sectiuneaa_lucrarea6

7/26/2019 sectiuneaA_lucrarea6

1/7

Aspecte semnificative ale aplicrii realitii virtuale n procesulde instruire n inginerie i n ingineria virtualaplicat

Ionel Staretu, Universitatea Transilvania din Brasov, [email protected] Dudulean, Grup colar Industrial Rnov, [email protected]

Abstractn aceast lucrare este argumentat oportunitatea folosirii echipamentelor i tehnologiilorspecifice realitii virtuale n activitile practice de instruire la disciplinele inginereti, nspecial, de mecanica aplicat: mecanisme, organe de maini, sisteme mecanice, etc. ct i ladiscipline de simulare a proceselor tehnologice de fabricaie. Particularizarea metodiciididactice conduce la extinderea modelului Wegener. Se descrie un post pilot n dezvoltare cu

acest scop, popularea scenei virtuale i interconectarea echipamentelor de realitate virtual,respectiv a unei manui Cyber Glove cu scena virtual, operaii posibile n scena virtual,cum ar fi observarea pieselor i operaii de manipulare i montare. Este subliniatimportanaoptimizri proceselor de producie robotizate cu ajutorul simulrilor n realitate virtual. Sedescrie structura i organizarea unei intreprinderi bazatpe ingineria virtual n care toateetapele de la formularea ideii unui produs pnla testarea sa, ca i alte activiti, cum suntcele de mentenan, s se rezolve cu mijloace ale realitii virtuale. Se fac estimri privind

posibilitile realizrii unor astfel de structuri n Romnia.

1. Introducere

Dinamica pieei muncii impune adaptarea ofertei educaionale a unitilor de nvmnt, attla nivel liceal ct i la nivel universitar, piaasupra creia i-a pus o amprentpronunati crizaglobaldin prezent. Astfel catt n ceea ce privete calificrile, numrul de absolveni, dar maiales n ceea ce privete calitatea cunotinelor dobndite de acetia, interesul de a le aborda cudeplina seriozitate i cu prospectarea viitorului se impune de la sine. Problema trebuie privitevident mai ales n contextul tendinelor europene de pe piaa muncii, ncercndu-se depireabarierelor legate de integrarea absolvenilor pe plan local. n contextul celor de mai sus estejustificat evocarea studiului noi competene pentru noi locuri de munc [1], n care s-auformulat urmtoarele prioriti :ameliorarea capacitii de anticipare i sincronizare a pieeilocurilor de munci a calificrilor necesare, la nivel european; atingerea obiectivelor stabilite ncadrul strategiei UE pentru cretere economic i ocuparea forei de munc; optimizareainiiativelor i instrumentelor deja existente; colectarea rezultatelor comparabile la nivel european;promovarea unei piee a locurilor de munccu adevrat europene, cu locuri de munci formricare corespund ateptrilor i nevoilor de mobilitate ale cetenilor, etc.[2].

Astfel c provocrile majore ale proceselor educaionale din prezent sunt: pe de o parteajungerea intr-un timp cat mai scurt la o competenta corespunztoare cerinelor diverseloractiviti existente pe piaa muncii, in continua diversificare i cretere a gradului de complexitate,

iar pe de alta parte modernizarea permanenta a metodelor, tehnicilor i echipamentelor folosite inprocesul instructiv educativ.

O soluie eficient, modern i de perspectiv pentru aspectele artate ar putea fi utilizarearealitii virtuale n procesul de instruire. Evident ceste clar pentru majoritatea specialitilor cviitorul este al interfeelor 3D, reinerile fiind legate n special de costul echipamentelor care, semn


2/7

Universitatea din Bucureti i Universitatea Transilvania din Braov74

mbucurtor, n ultimul timp sunt n continu scdere i calitatea acestora (rezoluie, timp derspuns, etc.).

2. Arhitectura sistemului de tip VR din perspectiva utilizrii realitii virtuale n activitiledidactice

Calificrile din domeniul mecanicii aplicate presupun n general abiliti i competene tehnicecu un grad ridicat de complexitate. Necesitatea formrii profesionale pe baz de abiliti cheieformulate n Standardele de Pregtire Profesional, presupune parcurgerea unui curriculum n carecultura de specialitate cuprinde o serie de discipline tehnice stucturate n formmodularale crorconinuturi vizeaz pe lng aspecte teoretice i aspecte practice, incluse n lucrri de laboratortehnologic i n lucrri de instruire practic. Desfurarea instruirii pe baza unor strategii moderne,centrate pe elev sau pe student, presupune existena unor laboratoare cu o dotare corespunztoare,condiie dificilastzi pentru multe uniti de nvmnt. Soluia propusn articolul de faare nvedere realizarea unui laborator tehnologic bazat pe tehnici de realitate virtual, cu prezentareaconcreta echipamentelor i tehnologiilor necesare.

