Abstract
This document is focused on the creation of
animatronics. The animatronics are based on how the technology
and robotics allow us to build a robotic character that looks
like and has the same motion as a living being.
Index Terms—robotic,
animatronic.
OBJETIVOS
1) Describir los animatronics como una
aplicación directa de la robótica.
2) Comprender las etapas de diseño
de un animatronic.
3) Mostrar diferentes ejemplos de
aplicación.
4) Relacionar el estudio anatómico
de un ser vivo en general con el desarrollo mecanico del
robot.
I.
INTRODUCCIÓN
Para comprender el diseño e implementación
de un animatronic es importante notar que para muchas personas
puede parecer un tema nuevo o desconocido, siendo sin embargo un
campo que lleva algunos años en desarrollo. El ejemplo
más común es la industria cinematográfica, o
específicamente el desarrollo multimedia en la
misma.
Múltiples animatronics han dado vida
a un sin número de personajes en el cine. Si se observa el
cine antiguo y se lo compara con el actual, refiriéndonos
a las animaciones, la tecnología utilizada ha evolucionado
a pasos agigantados . Los diseños con el pasar de los
años han ido mejorando notablemente en todos los aspectos
y vale recalcar que un animatronic es un conjunto complejo de
elementos que deben trabajar en conjunto. La calidad de un
animatronic puede ser juzgado por una persona común sin
conocimientos del tema, la finalidad del diseño es
justamente esa, de manera implicita. El usuario o público
debe ser incapaz de notar la diferencia entre el animatronic y el
ser viviente en el cual se basó el
diseño.
Muchos conocimientos extras aparte de robótica
son necesarios al involucrar las características de un ser
vivo, la complejidad aumenta y es necesario relacionar dichas
caracteristicas con la mecanica propia del animatronic. Una
mecánica que tendra que regirse a las
características y realismo esperados.
II.
DISEÑO
Para diseñar un animatronic se deben cumplir con
ciertas etapas, algunas pueden variar dependiendo del modelo de
construccioón por lo que se presenta un enfoque muy
general. Como primera etapa se planteará el ser vivo que
se requiere recrear mediante el animatrónic. Este campo es
extenso por lo que la elección dependera de la finalidad
del proyecto o los requerimientos del cliente en el
campo comercial.
Ya con una idea clara del ser que caracterizará
el animatronic, se preocede a plantear las funciones del mismo,
funciones móviles, funciones sensitivas y método de
control, ya sea automatico o controlado por un
operador.
Es importante notar que en la parte de control existen
muchas opciones desde un control inhalambrico, alámbrico o
simplemente una secuencia programada, incluso la
utilización de múltiples sensores para su
accionamiento.
Pasamos a otra etapa muy importante para el
diseño, que es el análisis de movimiento y el
diseño mecánico del animatronic. Por lo general se
hace un estudio anátomico del ser que se busca recrar, y
se contruye un esqueleto mecánico en base a
ello.
Figure 1. Animatronic construido para el concurso
Burning Bots 2014
Universidad Politécnica Salesiana
Para el diseño mecanico cada parte debe estar
perfectamente colocada, y la distribución espacial de los
elementos electrónicos debe ser la adecuada, en ciertos
casos se puede estructurar un banco de control en donde
prácticamente se encontrará toda la
electrónica y el diseño mecánico estara por
separado.
Al tener el diseño mecánico separado de
los accionadores electrónicos surge una serie de problemas
como la transmisión del movimiento que generalmente
utiliza un sistema de cables mecanicos o en
determinadas ocaciones un sistema bastante complejo de
engranajes.
La optimización del espacio es un aspecto
importante al momento del diseño, ya que la
programación misma o sofware de control debera funcionar
en base a ello.
Figure 2. Un claro ejemplo de un diseño que no
tiene los accionadores electrónicos directamente en sus
ejes de movimiento [5]
A. Relación de la anatomía con la
construcción
Al recrear un ser vivo debemos tomar en cuenta
múltiples factores, comprender primero la anatómia
del ser y los diferentes movimientos que este presenta, es
importante tener en cuenta si el diseño engloba a un
cuerpo entero o por lo general todo el entorno craneal
unicamente.
