Cómo poner a los humanos en el centro del diseño de máquinas inteligentes con simulación

El futuro del diseño de máquinas se está aglutinando en torno a una serie de tendencias, como los vehículos autoconducidos, la teleoperación de robots y la asistencia humana a distancia, en prácticamente todos los ámbitos industriales.

De hecho, la tecnología de los sistemas autónomos y robóticos inteligentes está transformando nuestra forma de trabajar, y los sistemas inteligentes se están apoderando del lugar de trabajo. Por eso, la interacción entre el ser humano y la máquina está ahora en el centro del diseño: con los sistemas autónomos trabajando junto a los humanos, la interfaz hombre-máquina se ha convertido en un elemento crítico para la seguridad. No sólo eso, sino que las expectativas de la gente son que los productos deben ir más allá de tener un aspecto estupendo, para funcionar también a la perfección, con una ergonomía soberbia.

Ya no basta con fabricar un objeto mecánico potente, eficiente o útil: también es necesario que todo funcione de forma intuitiva. Por eso, hoy en día, lo que más valor está aportando a los OEM son los sistemas electrónicos y de control totalmente integrados con el diseño mecánico.

Las evaluaciones driver-in-the-loop son fundamentales para comprender el rendimiento hombre-máquina, y tanto los operadores noveles como los expertos son una parte vital del proceso de validación de las pruebas. Esto es aún más cierto con los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS), los equipos autónomos o los equipos teledirigidos, en los que la naturaleza de la interacción humana con la máquina está cambiando fundamentalmente.

De hecho, el diseño centrado en el ser humano es crucial en una serie de espacios de aplicación, entre ellos:

• validación del sistema a nivel operativo
• permitiéndole probar los sistemas mecatrónicos del mañana
• generación de datos basados en simulaciones para el aprendizaje profundo
• desarrollo de sistemas de control autónomo
• creación de gemelos digitales basados en la simulación para una mejor toma de decisiones en la ingeniería y el mantenimiento de productos
• la creación de simuladores para involucrar a los clientes en demostraciones inmersivas de productos y formación de operarios

Implantación de la simulación de conducción en bucle para productos más inteligentes

Por supuesto, si usted es un OEM de equipos, ya sabe que el éxito del producto depende de las reacciones emocionales de las personas reales.

Teniendo en cuenta la complejidad cada vez mayor de los equipos y sistemas de a bordo actuales, poner en contacto a personas reales con el equipo virtual es una parte clave del diseño eficaz y exitoso de un producto, y debe hacerse al principio y con frecuencia en el proceso de diseño.

La simulación driver-in-the-loop es una forma excelente de lograrlo. Sin embargo, no todas las simulaciones driver-in-the-loop proporcionan las capacidades necesarias. Deben ser capaces de crear entornos en los que los operarios puedan interactuar con máquinas virtuales como si estuvieran interactuando con el equipo real, de modo que puedan ofrecer una retroalimentación precisa y relevante.

De hecho, los OEM se inclinan cada vez más por el uso de la simulación de grado de ingeniería y los gemelos digitales para la toma de decisiones en torno a un buen diseño de producto, por diversas razones:

1. Las simulaciones de alta fidelidad hacen posible probar casos límite que pueden ser imposibles o inseguros de probar en un equipo real – de hecho, la simulación puede ser más realista que las pruebas limitadas en campos de pruebas. También está mejor controlada y es más repetible.
2. Las simulaciones de grado de ingeniería suscitan respuestas y comportamientos realistas de los operadores humanos. Los operadores reales -en otras palabras, el usuario mejor preparado para ser su evangelizador definitivo- se ponen en contacto directo con los sistemas de prueba mucho antes en el ciclo de diseño.
3. Los ingenieros pueden desplegar una estrategia de «falla rápido, falla bien», con modelos de evaluación/aceptación/rechazo para la creación rápida de prototipos, y pasar con confianza y rentabilidad a las siguientes fases de desarrollo.
4. Los simuladores también pueden utilizarse para probar nuevos conceptos de control, así como sistemas ADAS o de asistencia al operador.
5. Con la IA en el bucle de algunos sistemas de control autónomo, también existe un riesgo real de que los operadores salgan del bucle durante los periodos de inactividad, por lo que el traspaso entre el control autónomo y el manual también es una cuestión que puede evaluarse en simuladores driver-in-the-loop.
6. Las pruebas de sistemas con operadores distraídos o fatigados, las pruebas de seguridad funcional e incluso la puesta a punto de los controladores también pueden realizarse con simuladores.