Sistemele de tip VR au trei caracteristici principale, care de altfel le i difereniaz:interaciunea, imersivitatea i deplasarea n mediul virtual (navigarea)[5],[6],[7],[8].

Fiind un proces de instruire n care este implicat calculatorul, aplica iile didactice cu tehnici derealitate virtual, sub acest aspect, trebuie s se integreze n teoriile i modelele sistemelor deinstruire asistatde calculator. Literatura de specialitate furnizeaz o bogatbibliografie n acestsens [9]. Existo multitudine de denumiri i termeni, dominant fiind acronimul CBT (ComputerBased Trainig) din modelul propus de Wegener [10 ].

Fade acest model i componentele sale, se cuvine fcutprecizarea crealitatea virtualnuaduce un simplu aport cantitativ de echipamente 3D (mnui, ochelari, cti audio). Prin faptul crealitatea virtualeste un mediu generat de calculator n care prin imersie cel instruit desfoaractiviti n timp real, fr a mai avea contact cu mediul exterior, caracteristicile unui astfel desistem vor fi diferite fa de sistemele de instruire asistat de tip C.A.I.(Computer AssistedInstruction). Sistemele de instruire asistat de calculator din modelul Wegener sunt aplicaii

neimersive de tip desktop, cu grad de interactivitate la nivel de mouse, joystick, cel mult ecransenzitiv.

Aadar, fade cele artate, aplicaiile cu tehnici de realitate virtualse nscriu cel puin ntr-unmodel Wegener extins, dac nu chiar un model de sine stttor care s reflecte caracteristicileamintite (fig. 1). Modurile specifice sistemului de instruire cu calculatorul prin realitate virtualaucaracteristici diferite; tutorialul, exerciiul, jocul educaional, modelarea, simularea i rezolvarea de

probleme trebuie adaptate astfel nct sreflecte specificul realitii virtuale. Deasemenea activitile de nvare suntdiferite, de la un stil de nvare la altul, iaraplicaiile trebuie s permit ndeplinireaacestei cerine.

3. Structura unui post pilot de instruire

folosind realitatea virtuala realizripariale

Pentru introducerea realitii virtualepentru instruirea la disciplinele de mecanicaplicat din curricula liceelor tehnologice,Figura 1. Modelul Wegener extins


3/7

Conferina Naionalde nvmnt Virtual, ediia a X-a, 2012 75

ntr-o prim etap, se propune realizarea unui post pilot [11], a documenta iei didacticecorespunztoare i parcurgerea etapelor necesare omologrii i implementrii acestei proceduri.

Structura postului pilot este formatdin: un HMD, sau pentru nceput o pereche de ochelaristereoscopici, o pereche de mnui de tip CYBER GLOVE, interfa corespunztoare dintreacestea i mediul virtual (VRML), un sistem de calcul i softurile corespunztoare. Pentru nceputs-a realizat o scenvirtualadecvat. Astfel, pentru aplicaiile la disciplinele vizate (mecanisme,mecanicaplicat, organe de maini) aceastscenvirtuala fost gnditca o masde lucru (fig.2,a) pe care sunt diverse piese (urub, piulit, roatdinat, rulment, arbore-ax) aezate direct pemas sau n cutii (conin mai multe piese de acelai tip). In aceasta etapa aceste piese nu auproprieti fizice. n scena virtual s-au introdus dou mini virtuale (fig.2,b), i s-a rezolvatproblema manipulrii pieselor de ctre minile virtuale, inclusiv simularea montrii a doua piese.

n perioada urmtoare se vor perfeciona aceste aplicaii, se va urmri realizarea unor montajemai complexe i de asemenea se au n vedere adaptrile necesare pentru instruirea la disciplinelede mecanica aplicata i a studenilor i n final se urmrete omologarea acestei proceduri denvare-instruire. Menionm ca in prezent este in curs identificarea particularitilor aplicriiinstruirii cu ajutorul realitii virtualela disciplina Sisteme de transmitere a micrii din cadrulcurriculei liceelor cu profil tehnic.

a bFigura 2. Configuraia scenei virtuale si manipulri ale obiectelor virtuale

De asemenea s-a realizat o scenvirtualcorespunztoare aplicaiilor de la disciplinele vizate,scena prezentndu-se sub forma unei mese de lucru pe care suntplasate diverse piese i structurimecanice simple. Modelarea s-a fcut in Solidworks, fig. 3.

