Diseño de cabeza y cuello animatrónicos con dieciocho grados de libertad con movimientos suaves.

Abstract

Este trabajo de graduación tiene como objetivo principal el diseño mecánico, electrónico y de control mediante software de una cabeza animatrónica con dieciocho grados de libertad. Para lograr esto se debieron seleccionar servo-motores que se acoplen a las necesidades de cada aplicación dentro del dispositivo; por ejemplo, en los ojos se buscó que estos fueran livianos, en el rostro fueran precisos y en el cuello potentes. Asimismo, se buscó que los movimientos que ejecute esta cabeza animatrónica fueran lo más naturales y fluidos posible para brindarle al sistema mayor verosimilitud. Para lograr un diseño acertado se requirió una detallada investigación de la anatomía del cuello y rostro para transformar los movimientos orgánicos de un ser humano a una versión simplificada electromecánica. Dado que en esta sección del cuerpo existe una gran cantidad de masa muscular no sería posible asignar a cada músculo un actuador en el modelo animatrónico. Bajo el criterio de predominancia se seleccionaron los músculos más importantes y se les diseñó un mecanismo que simule el movimiento real. Basándose en esta investigación se simularon en el programa Matlab los mecanismos de la cabeza animatrónica para obtener rangos de funcionamiento. El modelado de los mecanismos fue elaborado mediante el Software CAD Autodesk Fusion 360 de forma modular para luego realizar un ensamble de todas las piezas de la boca, ojos, párpados, cejas, boca, labios y cuello. A todas estas piezas se les elaboró un estudio de esfuerzos para asegurar su buen desempeño sin correr el riesgo de romperse. De igual forma se debió ejecutar un proceso de diseño iterativo para revisar fallas de cada modelo y minimizar el problema de inestabilidad y vibraciones. Las frecuencias de resonancia fueron extraídas del modelo y tomadas en consideración en el diseño de trayectorias en Software. Las piezas de los mecanismos fueron diseñadas para poder ser fabricadas mediante impresión 3D con tecnología de Modelado por Deposición de Filamento Fundido (FDM, por sus siglas en inglés), así como por Procesamiento de Luz Digital (DLP, por sus siglas en inglés). La primera técnica debe ser empleada para las piezas más simples sin necesidad de alto nivel de exactitud, mientras que una impresora DLP se encargaría de la fabricación de los objetos más orgánicos y complejos como los ojos y mandíbula inferior. La suavización de los movimientos y la reducción de vibraciones se logró mediante la colocación de refuerzos en puntos estratégicos, la utilización de materiales más robustos que los empleados en previas versiones de la cabeza animatrónica desarrolladas en la Universidad del Valle de Guatemala y la introducción de un controlador PID. Cada actuador con oportunidad de ser controlado mediante esta estrategia fue calibrado de forma individual para que las ganancias se acoplaran a la inercia de cada mecanismo. Posteriormente, se procedió a diseñar una placa PCB en el programa Altium Designer para contar con mayor facilidad de conexión hacia los actuadores, alimentación, drivers y controlador. Por último, se diseñó un protocolo de comunicación y de control para manejar los movimientos que un agente externo le desee enviar a la cabeza animatrónica. (A)