Las nuevas tecnologías constituyen las herramientas a emplear en diferentes ámbitos en nuestros días debido a la versatilidad y accesibilidad que ofrecen, por ello se están empleando en los procesos educativos, pues le proporcionan al estudiante ambientes interactivos con diferentes instrumentos que ayudan en su aprendizaje. Un ambiente que emplea las tecnologías de la información y tiene aplicación en el sector educativo es la realidad virtual, donde a través de mundos virtuales se pueden realizar prácticas de laboratorio que no requerirían equipos ni materiales físicos, buscando de esa forma minimizar el costo de laboratorios, incrementar el acceso de estudiantes en la realización de prácticas de laboratorio y ofrecer seguridad en la realización de las prácticas.
La realidad virtual inmersiva es aquella que se da en un ambiente tridimensional creado por un ordenador, siendo una interfaz humano-máquina avanzada que permite experimentar de manera multisensorial, una simulación computarizada de manera interactiva y en tiempo real en la cual los usuarios pueden interactuar a través de cascos, guantes y otros accesorios para el cuerpo. Consta de equipamientos, instalaciones, software, hardware y aplicaciones diseñadas para tal fin. Existen provechosas ventajas en el área laboral que aún no han sido exploradas, en especial en cursos de capacitación y entrega de conocimiento efectivo en el área de seguridad.
La realidad virtual se ha convertido en una herramienta útil en el campo de la seguridad, actualmente se comienza a utiliza como herramienta para la formación empresarial a partir del aprendizaje inmersivo. Esta tecnología proporciona la posibilidad de entrar en escenarios virtuales con la máxima sensación de realidad. Además, el desarrollo de gadgets como guantes y gafas genera una sensación de realismo total, o una plataforma por la que nos podemos desplazar libremente por un escenario virtual ofreciendo más realismo.
Este tipo de aprendizaje, según algunos estudios realizados, tiene un porcentaje de retención de conocimiento en mensajes clave del 90%, frente a los métodos de formación tradicionales que proporcionan un retorno de entre el 10 y el 20%.
Esta alta sensación de realidad, hace que esta tecnología sea extremadamente útil para la formación en seguridad y salud, dado que nos permite practicar cualquier posible situación laboral las veces que haga falta y con total seguridad para nuestra integridad física: trabajos en andamios, espacios confinados, trabajos agrícolas, excavaciones con maquinaria, carretillas elevadoras, etc.
Esto hace que se puedan proporcionar:
- Información, formación y capacitación de operarios.
- Medición de curvas de aprendizaje.
- Entrenamiento en zonas con riesgo de accidente laboral.
- Corrección de errores tempranos en la fase de aprendizaje.
- Incrementar la seguridad del operario en trabajos con riesgo de accidente laboral.
- Investigación de accidentes.
El objetivo principal es el desarrollo de una herramienta formativa orientada a los alumnos universitarios que realizan prácticas en el laboratorio eléctrico aplicando la tecnología de Realidad Virtual Inmersiva. Esta herramienta permitirá entrenar el conexionado de circuitos eléctricos y el uso correcto de equipos de medida dando especial importancia a los riesgos eléctricos presentes mediante simulaciones virtuales.
La simulación se basa en prácticas de laboratorio que el alumno realizará posteriormente a la simulación. En este laboratorio se realizan prácticas básicas de electrónica digital y de potencia. El alumno interactúa con el laboratorio virtual y sus materiales y equipos eléctricos. Se simulan los riesgos eléctricos generados por errores en las conexiones y manipulación incorrecta de los equipos eléctricos de medida. Se pueden producir cortocircuitos, arco eléctrico, rotura de equipos e incendios.
Para el desarrollo del laboratorio virtual se han tenido en cuenta los siguientes elementos:
1. Contenido formativo.
2. Modelado 3D y programación del entorno virtual.
3. Feedback inmediato e individualizado.
4. Gadgets de realidad virtual.
1. Contenido formativo
Esta herramienta tiene como objetivo formar, a los alumnos universitarios que realizan prácticas en el laboratorio eléctrico, sobre principios y leyes de la ingeniería eléctrica y como aplicarlos de forma segura en la práctica durante la manipulación y medida de circuitos eléctricos.
El entrenamiento virtual permitirá al alumno experimentar sin riesgo los procedimientos de manipulación de circuitos eléctricos, y la aplicación “real” de los conceptos teóricos y matemáticos enseñados en clase.
Las escenas formativas virtuales actualmente contienen:
- Práctica de corriente alterna monofásica.
