REALIDAD EXTENDIDA E INDUSTRIA 4.0

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Estamos tan habituados a las realidades extendidas, que prácticamente ya no las identificamos como tales: Salimos de casa y utilizamos un navegador GPS de nuestro smartphone, llegamos a un museo y vemos dinosaurios andando sobre una Tablet, volvemos al hogar y nuestros adolescentes juegan al shooter de moda con sus amigos, o construyen un nuevo mundo cúbico…

¿Cómo se está integrando esta tecnología, ya cotidiana, en la Industria 4.0? ¿Qué cambios está significando en sus procesos?

Las diferentes Realidades

Aunque desde la década de 1960 se viene hablando de conceptos como “Virtual” y “Realidad Aumentada”, podemos decir que la “Realidad Virtual” (VR) moderna nació el año 1989, gracias a Jaron Leiner, mientras que el término “Realidad Aumentada” (AR) lo acuñó Tom Caudell en 1992, con un artículo donde, además, proponía la utilización de dispositivos montados en la cabeza (HUDset, Head Mounted Devices) para aplicarla a procesos industriales.

 

Fig. 1: Aplicación donde el HUDset se utiliza para marcar dinámicamente la posición de un taladro en el fuselaje de un avión. (Fuente: Thomas P. Caudell y David W. Mizell, “Augmented Reality: An application of Heads-Up Dispaly Technology to Manual Manufacturing Processes”, IEEE Xplore, System Sciences, 1992. Proceedings of the Twenty-Fifth Hawaii International Conference on Volume: ii)

 

Dos años más tarde, Milgram y Kishno empezaron a intuir que la realidad “de toda la vida” se iría mezclando con otra información generada mediante computación en una graduación muy diversa, creando una especie de continuo entre la realidad física y la realidad virtual totalmente “inventada”. Lo representaron gráficamente en esta figura:

Fig. 2: Representación simplificada del “continuum virtual”. (Fuente: Paul Milgram y Fumio Kishino , “A Taxonomy of Mixed Reality Visual Displays”, IEICE TRANS. INF. & SYST., VOL. E77-D, NO. 12 DECEMBER 1994)

A este continuum, salvo los extremos por razones obvias, es a lo que llamaron Realidad Mixta (MR). Si a esa MR le añadimos la VR, tendremos lo que actualmente se denomina Realidad Extendida, o XR, donde la X apunta a cualquier tipo de Realidad.

Sin embargo, la evolución del lenguaje ha hecho que la Realidad Mixta exprese hoy en día otro concepto, como se verá más tarde.

Este desarrollo de nuestra percepción de la realidad es debido, principalmente, a los avances tecnológicos en el campo de la computación, por lo que todos estos conceptos se refieren a la superposición de una realidad sintética, generada informáticamente, sobre la realidad física externa. O a su completa sustitución, como es el caso de la VR.

Aunque desde hace varias décadas se viene experimentando con el resto de los sentidos, este proceso se realiza hoy básicamente a través de la vista puesto que aproximadamente el 90% de la información que recibimos viene por esta vía. Y al mismo tiempo que estos avances nos permiten modificar nuestra percepción (visual) de la realidad, también han cambiado la forma en que interactuamos con ella.

En un recorrido por el continuum de la Realidad Extendida, podemos considerar básicamente tres hitos que nos diferencien, de alguna manera, el grado de mezcla de la realidad física con la información proporcionada desde un sistema de computación: Realidad Aumentada, Virtualidad Aumentada y Realidad Virtual.

