INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE MECANISMO PROGRAMABLE PARA DINOSAURIO ROBÓTICO”
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TITULO DE:
INGENIERO EN ROBÓTICA INDUSTRIAL
PRESENTA:
MIGUEL ANGEL LÓPEZ MACIAS
ASESOR DE TESIS:
ING. JOSÉ CARLOS LEÓN FRANCO
México D.F Marzo, 2009
“Todos los hombres buscan un camino que nadie sabe dónde acaba y probablemente, no lleva a ningún sitio, pero ayuda a construir una vida.”
………
Andrés Nadal
Creo que cuando decidimos tomar cierto camino a veces nosotros mismos, la vida y las circunstancias complejas del mundo que creamos, influyen, se manifiestan a lo largo de nuestra trayectoria de manera tal que suele suceder que a veces nos encontramos dando vueltas en círculos con respecto a ciertas etapas de nuestro viaje que de alguna manera permanece detenido, hasta que un buen día decidimos dar la ultima vuelta a determinado circulo y regresamos a la vereda de las infinitas posibilidades para retomar nuestra marcha y continuar fluyendo con el universo.
Quiero agradecer a mis papás y mis hermanas por haberme dado las herramientas necesarias para culminar este logro en mi vida, al Ingeniero Raúl Centeno Reyes por brindarme su apoyo desde antes del comienzo y hasta el final, a mi gran amigo Viran Ocadiz a quien recurrí en varias ocasiones y me brindo su ayuda incondicional, a mi amigo y compañero de generación Rafael Barrera quien me brindo su compañía en la compleja etapa final de este proyecto y demás personas que aparentemente de manera mas indirecta formaron parte de esta meta que he alcanzado.
Índice
Resumen……… …………..………..3
Justificación………..………..4
Objetivos………5
CAPITULO I Estudio del estado del arte Contexto Histórico………..…..7
Contexto tecnológico………...…………....14
CAPITULO II Análisis de los sistemas actuales Como se hace actualmente……….………21
Diagnostico de los sistemas actuales…………...28
Obtención de problemáticas…....………...30
Posibles soluciones de soluciones….………...32
Planteamiento de la solución óptima………..37
CAPITULO III Diseño del nuevo sistema Diseño mecánico Pinza de sujeción………...…....39
Estructura elevable………...…...44
Estructura elevadora………...50
Mecanismo de péndulo………...54
Mecanismo de 360º………...………58
Motor de mecanismo de traslación………....61
Diseño eléctrico Controlador lógico programable ..………64
Relevadores de control y elementos sensores………...…65
Estaciones de control manual………...……….67
Fuente de poder……….………68
Electro válvulas………...69
Motroreductor de 120 vca y motor de 220 vca ..………...…70
Variador de frecuencia………..……71
Diagrama de alambrado..………..72
Utilización del software ………...74
Diseño neumático Actuador para pinza de sujeción………...………80
Actuador para estructura elevable y de péndulo..…...………..81
Actuador para estructura elevadora ……….. ………...82
Unidad de mantenimiento………..…………...…….84
Mangueras y conexiones .………..………...88
Cálculos de consumo de aire ...………..…...90
Diagrama neumático………...97
Diagrama de movimientos………..98
Diseño del sistema de seguridad y modos de operación Modo automático………99
Modo manual………..………...101
Desarrollo mecánico Pinza de sujeción……….………..104
Estructura elevable………..………..106
Estructura elevadora ..……….. ………107
Mecanismo de péndulo………..………...108
Mecanismo de 360º………...111
Plataforma primaria de montaje………..…...112
Desarrollo eléctrico Montaje de elementos en plataforma primaria………..114
Montaje de elementos en plataforma secundaria………..116
Dibujo general de mecanismo dinosaurio robótico……….…..117
Secuencia fotográfica de los movimientos del mecanismo………...118
Material mecánico………..………...121
Material eléctrico y neumático………..…...….122
CAPITULO IV Análisis de costos y retorno de la inversión Diseño mecánico Análisis de retorno de la inversión……….123
Conclusiones y recomendaciones………...124
Glosario de términos………...126
Bibliografía………..………...130
Anexos………131
Resumen
El presente proyecto es el desarrollo de un autómata programable de tamaño mediano con forma de dinosaurio prehistórico el cual tendrá la capacidad de realizar diferentes movimientos dentro de un volumen de trabajo previamente definido para la manipulación y entrega de obsequios a los niños. El proyecto se orienta a los establecimientos comerciales donde el objetivo principal es el entretenimiento y la satisfacción de las necesidades de recreación en la población infantil, trátese de áreas infantiles únicamente de esparcimiento o lugares de comida dedicados a los niños donde como valor agregado se tendrá la interacción con una atractiva replica de un dinosaurio.
En la primera fase se diseñaran los mecanismos para cada uno de los movimientos que llevará a acabo el autómata programable los cuales implicaran tanto movimientos lineales, angulares y traslaciones utilizando latón, acero inoxidable y principalmente placa y perfiles de aluminio para la obtención de las piezas correspondientes ya que este material presenta diversas ventajas tales como maleabilidad, bajo costo, ligero, resistente para nuestra aplicación y muy versátil entre otras.
En la segunda fase se evaluaran y definirán los equipos u elementos que proporcionaran el movimiento a los mecanismos diseñados tales como actuadores neumáticos para los movimientos lineales que se requieren y motores eléctricos de inducción tanto para los mecanismos que implican desplazamientos angulares y movimientos de traslación del autómata a través de una distancia definida (50 cm.).
En la tercera fase se implementaran los sistemas de control donde la secuencia de tiempos y movimientos del autómata y sus elementos de trabajo estarán gobernados por un controlador lógico programable (PLC) el cual se encargara de que el autómata cumpla con la función de manipular y entregar los obsequios. A su vez también se requerirá el uso de otros dispositivos de control como lo es un variador de frecuencia ( Drive) para el control de la velocidad en el motor del mecanismo de traslación, relevadores de control y elementos sensores.
En la cuarta y ultima fase se llevara a cabo el procedimiento de elaboración de lo que simulara ser la piel del dinosaurio prehistórico a base de látex una vez realizado esto se procederá a pintarla para darle los efectos de dicha criatura.
Justificación
Este proyecto ha sido diseñado para aplicar las nuevas herramientas tecnológicas en el entretenimiento de la población infantil en edades comprendidas entre los 6 y 12 años y que los niños empiecen a tener un encuentro mas común e interactivo con la robótica y automatización de manera conjunta con los papas y disfrutar de los beneficios de recreación que les puede proporcionar.
Debido al tipo de población al que esta enfocado el proyecto sus principales clientes de distribución serán los abundantes lugares de comida para niños donde cada fin de semana las familias con niños pequeños suelen asistir.
Lo mas innovador del proyecto es que es una aplicación del autómata prehistórico donde el niño no solo lo ve de manera aislada como si estuviese en un museo o exposición sino que el niño tendrá que interactuar con él para recibir el obsequio que el mismo autómata prehistórico será capaz de entregarle.
