formación. 15

Como ya se ha comentado, actualmente existe una fuerte demanda de formación en soldadura para el acceso a puestos de trabajo que requieran esta cualificación en diferentes sectores de la actividad económica.

Como también se ha comentado, los actuales métodos de formación de soldadores requieren un importante gasto 20 en materiales (probetas) , consumibles (gases, electrodos) y reparaciones de maquinaria o sustitución de piezas dañadas. Esto es lógico en el proceso de aprendizaje de un alumno que se acerca por primera vez a un equipo de soldadura.

Igualmente, lo anterior supone un importante gasto de tiempo ya que muchas horas de taller son empleadas en 25 aprender a familiarizarse con los equipos y saber utilizarlos de forma efectiva, por lo que de las horas que dura el curso oficial, son pocas las horas efectivas de formación y aprendizaje.

Por todo ello, dada la gran cantidad de limitaciones y desventajas que plantean los actuales sistemas de formación de soldadores, desde hace unos años se ha comenzado a utilizar la técnica de simulación como herramienta de apoyo al proceso de aprendizaje de los soldadores. 30

Sin embargo, a pesar de que en el mercado existen algunos modelos de simuladores para soldadura, estos presentan todavía una serie de limitaciones y debilidades entre las que destacan las siguientes:

1. Son dispositivos individuales, de manera que su uso es exclusivo para un único alumno, no existiendo 35 interactuación entre alumno-profesor y obligando al profesor a estar junto al alumno para evaluar su destreza mientras desatiende al resto de alumnos.

2. Son dispositivos poco intuitivos, los cuales requieren que para su manejo, sea necesario aprender a utilizarlos previamente, lo que supone una dificultad añadida para el alumno. 40

3. Son dispositivos con un diseño alejado de los equipos reales de soldadura, y que no incorporan conectores, antorchas o máscaras reales de soldadura para que el alumno se familiarice con su uso.

4. Son sistemas que la mayoría no evalúan el grado de aprendizaje de un alumno, ni hacen un seguimiento e 45 historial específico del mismo mediante una ficha personal que quede archivada para su recuperación en cualquier momento.

5. Son dispositivos que no admiten todos los diferentes tipos de uniones y juntas posibles en soldadura, así como tampoco todas las posiciones de soldeo normalizadas, de forma que la capacidad de aprendizaje o 50 entrenamiento del usuario se ve limitada.

6. Son dispositivos que están preparados únicamente para procedimientos concretos de soldadura, de manera que no pueden aplicarse para todos los tipos de soldadura industrial existentes ni mucho menos adaptarse a procedimientos y/o materiales de soldadura...

1. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, caracterizado porque comprende los siguientes elementos:

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a. Unidad de procesamiento central del sistema (equipo de soldadura simulado) , diseñada para reproducir el aspecto de una máquina de soldadura real, portátil, con un monitor LCD para la visualización de los menús del sistema, un botón central de navegación, un botón de escape, 1 conector real para antorchas MIGIMAG (GMAW, FCAW) y TIG (GTAW) , 1 conector real para la pinza porta electrodo, un botón de puesta en marcha y calibración del sistema de realidad aumentada, un conector para electrodo y varilla de aporte de material TIG 10 (GTAW) , un selector de posición para intercambiar entre velocidad de hilo y voltaje, 4 patas, 1 asa de transporte y 2 soportes laterales para alojar las antorchas y la máscara cuando no se estén utilizando.