Figura 3. Modelarea 3D a scenei i amplasarea obiectelor


4/7


Postul pilot de realitate virtualeste amplasat in laboratorul real de mecanicaplicatastfel cprofesorul poate combina elemente din laboratorul real cu cele din laboratorul virtual, activitatecare va stimula creativitatea, imaginaia, va dezvolta gndirea abstract, capacitatea de decizie,iniiativa, spiritual de echip, adictocmai competenele vizate de curriculum. Laboratorul virtualpermite aplicarea unor principii de instruire moderne cum ar fi: learning by doing - nvarea prinexersare, interaction interaciune cu scena i obiectele, hands on posibilitatea palpriiobiectelor (haptic). Studentul/elevul poate identifica diversele organe de maini, poate realizaasamblri de componente, poate identifica si remedia diversele erori din montaj, intr-o marevarietate de exercitii, combinat cu activiti din laboratorul real. Toate aceste activiti se potimplementa n nvmntul romnesc printr-o strategie adecvat pe termen mediu i lung.Pregtirea ctigat cu aceste mijloace i metode i gsete utilitatea n activitile care se potdesfura ntro-o intreprindere a crei activitate se bazeaz pe tehnicile i tehnologiile realitiivirtuale pentru diverse scopuri att specifice producxiei de bunuri materiale, produse industriale,ct i de servicii. n diversele structuri ale unei astfel de intreprinderi i pot gsi un loc potrivit attabsolvenii cu studii medii ct i cei cu studii superioare. n paragraful urmtor se vor detaliaparticularitile unei astfel de structuri, care frndoialva constitui una din prioritile perioadeiimediat urmtoare, ca una din soluiile potrivite pentru ieirea din situaia de crizdin prezent.

4. Structura generala a unei entiti destinatingineriei virtuale

O entitate bazatpe echipamentele i tehnologiile realitii virtuale are o anumitsimilaritatecu o ntreprindere actualcu deosebirea importantctoate activitile ncepnd de la ideea pentruun produs sau un serviciu pn la documentaia final necesar realizrii practice, fabricaiei,produsului nou sau serviciului, caz n care este vorba si de implementarea sa, sunt rezolvate prinsoluii adecvate bazate pe realitatea virtual. Fabricaia, ca etap de materializare fizic aprodusului, se desfoar n afara entitii de inginerie virtual, ntr-o locaie corespunztoare deregulrobotizati informatizat, cu o mare capacitate de reconfigurare, n care factorul uman nuare dect un rol de asisten att n perioadele de utilizare ct i n cele de conservare pn larealizarea unei noi comenzi. n sensul celor prezentate structura simplificatdefalcatpe activiti

a unei entiti de inginerie virtualeste datn fig. 4.

Figura 4.Structura activitatilor unei entitati de inginerie virtuala

O astfel de entitate desfoaractivitile precizate n continuare n compartimente adecvate:identificarea problemelor-compartiment de prospectare pia; gsirea soluiei optime-


5/7


compartiment de creativitate i inventic; activiti de proiectare i simulare funcional compartiment de design constructiv; activiti de proiectare tehnologic i prototipare virtual compartiment de tehnologii virtuale; activiti de testare virtual i evaluare tehnic aperformanelor constructive i funcionale compartiment de testare i certificare virtual;activiti de identificare a soluiei i locaiei pentru fabricaie compartiment de identificarefabricant (de reguln imediata vecintate a beneficiarului pe ct posibil); activitile de livrarei punere n funciune compartiment de livrare i implementare; activiti de mentenan iasisten tehnicpe durata de exploatare a produsului compartiment de asisten tehnicde ladistanon line.

