Informe-de-Theojansen

2.DISEÑO Y ERGONOMÍA
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RESUMEN
El presente informe contiene principalmente los objetivos, criterios, desarrollo de los diseños y las conclusiones en
general. Se ha tratado de incluir el mayor detalle de las diferentes etapas en el desarrollo para definir el modelo de
cada una de las piezas, incluyendo planos en papel, prototipos, borradores, planos explotados, entre otros.
OBJETIVOS
Proponer un diseño innovador de juguete el cual despierte el interés en el niño y que igualmente cumpla con los
objetivos de los demás grupos del curso.
Seleccionar y utilizar correctamente los fundamentos mecánicos que proporcionen un valor agregado a nuestro
diseño.
Mejorar el diseño de prototipos ya definidos enfocándonos hacia un modelo de juguete infantil.
Utilizar las herramientas informáticas adecuadas que nos permitan trabajar eficientemente en el transcurso del
desarrollo del trabajo.
Entregar los planos desarrollados de cada una de las piezas de dichos prototipos.
Elaborar un informe con los detalles del proceso de diseño de las piezas en la wiki.
MARCO TEÓRICO
PROTOTIPO 1: MECANISMO DE THEO JANSEN
Este mecanismo simula el movimiento de la pata de un animal. Theo Jansen nació el 14 de marzo de 1948 en
Scheveningen al sur de Holanda, vive y trabaja actualmente en Holanda, durante los últimos 10 años ha estado
diseñando y perfeccionando estas máquinas que evolucionan con un algoritmo evolutivo donde el criterio principal
para la evolución de éstos es el rendimiento de los elementos a la tarea encomendada, y utilizando los errores y las
mejoras de las evoluciones para mejorar con la siguiente evolución. Este diseño proporciona una forma sencilla de
simular el andar de una pata real controlados por un solo elemento que podría ser un motor o el viento. Entre los
mecanismo que ha creado Theo Jansen destacan: Geneticus, Rinoceronte, Sabulosa y Ventosa en las que el viento
ha sido utilizado como motor.
Descripción del mecanismo
Este mecanismo está formado por 7 sólidos, de los cuales 5 articulaciones y 2 áreas fijas, como se muestra en la
siguiente figura.
En la figura de la izquierda debe notarse que el eje al cual está adherido el
motor se encuentra en el punto O, además el punto C es fijo y va con el punto O alineados en lo que puede llamarse
el chasis o cuerpo del animal o mecanismo. El punto A va adherido en la circunferencia o también puede ir en
alguna region del círculo lo que genera el movimiento de las extremidades hasta que el punto inferior G de la pata
describa un movimiento como el que se muestra en la figura de la derecha. La ventaja de esta trayectoria es que si
el suelo es irregular la distancia entre el mecanismo y el suelo es corta y puede se puede suspender de mejor forma.
Este mecanismo hace que sus medidas no puedan ser cualesquiera, sino que han de ser prácticamente a escala del
original; aunque permite pequeñas modificaciones para optimizar la trayectoria del punto G en función de los pasos
de la máquina, en la siguiente tabla se ven las medidas originales a escala que Theo Jansen diseñó:
Ventajas y desventajas del mecanismo
Las medidas que definió Theo Jansen han sido de tal manera que se busca una minimización de las fuerzas
inerciales que aparecen cuando una de las patas permanece en el aire lo que puede provocar la desestibilización
del mecanismo. Por ello, si cambiamos las dimensiones corremos el riesgo de provocar dicha desestabilización.
DISEÑO DEL PROTOTIPO 1
En el vídeo de la izquierda se aprecia el mecanismo es muy simple y aun así estimula la imaginación por los
movimientos que realiza. La idea del juguete es que sea un producto que estimule el desarrollo de las habilidades de
los niños pues tiene que ser educativo y debe contar con mecanismos simples, por tanto el producto propuesto por
el área de diseño es un “autómata elaborado con técnicas de papercraft”. El papercraft es un pasatiempo el cual
consiste en construir modelos 3d hechos en papel.
Lo que se quiere lograr es diseñar una estructura hecha con papel (cartulina) lo suficientemente resistente como
para lograr recrear el mecanismo de Theo Jansen impulsada por un pequeño motor eléctrico y se propone construir
un prototipo como en el siguiente ejemplo, pero con un diseño propio y más sencillo de elaborar, para que los niños
sean capaces de construirlo. Este juguete podría venderse en un kit de pliegos de cartulina impresos con las formas
de las piezas ya troqueladas, para que el niño las desglose y proceda a doblarlas y pegarlas, además de que el kit
traerá un motor listo para instalar sobre el juguete. Además, se podría innovar con otros mecanismos, y ser
presentados de la misma manera, pasando a tener una colección de modelos en nuestra galería de productos
educativos, pero lamentablemente por el poco tiempo que disponemos solo nos centraremos en desarrollar el
mecanismo de Theo Jansen.
