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DECLARACIÓN
Yo, Santiago Holber Casaliglla Ger, declaro que el trabajo que a continuación es
descrito es mi total autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional y, que he consultado las referencias bibliográficas
que se incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido en la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente.
----------------------------------------------------------------------
SANTIAGO HOLBER CASALIGLLA GER
2
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el estudiante de la Carrera
de Ingeniería en Electrónica y Control, Sr. Santiago Holber Casaliglla Ger, bajo mi
supervisión.
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Msc. Patricio Chico
DIRECTOR DEL PROYECTO
3
AGRADECIMIENTOS
El desarrollo del presente trabajo estuvo lleno de dificultades y obstáculos que no
se hubieran logrado superar sin la ayuda de las personas que estuvieron
indirectamente alrededor del mismo. Es así que quiero agradecer a Dios en
primera instancia, por haberme puesto alrededor a quienes con su colaboración
permitieron llevar a buen término el proyecto.
De esta manera es que deseo empezar agradeciendo a mi padre, Camilo
Casaliglia Enríquez, quien fuera el apoyo más importante que he tenido durante
estos últimos años y quien ha sido mi ejemplo a seguir.
De forma especial quiero agradecer al Ing. Patricio Chico por su buena
predisposición, paciencia y sugerencias, las cuales determinaron que se oriente
adecuadamente el desarrollo del trabajo aquí presentado.
También quiero hacer llegar mis más sinceros agradecimientos a todo el personal
del Departamento de Ciencias Biológicas pero especialmente al Dr. Ramiro
Barriga, a la Licenciada Ana Armendáriz, a la Sra. María Eugenia Pinto, al Dr.
Freddy Trujillo, al Sr. Cristóbal Jácome, Sr. Manuel Muñoz y finalmente al director
del mismo, Dr. Luis Albuja, por haberme permitido desarrollar el presente trabajo
y por haberme facilitado su ayuda y colaboración durante el desarrollo del mismo.
En el mismo contexto, quiero agradecer al Sr. Rector de la Escuela Politécnica
Nacional, Ing. Alfonso Espinosa y al Ing. Walter Brito por el apoyo que
manifestaron para el presente proyecto.
Finalmente, mediante estas líneas deseo hacer llegar mi agradecimiento al Sr.
Wilson Jami, quien con su colaboración en diferentes ocasiones me ayudó a
solucionar un gran número de obstáculos.
4
DEDICATORIA
Quiero dedicar este trabajo a mi madre, quien con su personalidad y carácter
supo enseñarme a ser independiente y autosuficiente, y especialmente a mi padre
y mediante él a todas las personas que se fijan metas en la vida y luchan de
manera incansable hasta obtenerlas.
5
CONTENIDO CAPÍTULO 1. ....................................................................................................................... 1 INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 1
1.1 DESCRIPCIÓN DE LO QUE EN SU TIEMPO FUE EL ALLOSAURIO ................ 1 1.2 DESCRIPCIÓN DEL BOSQUEJO ESTRUCTURAL DE LA MAQUETA ............. 5
1.2.1 ANÁLISIS ESTRUCTURAL .............................................................................. 8 CAPÍTULO 2. ..................................................................................................................... 13 DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS ELÉCTRICAS DERIVADAS DE LA ANATOMÍA DEL ALLOSAURIO ........................................................................... 13
2.1 BREVE INTRODUCCIÓN ANATÓMICO-MECÁNICA ...................................... 13 2.1.1 CARGA MECÁNICA A MOVERSE. ............................................................... 15 2.1.2 VELOCIDADES DE MOVIMIENTO ............................................................... 18 2.1.3 ALCANCE DEL PROYECTO .......................................................................... 20
2.2 SELECCIÓN DE LOS ACTUADORES A EMPLEARSE ...................................... 20 2.3 ANÁLISIS PARA ENCONTRAR LA POTENCIA MÍNIMA REQUERIDA PARA MANEJAR A LOS ELEMENTOS MÓVILES .............................................................. 21
CAPÍTULO 3. ..................................................................................................................... 26 DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL .............................................................. 26
3.1 MANEJADOR DE LOS ACTUADORES ................................................................ 27 3.1.1 DISEÑO DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA ......................................... 30 3.1.2 CIRCUITO DE DISPARO ................................................................................. 35 3.1.3 INVERSIÓN DE GIRO...................................................................................... 40
3.2 SENSORIZACIÓN ................................................................................................... 42 3.2.1 FINALES DE CARRERA.................................................................................. 43 3.2.2 FOTORRESISTENCIAS ................................................................................... 45 3.2.3 SENSOR DE ALARMAS .................................................................................. 46
3.3 SONORIZACIÓN ..................................................................................................... 49 3.3.1 MEMORIA DE SONIDO .................................................................................. 49 3.3.2 AMPLIFICADOR DE AUDIO .......................................................................... 52 3.3.3 MOVIMIENTO DE LAS MANDÍBULAS ....................................................... 54
3.4 MANEJO DE LUCES ............................................................................................... 57 3.5 CONTROLADOR CENTRAL.................................................................................. 59
3.5.1 DESCRIPCION DEL MANEJO DE LOS MOTORES ..................................... 60 3.5.2 TARJETA PRINCIPAL DE CONTROL ........................................................... 65 3.5.3 ALGORITMO DE CONTROL .......................................................................... 66
CAPÍTULO 4. ..................................................................................................................... 70 PRUEBAS Y RESULTADOS ............................................................................................ 70
4.1 INSTALACIÓN DEL MÓDULO ............................................................................. 70 4.2 PRUEBAS REALIZADAS ....................................................................................... 73 4.3 RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................................. 76
CAPÍTULO 5. ..................................................................................................................... 78 CONCLUSIONES ............................................................................................................... 78 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................................ 80 ANEXOS ............................................................................................................................. 81 ANEXO No.1 ...................................................................................................................... 82 HOJAS TÉCNICAS DE LA MEMORIA DE SONIDO ISD25120P ................................. 82 ANEXO No. 2 ..................................................................................................................... 93 HOJA DE DATOS DEL OPTOAISLADOR H11B3 ....................................................... 101
6
(ECG 3082) ....................................................................................................................... 101 ANEXO No. 3 ................................................................................................................... 104 HOJA DE DATOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL HA17358 ..................... 104 ANEXO No.4 .................................................................................................................... 106 ESQUEMÁTICO DE POTENCIA Y CIRCUITO IMPRESO ......................................... 106
1. Circuito esquemático ............................................................................................. 107 2. Vista de los elementos en la placa ......................................................................... 108 3. Vista del ruteado superior del circuito ....................................................................... 109 4. Vista del ruteado inferior del circuito ........................................................................ 110
ANEXO No.5 .................................................................................................................... 111 ESQUEMÁTICO DE CONTROL Y CIRCUITO IMPRESO .......................................... 111
1. Vista de los elementos en la placa ............................................................................. 112 2. Vista del ruteado superior del circuito ....................................................................... 113 3. Vista del ruteado inferior del circuito .................................................................... 114
ANEXO No. 6 ................................................................................................................... 115 RECOMENDACIONES PARA EL EMPLEO Y MANTENIMIENTO DEL MÓDULO ........................................................................................................................................... 115
Recomendaciones para el empleo y mantenimiento del módulo .................................. 116
7
RESUMEN
El presente proyecto de titulación detalla cómo fue que se llegó a construir una
maqueta animada que representa a un animal adulto de la especie Allosaurus
Fragilis, para el Departamento de Biología de la Escuela Politécnica Nacional. Lo
que se buscó alcanzar fue que el módulo fuera de dimensiones cercanas a dicho
animal, que resaltara por la naturalidad de sus movimientos, por la capacidad de
interacción con las personas que la observen y que fuera una base que permitiera
su terminado artístico. Con respecto al primer punto se logró mover de forma
horizontal la cabeza, el cuello y el tórax, de forma vertical el cuello en conjunto
con la cabeza y finalmente las mandíbulas en apertura y cierre. Con respecto al
segundo, que dentro de esos movimientos detectara la presencia de
observadores procediendo a mirarles fijamente o rugirles. Para esto se contó con
la colaboración de un ingeniero mecánico y la dirección de un artista plástico.
8
PRESENTACION
El presente proyecto de titulación se detalla en los siguientes capítulos:
CAPÍTULO 1. Introducción. Aquí se abordan los aspectos biológicos del animal y
cómo estos influyeron en el diseño de la estructura.
CAPÍTULO 2. Determinación de las características eléctricas derivadas de la
anatomía del Allosaurio. En este punto se determinan las condiciones que habría
de cumplir el sistema motriz de la maqueta, para lo cual se realiza un análisis de
la estructura desde el punto de vista del alcance que se planteó para el proyecto.
CAPÍTULO 3. Desarrollo del sistema de control. Tomando como precedente las
conclusiones obtenidas al término del capítulo 2 se procede a desarrollar todo el
sistema electrónico que habría de controlar a la maqueta, el cual estaría
encargado de manejar los diferentes elementos móviles, de coordinar los sonidos
y operar las luces del diorama, todo de acuerdo a las señales que reciba de los
diferentes sensores y a al algoritmo de control diseñado para este sistema.
CAPÍTULO 4. Pruebas y resultados. En esta parte del desarrollo se muestra cómo
fue el desarrollo de la construcción mecánica de la maqueta y cuáles fueron las
diferentes acciones que se tomaron para finalmente lograr obtener un resultado
que fuera de agrado para el público.
CAPÍTULO 5. Conclusiones. Aquí se exponen las conclusiones acerca del
proyecto a las que se llegó después de observar su funcionamiento y la reacción
de los diferentes espectadores.
Finalmente, a continuación de estos capítulos se incluyen 6 anexos en los cuales
se presentan las hojas técnicas de los elementos electrónicos más importantes,
los circuitos que se diseñaron y finalmente un conjunto de recomendaciones para
una buena conclusión y mantenimiento del animatronic.
1
CAPÍTULO 1.
INTRODUCCIÓN
El desarrollo del Museo de Historia Natural de la Escuela Politécnica Nacional se
ha constituido como un reto para los directivos que lo llevan adelante, debido al
impacto que se espera alcanzar sobre los concurrentes al mismo.
Específicamente se quiere obtener un ambiente que en todo su recorrido exprese
vida y que logre envolver al público en el camino que la misma ha seguido desde
que empezó hasta la aparición del hombre actual. Con esta premisa es que ha
llevado adelante el desarrollo del presente proyecto, el cual intenta aportar al
museo de la institución con un elemento que contribuya a realzar el aspecto de
vivacidad.
En el presente capítulo se busca sentar un precedente de cómo la Biología
supone fue la forma de vida del Allosaurio y cómo los diferentes aspectos
alrededor de este punto orientaron el desarrollo de la mecánica del proyecto1.
1.1 DESCRIPCIÓN DE LO QUE EN SU TIEMPO FUE EL
ALLOSAURIO
Como se puede entrever por su nombre este animal fue un dinosaurio; de la clase
de los carnosaurios. Adicionalmente se sabe que fue antecesor del conocido
Tiranosaurio Rex.
1 Se incluye este análisis mecánico en esta primera parte para sentar las bases de la Electrónica que se desarrolló y porque el presente trabajo se centra en la descripción de la animación de la estructura mecánica
2
Figura 1 [1]
Allosaurus significa reptil extraño. Fue uno de los dinosaurios más feroces que
asolaron las llanuras por millones de años. Era más grande que un elefante y más
pesado que un rinoceronte. Estaba provisto de unas mandíbulas enormes,
pobladas de afilados dientes como sierras. Además tenía garras curvas y una
musculosa cola para flagelar a cualquier animal lo bastante osado como para
atacarle. Tenía un cabeza muy grande, en proporción al cuerpo: medía 90
centímetros desde la punta del hocico hasta la base del cuello. Sus fauces eran lo
suficientes grandes como para arrancar la cabeza de un pequeño dinosaurio, de
un solo y terrorífico bocado. Su cráneo poseía agujeros en los huesos, lo que lo
hacía más ligero que si hubiera sido macizo y, por lo tanto, más fácil de mover.
Tenía grandes cuencas oculares y, posiblemente, estaban dotados de una vista
3
muy aguda. Su gran dentadura estaba formada por varias hileras, en total unos 70
dientes. Si perdía algún diente, volvía a crecerle. Mientras trituraba a su víctima
con sus poderosas mandíbulas, desgarraba la carne con los dientes. Los
científicos creen que comía a otros dinosaurios, ya que han sido halladas las
marcas de sus dientes en los huesos fosilizados de la cola de un Apatosaurus. Su
pesada cabeza estaba sostenida por un cuello corto, dotado de potentes
músculos. Estos músculos eran lo suficientemente fuertes como para mantener
firme la cabeza, cuando corría tras una presa, con las fauces abiertas. Tenía un
cuerpo grande, por lo que necesitaba comer en abundancia para saciar su apetito.