Qué buscar en una solución de simulación Driver-In-The-Loop

Los principales componentes de un simulador driver-in-the-loop pueden separarse a grandes rasgos entre software y hardware:

Software

En primer lugar, se necesita una simulación multidominio en tiempo real de la máquina o el equipo. Es esencial que las simulaciones sean modelos de dinámica mecánica de grado de ingeniería, y no basados en juegos. Incluso puede ser necesario traducir modelos de aplicaciones multicuerpo existentes en la empresa.

En segundo lugar, debe ser posible simular la interacción entre la máquina y su entorno operativo. Eso incluye el contacto entre la máquina y los objetos del lugar de trabajo, así como el modelado de las orugas y los neumáticos de los equipos de construcción y agrícolas, que puede incluir modelos de mecánica del suelo en tiempo real para los implementos que están cavando o arando la tierra, la arena o la roca.

Por último, el software debe ser capaz de simular el lugar de trabajo completo, hasta e incluyendo a los trabajadores, otras máquinas y el tráfico, e incluso el mal tiempo.

Hardware

Desde el punto de vista del hardware, un simulador incorpora un sistema visual y de audio, por supuesto. Ese sistema puede ir desde auriculares de RV muy sencillos en el escritorio hasta múltiples televisores o incluso sistemas de proyección envolventes, deformados y mezclados.

El movimiento también suele ser un componente clave en los simuladores de conducción en bucle, y creemos que tanto el movimiento como el control háptico de la dirección y otros mandos son importantes para crear una evaluación de alta fidelidad. Sin embargo, ni el movimiento ni la háptica pueden reproducir con precisión ese comportamiento correcto si la simulación que los controla no es de grado de ingeniería.

Por último, las soluciones driver-in-the-loop pueden incluir una maqueta de los controles del operario y las HMI. Éstos pueden integrar opcionalmente incluso las unidades de control electrónico (ECU) reales y el hardware de control de la máquina real, o puede simularlos. Por supuesto, las maquetas pueden ir desde configuraciones muy sencillas de sobremesa hasta réplicas completas de la cabina.

Ejemplos reales de simulación de conducción en bucle

Un par de ejemplos de nuestros clientes ayudarán a concretar el caso de uso de la simulación human-in-the-loop para los OEM.

El primero es de un importante OEM forestal que estaba creando un prototipo del uso de la cinemática inversa (IK) para las operaciones de Autocargador Forestal (Forwarder). La idea era utilizar la IK para facilitar el aprendizaje y el uso de esta operación.

Al utilizar primero la simulación, eliminaron la necesidad de un prototipo físico en esa fase temprana de diseño del control y permitieron a los ingenieros afinar los controles. Una vez que ese concepto inicial de control estuvo probado en el software, los controles físicos del hardware de control pudieron integrarse en la versión del controlador.

El resultado: una nueva y potente característica de control para el producto Autocargador Forestal (Forwarder) del OEM, que hizo que sus clientes vieran mejorada su eficacia. Esto no sólo significaba que un solo operario podía cargar muchos más camiones al año, sino que también era más fácil de usar y de formar a los operarios, ya que el funcionamiento era más sencillo.

Es importante tener en cuenta que existe una importante escasez de personal cualificado en la industria forestal – a menudo no se pueden llevar los troncos del bosque a la fábrica debido a esta escasez, con fábricas que incluso cierran sus operaciones durante el año como resultado. Por eso es clave hacer que las máquinas sean más fáciles de usar y más productivas.