Existe el riesgo de que al ser un equipo automático que obedece a una rutina de movimientos previamente programados, estos se llevaran a cabo sin contemplar de manera inteligente que si alguna persona se encuentra dentro del volumen espacial del autómata esta podría ser golpeada por algunas de sus partes riesgo que se eliminara delimitando dicha área estrictamente por una cubierta de acrílico que únicamente tendrá una puerta de acceso y en el momento en que esta sea abierta el autómata suspenderá su secuencia de ejecución.
La mayor ventaja que se obtendrá es que es un proyecto seguro (para la población infantil) y completamente novedoso donde los establecimientos que cuenten con el autómata prehistórico tendrán un mayor valor agregado que se vera directamente reflejado en su numero de visitantes además de las áreas de recreación que comúnmente poseen.
Objetivos.
General:
Diseñar un autómata programable con aspecto de dinosaurio prehistórico que sea capaz de interactuar de manera segura y brindar entretenimiento a la población infantil.
Especifico:
Implementar el autómata prehistórico en las grandes cadenas de establecimientos de comida y recreación infantil para aumentar sus ganancias al tener un novedoso y atractivo dinosaurio capaz de entregarles un obsequio a cada uno de los niños y mostrar las aplicaciones de las nuevas tecnologías orientadas al sano entretenimiento.
CAPITULO I
ESTUDIO DE ESTADO DEL ARTE
Contexto Histórico.
La tecnología es tan antigua como el hombre mismo. Los hombres se convirtieron en tecnólogos cuando aprendieron a aprovechar los materiales y fenómenos del mundo físico que los rodeaba. Cuando un hombre fabrica una herramienta es por que tiene en mente un uso para ella: la planificación y la resolución de problemas forman el núcleo de la tecnología.
Este proceso de resolución de problemas y aplicación de los conocimientos adquiridos ha redundado, como parte de un desarrollo evolutivo en una gran variedad de tecnologías, cada una de las cuales amplio el potencial humano de una manera particular.
El mito del robot ya se a construido: el hombre, desde que existe, trata de rebasarse, de prolongarse, tanto en el plano físico y mecánico, con la creación. Pinocho, el títere que poco a poco se anima para transformarse en un muchachito y las creaciones del doctor Frankenstein, son otras tantas representaciones de este mito del rebasamiento.
Dado que las fuerzas humanas generadas por los seres humanos son reducidas fue necesario inventar dispositivos que amplificaran estas fuerzas, los cuales adquirieron la forma de máquinas. Las cinco máquinas más elementales, enumeradas por Hero de Alejandría, son la palanca, la rueda y el eje, la polea, la cuña y el tornillo. La mecanización, o utilización de las máquinas para llevar a cabo el trabajo de personas o animales, ha estado presente desde hace siglos. Su evolución fue particularmente rápida durante la Revolución Industrial, cuando el uso de la fuerza del vapor permitió que muchas operaciones manuales fueran relegadas a las máquinas. Todavía era necesario que el hombre alimentara, guiara y corrigiera los movimientos de las mismas. La siguiente etapa que revolucionaría el progreso tecnológico, la automatización, lo libraría de dicha carga para dejarla “en manos” de la máquina. El control automático es un control que actúa solo, sin intervención humana, la mayoría de los sistemas de control actuales no podrían funcionar si dependieran de operadores humanos. El tiempo de reacción inherente del hombre es aproximadamente de 0.2 s y la tendencia de este a aburrirse y distraerse, son algunos de los factores que lo excluyen del manejo de estos sistemas.
El principio de operación puede verse en las cajas musicales que usan un tambor giratorio cuya superficie esta cubierta de pequeñas agujas. Conforme el tambor gira las agujas golpean sobre pequeños dientes en forma de peines, cada uno de los cuales tiene un tono especifico y la secuencia o arreglo ordenado de la agujas produce la tonada la deseada. El tambor y las agujas constituyen el programa. Por supuesto en el caso de los autómatas, los robots y otras formas de máquinas automáticas es necesario producir una secuencia ordenada de eventos, no solamente de notas, pero el principio es el mismo.
En los primeros autómatas ciertos mecanismos de relojería aseguraban la sincronización adecuada de cada movimiento.
Alrededor de 1740, Jacques de Vaucanson construye el autómata más conocido: un pato hecho de cobre, que bebe, come, grazna, chapotea en el agua y digiere su comida como un pato real.
Previamente construye un flautista y un tamborilero en 1738; el primero consistía en un complejo mecanismo de aire que causaba el movimiento de dedos y labios, como el funcionamiento normal de una flauta.
Los Maillardet (Henri, Jean-David, Julien-Auguste, Jacques-Rodolphe) hicieron su aparición a finales del siglo XVIII y principios del XIX, construyendo un escritor- dibujante con la forma de un chico arrodillado con un lápiz en su mano. Escribe en inglés y en francés, y dibuja paisajes.
Fig. 1.1 Pato hecho de cobre por Jacques Vaucanson en 1740 construido a base de pequeños mecanismos con engranes.
En muchos casos se usó un árbol de levas para controlar los movimientos de un autómata. En lugar de agujas en un tambor giratorio, el programa del árbol de levas utiliza bielas sobre un eje giratorio.
Las protuberancias de las bielas (los lóbulos) hacen contacto con interruptores o válvulas que causan que ciertos actuadotes neumáticos se extiendan y retraigan; el programa, o la sincronización de los eventos pueden variarse modificando las posiciones angulares relativas de la bielas.
Fig. 1.2 Control del orden de los eventos: (a) programador de bielas, (b) selector unitario y tablero de conexiones.
A principios del siglo XX, el cine se convirtió en una de las más grandes atracciones de todos los tiempos. Fue el 28 de diciembre de 1895, en París cuando los hermanos Lumière abrieron las puertas del primer cine-teatro de todo el mundo, salido de la fábricas Lumière en Lyon-Montplaisir. El mundo quedó fascinado e intrigado ante tal invención. Es a partir de este momento que empieza el desarrollo de una de las industrias más poderosas de todos los tiempos: El Cine, dando inicio a toda una nueva generación de necesidades tanto artísticas como tecnológicas para el entretenimiento.
Los efectos especiales que vemos en el cine actual son, en realidad la mezcla de varias técnicas. Estas surgieron con el propósito de crear una fábrica de sueños fílmicos que hagan desaparecer la frontera entre la realidad y la fantasía.
Con la elaboración de películas como la clásica Jurassic Park causa un gran impacto entre el público por sus efectos digitales. Fue la primera vez que se veía, en pantalla grande, dinosaurios prehistóricos de una manera tan realista.
Fig. 1.3 Promocional de la primera película de Jurassic Park, causando una gran afición de todos los espectadores por el mundo jurasico en la industria fílmica estrenada en 1993.
El film mezcla magníficamente los efectos generados por ordenador con animatronics, sobre todo para "partes" de los dinosaurios (patas y cabeza del T-Rex, por ejemplo) y las propias actuaciones de los protagonistas.
De este modo, los diversos tipos de dinosaurios se mueven, corren, matan y mueren ante nosotros con un increíble realismo que nos hace preguntarnos si no serán realmente dinosaurios vivos los que pasan frente a nuestros alucinados ojos.