Cazaba grandes herbívoros, pero también atrapaba a otros carnívoros más
pequeños que vivían con él. Al igual que otros depredadores, era posiblemente un
carroñero, como las actuales hienas, que arrancaba pedazos de carne de los
cadáveres de las presas cazadas por otros animales. Algunos de los saurópodos
más corpulentos eran demasiado grandes para que los atacara con éxito, por lo
que quizá formara manadas con este propósito. Varios miembros de la manada
atacaban a la vez, clavando sus dientes y garras en los indefensos herbívoros,
con lo que el resto de la manada podía despedazarlos. Poseía brazos cortos, con
extremidades dotadas de poderosas y afiladas garras curvas. Las usaba para
atrapar y sujetar a la presa, mientras arrancaba pedazos de carne con los dientes.
Caminaba o corría erguido sobre sus robustas patas traseras, como una enorme
ave, probablemente manteniendo erguida su larga y musculosa cola para
mantener el equilibrio del cuerpo. Cada paso era tan largo que los expertos han
determinado fueron de aproximadamente 4 metros. Cuando corría tras una presa,
alcanzaba una velocidad máxima de unos 8 ó 10 kilómetros por hora, velocidad
que un corredor de fondo apenas podría mantener. Cada una de sus patas
posteriores acababa en un pie con cuatro dedos armado de poderosas garras,
como las de las aves. Tenía tres apuntando hacia delante y una hacia atrás, todas
lo bastante fuertes como para rasgar la dura piel o para hender el blando vientre
de otro dinosaurio. Con su poderosa cola, podía dar furiosos golpes a cualquier
otro osado depredador que se acercase para atacar a sus crías. Un ligero roce de
esta cola, con más de 50 huesos, era suficiente para derribar al atacante, como si
hubiera recibido el golpe de una maza. Un macho podía usar la cola para derribar
a un rival en una pelea por una hembra durante el cortejo nupcial. Medía de 11 a
4
12 metros de longitud. Vivió hace 140 millones de años, al finales del período
Jurásico, en Norteamérica, África, Australia y posiblemente China [1].
Se puede considerar que el dato más relevante de este reptil, catalogado como
“león del jurásico”, es que se constituyó en su tiempo como último eslabón de la
cadena alimenticia. Su especie fue catalogada como Allosaurus Fragilis, que
significa delicado reptil extraño. Este carnívoro vivió en el período Jurásico tardío.
Se lo identifica por las protuberancias que tienen delante de cada ojo. No existen
estudios que hayan determinado la función de dichas protuberancias y son estas
la razón de su nombre. Es uno de los dinosaurios de los que se ha recopilado la
mayor cantidad de información, especialmente en lo que dice relación con su
anatomía, aspecto y forma de vida. Se han encontrado restos fósiles en el Oeste
de Estados Unidos, Portugal y Australia [2].
Referente al proyecto lo que se llevaría adelante es la construcción de una
estructura metálica, de proporciones similares a la del mencionado animal, la cual
tendría articulaciones en ciertos puntos para permitir que motores instalados en la
misma le doten de movimiento. Debido a las implicaciones mecánicas que tiene la
anatomía del allosaurio se llegó a establecer que la maqueta permanecería con
las patas y la cola fijas a la superficie sobre la cual se instale la estructura. De
igual manera, la columna vertebral de la misma no realizaría ningún movimiento
vertical por no haber sido este movimiento propio del animal. Se constituirían en
elementos móviles cabeza, cuello, tórax y mandíbulas. En el aspecto electrónico
lo que se pretende es obtener movimientos que estéticamente se vean naturales y
que se llegue a interaccionar con las personas. Adicionalmente a esto se
implementará sonido para así completar la representación del animal.
5
1.2 DESCRIPCIÓN DEL BOSQUEJO ESTRUCTURAL DE LA
MAQUETA
Una vez que se decidieron los diferentes elementos que debían ser móviles se
procedió a determinar las proporciones que habría de tener la maqueta. Para la
reconstrucción de este lagarto se requería información acerca de todas las
medidas del mismo (longitud de pantorrilla, fémur, antebrazo, etc.). Conseguir
tales longitudes recopiladas de los fósiles encontrados era una posibilidad factible
debido a la capacidad del Instituto de Ciencias Biológicas de tramitar tal tipo de
solicitud a los museos poseedores de dicha información. Sin embargo de esto,
para evitar el trámite posiblemente largo además de incierto, se procedió a
obtener la información anatómica de una reconstrucción digital que fuera
elaborada por Discovery Channel y que se puede encontrar en la dirección web
http://www.bbc.co.uk/dinosaurs/fact_files/scrub/allosaurus.shtml. A continuación se pueden
observar imágenes de tal reconstrucción.
A. B.
Figura 2.
*Imágenes del programa QuickTime Player
6
El proceso para la elaboración de un bosquejo preliminar fue el de capturar
pantallas (como las arriba indicadas) que muestren al animal de frente, de perfil y
por detrás. Con tales imágenes se dibujó en el programa Autocad los volúmenes
que hubo de tener este animal y con esa información se procedió a dibujar la
estructura y proporciones que habría de tener la maqueta. Como se observa en
la siguiente figura, la primera imagen es una vista a 45° del volumen creado. En
la imagen B de la figura 3 se puede ver que tal volumen está en concordancia
con la imagen B de la figura 2. En el último gráfico en cambio puede verse en el
interior de tal volumen cómo fueron colocados las primeras ideas de mecanismos
y ejes de movimiento.
A
7
B
C
Figura 3.
* Imágenes del programa Autocad 2005
8
La obtención del video arriba mencionado fue fundamental para reorientar
adecuadamente los bosquejos elaborados. Antes de que se lograra conseguir se
basó todo el trabajo en imágenes obtenidas de Internet, lo que provocó se
obtengan unos primeros bosquejos muy distorsionados, como se puede ver en la
figura 4. Esta figura es una vista a 45° de la que se suponía habría de ser la
estructura del sistema.
Finalmente, después de varias modificaciones tanto en proporciones como en
posición de los elementos se logró obtener un resultado que respetaba
plenamente la anatomía del Allosaurio y que además era adecuado para darle su
terminado artístico.
Figura 4.
Vista a 45°
1.2.1 ANÁLISIS ESTRUCTURAL
El desarrollo del proyecto habría de basarse en la anatomía del allosaurio. Esta
condición a más proporcionar las medidas que habrían de constituir la maqueta
también imponía la posición y ángulos de los diferentes elementos de la misma.
Como se observa en los gráficos de la figura 3, el animal permanecía
9
(supuestamente) casi todo el tiempo con la cola erguida. Esto le era útil porque
de esa manera equilibraba su peso. Sin embargo, para el proyecto esta condición
traía consigo dos problemas: uno de espacio y otro estructural. En cuanto al
primero de los inconvenientes, se trataba de un aspecto estético. Para poder
colocar al esqueleto mecánico en la posición natural del reptil se hubiera
requerido de una longitud de por lo menos 9 metros, situación inalcanzable por el
espacio destinado para esta maqueta. El segundo problema en cambio tenía
repercusiones técnicas más serias. Considérese la siguiente figura.
10
Figura 5.
Las imágenes presentadas muestran la vista lateral de una tentativa de cómo
colocar las patas del esqueleto mecánico2. Como puede verse, en la imagen
superior las fuerzas que cada elemento habría de soportar están representadas
por flechas. En cambio, en donde existen esfuerzos por parte de la estructura se
colocó letras. Considerando primero el punto A y lo referente a la posición de la
cola, se aprecia que existe un peso debido a la estructura móvil en donde lo indica
la primera imagen de la figura anterior. Independientemente cómo se coloque la
cola, este elemento deberá equilibrar el peso anteriormente mencionado. El punto
que se quiere tocar es que si se tuviera a la cola levantada, las patas habrían de
soportar una fuerza equivalente a dos veces el peso de los elementos móviles (tal
como lo hacía este animal cuando se desplazaba). Esto a su vez determinaría
que estas extremidades tuvieran que hacer esfuerzos mayores para sostener al
esqueleto mecánico. Este esfuerzo está dado por el valor del ángulo existente
entre estas dos magnitudes, en la relación que indica la siguiente ecuación.
θcosFE −= Ecuación 1.
2En realidad esta es la forma definitiva como quedaron esas extremidades. Para llegar a ese resultado hubo de reorientarse los bosquejos al menos cinco veces (tratando de equilibrar lo estético y lo técnico). No se detalla todo ese proceso para concretar en los resultados.
11
Donde
E es el valor del esfuerzo
F es el valor de la fuerza que ejercen los elementos estructurales
Θ Es el ángulo entre el peso y la fuerza aplicada
De la ecuación presentada se aprecia que E es una fracción de la Fuerza
aplicada. Esta última dependerá de los materiales que se empleen y del tipo de
soldadura con que se unan los diferentes puntos con letras de la primera imagen
de la figura 6. A pesar de que se logren colocar uniones muy fuertes, el peso
permanente y la vibración de los elementos móviles podría causar en cualquier
momento la destrucción del sistema mecánico.
Entonces abreviando el análisis alrededor de la obtención final de la estructura, se
decidió finalmente que se colocara la cola como elemento rígido, anclándola en el
piso del diorama. Con esta acción, sería este elemento un tercer apoyo (a más
de las patas) que compartiría el peso de todo el sistema3. Además de esto, para
otorgarle más estabilidad al esqueleto mecánico se ideó colocar triangulaciones
(en mecánica se les conoce como “almas”) como las que se indican en color
negro en el siguiente gráfico4 (obsérvese que estos elementos adicionales ejercen
una fuerza más paralela a la que ejerce el peso).
Figura 6. 3 En el siguiente capítulo se detalla que a la final la cola no pudo ejercer su acción de tercer soporte, por causa de los requerimientos del encargado del terminado artístico. Sin embargo de no soportar peso sí se constituyó en un elemento que le logró equilibrar al sistema mecánico, aumentando su estabilidad. 4 Estas triangulaciones son populares por la característica del triángulo de no deformarse
12
Al final de esta introducción se concluye que el resultado que se obtendrá será
algo inestable a pesar de las medidas que se tomen para solventar ese problema.
Esto se debe a que el animal para sostenerse a más de su estructura ósea
empleaba su fuerte musculatura (de ahí que sus patas se entrevé que fueron
gruesas y poderosas) a diferencia del presente caso donde el único apoyo es la
estructura en sí. Esto se refleja en la electrónica en el aspecto de las velocidades
con que deberá manejarse el módulo: lo suficientemente reducidas para no
provocar muchas vibraciones y lo suficientemente altas para tratar de acercarse al
hecho de que este animal era un depredador (se piensa que se movía
rápidamente).
13
CAPÍTULO 2.
DETERMINACIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS
ELÉCTRICAS DERIVADAS DE LA ANATOMÍA DEL
ALLOSAURIO
Esta sección trata de las implicaciones, desde el punto de vista eléctrico, que
devienen de la morfología del Allosaurio. Específicamente, las proporciones de
este animal vienen a influir directamente en la selección del tipo de actuadores.
Esto determina que se necesite realizar un análisis técnico para escoger de entre
las posibles opciones a la que se ajuste de mejor manera a los requerimientos del
proyecto, tratando siempre de obtener el mejor balance entre los objetivos
planteados y los aspectos económico y estético.
2.1 BREVE INTRODUCCIÓN ANATÓMICO-MECÁNICA
Este depredador era de medidas colosales: 4.5 metros en vertical y 12 m. desde
la nariz a la cola aproximadamente. Se trataba de un animal bípedo que para
mantenerse en pie equilibraba su cuerpo como si fuera este una palanca de
segundo orden: la cadera era el punto de apoyo de toda la estructura que a su
vez descansaba sobre sus patas y la cola que era algo más larga que la distancia
existente entre la cadera y el extremo final de la cabeza proporcionaba el
contrapeso necesario para equilibrarlo. Resaltan además en su contextura el largo
cuello y los pequeños (casi atrofiados) brazos. Queda por demás evidente que el
desarrollo del proyecto habría de regirse rigurosamente a lo que en su tiempo
fuera la anatomía de este reptil.
Del proceso descrito en el capítulo anterior se llegó a obtener el siguiente
bosquejo el que como se puede ver es una forma ósea básica del lagarto en la
cual se prevé los posibles movimientos con que esta contaría. A su vez esta idea
14
inicial se le sometió al análisis de un ingeniero mecánico quien terminó
construyendo la estructura que aparece en la figura 8.
Figura 7.
Figura 8
*Imágenes creadas en el programa Autocad 2005.
15
De cualquier manera, este esqueleto fue ideado de esta forma con el objetivo de
que el animatronic contara con los siguientes movimientos:
1. Movimiento horizontal de la cabeza, con eje en el punto de unión de la misma
con el cuello.
2. Movimiento horizontal del cuello, con eje en la base del mismo.
3. Movimiento vertical del cuello, con eje lo más cercano posible al eje del
movimiento horizontal (biológicamente serían el mismo punto).
4. Movimiento horizontal del tórax, con eje (aproximadamente) al punto medio
entre el hueso de la cadera y el inicio del cuello.