  • Cerca de la realidad física, y con base en ella, tenemos el primer escalón: la Realidad Aumentada, en la que se utilizan dispositivos inteligentes para superponer información variada y gráficos generados o transmitidos por ordenador a nuestro campo de visión, en tiempo real. Este suplemento permite aumentar la cantidad y calidad de información que recibimos, y por tanto mejorar nuestro entendimiento del entorno. En algunas aplicaciones es suficiente con una tableta o teléfono móvil para obtener AR (igual que en las aplicaciones GPS de nuestros móviles). En otras, la opción de lentes semitransparentes en HDMs es más adecuada. También puede hacerse una proyección sobre una superficie (por ejemplo, el parabrisas de un coche). Por último, existen empresas que están desarrollando lentes de contacto para acceder a la AR.
  • En la Virtualidad Aumentada (AV), la realidad física sigue presente, pero como una forma de mejorar el mundo virtual existente. Esto se lleva a cabo mediante la inclusión de “ventanas” o vídeos del mundo real, o representaciones virtuales de él con las que se puede interactuar. Aunque pudiera considerarse como una Realidad “Más” Aumentada, la diferencia fundamental con la AR está en el lugar en donde tiene lugar la interacción con el usuario: si esta interacción ocurre en el espacio virtual, se trata de Virtualidad Aumentada.

A esta AV actualmente se la denomina también Realidad Mixta.

  • Al final del continuum nos encontramos con la Realidad Virtual, en la que el usuario se sumerge en una experiencia completamente simulada de ambientes en 3D, utilizando para ello tecnologías de computación y videos en 360º. El usuario es capaz de ver en cualquier dirección de este mundo simulado.

En el ámbito industrial, la utilización más habitual de la VR está en la formación: El usuario utiliza HMD con lentes opacas, o bien se introduce en una “cueva” donde las parades, y hasta puede que el techo y el suelo, representan una realidad simulada. Esta segunda modalidad es muy útil cuando se desea que varios usuarios colaboren en el mismo entorno, o cuando éste es de gran tamaño.

Usualmente se le añaden tecnologías de reconocimiento gestual o sistemas de seguimiento de la posición de manos y pies, para conseguir una respuesta natural a las actuaciones del usuario.

  • La deformación de la Realidad: Realidad Mediada. El mismo año en que Milgram y Kishno comenzaron a hablar del continuum y la Realidad Mixta, Steve Mann aumentó la complejidad de nuestra realidad añadiendo el concepto de Realidad Mediada (Mediated Reality), en la que la percepción del usuario se modifica informáticamente. Por ejemplo, cambiando las características de un objeto, tanto si está generado digitalmente como si se trata de realidad física. Puede hacerse tiñendo de rojo las zonas donde no debemos de tocar, mediante un zoom sobre la zona a inspeccionar, aplicando transparencias en diferentes capas de una máquina… Esta nueva variante da lugar al continuum Realidad-Virtualidad-Medialidad de la figura 3:

 

Fig. 3. Taxonomía de Realidad, Virtualidad y Medialidad. El origen R marca la realidad no modificada. Un continuum a través del eje de Virtualidad, V, incluye la realidad aumentada con imágenes (Realidad Aumentada), así como imágenes aumentadas o mejoradas por la realidad (Virtualidad Aumentada). Sin embargo, la taxonomía también incluye la modificación de la realidad o la virtualidad o cualquier combinación de ellas. La modificación se indica por el movimiento ascendente en el eje de medialidad, M. Más arriba en este eje, por ejemplo, se puede encontrar realidad mediada, virtualidad mediada, o cualquier combinación de éstas. Arriba a la derecha, tendremos mundos virtuales que muestran una versión extremadamente modificada de la realidad. (Fuente: Steve Mann, “Mediated Reality with implementations for everyday life”, MIT Press Journal PRESSENCE: Teleoperators and Virtual Environment, 2002 August 6.

La Realidad Extendida en la industria 4.0

La inmersión en realidades extendidas tiene hoy en día una limitación psicológica: no es habitual que alguien quiera utilizar unas gafas de VR o AR más allá de la intimidad de su hogar. Sin embargo, existen colectivos que están acostumbrados a utilizar suplementos sobre sus ojos de forma habitual, como el personal de planta con sus gafas de seguridad. De ahí que en la industria se esté adoptando con rapidez la XR.

