Ingeniería Mecatrónica (Mag.)

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    Diseño del sistema de control de una prótesis transfemoral a partir del reconocimiento de la intención de movimiento
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-06-10) Bohórquez Bendezú, José Luis; Villota Cerna, Elizabeth Roxana
    En las personas sanas se genera una potencia significativa y otras funciones de locomoción en la rodilla y el tobillo al realizar las actividades: (i) de caminata, (ii) al ponerse de pie, (iii)sentarse, (iv)subir escaleras y otras. Las prótesis transfemorales comerciales mayormente disponibles pueden almacenar y/o disipar energía, pero mayormente no pueden generar potencia durante un ciclo de la marcha. En consecuencia, los amputados transfemorales pueden gastar hasta un 60% más de energía metabólica en relación con las personas sanas, ejerciendo hasta tres veces más la potencia y por ende se realiza un mayor esfuerzo en la cadera resultando está afectada. Por consiguiente, una prótesis con la capacidad de generar una potencia similar a la de una pierna de una persona sana, podría reducir la necesidad de un mayor esfuerzo por parte del paciente amputado. Uno de los principales desafíos que conlleva el desarrollo de una prótesis activa de miembro inferior es el medio por el cual el usuario puede controlar la prótesis, y es por ello que este trabajo se enfoca en el desarrollo del sistema de control de la misma. El trabajo que se presenta consta de siete capítulos, en el primero se plantea los objetivos y los alcances. Se parte de una detallada descripción de la metodología empleada para diseñar el sistema de control, la cual se plantea a partir del modelo descrito en la metodología VDI2206. En el segundo capítulo se describe el fundamento teórico; se revisa también el estado del arte para las prótesis transfemorales activas en el ámbito tecnológico y técnico, enfatizando en el reconocimiento de la intención de movimiento, el control jerárquico de prótesis trasfemorales, y diferentes algoritmos de control usados para control de fuerza y posición. En el tercer capítulo, se presentan los requerimientos considerando el estándar de seguridad ISO13482; se presenta también un diagrama funcional de todo el sistema protésico y se desarrolla las funciones que aplican también para el sistema de control. Con base en ese análisis funcional se selecciona el tipo de estrategia a seguir para desarrollar el sistema de control para la prótesis a partir de una evaluación técnica económica basada en la VDI2225. En el siguiente capítulo se aborda un diseño de configuración para el sistema de control seleccionado en el capítulo anterior. Más adelante en el capítulo cuatro, se describe el procedimiento para reconocer la intención de movimiento a partir de las señales electromiografícas (EMG) empleando algoritmos de reducción de dimensiones, clasificadores del modo de la actividad, entre otros. En el capítulo inmediato se detalla el desarrollo del sistema de control concerniente al control de impedancia, el cual es el nexo entre el sistema de reconocimiento de la intención de movimiento y los sistemas de control de fuerza en la prótesis transfemoral activa (PTA). En el capítulo seis se sintoniza y simula el sistema de control de fuerza para la rodilla y el tobillo para un actuador serial elástico y para un actuador serial – paralelo elástico. En el capítulo final se realiza una integración del sistema y su correspondiente validación virtual. Por último, se detallan las conclusiones.
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    Implicit IDA-PBC Design and Implementation for a Portal Crane System
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-12) Vidal Sandoval, Jesus Enrique; Villota Cerna, Elizabeth Roxana; Cieza Aguirre, Oscar B.; Reger, Johann
    Interconnection and damping assignment passivity-based control (IDA-PBC) is a wellknown technique which regulates the behavior of nonlinear systems, assigning a target port-Hamiltonian (pH) structure to the closed-loop. In underactuated mechanical systems (UMSs) its application requires the satisfaction of matching conditions, which in many cases demands to solve partial differential equations (PDEs). Only recently, the IDA-PBC has been extended to UMSs modeled implicitly, where the system dynamics in pH representation are described by a set of differential-algebraic equations (DAEs). In some system classes this implicit approach allows to circumvent the PDE problem and also to design an output-feedback law. The present thesis deals with the design and implementation of the total energy shaping implicit IDA-PBC on a portal crane system located at the laboratory of the Control Engineering Group at TU-Ilmenau. The implicit controller is additionally compared with a simplified (explicit) IDA-PBC [1]. This algorithm shapes the total energy and avoids the PDE problem. However, this thesis reveales a significant implementation flaw in the algorithm, which then could be solved.
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    Diseño mecánico de una prótesis activa transfemoral
    (Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-05-12) Medina Barrenechea, Samuel; Villota Cerna, Elizabeth Roxana
    Las prótesis activas de miembro inferior buscan ejercer sobre el muñón de la persona amputada movimientos y reacciones similares a las que produce un miembro sano. Esto se logra por medio de sistemas que brindan potencia a las articulaciones, a diferencia de las prótesis pasivas. La finalidad de reproducir movimientos y reacciones similares a la de un miembro inferior es reducir el costo metabólico que puede demandar el emplear una prótesis pasiva y reducir las lesiones en otras partes del cuerpo producto de requerir mayor esfuerzo y movimientos anormales para suplir la función que brinda un miembro inferior sano. El objetivo de este trabajo es presentar el diseño mecánico de una prótesis activa transfemoral. El diseño fue concebido para que la prótesis pueda realizar rutinas de marcha en estado activo. Para rutinas como bipedestación y sedestación la prótesis se comporta de forma pasiva. El presente trabajo presenta un marco teórico de la marcha de la persona, las características de proyectos actuales de prótesis activas de miembro inferior, un método de obtención de reacciones en las articulaciones a partir de información obtenida de un análisis de marcha y la información de la persona modelo, la aplicación de la metodología de diseño empleada, el diseño de los sistemas de transmisión de potencia y de la estructura, la selección de componentes y el diseño preliminar del sistema de control. La prótesis diseñada se compone de cuatro partes, denominadas segmentos, y tres articulaciones, de las cuales dos de ellas son activas. Cabe resaltar que se emplearon elementos de almacenamiento de energía para reducir el tamaño de los actuadores y reutilizar la energía emitida por cada articulación.