5. Movimiento de apertura y cierra de las mandíbulas.
En este punto resulta crucial determinar las implicaciones alrededor de estas
condiciones mecánicas. Para ello se deben analizar los dos puntos siguientes:
2.1.1 CARGA MECÁNICA A MOVERSE.
Como se observa en la figura 8, cada movimiento implica la existencia de un
brazo o palanca a moverse. De igual manera, cada una de esas palancas resulta
ser de gran dimensión, debido a lo descomunal que fuera el Allosaurio. Si bien
este animatronic no se trata de una réplica exacta del mismo, es de dimensiones
muy cercanas a las oficialmente aceptadas (3,7 m en vertical y 10 m de nariz a
cola). En los gráficos de la siguiente figura se detalla este aspecto. Nótese las
dimensiones y que están numerados los ejes de movimiento.
16
Figura 9.
Figura 10.
El punto que se quiere poner de relieve es que cada movimiento implica la
existencia de un torque. La expresión escalar de torque viene dada por la
ecuación:
17
bF ×=τ Ecuación 2.
Donde
τ = torque generado
F = Fuerza
b = brazo o longitud desde el centro de giro hasta donde F es aplicada
De los gráficos arriba presentados se obtienen las siguientes longitudes para el
valor de b en la ecuación 1:
Número Longitud (m) Elemento
1 2,53 tórax
2 1,87 cuello horizontal
3 1,52 Cuello vertical
4 0.83 cabeza
Cuadro 1
Correspondiendo esta numeración a la figura anterior que describe los
movimientos.
Queda por analizar la fuerza que en cada caso habría que vencerse para obtener
movimiento. Para los casos de los ejes 1, 3 y 4 se tienen movimientos paralelos al
plano del piso, lo que implica que la única fuerza que en estos casos se opone al
movimiento es el rozamiento de los elementos mecánicos. La expresión para
fuerza de rozamiento en este caso es:
gmFr ××= µ Ecuación 3.
Donde
Fr = fuerza de rozamiento
µ = coeficiente de rozamiento
m = masa en interacción con una superficie
g = aceleración de la gravedad terrestre
18
En donde µ siempre es un número menor que la unidad y cuyo valor depende de
las características de las superficies en contacto. Así, si se logra obtener un valor
de µ cercano a cero, el torque necesario para mover a cada una de estas
palancas también sería de bajo valor. A su vez, conseguir bajos índices de
rozamiento no resulta complicado por la existencia de lubricantes muy efectivos
(claro que esto implicaría la necesidad de lubricar periódicamente al sistema).
Queda entonces por analizar a la palanca asociada al eje 2 (movimiento del
cuello). En este caso se trata de un movimiento vertical, lo que implica se tenga
que vencer a la fuerza de la gravedad cuando se quiera elevar a todo el conjunto.
Por ello es que, para superar el percance que determinaría la necesidad de
desarrollar un torque tan grande, se consideró a la estructura del cuello como una
palanca de segundo orden: al extender hacia atrás su brazo y colocar un
contrapeso que equilibre a todo el sistema ya no se tiene que vencer a un torque
tan alto; ahora al encontrarse el sistema en equilibrio rotacional, para lograr
movimiento se tiene solamente que vencer al rozamiento de los elementos
mecánicos al igual que en los casos anteriores.
2.1.2 VELOCIDADES DE MOVIMIENTO
En necesario considerar nuevamente lo referente a las longitudes de los brazos
asociados a cada eje de giro; además de recapitular que este animal fue en su
tiempo un depredador por lo que sus movimientos hubieron de ser rápidos.
Mecánicamente, la rapidez de movimiento de cada elemento (cabeza, cuello o
tórax) estaría dada por la expresión:
rV ×= ω Ecuación 4.
En donde ω es la rapidez angular y r vendría a tomar los mismos valores del
término b de la ecuación 2.
19
En el aspecto de velocidad inciden directamente las dimensiones y masas que
devienen de la forma de la estructura. Debido a la premisa de respetar el aspecto
estético se llegó a obtener un armazón que resultó inestable porque este cuenta
únicamente con dos puntos de apoyo (sus patas). Esto pudo haberse solucionado
empleando a la cola como tercer punto de apoyo. Sin embargo de esto se
descartó la idea por sugerencia del encargado del terminado artístico quien
sugirió se colocase a esta en forma tal que no colabora a la estabilidad del
sistema mecánico. Como consecuencia el esqueleto metálico es susceptible de
vibrar y balancearse notablemente cuando, por ejemplo, alguien sacude alguna
de sus partes. Si ese balanceo fuera muy fuerte o permanente dañaría
definitivamente a la maqueta. Es por ello que se planteó la necesidad de trabajar
siempre con velocidades lo suficientemente bajas como para no provocar grandes
balanceos pero lo suficientemente altas como para respetar el aspecto biológico.
El siguiente cuadro muestra las velocidades sugeridas por la persona encargada
de la parte mecánica con las que se logra alcanzar un punto medio entre la
mecánica y la biología.
Elemento Velocidad lineal
(m/s)
Velocidad
angular
(rad/seg)
Velocidad en rpm
Cabeza 1 1,2 11,5
Cuello vertical 1 0,5347 5,1
Cuello
horizontal
0,5 0,33 3,14
Tórax 0,35 0,13 1,30
Cuadro 2.
Como se observa, se requieren velocidades angulares muy bajas (sobretodo si
tomamos como referente las velocidades que desarrolla un motor eléctrico).
20
2.1.3 ALCANCE DEL PROYECTO
Se busca que la presente maqueta resalte por la capacidad de interaccionar con
sus espectadores (el grado de interacción al que se ha llegado es detallado en
capítulos posteriores). Con este planteamiento resulta necesario desarrollar un
sistema que opere mediante sensores de presencia y que sea flexible,
entendiéndose como flexibilidad (para este sistema) a la libertad que haya tanto
en posicionamiento como en velocidad.
Al término de este breve análisis se concluye que los actuadores a emplearse
deberían contar con las siguientes características:
• Operar a bajas velocidades
• Que no den giros completos
• Que, de preferencia, permitan un posicionamiento continuo a lo largo de la
trayectoria de desplazamiento
Con estos precedentes ahora se puede determinar la mejor opción para
actuadores.
2.2 SELECCIÓN DE LOS ACTUADORES A EMPLEARSE
Al hablar de actuadores se hace referencia a los diferentes tipos de motores, los
cuales son de dos clases: tipo pistón y rotativos.
Del primer tipo se tienen a su vez pistones hidráulicos y neumáticos. Del segundo
tipo únicamente se ha considerado a los motores eléctricos. El motor hidráulico es
de gran potencia, puede mover masas considerables. Existe prácticamente
libertad total de posicionamiento (se puede regular la contracción o extensión del
pistón). No emite ruidos molestos. Sin embargo el sistema hidráulico podría
resultar algo lento (para esta aplicación no es relevante) y es de muy alto costo.
El motor neumático al igual que anterior puede llegar a mover grandes masas.
21
Además resulta de un costo mucho menor que el motor hidráulico, pero resulta
incómodo por la cantidad de ruido que genera.
Por último, el motor eléctrico es de muy alta velocidad para este tipo de
aplicaciones. Además su movimiento rotativo no aplica a los movimientos
anatómicos, los cuales no describen giros completos. Sin embargo son de relativo
bajo costo (dependiendo de la potencia que se requiera del mismo) y mediante
arreglo de engranes puede llegar a mover grandes masas a reducidas
velocidades, aunque este último arreglo mecánico puede llegar a ser muy
costoso. Por último, no tiene limitaciones para posicionamiento y, si la carga
mecánica lo permite, tampoco para cambios de velocidad o inversión de giro.
Con estos precedentes es que finalmente se decidió inclinarse por la opción de
motores eléctricos, debido a que:
• Mecánicamente se reducirían las cargas a ser movidas colocando arreglos de
engranes para aumentar la capacidad de torque de los motores, con lo que a
su vez se reduce la potencia que requeriría el motor.
• Por la capacidad de posicionamiento continuo y de variación de velocidad.
• Porque son estéticamente apropiados (no generan ruidos molestos).
• Y principalmente porque este arreglo motor-engranes resulta ser de una
relación costo-beneficio más conveniente en comparación con los otros casos
expuestos.
2.3 ANÁLISIS PARA ENCONTRAR LA POTENCIA MÍNIMA
REQUERIDA PARA MANEJAR A LOS ELEMENTOS MÓVILES
Una vez que se ha inclinado por motores eléctricos queda ahora por determinar la
energía que estos requerirán para su funcionamiento.
22
La potencia de salida de un motor está dada por la ecuación
ωτ ×=P Ecuación 5.
Analicemos ahora las masas relacionadas a cada movimiento. Para ello
considérese la siguiente figura.
Figura 11.
Cabe recalcar en este punto que a este esqueleto metálico se le recubrirá con
fibra de vidrio, pieles de látex y malla metálica, siendo esta última la que
sostendrá a los elementos anteriores. Sin embargo, para instalar esta malla se
requiere crear los volúmenes anatómicos del animal, situación que se logra
colocando varilla en forma de costillas a lo largo de la estructura. Por último,
adicional a estas cargas se debe considerar también el peso del equipo
23
electrónico que se instalará: cada uno de los ejes de movimiento (figura 10)
implican la existencia de un motor; además de que, por facilidad para su acceso,
se determinó colocar las tarjetas de control en el volumen de la cabeza.
Con estos precedentes, se tiene los siguientes valores para las masas de la figura
11:
Masa 1 8 Kg.
Masa 2 22 Kg.
Masa 3 8 Kg.
Cuadro 3.*
*Información proporcionada por la persona que construyó el módulo.
En donde el valor de la masa 2 considera el contrapeso necesario para equilibrar
a la masa 1.
Ahora, al sustituir la ecuación 3 en la ecuación 5 se puede calcular la potencia
mínima necesaria para lograr mover a cada elemento de esta maqueta. De
acuerdo al tipo de material que se emplearía para construir los engranes, a la
envolvente que estos tendrían y al de templado que se les proporcionaría, la
persona encargada de la mecánica consideró adecuado tomar un µ de 0,1:
( )
ωωωµ
ωωτ
××=××××=××××=
××=×=
bm
bm
bgm
bFr
P
1,010
Expresión que resulta de considerar un valor de 2
10s
m
para la aceleración de la
gravedad. Ahora, al evaluar los valores del cuadro dos y la ecuación 4 en la
expresión arriba encontrada:
24
ωω
ω
××=
××=v
m
bmP
vmP ×= Ecuación 6
Con lo que para los motores de los ejes 1 y dos se tendría
WmP ≈
Y para los otros dos motores
WmP2
1≈
En donde m será la sumatoria de todas las masas asociadas a cada motor (por
ejemplo, para calcular la potencia del motor del eje cuatro se deberán sumar las
masas 1, 2 y 3).
Esto determina que:
• El motor en el eje uno debe suministrar una mínima potencia de 12 W;
• El motor en el eje tres una de 20 W; y,
• El motor en el eje cuatro una de 24 W
Para el caso de la masa dos se consideró al contrapeso para equilibrar a la masa
uno. Es de esta manera que el motor en el eje dos deba mover 24 Kg., es decir
tenga que al menos proporcionar 24 W.
Nótese que estas potencias fueron calculadas con el supuesto de que
mecánicamente se reducirían las velocidades de salida de los motores hasta los
valores expuestos en el cuadro 2. La potencia de salida de una máquina viene
dada por el producto entre la velocidad y el torque que esta proporciona (ecuación
5), pero para esta aplicación únicamente es determinante el aspecto del torque; si
no se suministra un torque mínimo, simplemente la estructura no se mueve y la
25
fuente de energía sufre las consecuencias de encontrarse alimentando a un motor
bloqueado. Además, como se puede apreciar en el cuadro 2, aunque se tuvieran
velocidades angulares muy bajas, las velocidades tangenciales igual serían altas,
debido a las longitudes del animal (ecuación 4).
Con este precedente, lo que se buscó fue conseguir motores que al reducir sus
velocidades de salida a los valores del cuadro 2 proporcionaran un valor de torque
semejante a los expuestos en el siguiente cuadro. Estos valores se calcularon de
acuerdo a la ecuación 2, a los valores del cuadro 1 y a los del cuadro 3.
Elemento Torque (Nm)
Tórax 98,04
cuello horizontal 56,1
Cuello 33,4
Cabeza 6,64
Cuadro 4.
26
CAPÍTULO 3.
DESARROLLO DEL SISTEMA DE CONTROL
Determinadas las condiciones mecánicas de la estructura queda ahora por
explicar en el presente capítulo el desarrollo del sistema electrónico encargado de
manejar a los diferentes elementos móviles de acuerdo a los objetivos planteados
para esta maqueta.
Del alcance expuesto en el capítulo anterior se puede entrever las siguientes
implicaciones para el sistema a implementarse:
1. Implementar arranques suaves para cada motor.
2. Capacidad de inversión de giro.
3. Capacidad de funcionamiento en lazo cerrado mediante sensores de
presencia.
Situaciones que pueden cubrirse mediante un sistema basado en
microcontroladores y motores de continua.
Un sistema de control cuenta con los elementos que se presentan en la figura 12;
los cuales a su vez están jerarquizados de la forma como se indica en el gráfico.
Figura 12.
SENSORES CONTROLADOR ACTUADORES
27
Del desarrollo del capítulo anterior se obtiene que la parte correspondiente a los
actuadores es determinante en el planteamiento del sistema. Por ello es que se
inicia desde ese punto.