El siguiente ejemplo procede de un importante OEM de equipos de construcción. Por supuesto, los Equipos de movimiento de tierra dependen de sofisticados sistemas hidráulicos compuestos de válvulas y bombas y mangueras, así como de un sistema de control y sensores. Estos sistemas hidráulicos deben ajustarse a un motor del tamaño adecuado y, a continuación, optimizarse en cuanto a rendimiento y ahorro de combustible esencialmente mediante el ajuste de los parámetros de control.

Esta puesta a punto es muy costosa en prototipos físicos, especialmente en terrenos de pruebas remotos. En este caso, los ingenieros del OEM ya habían utilizado las herramientas de simulación hidráulica, pero necesitaban desarrollar un simulador a escala real de una máquina completa que incorporara subsistemas hidráulicos, mecánicos, eléctricos o electrónicos.

El equipo necesitaba herramientas que les permitieran modelar todos esos subsistemas en un único entorno, para realizar simulaciones en tiempo real del sistema completo. Este enfoque les permitiría realizar compensaciones de diseño informadas que tuvieran en cuenta no sólo el rendimiento y la eficiencia, sino también las reacciones del operario que conduce realmente la máquina.

Un entorno de modelado y simulación compatible con múltiples dominios era esencial para el enfoque de ingeniería concurrente de la empresa, en el que los equipos desarrollan varios subsistemas del producto final en paralelo y luego convergen en una solución óptima.

Utilizando sus modelos hidráulicos existentes en tiempo real, pudieron conectarlos a una simulación dinámica mecánica de la máquina, así como a simulaciones de la mecánica del suelo utilizando Vortex Studio.

Todo ello se combinó con un sistema visual multicanal sincronizado basado en 24 proyectores y controlado por Vortex Studio, así como una plataforma de movimiento de 6 DOF con una cabina completa y una maqueta de control.

El resultado para el OEM fue una reducción del 30% en la creación de prototipos físicos, con el consiguiente ahorro considerable de costes. También les permitió reducir el plazo de desarrollo de nuevos productos y mejorar la calidad de los mismos, ya que se tienen en cuenta más escenarios de prueba.

En la actualidad, permite a los ingenieros reproducir cualquier problema que pueda surgir sobre el terreno y solucionar problemas y encontrar soluciones rápidamente, por lo que el impacto ha sido bastante significativo en su proceso de diseño, y seguimos trabajando con este OEM.

Palabra final

Mucho antes de la pandemia, las economías estaban pasando de proporcionar bienes y servicios a un paquete de experiencias totales, en el que la propia experiencia se está convirtiendo en el producto. Naturalmente, las expectativas de los clientes, así como el diseño de los productos, están cambiando como nunca en esta era de la experiencia.

Muchos fabricantes de equipos industriales se encuentran ahora en una carrera por encontrar soluciones que respondan a estas expectativas, lo que pone en el punto de mira el factor humano: la combinación de elementos fisiológicos y psicológicos que define la experiencia operativa total.

Fundamentalmente, es esta experiencia la que cautiva a los humanos y les motiva a comprar e incluso evangelizar las máquinas con las que trabajan, así que todo esto vuelve al principio básico, que es que la interacción entre el humano y la máquina está en el centro del diseño de los equipos.

Al fin y al cabo, diseñar, construir, integrar y dar soporte a los simuladores de conducción en bucle es un esfuerzo multidisciplinar, y CM Labs cuenta con especialistas y socios que están a su disposición para ayudarle con proyectos especiales en el área de la simulación de conducción en bucle, incluyendo el modelado de simulación, la integración de software, el diseño del simulador y el diseño audiovisual. También contamos con una red de socios a nivel mundial para proporcionarle asistencia local en América y en Europa y Asia-Pacífico. Sólo tiene que ponerse en contacto con nosotros para hablar con uno de nuestros expertos, que podrá guiarle en las primeras fases de definición y evaluación de su proyecto.