Por otro lado, también puede existir una limitación de tipo tecnológico: Muchas de las pruebas de concepto que se están desarrollando tienen el inconveniente de una alta latencia en el trasiego de datos, lo que lleva a que la experiencia del usuario no sea suficientemente confortable. Es esperable que la aplicación de los sistemas 5G de comunicaciones solventen este problema.

Aunque la empresa Gartner considera que la XR está ya en una etapa de madurez, en general los analistas opinan que es una tecnología que tardará alrededor de una década antes de que se alcance una adopción masiva.

Izda: Evolución de la Realidad Aumentada en el Gartner Hype Cycle desde 2005 hasta 2020 (Fuente: Wikitude).

Dcha: Situación de la Realidad Virtual y la Realidad Aumentada en el Gartner Hype Cycle de 2016 (Fuente: Gartner)

Mientras llega ese momento, su utilización en la industria se está centrando en procesos con una considerable repetitividad (por ejemplo, flotas de maquinaria), elevada complejidad, o bien alto riesgo. A pesar de ello, ya existen aplicaciones de Realidad Extendida en todas las etapas de la Industria 4.0. Muchas otras están a la puerta, esperando por algunas mejoras tecnológicas o una reducción del coste de implantación. A continuación veremos varios ejemplos de ambos tipos:

  • Si partimos de la fase de diseño de un producto o complejo industrial, la Realidad Virtual es un poderoso aliado. Se pueden crear prototipos a un coste muy inferior a los físicos para la detección de problemas como interferencias físicas entre tuberías, la comprobación del lay-out óptimo de la planta o almacenamiento, la demostración del impacto visual estimado por la construcción de un parque de aerogeneradores, etc… Con otras herramientas típicas de la Industria 4.0, como puede ser digital-twin o IA, es utilizada para comprobar la idoneidad de respuesta del equipo/planta ante una determinada situación o su integración con otros equipos o procesos.

Por otra parte, la creación y diseño de un nuevo producto es una actividad altamente creativa y con un importante componente de trabajo en equipo. Durante la época de teletrabajo colectivo casi total que hemos vivido, se ha detectado que estas tareas son las que precisamente han visto mermada su productividad. Soluciones denominadas de “virtualidad colaborativa” permitirán en un futuro muy cercano resolver la pérdida de comunicación no verbal y potenciar la colaboración.

  • La formación y entrenamiento del equipo humano es uno de los grandes campos de crecimiento de la XR, y muy particularmente de la VR. Se utilizan preferentemente en la simulación de procesos complejos o bien en los que un desempeño defectuoso puede suponer un riesgo para el trabajador o la instalación. Son especialmente recomendables en entornos con alta repetitividad de maniobras o de instalaciones. Ejemplos de herramientas ya disponibles en el mercado son:
  • Movimiento de cargas (grúas, carretillas…) asociados a digital twins de la respuesta física de los elementos a ser manejados.
  • Actuación en subestaciones eléctricas.
  • Cadenas de montaje de alta tirada y complejidad (como los automóviles, por ejemplo).

La AR también permite que la formación práctica se pueda impartir por un profesor hacia un conjunto de alumnos en ubicaciones totalmente dispersas, mostrándoles los detalles pertinentes sobre sus HMDs.

  • Una de las formas más sencillas en las que la AR se integra en la explotación de una instalación o en una cadena de montaje, es la presentación de manuales de operación y mantenimiento en un dispositivo HMD en un formato texto habitual. Pero ya existen soluciones mediante las cuales se pueden seguir los procedimientos a través de paneles interactivos manejados por el técnico de campo desde su HMD. En un futuro muy cercano no será extraño que cada fabricante de equipo provea sus manuales de esta manera; surge así la necesidad de plataformas que, de algún modo, homogeneicen los diferentes “manuales AR” para un trabajo más intuitivo por el operario.