Ca urmare, o entitate de inginerie virtualpractic furnizeazun produs virtual, inclusiv toatdocumentaia tehnicnecesarfabricaiei acestuia (o datobinut acest proiect similar cu cel actualcorespunztor seriei 0, se identific o soluie de fabricaie, locaia poate fi, practic, la oricedistan, preferabil n vecintatea beneficiarului) i se trece la aceast etap, n care evidenteventualele corecturi se fac tot informatic. Odatprodusul realizat fizic este livrat beneficiarului isunt parcurse etapele de recepie i punere n funciune. Pe perioada de viaa a produsului asistenatehnic, activitile de intreinere i, chiar, eventuale reparaii se vor face de asemenea prinasistenon-line, de catre compartimentul de mentenavirtualal entitii VESMI. O consecindirecta unei astfel de abordri este posibilitatea decuplrii proiectrii, n accepiunea mai largadesignului, de etapa fabricaiei, care poate fi realizatacolo unde se identifico soluie ct maiconvenabila din punct de vedere financiar i calitativ, ca i privind distana fa de beneficiar.Evident ctot n maniervirtual, eventaul, on line, se pot desfura activitile de mentenanpe toatperioada de viaa produsului. n plus nu este lipsit de interes sdelimitm i mai concretconceptul de mai sus n forma ingineriei virtuale pentru servicii i mediu. n acest fel se pot abordaglobal activitile care exced zona serviciilor sub accepiunea din prezent, prin includerea ncategoria acestora i a fabricaiei, ca i a aspectelor conexe inclusiv instruirea corespunztoare, i aactivitailor care se ocupcu gestiunea problemelor de mediu: analiz, protecie dar i configurarei reconfigurare n special a zonelor locuite dar nu numai. Astfel se pot studia diverse scenariiprobabile de dezvoltare sau restructurare a mediului, pe poriuni sau la nivel global, pe termenescurte i medii, dar i pe termene lungi.

Nu lipsit de importan este posibilitatea reconstruirii virtuale a unor situaii existente ntrecut, dar i probabile n viitor, inclusiv cu posibilitatea simulrii modificrii dinamice a acestora,prin introducerea timpului virtual(cum ar fi un mediu urban, o cetate, un sat sau o a ezare de alttip, dar i o zonnaturalexistentn trecut sau estimatcva exista n viitor), n care imersiunean spaiile interioare dar i n cele exterioare ca i interaciunea cu componentele scenei virtuale potconduce la o percepie i o experiencu totul deosebite, inclusiv sub aspect cognitiv.

5. Activitile principale specifice ingineriei virtuale

Prin design se nelege n general activitatea de concepie i proiectare inclusiv n sens mai largoptimizare constructivi funcional. Pentru proiectare este deja uzualfolosirea unor softuri ctse poate de performante cum sunt CATIA, ProEngineering, AUTOCAD, SOLIDWORKS, etc,care pentru anumite aspecte pot apela la softuri specializate cum sunt cele de element finit:NASTRAN, PATRAN, etc. Echipamententele i tehnologiile de realitate virtual intervin naceast etap pentru vizualizarea 3D a unor piese, subansamble pn la nivelul ansambluluigeneral final. Pentru simularea funcional rolul realitii virtuale este mult mai important, iarechipamentele din aceastcategorie sunt mult mai variate i de o utilitate indiscutabil. Simulareafuncionabil3D se poate realiza n general cu echipamente de tip CAVE sau similare cu acestea(care acoper numai o parte din facilitile unui echipament CAVE, suficiente ns pentruproblemele avute n vedere de a fi rezolvate). n urma acestei simulri se pot aduce mbuntiriastfel ca aproprierea de soluia optima produsului sau chiar a serviciului sfie maxim.


6/7


Simularea fabricaiei poate fi complet realizatn mediu virtual. ntreaga succesiune a fazelortehnologice, implicit a operaiei de manipulare i transfer i de prelucrare propriuzis pot fisimulate n mediu virtual. Chiar dac n prezent nu sunt realizate simulri pentru toate proceselefizico-chimice specifice unei fabricaii sunt preocupri intense ca pe lngoperaiile de manipularei transfer, deja rezolvate, i acestea sfie operaionale (se poate sublinia deja simularea virtualaprocesului fizico-chimic al unei operaii de sudare, respectiv tiere cu arc electric i a unor procesespecifice turnrii aliajelor). O direcie importanteste simularea virtuala proceselor de achiere(prelucrare) a diferitelor materiale metalice (strunjire, frezare, gurire, filetare, rectificare etc),nemetalice (lemn, plastic) sau materiale compozite, simularea forjrii i ambutisrii la cald sau larece etc. O datprodusul virtual obinut acesta poate fi testat n diferite situaii de funcionare, ladiferite regimuri de lucru, poate fi supus unor interac iuni variate cu mediul nconjurtor etc. nurma acestora se pot identifica soluii constructive i variante de utilizare care s-i optimizezesubstanial performanele, cu costuri relativ reduse.