3.1 MANEJADOR DE LOS ACTUADORES
Obtener arranques suaves y variación de velocidad implica la posibilidad de variar
el voltaje DC de alimentación. Para conseguir esto existen algunas opciones, en
donde la mayoría de estas se basan en el empleo de transistores. Sin embargo de
esto se ha optado por un puente rectificador semicontrolado. Específicamente, el
circuito empleado es el que se muestra en la figura 13.
GN
D C
ON
TRO
L
SEÑAL DE DISPARO
GN
D C
ON
TRO
L
SEÑAL DE CONTROL
6
5
4
1
2
OPTODARLINGTON
ECG 3082
SCR1ECG 5466
SCR2ECG 5466
D11N4007
D21N4007
RL1OMI-SH-205L
12 VAC
SECUNDARIO DE TRANSFORMADOR DE110 A 12
R DE DISPARO100
D31N4001
D41N4001
R1100
MOTOR DC
Figura 13
El voltaje que alimenta al motor proviene del puente formado por los diodos D1 y
D2 en conjunto con SCR1 y SCR2. Los rectificadores D3 y D4 vienen a
proporcionar el voltaje necesario para lograr encender a los SCR. El
optoacoplador aísla la señal del microcontrolador. La resistencia de disparo
proporciona a la compuerta la corriente necesaria para provocar la conducción;
28
R1 sirve para filtrar ruido entre la compuerta y el cátodo. Finalmente, el relé
colocado a los terminales del puente proporciona el cambio de polaridad para la
inversión de giro. Las características de estos elementos dependerán de las
propiedades de los motores que se empleen. En la sección 2.3 del capítulo
anterior se describen las condiciones mínimas necesarias para cada máquina.
Con ese precedente es que se consiguieron los motores que a continuación se
describen (todos cuentan con salida reducida):
Cuadro 5.
5 Este valor resulta de convertir 51 lbf*in a Nm 6 Este valor resulta de convertir 51 lbf*in a Nm
No. Ubicación del
motor
Descripción Voltaje d e
alimentación
(V)
Velocidad
al eje de
salida
RPM
Potencia
(W)
Torque
1 Motor de la
cabeza
Motor de imán
permanente
24 40 * *
2 Motor del cuello
vertical
Motor de imán
permanente
(de plumas de
automóvil)
12 39 * *
3 Motor del cuello
horizontal
Motor paralelo 115 130 93,21
(1/8 Hp)
6,3 Nm5
4 Motor del tórax Motor paralelo 115 130 93,21
(1/8 Hp)
6,3 Nm6
29
Figura 14
Motor 1. Motor 2.
30
Motor 3. Motor 4.
Figura 15.
3.1.1 DISEÑO DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA
Comencemos por analizar las condiciones de trabajo de los motores del tórax y
cuello horizontal (ambos son motores iguales).
Las ecuaciones que describen el funcionamiento de una máquina de DC son las
siguientes:
RaIaVtaEa ∗−= Ecuación 7
0If
IfKvEa ω∗= Ecuación 8
0If
IfIaKt ∗=τ Ecuación 9
En donde
Ea es el voltaje contra electromotriz
Vta el voltaje de alimentación
Ia la corriente de armadura
Ra la resistencia de armadura
Kv y Kt son dos constantes de igual valor y que dependen de la máquina
31
If es la corriente de campo
0If La corriente de campo nominal
Con estas ecuaciones analicemos el funcionamiento de los motores a condiciones
nominales.
Figura 16
Imagen de la una de las placas de los motores
La resistencia de campo se puede determinar mediante un óhmetro. El valor que
se obtuvo para estos motores fue de 600 Ω. Eso nos indica que la corriente de
campo debe estar en el orden de
Af
Rf
VtaIf
2,0600
115 ≈=
=
32
Adicionalmente, como dato de placa, se tiene que la velocidad del motor antes del
reductor es de 1725 rpm, lo que nos da una relación de reducción de
099,01725
173 ===entrada
salidareducciónK
ωω
Valor con el que se puede calcular el torque al eje del motor mediante la siguiente
relación.
NmK reducciónsalidaeje 632,0099,0*3,6* === ττ
El valor nominal de la corriente de alimentación es de 1,2 A (dato de placa). Si se
considera que en este caso If es igual a 0If se puede obtener el Kv mediante la
ecuación 9.
632,0)2,02,1(632,0 =⇒−∗= KtKt
Ahora, al reemplazar la ecuación 8 en la ecuación 7 (con la consideración de que
el valor de la corriente de campo es la nominal) se obtiene
Ω=⇒×+××=
×+×=
8,01260
1725632,0115 RaRa
RaIaKvVta
π
ω
De la ecuación 9 se observa que entre la velocidad y la corriente de campo existe
una relación inversa. Así, si se quisiera reducir la velocidad mediante variar el Vta
manteniendo la conexión paralelo, el resultado sería que la carga no llegaría a
moverse, si el voltaje fuera muy bajo; o, que arrancaría a una velocidad cercana
a la nominal (al disminuir Vta también disminuye If con lo que aumenta ω). Para
superar este inconveniente se alimentó independientemente al devanado de
campo mediante un rectificador de onda completa a 110 Vac.
El valor de voltaje DC de una forma de onda que no es continua pura y que es
periódica viene dada por la expresión:
33
∫=T
dttfT
Vdc0
)(1
Ecuación 10.
Donde
T Es el valor del período de la onda
f(t) Es la función matemática que representa a la onda
Con lo que se obtiene un valor de Vdc de
( )
V
ttsenVdc
03,99
21101
0
=
= ∫π
ωωπ
Que es cercano al nominal por lo que en adelante se considerará que If = 0If . Al
asumir esto se puede plantear la siguiente relación, con base en la ecuación 9, y
que permite calcular la corriente de armadura que se tiene con la carga
especificada en el cuadro 4, considerando que ese valor de torque debe dividirse
para 16 por esa la relación de engranes que se colocó.
AIaIa
Ia
Ia
96,01
12,6
3,62
2
2
1
2
1
=⇒=
=ττ
Finalmente queda por evaluar la ecuación 8 en la ecuación 7 considerando los
valores calculados y el valor de velocidad para este elemento expuesto en el
cuadro 2. Nótese que a este último valor hay que multiplicarle por el valor de
reducción de los engranes que se colocaron y dividirle para el valor del K de
reducción para así tener todos los valores evaluados al eje del motor
34
V
RaIaK
Kv
RaIaEaVta
reducción
87,13
8,096,0099,0
1663.013,0
16
=
×+××=
×+×=
×+=ω
Como se observa el valor de Vta es casi un décimo del nominal. Esto vino a
sucederse porque la idea inicial era colocar engranes que redujeran las
velocidades nominales a los valores del cuadro 2. Sin embargo de esto la
relación de reducción que se colocó finalmente fue demasiado baja (de 16), lo que
determinó se deba reducir la velocidad electrónicamente.
Este valor de voltaje permitió la libertad de alimentar al puente rectificador desde
un transformador de 12 Vac en el secundario, acción con la que se logra obtener
un voltaje cercano al calculado junto con una mayor libertad en el rango de
disparo para los SCR (si se hubiera alimentado al puente con el voltaje de red el
ángulo máximo de disparo habría estado alrededor de los 164°).
Con esta última consideración, los SCR en nuestro rectificador se verían
sometidos a las siguientes condiciones:
Voltaje pico directo: 16,97 V
Voltaje pico reverso: 16,97 V
Ith: 0,96 A
Condiciones que no requieren de elementos de alta potencia. A pesar de esto,
debido a las limitaciones del mercado local, hubo que optarse por el elemento
ECG 5466. Las características del mismo son:
Voltaje RMS: 600 V
Ith: 10 A
Potencia que disipa: 0,5 W
Igt max: 15 mA
35
Igt min: 2 mA
Vgt max: 1,5 V
Que aunque resultan por demás exageradas, por lo menos garantizan robustez
en el sistema.
Todo lo hasta aquí desarrollado en el presente capítulo se realizó con la idea de
determinar los elementos de potencia para manejar a los motores. Después de
este primer análisis, y debido a los niveles de voltaje de los otros tres motores
(cabeza, cuello horizontal y vertical), queda evidente que al final se llegaría igual a
determinar el empleo del elemento arriba descrito.
Faltaría entonces por dimensionar a los diodos de la figura 13. Para determinar
sus características primero se debe analizar el circuito de disparo que se empleó.
3.1.2 CIRCUITO DE DISPARO
El disparo se basa en un PWM de ancho de pulso variable y sincronizado con la
red. Ese circuito se lo puede observar en la figura 13. Para aislar la referencia del
controlador de la de la parte de potencia se empleó un opto acoplador. El
elemento utilizado fue el ECG 3082 (H11B1) el cual se trata de de un arreglo opto
darlington – led. Se optó por este elemento por la idea de obtener una buena
saturación del transistor sin exigirle una considerable cantidad de corriente al
microcontrolador. Las características del opto aislador son:
LED
Voltaje reverso 3 V
Corriente Directa-Continua 60 mA
TRANSISTOR DARLIGTON
Voltaje colector emisor 25 Volts
Corriente de colector (Continua) 100 mA
36
Figura 17.
La figura 17 es la curva que muestra la relación entre la corriente de entrada al led
y la de salida en el transistor (I de colector) [3]. Si se considera entonces que
para garantizar la conducción de los SCR se debería tomar un valor para Igt de 15
mA y que se trabajará en un ambiente de temperatura alrededor de los 25° C, se
observa que la corriente del led debe superar los 10 mA. Esto indica que una
buena opción dentro la gama de microcontroladores existentes en el mercado
nacional es la familia de los PIC, por su capacidad de suministrar hasta 25 mA por
pin [4]7. Con respecto a la corriente por el led en base a lo expuesto en las líneas
superiores, seria adecuado considerarla de 15 mA.
7 Microchip indica en sus hojas de datos que el máximo total de corriente que puede suministrar un microcontrolador PIC es de 200 mA.
37
GND
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-4
RA4/T0CKI6
RA5/AN4/SS7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL 18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP1 20
RB7/PGD 40RB6/PGC 39
RB5 38RB4 37
RB3/PGM 36RB2 35RB1 34
RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25
RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
U1
PIC16F877
LED DEL OPTOACOPLADOR
R DE DISPARO
270
Figura 18
La figura anterior muestra el circuito equivalente en el lado del microcontrolador.
Ahora, de acuerdo al anexo 2, el voltaje de barrera del led está en relación con la
corriente que circula por el mismo en la forma como se muestra en la siguiente
figura.
Figura 19
38
Para el valor de 15 mA en el led se tiene un voltaje de barrera de
aproximadamente 1,2 voltios, con lo que en el circuito de la figura 18 la resistencia
tendría un valor de
( ) Ω=−=−
== 3,25315
2,15
mA
V
I
VV
I
VR
R
LEDDD
R
R
Por lo que se tomó un valor normalizado de 270 Ω. Al revisar nuevamente la curva
de la figura 17 se obtiene que para la corriente asumida la corriente de colector es
de aproximadamente 18 mA. En la figura 20 se observa que para la corriente de
15 mA que se asumió se obtiene un voltaje colector emisor de aproximadamente
0,5 voltios.
Figura 20
Ahora de la figura 13 se observa que cuando los tiristores son disparados el
colector y el emisor del opto darlington se colocan a casi el mismo voltaje, por lo
que la corriente que circula por el transistor disminuye aunque en un inicio haya
sido alta. Además se debe considerar el hecho de que el transistor no conducirá
hasta que el voltaje aplicado sea mayor que los 0,5 voltios de Vce más el valor de
la resistencia de disparo multiplicado por la corriente de colector. Con este último
punto queda claro que con este circuito se obtiene una zona muerta, la que podría
reducir considerablemente el valor de Vdc por el nivel del voltaje al que se piensa
trabajar (12 V). Lo adecuado sería entonces escoger un valor de resistencia los
suficientemente bajo para disminuir la zona muerta pero lo suficientemente alto
39
para que no exista una corriente Ic muy alta cuando el ángulo de disparo esté
cerca de 90° (en este valor se presentaría el máxim o valor de corriente). Para que
los SCR se enciendan requieren de mínimo 2 mA y un tiempo de encendido de 70
µs. Con este último valor si tomamos la corriente de colector DC máxima [3] que
soporta el optoaislador (al no encontrarse un valor pico máximo de Ic en su hoja
de datos) y si se asume que prácticamente los cátodos del puente semicontrolado
después de encenderse quedan al mismo voltaje de los cátodos de los diodos D3
y D4, se tendría para un ángulo de disparo de 90°
DISPAROpico R
Ic212= Ecuación 11.
Ω=⇒=== 169212
100212
DISPARODISPARODISPARO
pico RR
mAR
Ic
Con este último resultado se puede escoger con un margen de libertad una
resistencia alrededor de 169 Ω (esto porque se ha considerado al valor DC como
si fuera el valor pico). Si se toma una resistencia de 100 Ω se obtiene
mAIc pico 169100
212 ==
VmAVVV disparoRCEBARRERA 7,010025,0 =×+=+=
Valores que finalmente resultan aceptables.