En el último momento se cambiaron los efectos especiales que iban a utilizarse, basados en el clásico "fotograma a fotograma", por los efectos digitales cuando los técnicos de Industrial Light and Magic (la empresa de efectos especiales de George Lucas) le presentaron a Spielberg un pequeño video de un T-Rex en movimiento.
Fig. 1.4 Imagen del robot animado Tiranosaurio Rex diseñado para la primer película de Jurassic Park por la empresa americana Industrial Light and Magic.
Aparentemente, los dinosaurios interesan a personas de todas las edades y de cualquier nacionalidad. Cada pocas semanas, aparecen noticias en los periódicos sobre el hallazgo del esqueleto de otro dinosaurio en algún lugar del mundo, o sobre alguna teoría sobre el comportamiento de estos seres o el motivo de su extinción.
Los dinosaurios han demostrado ser un medio útil para dar una noticia sobre lo relacionado con la evolución o la historia de la vida. Basta que aparezca la palabra dinosaurio en un titular para despertar el interés de los lectores.
Los paleontólogos, es decir, los científicos que estudian los fósiles de los dinosaurios y de otros animales y plantas que se han extinguido, están motivados por muchas de las preguntas infantiles que hemos mencionado.
Los placeres que provoca el estudio de los dinosaurios son múltiples: la excitación de la búsqueda de los huesos, la emoción del descubrimiento, la trabajosa excavación de los restos, su preparación y limpieza en el laboratorio, el análisis de la vida del animal y la combinación de ciencia y arte que se produce en la reconstrucción del aspecto de la criatura, donde bajo todas estas consideraciones se auxilian los ingenieros para el complejo diseño robótico de los dinosaurios animados de la industria filmatográfica.
Fig. 1.5 Triceratops Robótico diseñado con la mas avanzada tecnología, servomotores, servo válvulas, sistema de radio control y capaz de desplazarse por si mismo diseñado para la industria del cine.
Los dinosaurios robóticos que se emplean en la industria de la pantalla grande generalmente son los más complejos en cuestión de tecnología y vanguardia ya que las necesidades del cine acompañado de los efectos especiales suelen obtener grandes cantidades de dinero como ganancias lo cual permite invertir fuertes sumas económicas en la adquisición de estas tecnologías tan complejas y directamente costosas.
Otro tipo de mercado en el que actualmente son muy recurridos los dinosaurios automatizados es el de los Parques temáticos, este es el nombre genérico que se utiliza para denominar a un recinto con un conjunto de atracciones, espacios para el ocio, entretenimiento, educación y cultura, normalmente organizadas en torno a una línea argumental que les sirve de inspiración. Precisamente por esto un parque temático es algo mucho más complejo que un parque de atracciones o una feria. Esto también implica que vaya ligado a un proyecto empresarial más sólido y con importantes inversiones económicas.
Otro ambicioso y extraordinario mega proyecto de turismo, placer y entretenimiento es denominado Dubiland, en Arabia con la noticia de que planean construir un parque de atracciones con dinosaurios, al puro estilo de "Parque Jurásico". El parque "Restless Planet" (planeta sin descanso) costará 1.000 millones de dólares (700 millones de euros), tendrá un área de 152 km, cientos de dinosaurios robot, y abrirá sus puertas en el 2008.
Según el director general del parque, Mustafá Galadari, el lugar ofrecerá "una experiencia visual, acústica y táctil, que permitirá que los visitantes perciban algunas de las cosas más emocionantes que han pasado durante la historia del planeta Tierra", y así insiste que el efecto será "extremadamente realístico y terrorífico, pero al mismo tiempo pedagógico". Entre otras cosas, los dinosaurios tendrán potenciómetros y sensores de movimiento, que les permitirán seguir a los visitantes con los ojos, identificar colores de ropa específicos, y regular sus movimientos.
En nuestro país en los últimos años se realizaron exposiciones temporales en diferentes estados de la republica como Pachuca, Morelia, Zamora, Monterrey e incluso la ciudad de México donde la temática principal y objetivo era aprender de la vida de los dinosaurios, los animales robóticos expuestos tienen movimientos parciales en su cuerpo, cabe mencionar que aunque algunos de los dinosaurios llamados animatronix fueron desarrollados por el mismo IPN.
Fig. 1.6 Tiranosaurio Rex elaborado a escala diseñado y fabricado por el IPN.
Algunos dinosaurios electrónicos como el mostrado arriba pertenecieron a la serie de exposiciones llamada Expo dinosauria que se llevo a cabo en diferentes lugares de la ciudad de México como lo fueron Zacatenco, el Parque Naucali y el museo tecnológico de Chapultepec. Dinosauria comprendió 2 mil metros cuadrados de aventuras por el Mesozoico. Inicia con una descripción sobre la era geológica en la que vivieron los dinosaurios y sus respectivos periodos: triásico, jurásico y cretácico.
La muestra Dinosauria exhibió más de una docena de robots diseñados a partir de los últimos hallazgos paleontológicos, y permite a chicos y grandes conocer mejor las formas de vida de las diferentes especies. Las máquinas fueron construidas de tal forma que realicen los mismos movimientos y sonidos que hacían los ejemplares reales.
También se buscó reproducir la textura y el color de la piel.
En el mismo espacio se colocó información escrita y gráfica sobre la paleontología, así como la exhibición de 150 fósiles de reciente hallazgo y réplicas de aquel estado del norte y sus alrededores.
Otro mercado relativamente nuevo en nuestro país es la aplicación de estas tecnologías de autómatas programados aplicados con un enfoque publicitario a empresas con diferentes necesidades construyendo prototipos y realizando diseños de autómatas como animales o muñecos que representan de manera simbólica al producto que el cliente esta promoviendo o pedidos especiales que de manera ocasional se requieran en algún museo u exposición. Aunque actualmente son muy pocas las empresas mexicanas que se dedican a este tipo de servicios, cada vez se va haciendo mas común el contacto con estas aplicaciones de autómatas animados en sus diferentes aspectos físicos.
Tal es el caso de Animatronix y Anima Fx, empresas mexicanas que ponen a disposición de los clientes potenciales, renta, venta, fabricación, montaje y desmontaje de animatronics para su exhibición en congresos, convenciones, desfiles, eventos deportivos, sociales, culturales o comerciales o bien para demostrar y difundir algún producto o servicio.
Contexto tecnológico
Los actuales sistemas de automatización de los cuales a su vez se derivan los autómatas animados (criaturas robóticas) pueden considerarse como herederos de los autómatas mecánicos del pasado. La definición de autómata que aparece en la real academia índica que un autómata es una "máquina que imita la figura y los movimientos de un ser animado".
La realización física de los automatismos ha dependido continuamente del desarrollo de la tecnología implementándose en primer lugar mediante tecnologías cableadas como la neumática, circuitos de relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas. En las dos últimas décadas se han abandonado las tecnologías cableadas sustituidas por los autómatas programables.
Existen diferentes niveles de tecnologías que se emplean para poder diseñar y construir un dinosaurio animado desde lo mas simple ò básico hasta diseños mas autónomos en cuanto a movimientos y cualidades o características físicas.
Fig. 1.7 Complejo mecanismo de un Tiranosaurio Rex utilizando lo mas avanzado en tecnología tanto mecánica como eléctrica.
Tecnología neumática.