En el caso de la robótica nel objetivo es imitar
el movimiento muscular de un ser utilizando compenentes
electrónicos y mecanicos, por lo que es importante conocer
las funciones de un músculo y su interacción con
las partes móviles.
Los músculos son unicameente tejido que tiene la
capacidad de contraerse como por ejemplo, una mandíbula
permite el movimiento del maxilar inferior para abrir y cerrar la
boca mediante múltiples músculos que funcionan en
sincronía[1].
Figure 3. Animatronic basado en un modelo
animal
La manera más común de relacionar los
músculos con la construcción de un animatronic es
la utilización de servomotores o la implementación
de cualquier dispositivo electrónico que permita
justamente generar un empuje o una contracción en las
partes moviles del animatronic. Es en este punto donde el
conocimiento de anatomía nos simplifica el diseño,
al conocer el trabajo muscular que realiza el movimiento es mas
sencillo crear un sistema mecánico que imite el mismo,
así el accionar o el método de control de los
mismos es puramente ingenio y creatividad del constructor o
diseñador.
De acuerdo con la anatomía existen movimientos
relativamente simples como el abrir y cerrar la boca, hasta
movimientos muy complejos como el movimiento de los ojos. En el
caso de los ojos es un accionar totalmente sncronizado con dos
ejes cada uno, regresando a lo antes mensionado si se conoce la
acción muscular el diseño tiene mas sentido y punto
de partida.
Figure 4. Ojos mecánicos animatronic y musculos
oculares[2]
Existen complejos mecanismos para lograr un realismo
increible ante el usuario, mientras mas puntos móviles
posea mayor impacto generará.
Otro aspecto importante es la implementación de
movientos pequeños que añaden mas detalle al
animatronic como por ejemplo las expresiones faciales de igual
manera son musculos que mueven la piel que los rodea.
Las expresiones faciales es el facotr clave cuando
hablamos de realismo, nuestro subconciente puede percibir
pequeños movimientos en el rostro y ser interpretados como
un estado de animo [3].
1) Lenguaje Facial: Multiples convinaciones en
el movimiento facial pueden ser una manera eficáz de
transmitir el estado de ánimo o un sentimiento como por
ejemplo: alegria, enojo, sorpresa, etc.. Estas convinaciones en
un ser vivo involucran muchisimo músculos para logra su
objetivo, lo que trasladando a nuestro diseño se convierte
en un funcionamiento mecánico muy complejo asi como una
implementación de software muy avanzada para coordinar
todo lo antes mencionado. Las expresiones básicas son una
parte importante en la percepción humana de
"vida".
Un ser vivo al tener miedo tiende a protegerse por otra
parte la ira nos induce hacia la destrucción, este mensaje
es precisamente lo que un animatronic de alta calidad busca
transmitir hacia el público.
Es por ello que los animatronics necesitan un excelente
acabado externo, y precisamente este debe interactuar
perfectamente con la parte mecánica y el sofware. Todo
sera un conjunto integro para lograr un acabado
perfecto.
B. Software y Control
El control del animatronic también es un campo
muy extenso en el que el diseñador utlizara el
método que mas le convenga o se adapte a sus
necesidades.
En el desarrollo y de manera didactica son
muy utilizadas las placas o tarjetas electrónicas con
software libre, que permite un diseño un tano mas
sencillo, para un diseño mas grande pueden utilizarse ya
controladors diseñados por el mismo diseñador. El
control inalámbrico es una ventaja para el operador del
mecatronic pero sin embargo genera ciertos inconvenientes en la
construcción lo cual implica tambien una fuente
móvil por lo general. Dependiendo de la escala del
diseño el consumo eléctrico del animatronic crece a
la par, dependiendo tambien de la complejidad del mismo. Un
aspecto que genera problemas y es una de las principales razones
por las que se toma la decición de tener los accionadores
externos, es el calor generado por todos los componentes y el
riesgo que generan para el controlador. Como habiamos mencionado
antes el acabado externo es de altisima calidad por el detalle es
imposible generar espacios de ventilacion para el hardware
electrónico en su interior.