De regreso sobre las condiciones de los diodos D1 y D2 se tendría que la
corriente máxima que habrían de soportar sería de
AmAAIII CSCRD 2,1169121 ≈+=+=
40
Por lo que se escogió el diodo 1N4007 que soporta hasta una corriente de 2 A8.
Para los diodos D3 y D4 se requeriría un elemento de apenas 0,2 mA de corriente
nominal por lo que se empleó el diodo 1N4003 de 1 A de corriente nominal.
Finalmente, para completar la descripción de la circuitería presente en el
esquemático que se muestra en la figura 13 se procede a describir el circuito de
activación para los relés para inversión de giro.
3.1.3 INVERSIÓN DE GIRO
Figura 21.
Como se mencionó, la activación de un relé provoca se invierta el giro de cada
motor. Para energizar a dicho relé se empleó el circuito indicado en la figura
anterior.
Como se observa se emplearon relés de 12 Vdc de alimentación. El diodo se
emplea para que la corriente remanente de la bobina se encierre cuando se abra
el transistor. Este último elemento más que soportar una cantidad corriente debe
8 Dato obtenido del manual ECG
41
ser rápido para que el microcontrolador no se vea afectado por el transitorio. Por
ello se utilizó el diodo 1N4148.
La resistencia de la bobina de los relés empleados fue medida mediante un
óhmetro y arrojó un valor de 180 Ω. Esto indica que la corriente por la bobina de
este elemento debe estar en el orden de
mAV
I lé 66180
12Re =
Ω=
Ahora, para que el transistor conduzca con una corriente de colector de 100 mA
su ganancia de corriente es de 30 [9], por lo que la corriente de base debe ser de
mAmA
IhII BasefeBaseC 33,330
100 ==⇒×=
Por lo que finalmente el valor de R3 sería de
Ω== 150133,3
53 mA
VR
Tomando un valor normalizado de 1,4 kΩ.
Al final de esta primera parte se tiene dimensionados todos los elementos para
manejar la potencia del sistema. El circuito esquemático y el impreso se pueden
observar en el anexo 4. En la figura 22 se observa cómo este circuito quedó
instalado en la estructura mecánica.
42
Figura 22.
3.2 SENSORIZACIÓN
De la sensorización viene a depender el grado de interacción que tenga la
maqueta con los espectadores. Es por esto que primero hay que definir
claramente las condiciones a las que se quiere llegar. Para los directivos del
museo el simple hecho del movimiento les resulta suficientemente atractivo. Sin
embargo se ha planteado el objetivo de que la maqueta logre regresar a ver a sus
observadores.
Esta condición determinó que se emplearan dos tipos de sensores:
fotorresistencias LDR y un sensor de movimiento empleado en sistemas de
seguridad (acondicionado). La idea es que los LDR al proporcionar una señal
continua indicarían cuando el módulo se encuentre ingresando en un área con
sombra, para que el microcontrolador reduzca la velocidad del sistema. El sensor
de alarmas en cambio indicaría si realmente tal oscuridad es provocada por un
43
objeto que se encuentre delante de la maqueta. Cuando los dos tipos de sensores
coincidan en detectar la presencia de un objeto el controlador procedería a
ejecutar su rutina de interacción. Adicionalmente se implementó finales de carrera
para evitar que los motores giren un ángulo mayor al mecánica y biológicamente
permitido.
3.2.1 FINALES DE CARRERA
Mecánicamente cada motor se halla impedido de girar a su elemento asociado un
ángulo mayor a 70° (los grados de libertad varían e ntre los diferentes ejes). Para
evitar el bloqueo de los motores y un posible daño del armazón es que se han
colocado finales de carrera a razón de dos por cada límite de movimiento. De
estos, uno se encarga dar aviso al controlador de que debe detener el giro en ese
sentido. Para evitar los rebotes se colocó un arreglo resistencia – condensador
como el que se muestra en la siguiente figura.
GND
R110 k
RA0/AN0 2
RA1/AN1 3
RA2/AN2/VREF- 4
RA4/T0CKI 6
RA5/AN4/SS 7
RE0/AN5/RD 8
RE1/AN6/WR 9
RE2/AN7/CS 10
OSC1/CLKIN 13
OSC2/CLKOUT 14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40RB6/PGC39RB538RB437RB3/PGM36RB235RB134RB0/INT33
RD7/PSP730RD6/PSP629RD5/PSP528RD4/PSP427RD3/PSP322RD2/PSP221
RC7/RX/DT26RC6/TX/CK25RC5/SDO24RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+ 5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV 1
MICROCONTROLADOR
PIC16F877A
V15VALIMENTACION DEL PIC
C11u
FC
Figura 23
De acuerdo a las especificaciones de la Microchip se recomienda que en el
circuito de reset se emplee una resistencia de valor menor a los 40 kΩ. De igual
manera muestra en su tabla 17-2 en la sección de Especificaciones del Voltaje de
44
Referencia que el máximo tiempo que se demora en reconocer un cambio de
voltaje es de 400 ns. Con estos precedentes sumados al objetivo de que se quiere
filtrar los rebotes a los pines de entrada del controlador, se debería optar por un
tiempo de retardo alto. Considerando un tao de 10 ms y un valor para R de 10 kΩ
se tendría
FCCkms
CR
µτ
11010 =⇒×Ω=×=
El segundo final de carrera en cambio se trata de una seguridad adicional. Este se
halla en serie con un diodo y con la alimentación del su respectivo motor. Su
función es evitar el bloqueo de la máquina, en el supuesto de que el PIC llegara a
fallar. El propósito del diodo es permitir el paso de energía únicamente cuando la
alimentación lo polarice directamente. Así, cuando el motor llegue a un extremo
final de movimiento y se active el interruptor colocado en ese punto, su
energización permanecerá interrumpida hasta que se invierta la polaridad del
voltaje de alimentación (es decir, hasta que se le ordene al motor girar hacia el
lado contrario al que se encuentra). Vale aclarar el hecho de que las polaridades
de diodos y giros están en concordancia. Por ejemplo, si con una polaridad
positiva el motor gira hacia la derecha, el final de carrera derecho estará en serie
con un diodo cuyo cátodo estará conectado a tal motor. En la figura 24 puede
observarse todo este detalle.
SENAL DE CONTROL
GND CONTROL
D1 D2
SCR2ECG 5466
RELÉ PARA INVERSIONSCR1ECG 5466
V112 V ACSECUNDARIO DEL TRANSFORMADOR
FC1
FC 2D3
1N4007
D4
1N4007 MOTOR
12V
Figura 24
45
Finalmente se colocaron finales de carrera en el punto medio de cada trayectoria
horizontal con el objetivo de otorgarle un punto de partida a los elementos móviles
de la estructura. Estos también se hallan acondicionados mediante resistencias y
capacitores.
3.2.2 FOTORRESISTENCIAS
Se implementaron 3 fotorresistencias, con el propósito de que la que se encuentre
en el centro detecte presencia y las laterales indiquen el sentido de giro del
sistema. Como se mencionó, la idea de los LDR es detectar un decremento de
luminosidad con respecto al valor al valor anterior que hayan detectado. Con esta
consideración no importa el valor en sí que detecten. Para acondicionarlas se
colocó un divisor de tensión con una resistencia de valor 2.2 kΩ. Para la selección
de esta resistencia se consideró que los LDR tienen una impedancia de
aproximadamente 10 kΩ cuanto están en una oscuridad casi total, que Microchip
recomienda se coloque en ese tipo de arreglos resistencias menores a los 40 kΩ y
que se busca obtener un rango de variación que sea amplio, para que no se
requiera acondicionar el voltaje de salida del divisor de tensión.
GND
R12,2 kRESISTENCIA PARA DIVISORDE TENSIÓN
LDR2k A 12kFOTORRESISTENCIA COLOCADA EN EL FRENTE DEL MÓDULO
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-4
RA4/T0CKI6
RA5/AN4/SS7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL 18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP1 20
RB7/PGD 40RB6/PGC 39
RB5 38RB4 37
RB3/PGM 36RB2 35RB1 34
RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25
RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
U1
PIC16F877A
V15VALIMENTACION DEL PIC
Figura 25
46
Estas tres fotorresistencias se hallan conectadas a tres entradas análogas del
microcontrolador y fueron colocadas en el frente de la estructura, tal como se
muestra a continuación.
Figura 26
3.2.3 SENSOR DE ALARMAS
Este elemento es un detector de movimiento. Lo que hace es dividir el espacio en
su delante en franjas que son revisadas continuamente. Si hay un cambio de
estado entre dos franjas implica algún objeto se está moviendo, con lo que
procede a cambiar de estado a su salida tipo relé (de normalmente cerrada a
abierta). Este elemento fue ideado para cubrir un amplio espacio. Para la presente
aplicación se procedió a limitar su rango de operación bloqueando su pantalla.
Esto tratando de que únicamente detecte a un objeto que se encuentre
precisamente delante de él.
47
La salida tipo relé de este elemento ingresa al RB0 del controlador mediante un
arreglo resistencia - condensador, ambos con los mismos valores que se
emplearon para acondicionar a los finales de carrera.
GND
R110 k
RA0/AN0 2
RA1/AN1 3
RA2/AN2/VREF- 4
RA4/T0CKI 6
RA5/AN4/SS 7
RE0/AN5/RD 8
RE1/AN6/WR 9
RE2/AN7/CS 10
OSC1/CLKIN 13
OSC2/CLKOUT 14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40RB6/PGC39RB538RB437RB3/PGM36RB235RB134RB0/INT33
RD7/PSP730RD6/PSP629RD5/PSP528RD4/PSP427RD3/PSP322RD2/PSP221
RC7/RX/DT26RC6/TX/CK25RC5/SDO24RC4/SDI/SDA23
RA3/AN3/VREF+ 5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV 1
MICROCONTROLADOR
PIC16F877A
V15VALIMENTACION DEL PIC
C11u
SALIDA DEL SENSOR SÓNICO
Figura 27
Como se indica en la siguiente imagen, este sensor viene en una carcasa que
sirve para su instalación en paredes y por lo general en lugares altos. Por esta
condición es que la misma es de considerables dimensiones. Si se intentara
colocar este elemento resultaría difícil ocultar, por lo que se colocó al sensor en el
módulo sin la carcasa, únicamente con su pantalla, tal como se muestra en la
figura 30.
Figura 28.
48
Figura 29.
Vista interior del sensor comercial de alarmas
Figura 30.
Vista del sensor instalado en la estructura.
49
3.3 SONORIZACIÓN
3.3.1 MEMORIA DE SONIDO
Como elemento adicional para realzar la naturalidad de la maqueta se ideó
implementar sonido dentro del sistema. Para esto se empeló el integrado
ISD2560. Este elemento es una memoria de niveles TTL con conversores A/D y
D/A que permite grabar y reproducir sonidos [7]. Para la operación de grabado
requiere que se le conecte un micrófono y para la reproducción que a sus salidas
análogas se le coloque un parlante, siempre y cuando estos elementos se
encuentren dentro de los parámetros especificados por el fabricante. Sus
características pueden observarse en el anexo 1.
La memoria puede funcionar en una de dos formas: con direccionamiento o en
alguno de sus modos de operación. Cuando se emplea el direccionamiento se
debe ingresar la dirección del espacio de memoria que se desea emplear (grabar
o reproducir) en los pines de dirección, los cuales son diez en total. Por otra parte,
para proporcionar una máxima funcionalidad con un mínimo de componentes
adicionales es que esta familia de integrados cuenta con modos de operación.
Para acceder a ellos deben setearse los pines de dirección A8 y A9. En el anexo
1 se describe con más detalle estos aspectos.
En lo que concierne al proyecto se empleó el modo 6 porque este permitió
manejar a la memoria con tan solo tres pines del microcontrolador. En este modo
la memoria cuenta con pines de inicio–pausa, reinicio-paro y una de bandera de
funcionamiento (se setea cuando se está ejecutando una grabación o
reproducción). Cabe destacar que una señal de pausa provoca que se detenga la
operación que se halla en curso sin regresar al inicio del mensaje mientras que la
señal de paro si lo hace. A continuación se muestra la configuración que
recomienda el fabricante para grabar y reproducir mensajes en este modo. Nótese
los niveles de voltaje a los que encuentran cada uno de los pines de dirección de
la memoria y que además los pines de control de la misma cuentan con
50
resistencias de pull up (para activar el inicio o el reinicio solo son necesarios un
flanco negativo y positivo, respectivamente).
Figura 31 [7]
Este modo opera de la siguiente manera:
1. Se debe colocar en un nivel bajo al pin 24, Power Down (PD), el cual viene a
actuar como reincio-parada. Al mismo tiempo se debe setear al pin 23, Chip
Enable (CE), el cual hace de inicio-pausa.
2. En cuanto se coloca un pulso negativo al CE la memoria empieza a reproducir
o grabar según el nivel de voltaje que se encuentre en el pin 27 Play Record (PR).
Con un nivel alto se reproduce y con uno bajo se graba.
3. Después de un tiempo de retardo de encendido se setea el pin 25, End of
Maker (EOM), el cual es la bandera de funcionamiento.