Una de las tecnologías más empleadas en la elaboración de prototipos animados ya sean estos de diseños complejos o muy sencillos es la neumática.
Podemos definir la neumática como una tecnología capaz de hacer uso del aire comprimido. Un sistema de potencia fluida es que transmite y controla la energía por medio de la utilización de líquido o gas presurizado.
En la neumática, esta potencia es aire que procede de la atmósfera y se reduce en volumen por compresión, aumentando así su presión. El aire comprimido se utiliza principalmente para trabajar actuando sobre un embolo o paleta. El aire tomado a presión atmosférica se comprime y entrega a presión mas elevada al sistema neumático, se transforma la energía mecánica en neumática.
Los elementos de trabajo neumáticos pueden ser tanto lineales como rotativos. El movimiento lineal se obtiene por cilindros de embolo; estos proporcionan movimientos para las extremidades de los dinosaurios robóticos, y en el caso de los de tipo giratorio se pueden instalar con un mecanismo que ocasione un leve giro ya sea en la cabeza, la cola del dinosaurio o el abrir y cerrar de los ojos del mismo.
Fig. 1.8 Actuadores neumáticos lineales de simple y doble efecto Mca. Festo
Otros elementos neumáticos considerados como elementos de control y que son determinantes en el funcionamiento de los pistones son las electro válvulas neumáticas, ya que de estas depende el desplazamiento de los pistones. La válvula determina el paso del aire por entre sus vías abriendo y cerrando lo cual permite que el pistón se extienda o se contraiga, generalmente en estas aplicaciones de animatronics no se requiere que los vástagos de los pistones u elementos de trabajo instalados se detengan en posiciones intermedias, es decir que si el vástago de un pistón mide 20cm, bastará con que salga por completo o se retraiga por completo para que se lleve a cabo el movimiento del dinosaurio animado.
Fig. 1.9 Electro válvulas montadas sobre un distribuidor común
Las válvulas más empleadas por esta industria son las de tipo monoestable, es decir que al ser accionadas por una señal eléctrica cambian de posición y se mantienen ahí hasta que desaparezca tal señal, estas son llamadas monoestables.
Motores de corriente continúa.
El motor de corriente continua es una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica, principalmente mediante el movimiento rotatorio.
Esta máquina de corriente continua es una de las más versátiles en la industria. Su fácil control de posición, par y velocidad la han convertido en una de las mejores opciones en aplicaciones de control, este tipo de motores sencillos son muy utilizados a menudo de igual manera para crear movimiento a las extremidades de los dinosaurios y generalmente son utilizados con un tren de engranes acoplado al mismo motor para poder multiplicar el torque del mismo y tener un mejor control del movimiento.
Son utilizados en los prototipos animados donde no se quiere hacer una fuerte inversión y que no se requiere de mucha precisión en los movimientos ya que estos son relativamente muy fáciles de controlar en los cambios de giro para mover en un sentido u en otro la articulación del dinosaurio.
Servomotor
Un servomotor (también llamado Servo) es un dispositivo similar a un motor de corriente continua, que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su rango de operación y mantenerse estable en dicha posición. Está conformado por un motor, una caja reductora y un circuito de control. Los servos se utilizan frecuentemente en sistemas de radio control y en robótica, lo cual los hace bastante versátiles a la aplicación de los dinosaurios robóticos.
Un servomotor es un motor eléctrico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en velocidad como en posición.
¿Qué convierte un motor en servomotor? O mejor dicho ¿por qué se considera que algunos motores son servomotores y otros no? La respuesta no es demasiado complicada: un servomotor tiene integrado o adosado al menos un detector que permita conocer su posicionamiento y/o velocidad. Este tipo de motores que incluso ya requieren de un control mas especial que los de corriente continua son los utilizados en dinosaurios robóticos mas complejos y costosos como el de la Fig. 1.5 Donde el dinosaurio puede caminar por si mismo y es critico para conservar el equilibrio del mismo que sea cuidadosamente controlada la velocidad en las patas y la fuerza que se requiere en el torque de dicho mecanismo.
Fig. 1.10 Servomotores de alta potencia con sus respectivos controladores utilizados tanto en la automatización industrial como en la construcción de complejos dinosaurios robóticos.
Motores paso a paso.
Los motores paso a paso tienen un comportamiento del todo diferente al de los motores de corriente continua. En primer lugar, no giran libremente por sí mismos. Los motores paso a paso, como lo indica su nombre, avanzan girando por pequeños pasos. También difieren de los motores de CC en la relación entre velocidad y torque (un parámetro que también es llamado "par motor" y "par de giro"). Los motores de CC no son buenos para ofrecer un buen torque a baja velocidad sin la ayuda de un mecanismo de reducción.
Los motores paso a paso, en cambio, trabajan de manera opuesta: su mayor capacidad de torque se produce a baja velocidad.
Los motores paso a paso tienen una característica adicional: el torque de detención (que se puede ver mencionado también como "par de detención", e incluso par/torque "de mantenimiento"), que no existe en los motores de CC. El torque de detención hace que un motor paso a paso se mantenga firmemente en su posición cuando no está girando.
Esta característica es muy útil cuando el motor deja de moverse y, mientras está detenido, la fuerza de carga permanece aplicada a su eje. Se elimina así la necesidad de un mecanismo de freno y son ideales para aplicaciones pequeñas donde no se requiere de mucho esfuerzo.
Fig. 1.11 Estructura de un diseño animado utilizando pequeños motores a pasos para el movimiento de las articulaciones.
En la aplicación antropomorfa de la figura anterior tenemos un prototipo sencillo que únicamente le hace falta algo de vestimenta encima y el peso de las piezas de madera no es muy representativo por lo cual no se requirió de un complejo sistema de mecanismos además de que únicamente tendrá libertad de movimiento en la cabeza y las extremidades superiores.
Sistema de detección.
Los sensores se obtienen en la industria para la aplicación de los dinosaurios el son resultado de la necesidad de contar con indicadores de posición en los que no existe contacto mecánico entre el actuador y el detector. Pueden ser de tipo lineal (detectores de desplazamiento) o de tipo conmutador (la conmutación entre dos estados indica una posición particular). En algunas aplicaciones para movimientos importantes como la sincronización a la hora de que el dinosaurio se desplaza en dos o cuatro patas es importante que se muevan de acuerdo a lo planeado cada una de ellas o de lo contrario podría verse torpe o caerse es por eso que se necesita confirmar físicamente que cada orden que se le programe previamente este la ejecute al 100%, este enfoque es principalmente en los complejos mecanismos de la industria filmatográfica.
Para las aplicaciones donde no es tan complejo el dinosaurio es en el nivel de la exposición en museos o eventos especiales donde se utilizan sensores ya sean infrarrojos o ultrasónicos para detectar la presencia del espectador y que hasta ese momento se inicie la secuencia o ciclo de movimientos programados.
También en algunos casos se emplean algunos sensores para detectarla posición del espectador y que el dinosaurio pueda realizar un movimiento de ojos y hacer el efecto mas real de autonomía del mismo.