Avnd modelul virtual al produsului toate activitile de mentenan, inclusiv de nlocuire depiese defecte se poate simula n mediu virtual. Chiar dacncercrile actuale au ntmpinat unelegreuti i au condus la un oarecare sceptimism, soluiile din perioada urmtoare vor putea rezolvacu succes toate dificultile din prezent. Astfel mentenana se va putea realiza pe produsul virtualon line cu produsul real (similar cu telechirurgia virtual un exemplu deloc exagerat avnd nvedere mentenana inclusiv la echipamente care funcioneaz n exteriorul planetei cum suntsateliii si statiile circumterestre, dar pot funciona si n medii ostile cum ar fi mri i oceane, lamari adncimi (exemplu intervenii la infrastructura subacvatica unei platforme marine, la bordulunui submarin etc.).

Ca exemplificare a utilizrii realitii virtuale n contextul celor de mai sus se d exemplulpromovrii virtuale a produselor care deschide perspective deosebite deoarece produsul poate fiprezentat integral n mediul de lucru, dar i n medii i situaii ipotetice, i se pot prezenta eventualevariante, cu evidenierea avantajelor specifice, poate fi pus la dispoziia celor interesai prinmijloacele de transmitere la distana informaiei(fig. 5). De asemenea produsul virtual poate fimodificat la cererea beneficiarului i practic adaptat la acesta ca produs personalizat, cu costurimult mai mici dect cele din prezent pentru activiti similare. Evident cn viitor produsul virtual

va putea fi testat i utilizat on line pe termen limitat, inclusiv cu retur de for, de la distan,situaie similar cu cea din prezent de utilizare de prob, dup care produsul poate fi returnat.Evident cprodusul virtual poate fi modificat la cererea beneficiarului i practic adaptat la acestaca produs personalizat, cu costuri mult mai mici dect cele din prezent pentru activiti similare.

n acest fel activitile de perfecionare, dezvoltare i cretere a funcionalitii i utilitiiproduselor i serviciilor capt un caracter continuu ntr-o form mult mai eficient dect nprezent.

6. ConcluziiPe baza celor prezentate n aceastlucrare se

pot formula urmtoarele concluzii importante:- progresele din ultimii ani n privina

transmiterii informaiei impun noi metode deinvare i instruire, compatibile cu posibilitile

INTERNETUL i telefoniei mobile dar cucaracteristici formtive puternice, n care seincadreaz tehnicile i tehnologiile realitiivirtuale, deja existente pe pia n msurcorespunztoare;Figure 5. Expoziie virtual[12]


7/7


- ntr-o abordare globalingeneria virtual poate reprezenta o soluie viabilpentru depireasituaiei critice actuale, a ingineriei fabricaiei n special, i relansarea ingineriei n primul rndprin decuplarea etapelor de pnla realizarea prototipului virtual de cea a fabricaiei propriu-zisei de trecerea la o etapn care interaciunea dintre beneficiar i produsul virtual poate cpta noivalene cu efecte de optimizare foarte importante a funcionalitii i eficienei produselor iserviciilor i a utilizrii resurselor financiare i umane.

Bibliografie

[1] Rezoluia Consilului Europei din 15 noiembrie 2007 privind noile competene pentru noi locuri demunc, Jurnalul Oficial al Uniunii Europene din 4.12.2007

[2] Information on http://ec.europa.eu/social/main.jsp?catId=568&langId=ro[5] I. Stareu, C. Dudulean, Utilizarea realitii virtuale n procesul de instruire specific disciplinelor

mecanice din curicula liceelor cu profil tehnic - implica ii metodice, Conferina Naional de

nvmnt Virtual, ediia a V-a, Constanta, 2007[6] F. Ionescu, Grafica n realitatea virtual, Bucureti, 2000[7] M. Gutirrez, A. F. Vexo, D. Thalmann, Stepping into Virtual Reality, Springer-Verlag London Limited,

2008[8] WG2. 9 partners Education and Training working group, Virtual Reality and learning: requirements for

European support, INTUITION- IST-NMP-1-507248-2, 13/01/06[9] I. Gh. Roca, C. Apostol, G. Zamfir, C. Bodea, Informatica instruirii, Editura Economic, Bucureti,

2002[10] D. P. Wegener, CBT Structure Chart,http://delweg.com/dpwessay/cbtchart.gif, 1999[11] I. Stareu, Simularea , realizarea si implementarea unui sistem pilot de instruire cu tehnologii de

realitate virtual i structuri robotice articulate dedicat disciplinelor tehnice de mecanic aplicat-SRIPTMA, Proiect CNCSIS : PN-II-ID-PCE-2008-2

[12] Information on http://www.autop-expo.com/.

sectiuneaa_lucrarea6

Documents