51
4. Después del paso anterior, cualquier pulso negativo al CE pone en pausa la
reproducción o grabación de la memoria. Esta acción provoca que se ponga a un
nivel bajo la bandera de funcionamiento y si se esta grabando que se coloque una
bandera no volátil al final del mensaje. Si no se cambia el nivel lógico en el pin
PR, la siguiente ocasión que se proporcione un flanco negativo al CE se
reanudará el grabado o reproducción desde el espacio de memoria donde terminó
el mensaje anterior (que se estaba grabando o reproduciendo). En cambio, si se
cambia el nivel lógico del pin PR el ISD2560 regresa a su espacio inicial de
memoria con lo que las grabaciones o reproducciones empezarán desde esa
dirección.
5. Una vez que se terminó el mensaje que se reproducía la bandera de
funcionamiento baja automáticamente señalando así que el final del mensaje.
6. Después del paso anterior se vuelve a repetir desde el paso dos para sucesivas
reproducciones o grabaciones.
7. En cualquier instante de este proceso se puede detener-reiniciar a la memoria
con un pulso positivo suministrado al pin PD. Después de esto cualquier
reproducción o grabado se ejecuta desde el inicio de la memoria.
Para el funcionamiento correcto de este elemento hay que considerar dos
aspectos: los niveles de voltaje que se deben y pueden manejar mediante esta
memoria y los tiempos que esta necesita para funcionar adecuadamente. Estos
detalles se pueden apreciar en el anexo 1.
Para manejo de la memoria se emplearon los pines RE0, RE1 y RB6. Los dos
primeros operarían las acciones de inicio/pausa y paro/reinicio mientras que en
RB6 ingresaría la señal de la bandera de funcionamiento.
52
3.3.2 AMPLIFICADOR DE AUDIO
Para simplificar la circuitería a construirse se implementó dentro del sistema un
amplificador de audio comercial de potencia de salida de 8 W. Este amplificador
funciona en base del operacional D2822, elemento creado para aplicaciones de
sonido y que cuenta con dos amplificadores los cuales manejan
independientemente cada parlante, tal como se muestra en el siguiente gráfico
[10].
Figura 32 [10]
La imagen presentada en la figura anterior corresponde al circuito que permite
reproducir la señal que recepta el integrado TEA1330 mediante la amplificación
del D2822. Las señales que ingresan a este último elemento son las
proporcionadas por los pines 4 y 5 del primero. La circuitería que presenta el
amplificador comercial empleado es exactamente la misma (con los mismos
valores) con la diferencia que en vez de encontrarse el receptor de señal
TEA1330 se tiene un conector de audio macho.
53
Lo que en sonido se quiere implementar son dos opciones: que durante el
funcionamiento de la maqueta esta emita sonidos guturales que den la idea de un
animal salvaje, peligroso; y, que cuando esta finalmente encuentre algún
observador le ruja emitiendo un sonido estruendoso9. Para alcanzar esta meta
habría que manejar al menos dos niveles de sonido. De acuerdo al esquemático
presentado en la figura 32 se observa que el control del volumen se basa en la
división de la tensión de entrada que resulta de los valores de los potenciómetros
de 47 kΩ (mecánicamente ambos operan con una única perilla de control). Por
otra parte, la memoria de sonido tiene dos salidas SP+ y SP-, de las cuales la
última viene a conectarse a la referencia del operacional. Entonces, para que
ambos parlantes emitan el mismo sonido hubo que colocar la salida SP+ a la
entrada de ambos amplificadores. Ahora, para obtener la variación de sonido
deseada se conectó en serie con las resistencias de 47 kΩ una resistencia
adicional que vendría a disminuir el divisor del potenciómetro de 47 kΩ. Con este
arreglo lo que se busca es obtener entre un tercio y un cuarto del volumen
máximo que puede proporcionar este amplificador. El nivel máximo de voltaje que
ingresa al amplificador (sin agregarle resistencias) sería
audioaudioaudiooramplificad Vinkk
kVin
POTk
POTVinVin
2
1
4747
47
47=
Ω+ΩΩ=
+Ω=
En donde audioVin es el nivel de voltaje que se obtiene de la fuente de sonido (en la
figura 32 serían los pines 4 y 5 del TEA1330 y en el caso de la memoria las
salidas SP+ y SP-, pines 14 y 15)
Ahora, si lo que se busca es un tercio del volumen máximo
Ω=Ω×=⇒+Ω+
==×= kkRPOTkR
POTVinVinVinVin audioaudioaudiooramplificad 188474
476
1
3
1
2
1
9 Esta última fue una recomendación del personal del museo
54
Tomando un valor normalizado, la resistencia adicional sería de 200 kΩ. Con este
último valor el circuito obtenido sería el siguiente.
D2822 V+
GND
3
21
84
D2822 A
3
21
84
D2822 B
R1
47 k
R2
47 k
POT1
47 k
POT2
47 kC1100 U
C2100 U
SAL
IDA
A S
PK
1S
ALID
A A
SP
K2
R
200 kRESISTENCIA AGREGADA AL CIRCUITO ORIGINAL
SALIDA DE LA MEMORIA DE SONIDO
RELE 1
RELÉ PARA CONTROL DEL SONIDO
Figura 33.
Con este circuito se logra obtener los dos niveles deseados. Para manejarlos
solamente se debe activar / desactivar el Relé 1 de la figura anterior. Cuando este
se halla desactivado R se encuentra en serie con R1 y R2 reduciendo el voltaje de
entrada al amplificador. Si se fija el valor de potenciómetro en su valor máximo se
tendrá un poco menos de un tercio del nivel máximo de voltaje entrada a los
amplificadores. Cuando el relé se activa en cambio se tiene la máxima entrada
que permite el D2822 obteniéndose el máximo volumen.
3.3.3 MOVIMIENTO DE LAS MANDÍBULAS
Finalmente para completar la iniciativa de instalar sonido en el sistema queda por
describir las acciones que se tomaron para obtener el movimiento en las
mandíbulas (ambos aspectos están muy relacionados).
55
Para el movimiento mandibular se ideó un sistema en el cual un pequeño motor
recogería un cable flexible el cual a su vez tiraría de la inferior de las fauces, la
cual se encontraría sujeta al resto de la cabeza mediante un resorte. Esto se
puede observar en la siguiente figura
Figura 34.
El motor en cuestión es de 12 voltios de alimentación y cuenta con salida reducida
a 40 rpm.
Figura 35.
56
Los cuatro motores descritos en el cuadro 5 son los encargados de mover las
masas mayores de la maqueta. Este aspecto se detalla en el capítulo dos y en la
electrónica de potencia que fue descrita al inicio del presente capítulo. A su vez,
esta última fue orientada para soportar trabajo pesado y continuo. Con esta última
idea fue que se optó por SCR en vez de transistores, debido a que de estos
últimos los que se pueden encontrar en el mercado local son muy susceptibles de
dañarse. Sin embargo de esto, resultaba exagerado emplear la misma
configuración para el motor arriba descrito, debido a las condiciones de operación
a las que se vería expuesto. Por esta razón fue que se empleó el siguiente circuito
para su manejo
GND (GND DEL CONTROL)
RA0/AN02
RA1/AN13
RA2/AN2/VREF-4
RA4/T0CKI6
RA5/AN4/SS7
RE0/AN5/RD8
RE1/AN6/WR9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN13
OSC2/CLKOUT14
RC1/T1OSI/CCP2 16
RC2/CCP1 17
RC3/SCK/SCL 18
RD0/PSP0 19
RD1/PSP1 20
RB7/PGD 40RB6/PGC 39
RB5 38RB4 37
RB3/PGM 36RB2 35RB1 34
RB0/INT 33
RD7/PSP7 30RD6/PSP6 29RD5/PSP5 28RD4/PSP4 27RD3/PSP3 22RD2/PSP2 21
RC7/RX/DT 26RC6/TX/CK 25
RC5/SDO 24RC4/SDI/SDA 23
RA3/AN3/VREF+5
RC0/T1OSO/T1CKI 15
MCLR/Vpp/THV1
MICROCONTROLADOR
PIC16F877
Q1
2N3904
R DE BASE
1,4 k
RELÉ PARA INVERSIÓN
V112 VdcAlimentación para relé
MOTOR MANDÍBULAS
12V
Q2
TIP122
R DE DISPARO
330
Figura 36.
Como puede observarse, mediante un transistor de potencia TIP 122 se energiza
al motor y mediante un arreglo basado en un relé (como el detallado
anteriormente) se obtiene su inversión de giro. Por último, para que el controlador
sepa todo el tiempo hasta dónde puede recoger o desenvolver el cable, se
colocaron dos finales de carrera en las posiciones que se muestran en la
siguiente figura acondicionados con el arreglo RC que se empleó anteriormente.
57
Figura 37
3.4 MANEJO DE LUCES
Ahora, para completar el último aspecto técnico del módulo, hubo que
implementarse el manejo de las luces correspondientes a este diorama.
Desde un principio se había pensado en instalar luces adicionales a las existentes
en el lugar para que la iluminación se volviera más uniforme y así obtener una
mejor respuesta por parte de las fotorresistencias. Inicialmente se buscó colocar
estas luminarias a aproximadamente 2 m. de la maqueta, en la parte superior. Sin
embargo de esto, hubo de colocarlas como muestra la figura 39 por ser
estéticamente más adecuado. Esta nueva ubicación de las luces provocó que se
redujera el alcance de los LDR y no corrigió en mucho la uniformidad luminosa.
Las luces que se colocaron fueron 6 en total. Dos reflectores ubicados uno en
cada esquina y al centro cuatro dicroicos. Los reflectores son de 60 W y los
dicroicos de 40 W, lo que nos da una carga de 280 W. Si se considera que todas
las luminarias funcionan a 110 V se tendría una corriente total de
58
aproximadamente 3 A. Se colocó cable No. 14 por ser esa la norma establecida
por la Politécnica para las instalaciones de ese tipo en el museo.
AAIWIVP 5454,2110
280280 ==⇒=×=
Como se mencionara casi al inicio del presente capítulo, los motores que manejan
al tórax y al cuello (horizontal) son motores DC paralelo, que tienen conectados
sus bobinados de campo a un puente rectificador a 110 V. Entonces, para
manejar a las luces y alimentar a los campos de estos motores se colocó un relé
doble manejado mediante un transistor TIP 122 (en reemplazo del 2N3904).
GND
RA0/AN0 2
RA1/AN1 3
RA2/AN2/VREF- 4
RA4/T0CKI 6
RA5/AN4/SS 7
RE0/AN5/RD 8
RE1/AN6/WR 9
RE2/AN7/CS10
OSC1/CLKIN 13
OSC2/CLKOUT 14
RC1/T1OSI/CCP216
RC2/CCP117
RC3/SCK/SCL18
RD0/PSP019
RD1/PSP120
RB7/PGD40RB6/PGC39RB538RB437RB3/PGM36RB235RB134RB0/INT33
RD7/PSP730RD6/PSP629RD5/PSP528RD4/PSP427RD3/PSP322RD2/PSP221
RC7/RX/DT26
RC6/TX/CK25RC5/SDO24RC4/SDI/SDA
23
RA3/AN3/VREF+ 5
RC0/T1OSO/T1CKI15
MCLR/Vpp/THV 1
MICROCONTROLADOR
PIC16F877
RELÉ
V124 VdcAlimentación para relé
TIP 122
R DE BASE
330
DIODO DE CONMUTACIÓN
1N4148
110 VV ACVOLTAJE DE LARED ELECTRICA
BR1
2W005G
+88.8MOTOR TÓRAX
+88.8MOTOR CUELLO
ALIMENTACIÓN DEL PUENTE SEMICONTROLADO
ALIMENTACIÓN DEL PUENTE SEMICONTROLADO
CAMPO
CAMPO
ARMADURA
ARMADURA
LUCES
Figura 38.
59
Figura 39.
3.5 CONTROLADOR CENTRAL
Empecemos por analizar hasta aquí cuántas entradas son necesarias y de qué
tipo deberían ser estas.
• Trece entradas digitales para los finales de carrera.
• Tres entradas análogas para los LDR.
• Una entrada digital para el sensor de alarmas (este tiene salida tipo relé).
• Una entrada digital para el PWM del cruce por cero.
Ahora en cuanto a salidas se tiene
• Cinco para las señales de disparo.
• Cinco para el manejo del sentido de giro.
• Tres para el manejo de la memoria de sonido.
• Una para el manejo del nivel del sonido.
60
• Una para el manejo del relé de luces.
Que en total suman 33 pines, por lo que se realizó el sistema basado en un
microcontrolador PIC 16F877A.
3.5.1 DESCRIPCION DEL MANEJO DE LOS MOTORES
Todo el funcionamiento del controlador está basado en la señal de cruce por cero
que llega a la entrada RB7. Esta a su vez se genera mediante el amplificador
operacional LM 358N el cual trabaja como comparador. El circuito se lo puede
observar en la siguiente figura.
GND
GND
ENTRADA AL CONTROLADOR
PUENTE RECTIFICADOR
2W005GV112 VSECUNDARIO DE TRANSFORMADORDE 110 A 12
R1
4,2 K
R210 K
3
21
84
COMPARADOR
LM358N
R350 K
R41 K
VCC COMPARADOR12 V
VCC DEL CONTROLADOR
5 V
ZENER1N4733A5,1 V
R5330
Figura 40.