Otro enfoque aunque ya no es directamente para controlar al dinosaurio pero que de alguna manera tiene que ver con su entorno, son cuestiones de seguridad ya que al ser un equipo automático con movimientos mecánicos en caso de que alguna persona se acercara demasiado esta podría resultar lesionada principalmente los niños con tal motivo en algunas instalaciones fijas se colocan sistemas de detección que activan alguna alarma de prevención.
Fig. 1.12 Sensores retroreflectivos Mca.
SICK para sensar la presencia de los espectadores y sistemas de seguridad.
Control de movimientos y funciones
EL controlador lógico programable o PLC por sus siglas en ingles (Programer logic controller) si bien es de los dispositivos electrónicos mas usados en Automatización Industrial.
Debido a las necesidades de este tipo de proyectos se buscó en las nuevas tecnologías electrónicas una solución más eficiente para reemplazar los sistemas de control basados en circuitos eléctricos con relés, interruptores y otros componentes comúnmente utilizados para el control de los sistemas de lógica combinacional.
Existen varios lenguajes de programación que podemos usar aunque tradicionalmente los más utilizados son el diagrama de escalera (Lenguaje Ladder), aunque se han incorporado lenguajes más intuitivos que permiten implementar algoritmos complejos mediante simples diagramas de flujo más fáciles de interpretar y mantener. Un lenguaje más reciente que podríamos utilizar es el FBD (en inglés Function Block Diagram).
El PLC contiene todo lo necesario para manejar altas cargas de potencia; se requiere poco diseño eléctrico y el problema de diseño se centra en expresar las operaciones y secuencias en la lógica de escalera (o diagramas de funciones). Las aplicaciones de PLC son normalmente hechos a la medida del sistema, por lo que el costo del PLC es bajo.
Fig. 1.13 Controlador lógico programable de baja capacidad ideal para aplicaciones pequeñas en los dinosaurios robóticos.
Microcontroladores
Los microcontroladores son increíblemente versátiles y son llamados así por que principalmente son pequeños y tienen la capacidad de controlar máquinas o algunos otros equipos, son circuitos integrados que son diseñados para comunicarse y realizar procesos a través de tarjetas electrónicas de interfase. En este tipo de microcontroladores y la ayuda de un hardware también se programa la secuencia de movimientos para cada uno de los motores de los dinosaurios, pueden manejar motores tanto de corriente continua, a pasos o los propios servomotores con el respectivo hardware que requiera cada uno de ellos además de tener la capacidad de energizar electro válvulas o cualquier otro equipo que se utilice en el diseño especifico de algún tipo de dinosaurio.
Fig.1.14 Microcontrolador instalado en su tarjeta de interfase para la comunicación control de los elementos de trabajo.
Estos microcontroladores de manera similar a los PLC`s contienen puertos para señales de entrada y de esa manera tener una comunicación mas eficiente con el medio exterior, es decir que a través de sensores como los anteriormente mencionados interpretan sus señales y estas son consideradas para llevar acabo las funciones o movimientos predefinidos.
CAPITULO II
ANÀLISIS DE LOS SISTEMAS ACTUALES
¿Como se hace actualmente?
Para apreciar el contenido del mundo jurasico, es necesario referirse a años pasados, en donde especialistas, utilizando la tecnología mas moderna tuvieron el ingenio de desarrollar animales robotizados que son de los mas sofisticados. Se impulsan por medio de un sistema neumático ò eléctrico y se controlan a través de microprocesadores.
Son animales a escala con movimiento, sonido y piel. Todos estos elementos se desarrollan de acuerdo con la información existente de cada criatura, se alcanzan a percibir los movimientos, las formas, los colores y las principales características del animal en cuestión.
La fabricación de los dinosaurios robotizados se divide en las siguientes etapas:
- Modelo - Moldes - Piel
- Estructura y mecanismos - Sistema neumático
- Sistema electrónico y sonido - Acabado final
Modelo
El modelo es el primer paso en la fabricación de dinosaurios y antes de ejecutarlo es necesario definir el tamaño, la posición, los movimientos, la textura, los ojos, la boca y el resto de sus características. Todo ello se realiza tomando en cuenta la información existente así como la opinión de expertos paleontólogos.
Una vez definido lo anterior, se terminan los bocetos en donde se define la escala y su apariencia corporal. Posteriormente se fabrica la estructura para soportar el modelo y se le da la forma utilizando poliuretano, papel, fibra de vidrio o algún otro material. Por ultimo se detalla el modelo y se le da el acabado final, utilizando plastilina o barro.
Moldes
Una vez que se tiene terminado el modelo, se producen los moldes que servirán para reproducir el modelo original. Los moldes son fabricados en fibra de vidrio y el primer paso consiste en definir el número de partes que integran el mismo.
Después de definir las partes, se marcan en el modelo y se colocan delgadas láminas que servirán de separadores, aplicando posteriormente cera y película separadoras sobre el modelo, a fin de poder retirar el molde mismo, aplicando después de esta asta tres capas de fibra de vidrio.
Fig. 2.1 Materiales prefabricados especialmente para la elaboración de moldes como pueden ser pegamentos especiales para polímetros, fibra de vidrio y pastas de secado rápido para texturizados.
Cuando se trata de modelos pequeños únicamente se sacan moldes exteriores, pero cuando el modelo es grande, también se fabrica un molde interior, con el propósito de no utilizar una gran cantidad de relleno.
Las partes que integran el molde tienen guías que garantizan que siempre se unirán en la misma posición. Dicha unión se realiza utilizando tornillos de acero.
Piel
Una vez terminados los moldes, se procede a limpiarlos perfectamente en su interior, a fin de que todos los detalles de la textura del modelo estén correctamente definidos.
Posteriormente se aplica cera. Película separadora y el elastómero correspondiente, mismo que da la forma y la textura a la piel. Previamente se le agrega el pigmento del color deseado. Al elastómero se le integra una tela elástica para que adquiera mayor resistencia.
Fig. 2.2 Materiales de exportación prefabricados, materias primas como látex en presentación líquida concentrada con gel, catalizadores y diluyentes para la elaboración de la piel del dinosaurio.
Cuando se trata de figuras grandes se ensambla el molde exterior sobre el molde interior y los huecos que quedan se rellenan utilizando hule espuma liquido. Al terminar esta operación se desarma el molde y se retira. Quedando definida la figura en un material plástico. En algunas ocasiones se separan manos y patas para facilitar el proceso.
Estructura y mecanismos
Paralelamente a la fabricación de los moldes y tomando como base el modelo, se diseña y produce la estructura metálica y los mecanismos, los cuales dependen del tipo de movimiento y espacio disponible. La estructura metálica dependiendo de las dimensiones del dinosaurio en construcción se puede diseñar en acero ò aluminio de acuerdo con el tamaño, forma y peso que soportara.
Los mecanismos mas utilizados son: las rótulas, las bisagras, las manivelas, los engranes y algunos otros de diseño especial que satisfagan las medidas de movimiento y espacio los cuales tendrán que ser maquinados bajo las especificaciones del diseño.
Fig. 2.3 Diseño del mecanismo para un dinosaurio animatrónico en forma de triceratops, tamaño pequeño y movimientos relativamente sencillos fabricado en acero al carbón.
La estructura es colocada posteriormente sobre una caja metálica, que sirve para transportar y proteger al dinosaurio, así como para recibir al controlador, las electro válvulas, el sonido y otros aditamentos.