Se ha desarrollado un cronograma para el diseño del prototipo 1, sin embargo es necesaria la intervención del area
de proveedores para conseguir los materiales. Lo más importante es que consigan lo antes posible el motor
requerido, se explicó que podría ser un motor eléctrico de un carrito de juguete, esto seria ideal pues estos carritos
cuentan con una caja reductora de engranes que permitirán transferir la potencia del motor al modelo y asi
suministrale la fuerza de giro que se necesita, además deben conseguir las cartulinas adecuadas para la
elaboración del prototipo así como el pegamento, las baterías para el motor eléctrico y un potenciómetro para
controlar la velocidad del motor (esto es opcional).
Cronograma inicial de trabajo:
Presentación el bosquejo de todas las piezas ----------------------------- Sábado 19 de noviembre (Fecha máxima)
Presentación las piezas explotadas con medidas ------------------------ Domingo 20 de noviembre (Fecha máxima)
Adquirir un motor eléctrico con caja rectora --------------------------------- Lunes 21 de noviembre (Proveedores)
Presentación del modelo en software ------------------------------------------ Martes 22 de noviembre (Fecha máxima)
Presentación en planos de prototipo al área de manufactura --------- Miércoles 23 de noviembre (Fecha maxima)
Cronograma de real de trabajo
Presentación el bosquejo de todas las piezas ---------------------------- Domingo 20 de noviembre.
Presentación las piezas explotadas con medidas ----------------------- Sábado 26 de noviembre
Adquirir un motor eléctrico con caja rectora -------------------------------- Sábado 26 de noviembre
Presentación modelo en software --------------------------------------------- Jueves 01 de diciembre
Presentación planos de prototipo al área de manufactura ------------ Jueves 01 de diciembre
Primera versión - Domingo 20 de noviembre
En esta primera versión se ha procedido a diseñar las piezas en la vista tridimiensional, conforme nosotros hemos
entendido el funcionamiento del sistema, principalmente de las patas y articulaciones que posee y considerando las
medidas que en la siguiente figura se muestra. Primero se tomaron las proporciones de las distancias entre cada
una de las articulaciones con la ayuda de una imagen captada de uno de los videos de internet en donde se aprecia
el principio del movimiento de Theo Jansen, estas distancias fueron medidas manualmente. El punto giratorio es
distinto para cada par de patas en ambos lados del caballo y ambos puntos están desfasados un ángulo de 120°.
Se ampliaron las medidas de
la pieza para obtener un
tamaño adecuado pero
guardando la misma
proporción, optando por un
tamaño apropiado para un
fácil armado de las
articulaciones y pegado de
las pestañas dobladas en
cada pieza.
Con dichas dimensiones se
han podido elaborar las
siguientes esquemas que se
muestran en las siguientes
figuras:
En esta figura, hemos considerado las distancias de la figura anterior, pero de centro a centro de las piezas binarias
y ternarias. Además se decidió que el punto A se ubicaría en la circunferencia de la región circular con centro O.
Esta figura es una de las articulaciones es el segmento AB o AE de la figura anterior.
En esta figura, se puede apreciar los primeros trazos iniciales de las piezas del caballo y a su
alrededor las piezas explotadas listas para armar. Cabe mencionar que no se muestran todas las piezas de las
extremidades dado que todas son similares, es decir, se hizo el desarrollo de las articulaciones, el hombro, la pata y
la palanca que va unidad a la región circular que va al centro del mecanismo.
En esta figura, se muestran las articulaciones con la pata
plegadas en un intento de poder simular si funciona la
articulación de ambas piezas y pensando en manejar
posibilidades para los ejes que las ueden unir.
Procedimiento
Se examinaron y se determinaron las proporciones del caballo en un plano bidimensional, dichas proporciones
fueron tomadas de muestras en vídeo.
Se procedió a dar las tolerancias de cruce o intersección entre las partes de las piezas, debido a que las
proporciones tomadas en el punto anterior fueron de centro a centro.
Se analizó la forma de las piezas de las extremidades principalmente: pata, hombro, articulaciones y palancas. En
esta primera versión se diseñaron 3 tipo de palancas.
Se trazaron las piezas en papel y cartulina para luego proceder al recorte de las mismas.
Para este procedimiento nos apoyamos de los siguientes videos:
Observaciones
En esta primera versión no se pudo realizar el diseño del chasis, cola, cabeza y cuello del caballo debido a que
faltaba conocer las dimensiones del motor ya que esto servía para determinar el ancho del cuerpo del caballo y por
tanto de las demás piezas. Fue importante entonces la coordinación con el equipo de proveedores.
Segunda versión - Sábado 26 de noviembre
Procedimiento
Las piezas que al inicio habían sido trazadas en papel, con las dimensiones a escala por 2 fueron trasladas al
programa Autodesk Inventor.
Se probó el funcionamiento en inventor el acople entre dos o más piezas.
Se diseño el cuerpo, cuello y cabeza del caballo en el mismo programa Autodesk Inventor.