El integrado empleado LM 358 utiliza polarización de 0 y 12 V dc. Los valores de
R1 y R2 acondicionan el voltaje de la señal rectificada para que su pico sea de 12
voltios:
61
414,0
71,01
121212
2
1
2
112
2
12
2
=⇒
=+
=+
⇒××+
==
R
R
R
RRR
R
RR
RVinpico
Con esta última relación si se toma una R2 de 10 kΩ R1 debería valer 4,1 kΩ. Se
toma entonces un valor normalizado cercano para R1 de 4,2 kΩ.
Para garantizar que la entrada al PIC siempre estará dentro del rango que este
soporta se colocó un diodo zener de 5,1. Para polarizar al zener se requiere de al
menos 15 mA [5] con lo que se obtiene una valor para R5 de
( ) Ω=−=−
= 34520
1,5125
mA
V
Iz
VzVccR loperaciona
De donde se toma un valor normalizado de 330 Ω.
Para los valores de R3 y R4 se debe considerar el tipo de señal que genera el
amplificador operacional. Esta es de la forma como se muestra en la figura 41.
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
0 50 100 150 200
Figura 41.
En donde la señal obtenida es la rectangular de 5 voltios. Se puede ver que existe
un tiempo de retardo desde que se produce el cruce por cero hasta que se setea
la señal que ingresa al controlador. Este tiempo está dado por el valor del voltaje
62
de comparación que ingresa al LM 358N. Para que este tiempo sea mínimo se
requiere que el voltaje de comparación sea lo mínimo posible. De acuerdo con
hoja de datos este elemento puede trabajar con un mínimo de 3 mV [6] de
entrada. Sin embargo de esto, una entrada tan baja podría ser susceptible de
afectarse por ruido. De esta manera fue que se consideró una entrada de 0,1 V.
4
349
4
31505
43
41,0
R
R
R
R
RR
R =⇒+=⇒
+=
Finalmente, con esta última relación si se asume un valor de 1 kΩ para R4, R3
debería de ser de 49 kΩ. Tomando un valor normalizado para R3, esta sería de
50 kΩ.
Este PWM viene a funcionar como señal de “reloj” para el sistema. Se lo
implementó en la entrada RB7 configurando la interrupción por cambio de estado
en los MSB del PORTB. La importancia del mismo radica en que para disparar a
los SCR de cada puente semicontrolado se requiere que haya sincronización con
la red de alimentación.
3.5.1.1 Descripción del programa para el manejo de los motores
Como se indicó líneas arriba el manejo de los motores está basado en la señal de
cruce por cero que ingresa a RB7. Para la operación de cada motor cada uno de
estos cuenta con tres registros asociados (a excepción del motor de mandíbulas
que cuenta con dos), los cuales se detallan en el siguiente cuadro.
63
Nombre del Byte Función Bits que emplea
CONTROL Sus LSB están asociados uno a cada
motor y se constituyen en la señal de
encendido/apagado de estas máquinas
0-4
K (1, 2, 3, 4) Estos registros contienen el valor de la
rampa de aceleración de cada motor.
0-7
SPD (1, 2, 3, 4, 5) Estos registros contienen el valor del
ángulo de disparo de cada motor
0-7
Cuadro 6.
A cada motor se asignó un bit del registro CONTROL. Cuando alguno de estos
bits se setea el correspondiente motor empieza a funcionar. Esta acción se la
realiza mediante la señal de cruce por cero y el TMR0. Cuando hay interrupción
por cambio de estado en el RB7 el controlador revisa si el cambio ha seteado al
pin. En caso de ser así carga al TMR0 con el valor 0x17 y lo enciende. Cuando
se produce la interrupción del temporizador se incrementa un registro llamado
TIMER y vuelve a cargar el valor 0x17 en el TMR0. Después de esto se revisa
cuál o cuales motores deberían encenderse, chequeando los bits del registro
control. Si encuentra que algún motor debe funcionar compara el valor del registro
TIMER con el registro SPD correspondiente a tal motor, que contiene el valor del
ángulo de disparo para sus SCR. Si esos dos valores son iguales procede a
setear el pin que maneja a los rectificadores controlados que alimentan a esa
máquina. El TIMER0 continua funcionando hasta que el registro TIMER alcanza el
valor de 30, momento en el cual se apaga al temporizador. Antes de este punto el
TIMER0 no es apagado a menos que el programa principal requiera que la
maqueta se detenga totalmente. Estas operaciones pueden apreciarse de mejor
manera en el siguiente diagrama
64
Figura 42.
El valor con que se carga al temporizador (0X17) es para proporcionarle suficiente
tiempo al microcontrolador para que revise a todos los motores sin que antes se
desborde nuevamente el TIMER0. A su vez este valor viene proporcionar 35
valores para el ángulo de disparo de cada motor (aunque aquí solo se emplean
hasta 30). Esto se puede ver en la siguiente expresión si se considera que
cargando al TMR0 el valor 0x17 este cuenta 232 ciclos de máquina y que el cristal
que se empleó fue de 4 Mhz:
Hzmsmss
120
133,8120,823235 =≈=× µ
Por otro lado, cuando se tiene una interrupción por un cambio a cero del RB7 el
controlador apaga a todos pines de disparo que el programa principal indique no
deban permanecer encendidos. Esto último sucede si se requiere que alguna
máquina desarrolle su máxima velocidad (de acuerdo al cuadro 2). Además, en
esta parte del programa el microcontrolador refresca el valor de resistencia de los
LDR. En cambio, para obtener los arranques suaves de cada motor, cada vez que
65
se produce la interrupción por cambio a estado alto en el RB7 se incrementa un
registro auxiliar, el cual cuando alcanza el valor del registro K asociado a cada
motor, hace que se proceda a decrementar los registros SPD de los motores que
el registro CONTROL indique deban estar encendidos. En cambio para el frenado
en vez de decremementar a los registros SPD se los incrementa.
3.5.2 TARJETA PRINCIPAL DE CONTROL
De acuerdo con todo lo expuesto hasta este punto, quedan claros todos los
elementos con que debería contar la tarjeta de control. A continuación se
muestran imágenes de cómo quedó instalada en el módulo. El esquemático y el
circuito impreso finalmente empleados se los puede observar con detalle en el
anexo 5.
Figura 43.
66
Figura 44.
3.5.3 ALGORITMO DE CONTROL
Una de las metas que se buscó implementar fue que el sistema se encienda
automáticamente cuando detecte movimiento en su frente y que de la misma
manera se apague cuando no haya ningún observador presente. Para esto se
empleó que se colocó la salida del sensor de alarmas en el pin RB0, con el
propósito de que el microcontrolador se halle en SLEEP todo el tiempo, siendo la
interrupción externa la encargada de despertarlo.
Además se empleó en el RB6 la bandera de funcionamiento de la memoria de
sonido para que el PIC supiera cuando se está reproduciendo y cuando se ha
detenido la reproducción.
Con esta explicación previa, el algoritmo de control implementado fue el siguiente:
67
INICIO
SETEO DE REGISTROS, ENTRADAS Y SALIDAS
¿ESTÁ EL MÓDULO
CENTRADO?
CENTRAR ELEMENTOS MÓVILES
ESPERAR 50 SEGUNDOS (HASTA QUE EL SENSOR DE ALARMAS SE SETEE)
SE ACTIVA INTERRUPCION EXTERNA Y SE APAGAN LAS LUCES PIC ENTRA EN SLEEP
¿SE PRODUJO INT. EXT.?
NO SI
NO
ENCENDIDO DE SONIDO, MOVIMIENTO DE MANDÍBULAS Y CABEZA
ENCENDIDO DE LUCES
SUBRUTINA. EMPIEZA A MOVER LA CABEZA, CUELLO Y TÓRAX HACIA UNO DE LOS LADOS. CUANDO LLEGA AL EXTREMO DE MOVIMIENTO MUEVE LA CABEZA DE LADO A LADO DOS VECES MIENTRAS QUE ELEVA EL CUELLO. REPITE ESTA ACCIÓN HACIA EL LADO CONTRARIO
SI
68
Adicional a este flujograma cabe destacar que cada vez que el animatronic
empieza a buscar objetos se guía por los LDR laterales para determinar hacia qué
lado existe menos luminosidad. La idea es que tal oscuridad sea producida por la
presencia de algún observador. Finalmente, el programa chequea todo el tiempo
el estado de las entradas asociadas a cada final de carrera, de tal suerte que si
EMPIEZA A BARRER EL ESPACIO EN FRENTE
¿EL SENSOR DE ALARMAS
HA DETECTADO
OBJETOS?
NO
¿HUBO UN DECREMENTO
DE LUMINOSIDAD?
SI
NO
PRIMERA Y SEGUNDA VEZ: DETENER MOVIMIENTOS HORIZONTALES Y SUBIR EL VOLUMEN DEL SISTEMA TERCERA VEZ: DETENER MOVIMIENTOS HORIZONTALES, ELEVAR EL CUELLO, ABRIR TOTALMENTE LAS FAUCES Y EMITIR UN RUGIDO ESTRUENDOSO
SI
RESETEO DEL REGISTRO OFF LLAMADO A SUBRUTINA
INCF OFF,F
¿OFF=14?
NO
69
alguno indicara que se ha llegado al final del recorrido el PIC detiene o cambia de
sentido de giro al motor que se encuentre relacionado a esos finales de carrera.
70
CAPÍTULO 4.
PRUEBAS Y RESULTADOS
A continuación se procede a presentar los resultados que se obtuvieron después
que se consideró terminado el prototipo del proyecto y las acciones que se
tomaron para mejorar su funcionamiento. Para esto se procederá a realizar una
comparación entre las diferentes expectativas que se plantearon y los resultados
que se alcanzaron con cada una.
En los capítulos anteriores se han presentado algunas imágenes del módulo
instalado en su ubicación en el recorrido del museo. Se quiere empezar entonces
este capítulo mostrando el desarrollo de la construcción de la estructura.
4.1 INSTALACIÓN DEL MÓDULO
Las siguientes imágenes muestran cómo evolucionó la construcción del módulo.
Los gráficos muestran en secuencia cómo se empezó primeramente por colocar
las patas del animal hasta el instalado final de los circuitos de control.
71
72
Figura 45
73
4.2 PRUEBAS REALIZADAS
Inicialmente se había pensado realizar toda la sensorización usando únicamente
fotorresistencias. Los primeros módulos que se desarrollaron se los orientó en
este sentido y se logró obtener de ellos una respuesta muy satisfactoria, debido
principalmente al acondicionamiento que se proporcionó a las fotorresistencias.
Tal acondicionamiento consistía en ubicar luces en la parte frontal, a cierta
distancia, de los LDR con la idea de garantizar que cualquier observador causara
una sombra bastante definida que resultara sencilla de seguir si dicho espectador
se movía en frente de los mencionados primeros módulos. Todos estos
prototipos se los desarrolló con la idea de que cuando se los implementara en el
esqueleto metálico se acondicionaría la iluminación del lugar para obtener los
mismos resultados. Sin embargo, al realizarse la instalación no se logró adecuar
apropiadamente a estas fotorresistencias. Inclusive después de colocarse la
iluminación específica del diorama no se obtuvo una uniformidad en la iluminación
y peor aún, por la posición donde se colocaron las luminarias, se redujo la
longitud de operación de estos sensores. Esto fue lo que determinó se empleara
un sensor de sistemas de seguridad y que se aplicara el algoritmo descrito en la
sección final del capítulo tres.
Otro punto que se observó fue que durante la primera etapa de pruebas el
microcontrolador operaba de forma inadecuada10 en ciertas ocasiones,
especialmente cuando se realizaba un cambio de sentido de giro. Esto se pensó
era debido a los transitorios ocurrían en tal instante. Como se explicó en el
capítulo anterior cada motor tiene en cada extremo de giro un final de carrera que
controla su suministro de energía y otro que alerta al PIC que se ha llegado a ese
punto. La instalación de estos elementos hubo de ser tal, que siempre se activara
primero el final que envía la señal al controlador. Sin embargo de esto, por la
forma en sí que tomó finalmente el esqueleto metálico se consiguió que ambos
finales se cerraran a la vez, lo que provocaba existan transitorios de corriente que
10 Con esto se hace referencia a que de momentos el controlador no realizaba las acciones que le correspondían o que simplemente dejaba de operar.
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afectaban el funcionamiento del microcontrolador. Para corregir este problema se
colocaron snubbers como muestra el siguiente gráfico.
Figura 46 Dependiendo de la aplicación, el diseño de snubbers puede requerir un
conocimiento muy a detalle del circuito donde se desee aplicarlos11. En el artículo
“Snubbers Circuits” [12] se exponen algunas pautas para el dimensionamiento de
estas redes. En un circuito como el que se presenta en la figura 47 se emplean
las expresiones que se detallan a continuación.
Figura 47.
11 Un caso específico es en aplicaciones de sonido
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d
fiS V
tIC
20= Ecuación 13.
s
d
R
VI =02,0 Ecuación 14.