b. Antorchas reales de soldadura MIG/MAG (GMAW, FCAW) , TIG (GTAW) adaptadas mediante la modificación de su punta final, para la incorporación del sistema de marcadores que hagan reconocible en el espacio 15 tridimensional las antorchas, mediante el sistema de visión artificial de realidad aumentada propuesto, y permita su interacción con el resto de componentes del sistema

c. Pinza porta electrodo real para el agarre del electrodo simulado y varilla simulada de aporte de material TIG (GTAW) , cuyo diseño es idéntico al de los electrodos y varillas de aporte reales usados en soldadura, que 20 simulan el aspecto, tacto y peso de estos elemento reales, dentro de los que se introduce una micro placa electrónica y uno o varios cordones de de fibra óptica con el fin de obtener puntos de luz - al menos tres - en la superficie del electrodo o varillas simulados los cuales representan el sistema de identificación de la posición espacial del electrodo y varilla de aporte de material TIG (GTAW) , por el sistema de realidad aumentada propuesto, y permite su interacción con el resto de componentes del sistema. 25

d. Probetas (piezas de trabajo) simuladas diseñadas con igual forma, tamaño y espesor, y representando los mismos tipos de uniones que las usadas para la formación en soldadura en base a los estándares internacionales, fabricadas en material plástico (PVC o similar) . Sobre la superficie de las piezas de trabajo se representa una configuración de marcadores, en color verde sobre una base azul, que permite la correcta 30 identificación en el espacio tridimensional de las probetas por el sistema de realidad aumentada y facilita la interacción de las mismas con el resto de componentes del sistema.

e. Soporte de trabajo desmontable, ligero y transportable para probetas que permite practicar todas las posiciones de soldeo que se usan en la formación: horizontal, vertical, en ángulo y sobre cabeza. 35

f. Máscara de soldadura con sistema de realidad aumentada, diseñada y fabricada sobre la base de una máscara comercial a la que se le incorporan mediante un sistema de fijación dos micro-cámaras (para generar visión en estéreo) situadas a la altura de los ajos del usuario y orientadas en su misma dirección, y colocadas de forma convergente en un ángulo que genera un punto de unión de la imagen enfocada a una distancia de 40 40 centímetros de las mismas, con el objetivo de optimizar la identificación y captación de los elementos que intervienen en la soldadura: probetas, antorchas y varillas/electrodos. Al atalaje de la máscara que sujeta ésta a la cabeza del usuario, se acoplan mediante un sistema de anclaje lateral y frontal que permite un perfecto ajuste al contorno facial del usuario, las gafas de video 3D que le muestran la Realidad Aumentada durante la ejecución de un ejercicio de soldadura. Asimismo y a través de un sistema de anclaje diseñado expresamente 45 a tal efecto, se acoplan unos mini-altavoces a ambos lados de la máscara de soldadura a la altura de los oídos del usuario con el objeto de representar los sonidos propios de la soldadura practicada en cada momento para generar una experiencia formativa lo más cercana posible a la realidad. Para facilitar la ergonomía de uso todos los cables que salen de los diferentes componentes mencionados de la máscara de soldadura van recogidos en una única canalización que llega hasta el panel frontal de la unidad central de procesamiento, a la 50 que va anclado con un sistema pasa-cables que garantiza la robustez y fiabilidad de las conexiones, y minimiza el riesgo de desconexiones por el uso al que serán sometidos por los estudiantes de los cursos de formación. La máscara se completa con la incorporación de un sistema de Iluminación basado en uno o varios LEDs (Diodo Emisor de Luz) y una campana difusora de luz, que genera un entorno lumínico estable en cualquier entorno donde se vaya a ejecutar la formación. 55

g. Sistema operativo propio basado en una versión de Linux (código libre) , optimizado para los requerimientos específicos del sistema, capaz de soportar gráficos 3D de alta definición así como las comunicaciones entre equipos-alumno, equipos-maestro y servidor, y entre el aula virtual (conjunto de simuladores-alumno, equipo- maestro y servidor) y el centro remoto de asistencia técnica. 60

h. Arquitectura de red necesaria para soportar de forma estable y segura el intercambio de datos entre simuladores-alumno, equipo-maestro, servidor y centro remoto de asistencia.

i. Implementación de algoritmos matemáticos capaces de simular en 3D un proceso de soldadura real con todas las variables que interactúan en el mismo, tanto a nivel de procedimiento (regulación de parámetros, determinación de la posición y situación de la probeta, elección del material, probeta, gas protector, varilla de aporte) , como de ejecución (baño de fusión de los metales, humo, chispas, enfriamiento del cordón, zona afectada térmicamente) como de resultado y posibles defectos en el cordón de soldadura (poros, salpicaduras, 5 mordeduras, desfondamiento, gravedad, exceso de penetración, falta de fusión) .