Se utilizó el programa 3D Max Model para transformar los archivos de Autodesk Inventor a archivos que puedan
ser reconocidos por Pepakura Model.
Luego de esto se procedió a diseñar la cabeza y el cuello del caballo tomando en cuenta la locomoción que ambas
partes deben tener y procurando que este movimiento sea parecido al de los mecanismos observados en los videos
de youtube.
Diseño de un Caballo de Juguete
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Diseño de los Componentes en Inventor
ARTICULACION
CABEZA
CUELLO1
CUELLO2
CUELLO3
HOMBRO
PALANCA
PATA
RUEDA
CHASIS
Bosquejo del Mecanismo, Primera Versión.
Diseño de los Componentes en Pepakura:
ARTICULA
CION
CABEZA
CUELLO1
CUELLO2
CUELLO3
HOMBRO
PALANCA
PATA
RUEDA
Tercera versión
Procedimiento
1. Se han realizado las piezas del caballo introduciendo cada vez las modificaciones necesarias, para poder
minimizar los costes en tiempo, dinero y material.
2. Tomando en cuenta el criterio estético se optó por dar una mayor medida al largo de las patas para poder hacer el
prototipo más semejante a un caballo.
3. La parte más difícil de esta primera etapa fue el diseño de la parte central donde va colocada la rueda y en donde
se conectan 8 piezas en 2 articulaciones.
4. Se tomó la decisión de hacer un diseño tal como el que se aprecia en la figura, para esto las piezas tuvieron que
ser rediseñadas tomando en cuenta los desniveles o escalones que contienen las piezas y las distancias de estos
escalones para poder lograr adecuados ángulos de giro en las articulaciones.
5. En la figura se aprecia la parte lateral del caballo en una vista horizontal (desde arriba) en la que se conecta la
rueda con las 4 piezas denominadas PALANCA.
Planos del caballo.rar
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Vistas de las Piezas del Caballo
Ensamble de Caballo
Base
Base
Cabeza
Cuello2
Cuello1
Cuello3
Cuello hombro
Eje1
Eje2
Eje articulaciones
Eje cabeza
Eje cuello
Eje rueda
Motor
Pata
Palanca
Hombro
Rueda
Guacha
Guacha Rueda
Guacha Rueda Palanca
Vistas Acotadas para Presentación
Ventajas y Desventajas del Pepakura
Nos permite explotar un solido para poder cortarlo de la manera más adecuada ahorrando recursos de material.
Luego de elaborar estos diseños usando el programa Pepakura hemos podido concluir que este programa ha sido
de gran utilidad ya que es una solución al difícil problema de imaginar el desarrollo de una pieza de relativa
complejidad.
El programa Pepakura es una aplicación simple en la que no se pueden acotar piezas, este programa funciona bajo
la simple lógica de ajustar las piezas al tamaño del papel por lo que se tiene que incurrir en muchos tanteos para
lograr obtener la pieza con las dimensiones deseadas.
Limitaciones
Recién se podrá determinar con precisión las dimensiones del chasis ya que el motor recién ha sido proporcionado
el día de ayer 29 de Noviembre.
Aun no encontramos un mecanismo de articulación óptimo para el caballo que soporte los movimientos y desgastes
continuos a los que estará sometido el prototipo.
El programa Pepakura es una aplicación simple en la que no se pueden acotar piezas, este programa funciona bajo
la simple lógica de ajustar las piezas al tamaño
del papel por lo que se tiene que incurrir en muchos tanteos para lograr obtener la pieza con las dimensiones
deseadas.
Inicialmente se optó por elaborar el diseño de las articulaciones del caballo tomando como modelo el mismo
mecanismo que se usa en las articulaciones del robot, pero este modelo fue descartado debido a la complejidad que
este tendría en el proceso de armado, el excesivo tiempo que tomaría, a la dificultad que representa la elaboración
de estas articulaciones debido a las dimensiones del caballo y a la poca estabilidad que da este mecanismo a la
estructura que incluso debe ser resistente a los rápidos movimientos que realicen las articulaciones (estas
articulaciones serían muy pequeñas y serían muy difíciles de recortar).
Criterios para el diseño de los componentes
Se tomó como criterios en la elaboración de los desarrollos de las piezas en Pepakura:
Formas adecuadas que proporcionen facilidad para el recorte de las piezas.
Dimensiones adecuadas para un fácil ensamblado.
El correcto encaje del desarrollo de cada pieza en las hojas para su presentación
El correcto funcionamiento de las articulaciones en el prototipo ensamblado.
Moderado tiempo de armado que tendrá el prototipo.
Estética del prototipo, procurando que las dimensiones de las piezas logren tener una semejanza a un caballo tanto
en apariencia como en el movimiento.
Minimizar la fricción entre los componentes de modo que se minimice el desgaste de las piezas.
Archivos del Diseño Final Formatos 3ds, Inventor, Pepakura, Autocad
caballo.rar
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Informe Final Equipo de Diseño