Fig. 2.4 En algunos casos resulta más sencillo por cuestiones de mantenimiento y diseño que los elementos de control sean instalados fuera del dinosaurio en un gabinete eléctrico.
Sistema neumático
Después de fabricar la estructura y los mecanismos, se seleccionan los cilindros neumáticos cuya capacidad esta determinada por el peso a mover y la longitud de los movimientos a realizar.
Fig. 2.5 Estructura con elementos de trabajo neumáticos.
Los cilindros son soportados en la estructura metálica haciendo uso de rótulas con el propósito de evitar posibles desalineamientos. El sistema neumático trabaja a una presión determinada y los cilindros se unen a las electro válvulas a través de unas mangueras de plástico.
Sistema electrónico y de sonido
Al terminar la estructura, los mecanismos y el sistema neumático se procede a montar el sistema electrónico sobre la caja metálica o en el cuerpo del dinosaurio mismo para el caso de los más complejos.
El sistema electrónico consiste en microprocesadores los cuales conmutan las señales que envía la fuente de poder a las electro válvulas, utilizando una programación previamente grabada en la memoria.
Posteriormente se conectan las electroválvulas al controlador electrónico, seleccionando las entradas al mismo, a fin de que los movimientos del dinosaurio guarden una secuencia lógica y ordenada que permita una apariencia real.
El sonido se logra a través de un sistema en el cual se graban los sonidos digitalizados del dinosaurio. El sonido final se obtiene realizando mezclas de diferentes ruidos o bien modificando las frecuencias y tonalidades a través de un equipo de cómputo y mezcladores de audio.
A continuación se instala el sistema de sonido, el cual tiene que ser calibrado para darle el volumen y tono adecuado, programándose con algún controlador electrónico y el sistema neumático para armonizar el ruido con el movimiento de la boca.
Acabado final
Por ultimo se coloca piel sobre la estructura metálica y se procede a sellarla. En algunas partes de la figura se colocan placas de fibra de vidrio con el perfil que corresponde a esa parte, a fin de darle rigidez y forma a la figura.
Fig. 2.6 Dinosaurio de grandes dimensiones prácticamente terminado donde se realizan los últimos detalles de pintura en la piel.
Después se colocan los ojos de la figura, los cuales se fabrican usando resina poliéster y se mueven utilizando el sistema neumático. Posteriormente se lava la figura con alcohol y se pinta utilizando aerógrafo y pincel para darle los colores deseados y un efecto mas real y autentico.
Para un dinosaurio de dimensiones como el de la Fig. 2.6 Se requirió de entre diversos materiales lo siguiente:
296 m. de fibra
132 m. de espuma de poliuretano
200 lts de pintura
1000 m. de cableado
24 microprocesadores
15 actuadores hidráulicos
6 motores hidráulicos
400 Kg. de látex y polímetros flexibles
Diagnostico de los sistemas actuales.
Fortalezas Oportunidades Restricciones Debilidades Algunos modelos
son diseñados con la más alta
tecnología en mecanismos
complejos y equipo costoso.
Diseñar
mecanismos mas sencillos
No se deben de reducir demasiado los movimientos a manera de que pierda el atractivo principal de dinosaurio automatizado
Por la complejidad del diseño suelen ser muy costosos y elevarse los precios tanto para construir como para vender
Pueden ser diseñados y
construidos bajo la supervisión de paleontólogos sobre la investigación en recientes
descubrimientos
Realizar diseños de dinosaurios ya conocidos por la población a través de las películas clásicas del cine que marcaron la historia y que gustan a los niños
Dentro de los ya conocidos carecería de un enfoque novedoso en el aspecto cultural
Se tiene que estar en contacto o tener un convenio con algún instituto de paleontología
En el caso de un dinosaurio robot de gran tamaño (de 8 ò mas metros) por ser de grandes
dimensiones atrae la atención de toda la población
Al hacerlos mas pequeños se reduce el costo y se puede transportar
fácilmente y colocar en lugares menos altos sin que este al aire libre
Por cuestión de inversión inicial en el nuevo proyecto el dinosaurio no deberá medir mas de 1.5 m de altura
El desarrollo de un prototipo de grandes
dimensiones (8-13 m) además de ser costosos
Al utilizar materiales especiales
prefabricados como látex geles y pastas, el tiempo de
fabricación y calidad mejoran mucho prototipo
Utilizar materias primas nacionales como el caucho diluido y espuma de poliuretanos, etc.
Conservar la elasticidad en las articulaciones que lo requieran por los movimientos del dinosaurio
Son muy elevados los precios de estos productos, además al ser exportados se tiene que tener en cuenta el aumento del precio de embarque.
Fortalezas Oportunidades Restricciones Debilidades Tener un sistema
de radiofrecuencia para ser
manipulados a control remoto
Bajar el costo con controladores.
Realizando movimientos de manera manual ó automática mediante su programación previa
Seria únicamente para exposiciones u áreas de
recreación infantil.
Requiere un control electrónico complejo para aplicaciones muy especificas, de mando a distancia y controlar las frecuencias Baterías y fuentes
de suministro de aire se encuentran internamente en el dinosaurio
haciéndolo de un mayor tamaño y mas costoso
Todas las fuentes de energía tanto eléctrica como de aire son externas para hacer mas sencillo y económico el diseño
No deberán ser muchos los cables que se conecten a él y de preferencia usar un
multiconductor
La estructura debe ser lo
suficientemente fuerte y espaciosa para albergar las baterías y el acumulador Aún automatizados
no existe el riesgo de que pueda ser lastimada una persona ya que no se interactúa directamente con ellos
Crear un prototipo que interactué directamente con los niños y publico en general de manera segura.
No será posible tocar al dinosaurio de cualquier parte de su cuerpo
En las
exposiciones estos se encuentran delimitados hasta por una isla y una distancia incluso de 5 m.
Algunos diseños son capaces de caminar, lo cual atrae la atención de todo el publico
Crear un prototipo que permaneciendo en un solo lugar pueda realizar diferentes movimientos
Con algún mecanismo podremos moverlo en una distancia no mayor a 50 cm.
Este tipo de
dinosaurios solo se encuentran
desarrollados y exhibidos en el extranjero La mayoría
diseñados bajo un enfoque educativo y por tal motivo se tiene cuidado en pequeños detalles como ojos y color de piel(exportados)
Diseñarlo con un enfoque principalmente recreativo
Que pierda un aspecto real si se toma muy a la ligera la parte estética, como la piel del dinosaurio
Al tener un
enfoque cultural no se aprovechan los movimientos del mismo para interactuar con los niños de manera directa
Obtención de problemáticas.
1.- Al desarrollar un dinosaurio bastante funcional implica ingeniería de mecanismos complejos así como el uso de tecnología muy avanzada para lo cual se requiere de personal altamente calificado y especialistas en cada área lo cual eleva mucho el costo tanto por los tiempos de ingeniería como la construcción y los materiales.
2.- Para hacer un convenio con algún instituto de paleontología que realice investigaciones y tenga descubrimientos recientes se debe desarrollar un proyecto con grandes capitales.