No cabe duda de que estas capacidades se verán potenciadas, en un plazo no muy largo, por sistemas apalancados en la búsqueda mediante IA de imágenes por similitud, como ya es posible con alguna aplicación para teléfonos móviles. Podemos imaginarnos que los fabricantes de equipos y componentes ofrezcan bases de datos de imágenes y acciones recomendadas, de forma que un operario de mantenimiento reciba, a partir de la imagen recolectada por su HMD, un diagnóstico del fallo y las propuestas de actuación correspondientes.

También es de esperar que, en breve, los operarios puedan ir desplazándose por una instalación industrial recibiendo en sus pantallas la información relativa a cada uno de los equipos que va encontrando en su ruta: índice de salud del activo, actuaciones pendientes o programadas, situación de funcionamiento, etc. Los casos de uso de aplicación inmediata son aquellos en los que intervienen grandes flotas de equipos con un coste elevado, tal como están haciendo algunos fabricantes aeronáuticos.

Otro de los campos dentro de la O&M en los que la industria está demostrando gran interés, es el del acceso remoto e interactivo de expertos. Mediante HMDs, los técnicos de campo pueden hacer consultas y seguir instrucciones de asesores que, en realidad, pueden encontrarse en cualquier otro lugar del mundo. El experto puede ver lo mismo que está viendo y señalando el técnico local, escuchar sus comentarios, acceder a información relevante no accesible “in situ”, devolver las instrucciones por voz o mediante la pantalla del HMD, y hacer seguimiento de las maniobras y hallazgos del trabajador local.

  • La AR también permite impactar positivamente en el seguimiento de la calidad de los trabajos, pues la información “as-built” o “as-repaired” se puede gestionar on-line durante su ejecución, bien mediante videos, instrumentación asociada a los HMDs o inspección remota por el inspector calificado.
  • En un visor de Realidad Aumentada se puede presentar información muy relevante para la seguridad de los trabajos, como imágenes infrarrojas para la detección de anomalías o fugas invisibles al ojo (vapor vivo, SF6, COV, H2…); medida de niveles de toxicidad o peligrosidad ambiental, mediante sensores integrados; rutas rápidas de escape, etc. De hecho, estos sistemas de Realidad Aumentada con un alto grado de Medialidad ya están siendo explorados para su utilización en máscaras de bomberos, integrando además otras técnicas como detección de obstáculos mediante técnicas LIDAR o información de los planos de la instalación o edificio.
  • La gestión de la logística de almacenes y hubs de transferencia puede igualmente ser mejorada con la AR. Ciertas empresas están implementando sistemas en los que los operadores utilizan sus gafas de AR para comprobar la información contenida en el código de barras o QR de un artículo, y ser informados de dónde deben de ser depositados, o su fecha de caducidad, o si precisan de características especiales de manejo o almacenamiento; todo ello dejando ambas manos libres para el manejo del artículo o carro de bandejas. Además, en la misma pantalla se les indica la ruta más eficiente hasta el lugar donde el paquete ha de ser depositado.

 

Estos ejemplos a lo largo de todo el proceso industrial nos dan una idea clara de las ventajas que supondrá la aplicación directa de la tecnología de Realidad Extendida en el entorno industrial. Su utilización, juntamente con otras técnicas propias de la Industria 4.0, llevará a mejoras sustanciales en áreas como la seguridad, la calidad de los trabajos y productos, y la eficiencia en general. Los procesos también deberán de modificarse; por ejemplo, las empresas suministradoras de grandes equipos habrán de analizar estratégicamente cómo hacer llegar a sus clientes los servicios de conocimiento mediante XR:  facilitando acceso a expertos remotos, virtuales o personales; poniendo a disposición sus bases de datos…

Toda una revolución para los próximos años.

Alberto Martinez
Miembro del Grupo Industria Conectada de ISA Sección Española

 

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