- Bobina real: circuito serie RL.
- Funcionamiento y uso del vatímetro.
- Triangulo de potencias.
- Mejora del factor de potencia.
Figura 1. Práctica de CA Monofásica.
- Práctica de corriente alterna trifásica en estrella.
- Sistemas trifásicos equilibrados(Y).
- Sistemas trifásicos desequilibrados(Y).
Figura 2. Práctica de CA trifásica en estrella.
Durante el desarrollo de las prácticas los alumnos aprenderán a utilizar correctamente y de forma segura los siguientes equipos del laboratorio eléctrico.
- Generador de tensión en corriente continua y corriente alterna monofásica.
- Generador de tensión en corriente alterna trifásica.
- Multímetro digital y analógico, Vatímetro, analizador de redes, pinza amperimétrica.
- Resistencias variables, bobinas reales y condensadores.
Figura 3. Equipos e instrumentos de medición.
Además, pondrán experimentar como se manifiestan los posibles riesgos al usar incorrectamente los equipos. Se pueden producir cortocircuitos, arco eléctrico, rotura de equipos e incendios.
2. Modelado 3D del entorno virtual
Los modelos virtuales de los equipos eléctricos y aparatos de medida deben ser lo más semejante posible para que el entrenamiento sea efectivo. Además, se ha recreado el entorno del laboratorio eléctrico para lograr mayor inmersión en las escenas virtuales.
Los modelos 3D se han obtenido de la página web https://3dwarehouse.sketchup.com, un repositorio digital gratuito de modelos 3D. Posteriormente se han retocado los modelos 3D y asignado materiales a los diferentes elementos mediante Blender, software dedicado especialmente al modelado, iluminación, renderizado, animación y creación de gráficos tridimensionales.
Para la creación de la escena virtual se utiliza UNITY 3D, software de desarrollo de videojuegos y experiencias interactivas 2D/3D.
Se programa el comportamiento físico de los diferentes elementos y se introducen las leyes matemáticas que gobiernan el funcionamiento de los equipos de medida.
3. Feedback inmediato e individualizado
La herramienta reportará un informe con los datos de la simulación realizada por el usuario (tiempo total, lecturas de los equipos, cortocircuitos y averías, accidentes, etc.).
4. Gadgets de realidad virtual
Para poder vivir la simulación de manera inmersiva es necesario el uso de los siguientes gadgets o periféricos de realidad virtual.
Plataforma inmersiva de realidad virtual (Virtualizer).
La plataforma Virtualizer permite al usuario desplazarse libremente en el escenario creado con la visualización/posicionamiento mediante gafas de realidad virtual para que la persona pueda experimentar la simulación de manera completamente inmersiva. Mediante una pantalla de proyección el resto de los visitantes podrán observar la escena virtual.
La plataforma Virtualizer capta movimientos en 360 grados, además de diferentes velocidades y alturas. Concretamente, esta plataforma contiene una superficie de fricción con numerosos sensores, encargada de captar cada paso que da el usuario, con el fin de trasladarlo al ordenador para su posterior interpretación. Junto a esto, dicha plataforma también integra una serie de cinturones que, además de asegurar al usuario, se encargan de enviar datos al ordenador para conocer parámetros clave, como la dirección o la altura en la que se encuentra constantemente.
Figura 4. Plataforma Cyberith Virtualizer.
Por último, con el fin de sumergir al usuario en el mundo imaginario previamente diseñado, Virtualizer añade un sistema de visualización específico para el usuario (en realidad es compatible con cualquier accesorio de visualización 3D, como los que se colocan en la cabeza), y cuya función –además de aislar al usuario del mundo real para adentrarle en el entorno virtual creado– es la de sincronizar los movimientos del usuario (como altura, dirección o velocidad) para mostrar las imágenes correspondientes de forma adecuada, creando la sensación de presencia en el mundo virtual.
Gafas de Realidad Virtual (HTC Vive Pro).
Las gafas de realidad virtual HTC Vive PRO, Utiliza una tecnología de seguimiento personalizado que ofrece un seguimiento de baja latencia de la cabeza a 360°. Realiza un seguimiento en tiempo real del movimiento de la cabeza creando una experiencia natural e intuitiva. El campo de visión es de más de 90 grados horizontales (110 grados en diagonal), resolución 2880 x 16000 píxeles. Contiene gafas HTC Vive Pro, 2 Controladores inalámbricos y 2 Estaciones base.
Figura 5. Gafas RV HTC Vive Pro.
Guantes de realidad virtual (Hi5 VR).