3.- Al realizar un prototipo a escalas reales generalmente es necesario construir una escenografita mayor en el lugar donde se esta exhibiendo además de que transportarlo de un lugar a otro resulta mas complejo y requiere de mas cuidados.
4.- Si se utilizan productos especiales prefabricados para satisfacer las necesidades de este tipo de industria como látex y silicones especiales estos tienen que ser de exportación ya que solo se encuentra en el extranjero.
5.- Generalmente un control de radio frecuencia es mas indispensable en la industria del cine y no necesariamente para los dinosaurios a nivel de exposición o educativos en los museos.
6.- Al cargar un banco de baterías dentro del mismo dinosaurio o algún dispositivo para almacenar energía neumática se requiere de un diseño mas especial y resistente ya que esto implica un mayor peso y alto diseño estructural.
7.- En la mayoría de las exposiciones de tipo cultural donde se encuentran los dinosaurios exhibidos existe un área delimitada por lo cual el espectador ya no puede acercarse.
8.- Los dinosaurios mas complejos que incluso caminan por si solos y se desplazan moviendo sus extremidades únicamente se pueden ver en países como Estados unidos o Japón.
9.- Como objetivo principal es el aspecto cultural y educativo, bajo este concepto no se permite que el dinosaurio interactúe con el espectador de tal manera que el dinosaurio con la ayuda de sus movimientos mecánicos pueda entregar un obsequio a los niños.
Selección de problemáticas con base en criterios ponderantes.
Nula Baja Media Alta
1
Diseñar un prototipo capaz de realizar complejos movimientos que pueda incursionar incluso en la industria del cine
x
2
Diseñar un prototipo que pueda estar supervisado por paleontologos para dar a conocer los ultimos descubrimientos
x
3
Realizar un prototipo en escala real, ya sea en edad aulta (grande) o temprana (pequeño) de acuerdo a la informacion existente
x
4
Utilizar productos de ultima generacion (de exportacion) )para que tenga el aspecto mas real posible según la
informacion de los paleontologos
x
5
Utilizar tecnilogìa de radio control para los movimientos del dinosaurio
x
6
Diseñar la estructura y el prototipo general para que sus fuentes de alimentacion de energìa esten dentro de èl y no requiera cableado externo
x
7
Reducir el area de delimitaciòn donde se encuentra el dinosaurio moviendose, pero conserva la seguridad e integridad del espectador
x
No. de problemática
Concepto de la problemática
Prioridad de la problemática
Nula Baja Media Alta
8
Dieñar un prototipo capza de caminar por si mismo como los existentes en japon
x
9
Que el dinosaurio sea capaz de interactuar con el
espectador, como el recibir un obsequio simbolico que manipule el mismo dinosaurio para entregarlo al espectador
x
No. de
problemática Concepto de la problemática Prioridad de la problemática
Selección de problemáticas.
A) Nuestro prototipo deberá ser capaz de interactuar con el publico, principalmente los niños para poder entregar con la ayuda de alguna función motriz un producto, como puede ser un a pequeña pelota u objeto similar y el diseño de sus movimientos deberán estar orientado a cumplir este objetivo.
B) Debe contemplarse en el diseño que el niño o público en general se acercará al prototipo para poder recibir dicho obsequio teniendo en cuenta como prioridad la seguridad del niño en los movimientos del dinosaurio.
C) Evaluar la escala a la que será construido el prototipo de tamaño grande, mediano ò pequeño para no elevar mucho el costo del prototipo.
D) Evaluar la tecnología de radio control ya que nuestra aplicación no nos lo demanda en el aspecto de que serán programados previamente sus movimientos para ejecutarse de manera automática ò de manera manual por un operador que se encuentre cerca del dinosaurio, aunque si se deberá cuidar la estética del mismo al no ocupar tanto cableado externo para el suministro de los diferentes tipo de energía (eléctrica y neumática).
E) Diseñar un prototipo complejo de finos movimientos no será necesario para nosotros ya que nuestro prototipo no esta enfocado a una industria tan especializada como la del cine.
F) Que nuestro dinosaurio sea construido bajo la supervisión de paleontólogos no es necesario ya que no es un prototipo dedicado principalmente al plano educativo sino únicamente al entretenimiento.
G) Tampoco se recomienda utilizar los materiales de exportación que se ocupan en los dinosaurios de aspecto casi real ya que son costosos y pueden ser sustituidos por materias primas nacionales similares.
H) Las fuentes de energía como alimentación eléctrica y neumática no tendrán que estar ubicadas necesariamente adentro del dinosaurio ya que este no tendrá que desplazarse por si mismo en su totalidad sino que se mantendrá estático en alguna ubicación definida y ahí realizara todos sus movimientos parciales.
I) Derivado de los puntos expuestos en el inciso anterior no pretenderemos realizar el dinosaurio con capacidades mecánicas para trasladarse de un lugar a otro por si mismo y quedan completamente descartadas este tipo de funciones.
Búsqueda de posibles soluciones.
Problemática: A Prioridad: Alta Solución A.1
El Prototipo dentro de sus funciones de movimiento tendrá alguna de sus extremidades como una pata con la cuál será capaz de tomar el obsequio de algún tipo de despachador mecánico manipularlo y entregarlo al niño.
Solución A.2
El prototipo dentro de sus funciones de movimiento tendrá la capacidad de tomar el obsequio de un despachador mecánico con las fauces manipularlo y entregarlo al niño.
Solución A.3
El prototipo tendrá la capacidad de empujar el obsequio del despachador mecánico con el movimiento de algunas de sus extremidades y guiarlo a algún mecanismo sencillo para que pueda ser recibido por el niño.
Problemática: B Prioridad: Alta Solución B.1
Para conservar el ambiente natural se puede montar una pequeña escenografía debajo del dinosaurio y delimitar el volumen de trabajo por sensores de barreras de luz y en caso de que algún niño u objeto atraviese dicha barrera la secuencia de movimiento del dinosaurio se suspenderá.
Solución B.2
Delimitar el área de trabajo con paredes de acrílico transparente las cuales a su vez tendrán la función de puertas de acceso protegidas con micro switch de seguridad para que en caso de ser abiertas la secuencia de movimientos se suspenda y únicamente se dejara un pequeño acceso por donde el niño pueda recibir el obsequio.
Solución B.3
Restringir el acceso al volumen de trabajo mediante cuerdas con aspecto de lianas dentro la escenografía para conservar la estética del ambiente del habitad natural.
Problemática: C Prioridad: Media Solución C.1
Realizar un prototipo de gran tamaño como el Tiranosaurio que son de tamaño grande, considerándolo de10 m aproximadamente el cual requiera de una fuerte inversión para materiales y diseño de ingeniería.
Solución C.2
Realizar un prototipo de tamaño menor, modelos como Triceratops o
Velociraptors de 3 a 4 m en edades adultas con una menor inversión en el costo del proyecto.
Solución C.3
Realizar un prototipo de tamaño pequeño (no mas de 1.5m de alto) quizás manejando el concepto de un triceratops o velociraptor u especie similar pero en edad temprana para justificar el tamaño pequeño pero sin
descuidar cierto aspecto verídico sobre el tema.