Generalmente un animatronic requiere multiples
movimientos al mismo tiempo, esto genera la necesidad
(Refiriendose a un animatronic con radio control) de un emisor
con multiples canales o en ciertos casos dos emisores y dos
receptores por lo que oviamente se necesitarían dos
operadores. Por esta razon en muchas ocaciones se utiliza un
software que permita el control virtual de los accionadores desde
una laptop. La interfaz de cierta manera puede ser cableada o
tener una conectividad inalámbrica, en la cual se debera
tener en cuenta la velocidad de respuesta de los accionadores
entre otros aspectos.
1) Accionadores
Electrónicos: Los accionadores o
actuadores serán parte importante tanto en el
diseño como en la impementación del software,
existen diferentes tipos de actuadores segun las necesidades del
diseño.
Dependen directamente del tipo de movimiento a
realizarse existiendo actuadores lineales circulares o
también clasisficados por su limitación de
movimiento. Los mas comunes en el mundo de la electrónica
son los servomotores que al igual que los demas accionadores
electrónicos tienen una amplia gama de modelos y
variaciones, existen también actuadores lineales todos
ellos utilizando un motor de corriente continua y un circuito de
control. Para diseños a grandes escalas como habiamos
mencionado antes los actuadores también deben ser los
adecuados. Los electro actuadores, pistones que generan un empuje
bastante elevado para mover estructuras con mayor peso y de
grandes dimensiones.
Cada tipo de actuador tendra diferentes ventajas y
desventajas, por ejemplo un piston de grandes dimensiones
requiere un espacio y angulo de acción bastante grande,
por lo que el diseño deberá adaptarse a él.
En cambio los servomotores ocupan relativamente poco espacio y su
método de control es mucho mas preciso, en ciertos casos
para ejercer un movimiento lineal requieren de un diseño
mecánico extra para su implementación.
2) Servo motor : Se describirá a breves
rasgos un servo motor, al ser unos de los accionadores
electrónicos más utilizados en este
campo
Un servo motor es un dispositivo electrónico que
posee un motor de corriente continua junto con un circuito de
control y un conjunto de engranes o caja de reducción para
generar una relación de movimiento adecuada con el
motor.
Este dispositivo generalmente presenta una
conección bastante simple, que involucra a tres terminales
uno de control y dos de alimentación. El terminal de
control será el que reciba la señal de el software
implementado.
Los colores del cable de cada terminal varían con
cada fabricante: el cable del terminal positivo siempre es rojo;
el del terminal negativo puede ser marrón o negro; y el
del terminal de entrada de señal suele ser de color
blanco, naranja o amarillo.[14]
En general el servo motor trabaja con el ancho de pulso
de la señal de control mediante esta relación se
determinara el angulo de movimiento del brazo. Segun el modelo el
servomotor puede tener movimientos de 45, 90, 180, 360 grados
realmente esta limitación unicamente vendra dada por el
fabricante y modelo del servo.
Figure 5. Servomotor de corriente continua
C. Costo de implementación
Nuevamente el costo cambiara de acuerdo a la calidad del
producto y principalmente a la escala del mismo, he aqui algunos
aspectos ha ser tomados en cuenta:
1) Relación con la escala: Los
accionadores electrónicos deberan estar estrictamente
relacionados con la escala del proyecto y los materiales a
utilizarse. Por ejemplo un servo que accione una mandibula debera
tener el limite de giro adecuado y sobretodo el torque necesario
para el movimiento. En este caso para un funcionamiento
óptimo el servomotor o accionador debera presentar el
menor esfuerzo posible durante su funcionamiento y por ovias
razones estar dentro de los parametros que el modelo y marca
especifique.
2) Materiales: Ciertos materiales
pueden llegar a ser muy costosos sin embargo generan
una gran ventaja en el diseño e incluso pueden disminuir
el costo en otras partes importantes. Por ejemplo un cuerpo
mecánico liviano requerirá
accionadores de menor torque ya que ejercerán menos
fuerza para realizar sus funciones y por ende estos serán
mas baratos. Para un constructor con un presupuesto relativamente
alto lo mejor sería tener una estructura lo mas liviana
posible utilizando materiales como fibra de carbono, plastico
modeado o en estructuras mas grandes, aluminio u otros metales
livianos que a su vez son bastante costosos
3) Tiempo de implementación: Como sabes
el tiempo es el recurso mas caro junto con el conocimiento del
diseñador. Por lo general en un animatronic trabajan
personas con distintas habilidades para crear un solo producto,
El tiempo dependera directamente de la escala del proyecto y de
la complejidad del mismo, sin embargo se necesitan muchas horas
de trabajo arduo para lograr un buen resultado.