Donde
fit Tiempo de apagado del interruptor
Io Corriente de la carga
Y las demás siglas pertenecen a los elementos del gráfico anterior.
Al tenerse una carga predominantemente inductiva, como en el caso de los
motores de la maqueta, se obtiene un circuito cercano al de la figura 47 (en donde
la carga actúa como si fuera una fuente de corriente).
Ahora, para un correcto diseño se deberían considerar los aspectos de frecuencia
de trabajo del interruptor y potencia que deberán soportar los elementos. Ambos
aspectos en el presente desarrollo no se los toma en cuenta porque la operación
del interruptor (que vendría a ser el final de carrera) es muy lenta
(aproximadamente 0.83 Hz si se considera nuevamente los valores del cuadro 2)
y debido al bajo nivel de voltaje (12 V). Para empezar los cálculos resulta que no
se cuenta con el dato de tiempo de apagado del final de carrera. Al no contarse
con esa información se asumió que este valor debe estar alrededor de 1 o 2 ciclos
de máquina del microcontrolador, suponiendo que los transitorios deben ser lo
suficientemente lentos como para que el microcontrolador sea afectado por
ellos12. Con esta consideración, se obtienen los siguientes valores
FFusA
CS µµ 1,008,0122
21 ≈=××≈
Ω=⇒=× 6012
12,0 ss
RR
Con lo que finalmente se toma un valor de 56 Ω para la resistencia y de 0,1 µF
para el condensador. Nótese que estos valores fueron calculados con la 12 Microchip menciona que se requiere 400 ns para que el microcontrolador detecte un cambio de voltaje.
76
información de los motores del tórax y el cuello horizontal. Al implementarse
estas redes se las colocó también en los tres motores restantes. Al no contar con
los valores de corriente de cada una de estas máquinas hubo que hacerse una
aproximación basándose en los valores anteriores. En las ecuaciones 13 y 14 el
valor del condensador depende directamente del valor de corriente y el de
resistencia en forma inversa. Si se considera que la corriente en los motores
mencionados debe ser algo menor que en las máquinas del tórax o el cuello
horizontal, se podría tomar el mismo valor de capacitancia junto con una
resistencia más baja que la calculada. Para la aplicación se tomó un valor de 33
ohmios.
Con esta adecuación en el sistema se logró mejorar el funcionamiento del
microcontrolador. Para finalmente garantizar la operación del módulo se añadió
en el programa del PIC el reset por WDT.
Dentro de las pruebas realizadas, de especial interés por parte del personal del
museo fueron las de sonido. Este aspecto resultó de especial complejidad por lo
difícil de conseguir sonidos que pudieran ser atribuidos a este animal. Se
intentaron varias posibilidades13 pero ninguna alcanzó un resultado satisfactorio.
Después de una larga búsqueda lo que finalmente logró obtenerse fue un sonido
procedente de un juego de video. Las dos grabaciones que reproduce la memoria
ISD son en realidad una misma fuente grabada a la mitad de velocidad de
reproducción, en un caso, y al doble de velocidad, en el otro.
4.3 RESULTADOS OBTENIDOS
Al final se logró obtener un sistema que logró conciliar todas las perspectivas
estéticas y técnicas. Como se hace mención en el capítulo anterior, las
velocidades de operación fueron reducidas, siendo este el único aspecto en el
13 Para esto se buscaron reconstrucciones digitales del animal (de Discovery Channel) o videos de animales salvajes cuyos sonidos pudieran considerarse como propios del Allosaurio. El principal problema fue que todo lo que se logró conseguir contaba con música de fondo por lo que no se lograba conseguir un sonido puro.
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cual no se pudo hacer mejoras. A parte de esto, la reacción de las diferentes
personas que observaron la estructura operando fue de agrado.
Para graficar este aspecto, a continuación se expone el comentario del Dr. Ramiro
Barriga, Ictiólogo del Departamento y responsable14 en gran parte del desarrollo
del museo Gustavo Orcés: “La planificación y diseño de la estructura (y lo que es
más el sistema robótico) es una valioso importe para la difusión de la macro fauna
que existió en la tierra. A través de este proyecto nuestra niñez, juventud y turistas
se deleitarán de los movimientos y audio emitidos por el Allosaurio. De esta
manera, la Escuela Politécnica Nacional contribuirá con un material didáctico que
ayudará a comprender el tamaño y los movimientos de los animales del jurásico.
Finalmente, es necesario rescatar que esta elaboración es una de las primeras en
su género, en lo que al país se refiere”.
14 El Dr. Barriga ha ejercido la dirección del instituto en varias ocasiones. En estos periodos dedicó considerables esfuerzos para el mejoramiento del museo. Entre sus obras más importantes están la construcción de la entrada principal y los dioramas que representan a Galápagos.
78
CAPÍTULO 5.
CONCLUSIONES
En este último capítulo del presente proyecto se exponen las conclusiones a las
que se llegó al final del desarrollo del mismo.
1. Terminada esta etapa del proyecto, se llega a la conclusión de que el
proyecto en su parte técnica se logró realizar.
2. La impresión que sobre los observadores se logra obtener es proporcional
a la variedad de movimientos que se le presenten y a lo inesperados que
estos sean. Esto se pudo apreciar con varias personas que después de
observar por más de 15 minutos15 al módulo ya no encontraron la misma
emoción que inicialmente demostraron. En el desarrollo del sistema se
previó este aspecto, por lo que se programó a la maqueta con las posibles
variedades de movimientos que esta podía presentar.
3. Sería prudente el innovar el ámbito educativo mediante la realización de
proyectos similares que incentiven el deseo de aprender por parte de las
personas. Los diferentes grupos de observadores que han presenciado el
funcionamiento de la maqueta se mostraron muy interesados en saber
detalles técnicos del desarrollo del módulo así como de las características
del animal al que este representa.
4. El hecho de que la maqueta sea muy cercana a las dimensiones que se
supone tuvo un Allosaurio adulto es un elemento didáctico muy importante
dentro de lo que es en sí el diorama. Al haber sido construido en tal escala
presenta a la concurrencia de forma más clara lo impresionantes que
fueron los animales que poblaron el planeta durante ese tiempo, situación
que no se hubiera logrado si se hubiera realizado el módulo en una escala
15 El tiempo que se expondrá a la maqueta en cada presentación estará alrededor de los diez minutos, para de esta forma lograr exponer todos los elementos con los que cuenta el museo.
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inferior. Esto también plantea el que siempre sea recomendable realizar
reconstrucciones de estos animales en escala 1 a 1.
5. La posición de los diferentes elementos de la estructura (patas, brazos,
cuello, etc.) también influye directamente en la impresión que se obtiene en
las personas. Así, si el animal tuviera una posición pasiva esta no llamaría
tanto la atención como lo haría si estuviera en actitud de avanzar o atacar.
6. Una exposición que desee mantener el interés de la gente debe
mantenerse en constante evolución. El museo de la institución está ideado
como un paseo el cual se constituye principalmente de dioramas. Todos
estos resaltan por su calidad artística que logra reproducir diferentes
ambientes que existen en la realidad. Sin embargo de esto, el trabajo aquí
presentado en conjunto con otro proyecto (el cual automatizó con sonido y
videos a dos de los dioramas principales del recorrido) despertaron mayor
interés por parte de los concurrentes. Lo que se quiere hacer referencia
con esto es que para el momento cuando se implementaron los diferentes
dioramas del museo estos eran una forma mejorada de lo que en su
momento se constituía una exposición de esta índole: pinturas y / o
esculturas, lo que causó que los asistentes al mismo mantuvieran su
interés por asistir. Ahora con estas nuevas iniciativas se ha logrado dar un
nuevo impulso para atraer el interés de las personas, pero indudablemente,
después de algunos años (aproximadamente) también se requerirá que se
innove con algún elemento que sea llamativo.
80
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] BARRET, Paul; SANZ, José Luis, Larousse de los Dinosaurios. Del inicio a la
extinción. 1999, Obtenido de la dirección http://es.wikipedia.org/wiki/Allosaurus
[2] ANÓNIMO, Allosaurus- Enchanted Learning Software.html
[3] MOTOROLA SEMICONDUCTOR INC. H11B3 Optoaisolator Data Sheet.
[4] MICROCHIP TECHNOLOGY INC. Data Sheet PIC16F87XA, 28/40/44-Pin
Enhanced Flash Microcontrollers 8-Bit. USA. 2003.
[5] BOYLESTAD; NASHESLKY, Electrónica Teoría de Circuitos, 1999
[6] HITACHI, LTDA. SEMICONDUCTOR AND INTEGRATED CIRCUITS,
HA17358/A Dual Operational Amplifier Data sheet
[7] WINDBOND ELECTRONICS CORP. ISD2500 ChipCorder Data sheet 2003
[8] PHILIPS SEMICONDUCTORS, BT151X Series Data Sheet
[9] http://www.datasheetcatalog.com/
[10] SHAOXING SILICORE TECHNOLOGY CO.LTD, Dual Power Amplifier D2822
Datasheet, http: //www.silicore.com.cn/
[11] HAGERMAN, Jim, Calculating Optimum Snubbers, Hagerman
Technology, December 12, 1994
[12]ROBBINS, P. William, Snubber Circuits, Dept. of Electrical Engineering
University of Minesota, 1997
81
ANEXOS
82
ANEXO No.1
HOJAS TÉCNICAS DE LA MEMORIA DE SONIDO
ISD25120P
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
ANEXO No. 2
HOJA DE DATOS DEL OPTOAISLADOR H11B3
(ECG 3082)
102
103
104
ANEXO No. 3
HOJA DE DATOS DEL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
HA17358
105
106
ANEXO No.4
ESQUEMÁTICO DE POTENCIA Y CIRCUITO IMPRESO
107
1. Circuito esquemático
108
2. Vista de los elementos en la placa
109
3. Vista del ruteado superior del circuito
110
4. Vista del ruteado inferior del circuito
111
ANEXO No.5
ESQUEMÁTICO DE CONTROL Y CIRCUITO IMPRESO
112
1. Vista de los elementos en la placa
113
2. Vista del ruteado superior del circuito
114
3. Vista del ruteado inferior del circuito
115
ANEXO No. 6
RECOMENDACIONES PARA EL EMPLEO Y
MANTENIMIENTO DEL MÓDULO
116
Recomendaciones para el empleo y mantenimiento del módulo
A continuación se detallan un grupo de sugerencias que sería prudente se tomen
en cuenta para que se obtenga un correcto funcionamiento de la estructura.
1. El recubrimiento estético debe considerar las facilidades necesarias para
poder acceder libremente a los motores y tarjetas de control. Con este fin,
los materiales que recubran al esqueleto metálico en sus partes móviles
deberían ser removibles. No es necesario que también sean removibles en
el área que permanece fija.
2. Se necesita proteger a los motores de basuras del ambiente.
Periódicamente sería adecuado proporcionarles mantenimiento
limpiándoles de polvo y lubricando los engranes de la estructura con
aceite. Como las máquinas estarán protegidas por el acabado estético
sería de realizar tal mantenimiento aproximadamente una vez cada tres
meses. Además es preferible que no se realice el lubricado con grasa
porque con el polvo esta se vuelve pastosa aumentando el rozamiento de
los elementos.
3. En caso de no moverse algún motor, se deben revisar primero los fusibles.
Si alguno se hubiera quemado, se debe revisar si el motor al que este
protegía está bloqueado.
4. No se requiere llegar a cambiar ninguno de los motores. Si se quiere
mejorar el sistema se lo puede lograr solamente cambiando la
programación del microcontrolador. Sin embargo, sí se puede mejorar la
respuesta del sistema colocando más sensores, como micrófonos o
ultrasónicos, además se pueden grabar más sonidos en la memoria de
sonido.
117
5. Complementando al punto anterior, sería interesante el que se le incluyera
en el programa principal un algoritmo de aprendizaje para que el
animatronic siempre esté realizando nuevas rutinas.16
6. Se deben mantener libres de polvo y basura a los LDR y a la pantalla del
sensor de alarmas. Por ello es recomendable que se los limpie
periódicamente. Para su limpieza únicamente se debe emplear una franela
seca y limpia. Por ningún motivo se pueden emplear diluyentes u otro tipo
de líquidos fuertes porque pueden dañar a estos elementos.
7. No se debe permitir que las personas se ubiquen dentro del espacio de
movimiento del módulo (para evitar que se golpeen con el dinosaurio). Sin
embargo se puede permitir que se acerquen hasta unos 15 cm. de la nariz
del modulo.
8. Además es recomendable realizar la ambientación del diorama. Con esto
se hace referencia a colocar vegetación y /o algún animal muerto en el
piso. Continuando en la misma línea, esta idea se complementaría con una
sonorización ambiental.17
9. Tampoco es necesario reemplazar el sistema electrónico por otro basado
en algún otro tipo de controlador (como por ejemplo un PLC). El resultado
que se ha obtenido es funcional en su totalidad.
16 Este punto salía del alcance que se había planteado para el presente proyecto 17 En el presente proyecto no se llegó a realizar la sonorización ambiental porque en ese momento esta se salía del presupuesto del instituto.