Problemática: D Prioridad: Media Solución D.1
Construir el prototipo con un módulo de radio control e instalar un acumulador neumático dentro del mismo y baterías recargables para su funcionamiento, esta opción resulta costosa por conservar las fuentes de energía (eléctrica y
neumática) dentro del prototipo.
Solución D.2
Construir el prototipo con el modulo de control inalámbrico para activar cada uno de los movimientos y que el cableado de alimentación eléctrica y manguera de alimentación neumática lleguen desde fuentes de alimentación externas al dinosaurio, cuidando la estética.
Solución D.3
Restringir el acceso al volumen de trabajo mediante cuerdas con aspecto de lianas dentro la escenografía para conservar la estética del ambiente del habitad natural.
Selección de soluciones con base en criterios ponderantes.
Nula Baja Media Alta
A.1
Diseñar el prototipo para que manipule el obsequio con alguna de las
extremidades
x
A.2
Diseñar el prototipo para que manipule el obsequio las fauces
x
A.3
Diseñar el prototipo para que manipule el obsequio empujandolo con las extremidades sin manipularlo completamente
x
B.1
Delimitar el volumen de trabajo mediante barreras de luz
x
B.2
Delimitar el volumen de trabajo mediante barreras de acrilico translucidas
x
B.3
Restringir el acceso mediante cuerdas disfrazadas como lianas
x
C.1 Diseñar el prototipo de
gran tamaño
x
C.2 Diseñar el prototipo de
tamaño mediano
x x
C.3 Diseñar el prototipo de
tamaño pequeño
x
D.1
Implementar un sistema de radio control y todas las fuentes de energìa detro del prototipo
x
D.2
Construir el prototipo con el mòdulo
inalambrico y las fuentes de energìa externas
x
D.3
Usar control alambrico para cuando se requiera hacer movimientos en forma manual y las fuentes de enrgìa externas
x
No. de soluciòn
Descripcion de la soluciòn
Eficiencia de la soluciòn
Planteamiento de la solución óptima.
La estructura del dinosaurio electrónico será diseñado para manipular el obsequio a entregar con las fauces ya que se considera que de esta manera será mas atractivo para los niños además de que realizara otros movimientos parciales.
Tomando como prioridad la seguridad del niño el dinosaurio y el respectivo despachador mecánico de obsequios se encontrara delimitado por un cubo de acrílico por donde únicamente se tendrá un pequeño acceso (además de las puertas de servicio) a través del cual el dinosaurio manipulara el obsequio y lo entregara directamente, garantizando la integridad del infante y la confianza de los padres.
El tamaño de la estructura del dinosaurio será no mayor a 1.5 m ya que por ser el primer proyecto no se desea elevar demasiado el costo del mismo y que su transportación e instalación sea lo mas práctica posible y que no requiera de espacios tan grandes para ser instalado, haciéndolo versátil y funcional.
El dinosaurio realizará la secuencia de movimientos previamente programada de manera automática y en caso de desear moverlo en modalidad manual se podrá conectar un control alambrico removible y tanto la alimentación eléctrica como la neumática serán suministradas de manera externa.
CAPITULO III
DISEÑO DEL NUEVO SISTEMA
Diseño mecánico
En el diseño del sistema mecánico cuenta con diferentes etapas las cuales son:
Actuador de Pinza de sujeción
Actuador de Estructura elevable
Actuador de Estructura elevadora
Actuador de Mecanismo de péndulo
Motor de Mecanismo de 360º
Motor de Mecanismo de traslación
Actuador de Pinza de sujeción
Comenzaremos por realizar los cálculos de la presión que ejercerá el Actuador No.1 en el mecanismo de pinza en la posición mas critica para nosotros la cual será al momento de sujetar el obsequio.
‘¡
Fig. 3.1 Posición de la pinza en el momento de sujetar el obsequio de 10cm de ancho.
El diseño de la misma cuenta con un mecanismo de sujeción con base en el movimiento angular de dos barras diseñadas donde dicho movimiento es originado a través del desplazamiento lineal de un actuador neumático (Actuador No.1).
El ajuste de la distancia de cierre de la pinza se limitara mecánicamente por un tubo hueco que se colocará en el vástago del pistón, que para el caso donde el obsequio es de 10cm el tubo será de 1.6 cm de longitud, como se muestra en la figura anterior
APERTURA MAXIMA DE LA PINZA = 15.5cm
DIRECCION DE MOVIMIENTO DEL
VASTAGO
Punto de contacto C
Punto de contacto A
Punto de pivote B APERTURA MINIMA DE LA PINZA = 1.5cm
P I N Z A D E S U J E C I O N
pg A D
F 2 4
.
FR
D2 d2
pg4 .
A N F
m x N
m x
m x N
m x
m x N
m FA
110
2 105
5 . 2 3 10 4 14 . 3
2 105
5 . 3 4
2 10 4 4 1416 . 3
2 105
5 . 3 4
02 2 . 0 1416 . 3
La velocidad de apertura como cierre del mecanismo de sujeción deberá ser controlada previamente mediante válvulas reguladoras de flujo colocadas tanto en la entrada y salida del actuador neumático.
Cálculo de fuerza teórica del actuador No. 1
Fuerza en la carrera de avance: Fuerza en la carrera de retroceso:
Donde:
FA: Fuerza de avance (N) FR: Fuerza de retroceso (N) D : Diámetro del embolo (m) D : Diámetro del vástago (m) pg: Presión manométrica (N/m2) Datos del actuador:
Diámetro del émbolo: 20mm (0.02m) Diámetro del vástago: 10mm (0.01m)
Presiòn manométrica: 3.5 bar (3.5x105N/m2) Fuerza de avance:
R N F
m x N
m x
m x N
m x
m x
m x N
m R m
F
4 . 82
2 105
5 . 2 3
10 4 3 785 . 0
2 105
5 . 2 3 10 4
2 1 10 4
4 4
1416 . 3
2 105
5 . 2 3
01 . 2 0 02 . 0 4
1416 . 3
Fuerza de retroceso:
A continuación se muestra el diagrama de cuerpo libre de una de las tenazas de sujeción
Fig. 3.2 Fuerzas actuantes en la tenaza y fuerzas de reacción en B
Fig. 3.3 Diagrama de cuerpo libre para suma de momentos en B
S N F
m m Nm
N S m
F
N m S m
F
R d d F
FS MB R N F
15
093 . 0
4 . 1 4
. 1 093
. 0
0 034
. 0 2
4 . 82 093
. 0
0 1 2 2
0 4 . 82
Calculando suma de momentos en B se tiene:
Fig. 3.4 Representación esquemática de la fuerza de sujeción de la pinza.
Por lo tanto la fuerza con la que se sujetara el obsequio será de 30N, como es una fuerza considerable se deberá colocar un cilindro hueco en el cuerpo del vástago de 1.6cm de longitud para detenerlo antes de que se contraiga totalmente y así poder regular la distancia de cierre.
Actuador de Estructura elevable
Consiste en diseñar la estructura cuya función principal es realizar un desplazamiento angular en la pinza de sujeción y hacerla girar de arriba hacia abajo en un rango aproximado de 40º.
Fig. 3.5 Fuerzas externas actuando en el mecanismo para la posición de vástago indicada.