j. Despliegue de matrices de datos que prevean el comportamiento exacto de una máquina de soldadura, y que a su vez en base a los parámetros seleccionados por el profesor/alumno (voltaje, intensidad, tipo y proporción de gas) , al tipo de material y de junta, al tipo de probeta y su posición, al tipo de procedimiento de soldadura 10 escogido (electrodo, MIG/MAG (GMAW, FCAW) o TIG (GTAW) ) , y a la posición/inclinación/distancia de la antorcha de soldadura, ofrezcan un resultado idéntico al que se obtendría con un equipo real.

k. Sistema de análisis técnico y de calidad de la soldadura realizada, mediante el que el profesor podrá determinar los errores cometidos durante la ejecución y obtener una comparativa gráfica que muestre las 15 desviaciones con respecto al resultado ideal a nivel de penetración de la soldadura, resistencia, carga, afectación térmica.

l. Menús contextuales que acerquen al alumno al funcionamiento de una máquina real mediante la selección de los parámetros necesarios en todo proceso de soldadura. 20

m. Interfaces hombre-máquina, con menús, conectores, y botonera diseñados específicamente hacer la eficiencia de la labor del profesor en su gestión y administración del curso, los ejercicios y los alumnos.

n. Sistemática de actualización que asegura la renovación tecnológica y actualizaciones tanto del sistema como 25 de alguna de sus variables (por ejemplo materiales) en remoto mediante software, sin cambiar la arquitectura del simulador y sin necesidad de adquirir equipos nuevos. Asimismo esta característica permitirá la verticalización del sistema por sectores de actividad que demanden procedimientos, materiales o aleaciones específicos para las soldaduras, como por ejemplo el de automoción, aeronáutica, naval, minería. Igualmente el sistema posibilita ofrecer asistencia técnica en remoto a cualquier parte del mundo y en tiempo real. 30

o. Librerías de software necesarias para la incorporación de Realidad Aumentada, de manera que el alumno visualizará en todo momento el entorno real de trabajo en el que se encuentre, sin encontrarse en una realidad virtual inmersiva generada por ordenador ajena a su entorno real.

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2. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicación 1, caracterizado porque comprende los siguientes elementos: unidad central de procesamiento, antorchas de soldadura, máscara de soldadura con dos cámaras en visión estéreo para Realidad Aumentada, gafas de video (head-mounted displays) , probetas con juntas para soldar en unión a tope con bisel, probetas con juntas para soldar en unión a solape, probetas con juntas para soldar en unión de ángulo tubo-plano, 40 probetas con juntas para soldar en unión en ángulo o "T", y probetas con juntas para soldar en unión tubo-tubo a tope con bisel. Igualmente el dispositivo está concebido para actuar con probetas que representen otros tipos de uniones o juntas para soldar, sin restricciones.

3. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable 45 en remoto, según reivindicaciones 1 y 2, caracterizado porque el sistema de visión artificial mediante Realidad Aumentada se compone de tres partes: captura de imágenes, detección de los elementos y representación gráfica, en el que, a nivel software, la detección de los elementos y la representación gráfica de la soldadura se divide en las siguientes librerías: CV lmage, que gestiona el uso de las cámaras; CV Stereo para la creación de un sistema estéreo de visión basado en cámaras reconocidas por CV lmage; Específica o librería para la detección de los 50 distintos elementos de la Realidad Aumentada; y Vlib que interpreta la anterior librería Específica y genera todos los gráficos de la soldadura.

4. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2 y 3, caracterizado porque para la visualización de los procesos generados 55 mediante Realidad Aumentada se emplean gafas de video, consistente en un dispositivo en forma de gafas que incorpora unos microdisplays que permiten ver una señal de video generada por ordenador. Igualmente, se utilizan dos micro-cámaras (visión estéreo) que trabajan simultáneamente, las cuales se ubican en una máscara de soldadura comercial de las usadas en la soldadura real a la altura de los ojos del usuario. Alternativamente, para la visualización de los procesos generados mediante Realidad Aumentada se emplea una máscara de soldadura de 60 diseño propio con la capacidad de alojar uno o dos microdisplays (micropantallas) y dos lentes ópticas, e incorporando la electrónica y los conectores necesarios para gestionar su funcionamiento y su conectividad a la unidad central de la invención.

5. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2, 3 y 4, caracterizado porque el entorno real es captado en estéreo mediante las dos cámaras que van alojadas en la máscara de soldadura, y porque ésta información es obtenida y procesada por el sistema que genera las gráficas virtuales que se superponen al entorno real, generando una realidad mixta a tiempo real, la cual es ofrecida al usuario a través de las gafas de video o head-mounted displays. 5

6. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4 y 5, caracterizado porque a nivel hardware las dos cámaras forman un sistema estéreo de visión usado para detectar elementos en el espacio. Este sistema estéreo funciona como el ojo humano detectando tanto los diferentes elementos periféricos que componen la invención necesarios en una 10 soldadura real (probetas, antorchas, electrodo o varilla de aporte) , así como el propio entorno de trabajo real en el que se encuentre la aplicación, incorporado unos marcadores de detección específicos para cada objeto. En función de las diferentes geometrías de los objetos el dispositivo incorpora dos tipos de sistemas de localización: localización por medio de marcadores (códigos de barras en dos dimensiones, o localización por LEDs (Diodo Emisor de Luz) , mediante la incorporación, en ésta última opción, tanto en la varilla como en el electrodo simulado 15 de tres pequeños LEDs alineados y no equidistantes.

7. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5 y 6, caracterizado porque el dispositivo implementa un software de simulación de ejercicios reales de soldadura, el cual es controlado por un software-profesor mediante conexión en 20 red a través de una aplicación del tipo Class Control.

8. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6 y 7, caracterizado porque el dispositivo se conecta a internet con la posibilidad de descargar actualizaciones para el sistema, y con posibilidad de asistencia remota a tiempo real. 25

9. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicaciones 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8, caracterizado porque a nivel software la presente invención hace uso de una aplicación distribuida que admite varias configuraciones, y que consiste en varios programas alojados en equipos diferentes todos ellos conectados a través de dos redes Ethernet. La primera red es una red 30 local en las instalaciones del usuario del dispositivo compuesta por simuladores alumnos, servidor local y ordenador del profesor. La segunda red es una red que conecta la primera con el servidor en internet.

10. Dispositivo avanzado para la formación en soldadura basado en simulación con realidad aumentada y actualizable en remoto, según reivindicación 9, caracterizado porque la red principal de la presente invención se 35 conforma según la red de simuladores del usuario del dispositivo. La misma, se compone por uno o varios simuladores alumnos, un servidor central y un ordenador con el software profesor. Los equipos conectados entre sí desempeñan la red de la invención en su configuración de aula. Dicha red también soporta una configuración individual donde sólo un alumno y un ordenador con el software-profesor son necesarios. En esta configuración individual el rol del servidor central lo desempeña el propio simulador alumno. La segunda red Ethernet es la 40 conexión del servidor central del usuario del dispositivo con los servidores de su proveedor. Esta conexión se hace a través de internet. Los servidores del proveedor poseen todas las actualizaciones necesarias para cada equipo y la gestión de asistencia remota. La gestión de las actualizaciones se hace por el siguiente procedimiento: el servidor central del usuario del dispositivo se conecta vía internet a los servidores del proveedor y hace una réplica de las actualizaciones. Cuando el simulador alumno se enciende pregunta a su servidor central si hay actualizaciones 45 disponibles para él y en caso afirmativo se actualiza. La asistencia remota se gestiona igualmente desde los servidores de su proveedor mediante su conexión vía internet con los servidores centrales de las diferentes aulas descritas.