Las etapas de diseño y construccion pueden tomar
semanas, mese o incluso años, la perfección y
calidad de un animatronic generalmente viene dad por un trabajo
en equipo y complementada con una correcta
planificación.
III.
APLICACIÓN DE LA ANIMATRÓNICA
Como ya hemos descrito las utilidades y
aplicaciónes son infinitas que unicamente quedan en la
creatividad del creador. En la actualidad los animatronics se
encuentran en publicidad, cine, educación, etc.. Campos en
los que principalmente interviene el término multimedia o
entretenimiento, sin embargo las aplicaciones unicamente dependen
de la inventiva del diseñador.
En la industria cinematografica existen animatronics muy
famosos que gran parte del público desconoce que son
precisamente eso animatronics.
A continuación algunos ejemplos de animatronics
que se han echo populares a lo largo del tiempo.
Figure 6. Animatronic película
"Matrix"[18]
Figure 7. Animatronic película "Jurasic
Park"[18]
Figure 8. Animatronic película "Alien el octavo
pasajero"[18]
CONCLUSIONES
-La robótica es totalmente indispensable en
nuestro mundo actual y futuro, los animatronics en si son una
manera de materializar la idea creativa del diseñador.
Cada animatronic es un modelo que complementa el arte con la
tecnologìa robòtica.
-El trabajo en equipo es indispensable para proyectos a
grandes escalas, la organizaciòn y planificación
juegan un papel inmportante en el producto final.
-Un animatrónic deberá tener un acabado
externo de altisima calidad para complementar al trabajo de
robótica interno y generar esa ilusión de vida que
es precisamente el objetivo principal de este tipo de
robot.
-Cada diseño es único y presentara
diferentes dificultades para su desarrollo, se concluye que
mientras mas exigente es el realismo del robót mas
complejo se vuelve el diseño y principalmente la
optimización del espacio disponible.
-La optimización del espacio es uno de los
aspectos más importantes así como la correcta
elección de los elementos y actuadores, cada componente
debe ser capaz de soportar el trabajo asignado y estar dentro de
los rangos permitidos por el fabricante.
REFERENCES
[1]
http://www.monografias.com/trabajos/carmusculos/carmusculos
[2]
http://blog.arduino.cc/wp-content/uploads/2013/06/animatronic_eyes.jpg
[3]
http://www.juanantonio.info/blog/wp-content/uploads/2010/11/gestos.pdf
[4]
http://acting.wonderhowto.com/inspiration/behind-scenes-animatronic-guts-0113787/
[5]
http://arduino-fermi.jimdo.com/progetti/mano-robotica-rh-1/
[6]
http://www.monografias.com/trabajos57/sistema-muscular/sistemamuscular
[7]
http://www.redalyc.org/pdf/342/34202402.pdf
[8]
http://bibdigital.epn.edu.ec/bitstream/15000/4692/1/CD-4314.pdf
[9]
http://repositorio.utc.edu.ec/bitstream/27000/861/1/T-UTC-0617.pdf
[10]
http://www.ellenguajenoverbal.com/bibliografia/la_comunicacion_noverbal.pdf
[11]
http://www.ugr.es/~pwlac/G19_19Helena_AlvarezDeArcaya_Ajuria.pdf
[12]
https://sites.google.com/site/proyectosroboticos/fabricar-brazo-robot
[13]
http://ed2013.makerfairerome.eu/makers-call-for-makers/manorobotica-rh-1-2/
[14]
/trabajos60/servo-motores/servomotores
[15]
http://www.industrialmagza.com/pdf/niasa/actuadores_es-MGZ.pdf
[16]
https://www.google.com/patents/US5711396
[17]
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=894424&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D894424
[18] https://www.stanwinstonschool.com/gallery
Autor:
Cevallos Aguirre Fabián
Ricardo
Universidad Politécnica
Salesiana
Electrónica Analogica II