La interacción con los elementos virtuales se realiza mediante los guantes Noitom Hi5 VR que están diseñados para capturar los movimientos de la mano y los dedos y transcribirlos a la realidad virtual. Incluye vibración programable en cada muñeca, que ofrece una retroalimentación háptica que mejora las experiencias de RV.
Figura 6. Guantes Hi5 VR.
Equipo informático (Z VR BACKPACK G1).
El equipo informático para la reproducción de entornos o escenas virtual se compone de una estación de trabajo con mochila de Realidad Virtual (Z VR BackPack G1 Workstation).
· Procesador Intel®Core™i7-7820HQ (2.9GHz, 8MB cache, 4 núcleos).
· Memoria RAM 32GB (2x16GB) DDR4-2400 ECC, Disco Duro 512GB TLC M.2 PCIe SSD.
· Gráficos NVIDIA® Quadro® P5200 16GB, Sistema Operativo Windows® 10 Pro 64.
· Comunicaciones Intel® 8265 Wireless LAN (802.11ac) y Bluetooth® 4.2
· Arnés - mochila, Pack de 2 baterías acopladas, 2 baterías adicionales.
Figura 7. Z VR BackPack G1 Workstation.
A continuación, , en las Figuras 8,9,10-16,17 se muestran los resultados del desarrollo. En ellas se puede apreciar el nivel de semejanza entre lo virtual y la realidad.
Laboratorio de Electrónica
Figura 8. Laboratorio real y su modelo virtual.
Parada de emergencia
Figura 9. Parada de emergencia real y su modelo virtual.
Generador de tensión en corriente continua y alterna monofásica
Figura 10. Cuadro de ensayo de variación de tensión monofásico y su modelo virtual.
Generador de tensión en corriente alterna trifásica
Figura 11. Cuadro de ensayo de variación de tensión trifásico y su modelo virtual.
Equipos de Medida (Multímetro digital, Vatímetro)
Figura 12. Multímetro y vatímetro y sus modelos virtuales.
Circuito serie RL (Caja de tres bobinas reales)
Figura 13. Caja de tres bobinas reales y su modelo virtual.
Caja de tres condensadores
Figura 14. Caja de tres condensadores y su modelo virtual.
La interacción virtual se puede realizar utilizando las siguientes configuraciones:
- Plataforma Virtualizer, Gafas HTC y mandos.
Figura 15. Interacción virtual utilizando plataforma Virtualizer, gafas HTC y mandos.
- Z VR BackPack, Gafas HTC, Guantes Hi5 VR.
Figura 16. Interacción virtual utilizando Z VR BackPack, guantes Hi5 y Gafas HTC Vive Pro.
Se simulan los riesgos eléctricos (cortocircuito, incendio o explosiones en equipos e instalaciones) generados por maniobras incorrectas, errores en las conexiones y manipulación inadecuada los equipos eléctricos de medida.
Figura 17. Simulación de riesgos eléctricos por cortocircuito e incendio en equipos electrónicos.
Este proyecto muestra la aplicación de la realidad virtual inmersiva como herramienta formativa de prevención de riesgos laborales y profesional. La simulación de realidad virtual permite asimilar más fácilmente conceptos teóricos abstractos y practicar de forma segura tareas que conllevan riesgos durante el aprendizaje.
El diseño y desarrollo de laboratorios virtuales, empleando gadgets y dispositivos de captura de datos, orientados al sector educativo, complementan los nuevos modelos educativos que motivan al estudiante al desarrollo de prácticas de laboratorio.
El uso de la realidad virtual en espacios académicos permite obtener mejores resultados en la comprensión de conocimientos de una asignatura. Se incluyen nuevas herramientas de enseñanza que permiten a los estudiantes contar con un nuevo escenario, que facilite de manera interactiva, plantear problemas y construir soluciones simuladas, las veces que se requiera, ofreciendo a los docentes y estudiantes una alternativa que fortalece el proceso de aprendizaje.
NTP 432: Prevención del riesgo en el laboratorio. Organización y recomendaciones generales.
Guía de seguridad en el laboratorio de la Universidad Politécnica de Cartagena.
http://www.upct.es/contenido/servicios/prevencion/docs/41Guia_laboratorios.pdf
Guía de seguridad eléctrica en el laboratorio de la UNED.
http://www.ieec.uned.es/Documentos/Norma_seguridad.pdf
U. Technologies, «Unity,» Unity Technologies, 2002. [En línea]. Available: https://unity3d.com/es. [Último acceso: 30 Julio 2018].
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