Tesis y Trabajos de Investigación PUCP

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Diseño de un dispositivo para la rehabilitación pasiva en pacientes con diagnóstico de lumbalgia aguda
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-11) Gómez Chamorro, Kevin Víctor; Elías Giordano, Dante Ángel
En la presente tesis se ha realizado el diseño de un dispositivo de asistencia para rehabilitación pasiva en pacientes con diagnóstico de lumbalgia aguda. Es de tecnología soft, pues utiliza actuadores flexibles contribuyendo así a la movilidad del usuario. El diseño utiliza una batería para brindar asistencia con actuadores piezoeléctricos que ofrecen una fuerza de compresión cuando son excitados eléctricamente. Tiene dos horas de autonomía de baterías; sin embargo, debido a que cuenta también con una barra como actuador mecánico, el usuario puede seguir experimentando asistencia de movimiento en la zona lumbar incluso sin la activación de los actuadores. Se concluyó que el modelo contribuye a aliviar la zona lumbar de cargas verticales, siguiendo la técnica de estabilidad central. Este dispositivo permite una asistencia de 121,54 N en el eje vertical de y 25,17 N en el eje horizontal del plano frontal en el estado de reposo. La presente tesis aborda cálculos de diseño de elementos mecánicos, análisis del movimiento del mecanismo, selección de componentes, consideraciones para la fabricación del diseño incluyendo impresión 3D de carcazas en ABS, planos de ensamble y despiece para su fabricación. El costo estimado de diseño y fabricación del dispositivo es de S/. 14,000 como costo de diseño y S/. 4,900 como costo de fabricación.
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Diseño de un exoesqueleto para asistir la articulación de la rodilla al correr
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-23) Torres Ricalde, Diego Rodrigo; Elías Giordano, Dante Ángel
En la presente tesis se realiza el diseño de un exoesqueleto para asistir la articulación de la rodilla al correr. Una característica importante de este diseño es la fuerza que puede generar teniendo en cuenta que tiene una masa de 4.2 kg (con una masa de 1.3 kg en cada pierna y 1.6 kg cargados en una mochila), con lo cual se puede considerar ligero en comparación a otros exoesqueletos con funciones similares. Esto es posible gracias al uso de métodos de optimización de forma y materiales ligeros, pero al mismo tiempo resistentes. El diseño se basa en un concepto de solución, así como en una serie de consideraciones, y aborda la selección y el dimensionamiento de los componentes del exoesqueleto, además de simulaciones mediante el método de elementos finitos para verificar el funcionamiento de estos e incluso diseñar algunos de ellos. También se presentan los planos de ensamble y despiece para su fabricación, así como el diagrama esquemático para la fabricación y conexión de las tarjetas electrónicas diseñadas. El exoesqueleto presentado en este trabajo es capaz de generar un momento de hasta 71 Nm (aproximadamente) mediante el uso de un resorte de torsión, un innovador mecanismo de transmisión y un freno electromagnético. Por otro lado, utiliza un motor sin escobillas de rotor externo, sensores de efecto Hall y codificadores de anillo para realizar un control de fuerza, en base a la deformación del resorte de torsión, con el fin de que el usuario pueda mover su pierna sin impedimentos, tanto al correr como al caminar. Así, al utilizar este motor con el freno electromagnético mencionado anteriormente, se alcanza una alta eficiencia del sistema, lo que permite que este tenga una autonomía de aproximadamente una hora utilizando un par de baterías. Por último, es importante mencionar que el costo de fabricación estimado del dispositivo es de S/. 9880 aproximadamente, incluyendo la importación de ciertos elementos que no se pueden encontrar en el país. Así mismo, el costo de diseño se estima en S/. 38,000.
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Control of an over-actuated nanopositioning system by means of control allocation
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-03-26) Seminario Reategui, Renzo Andre; Morán Cárdenas, Antonio Manuel
This Master’s Thesis is devoted to the analysis and design of a control structure for the nanopositioning system LAU based on the dynamic control allocation technique. The objective is to control the vertical displacement with nanometer precision under a control effort distribution criterion among the actuator set. In this case, the pneumatic actuator is used as a passive gravity compensator while the voice coil motor generates the transient forces. The analysis of the system characteristics allows defining the design criterion for the control allocation. In this direction, the proposed dynamic control allocation stage considers a frequency distribution of the control effort. The lower frequency components are assigned to the pneumatic actuator while the higher frequencies are handled by the voice coil drive. The significant actuator dynamics are compensated through a Kalman filter approach. The position controller is based on a feedback linearization framework with a disturbance observer for enhanced robustness. The experimental validation demonstrates the feasibility of the proposed technique.
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Estudio comparativo de exoesqueletos de miembros superiores de actuación pasiva basados en técnicas de compensación de carga
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-15) Tang Juy, Javier Antonio; Elías Giordano, Dante Ángel
En este trabajo se desarrolló un estudio comparativo de los principales exoesqueletos industriales de miembros superiores con actuación pasiva desarrollados en la actualidad, los cuales tienen la finalidad de proveer una fuerza de asistencia para minimizar la fatiga del usuario al trabajar en posiciones poco ergonómicas por tiempos prolongados. Estos exoesqueletos se basan en principios o técnicas de compensación de carga, las cuales incorporan distintas configuraciones y mecanismos con actuadores pasivos, tales como resortes acoplados a sistemas de cables y poleas; resortes acoplados a mecanismos de levas con seguidor, entre otros; para finalmente generar una fuerza que equilibre la carga que se desea manipular. En este sentido, primero se realizó una revisión bibliográfica de la tecnología en exoesqueletos, con énfasis en los principales exoesqueletos desarrollados actualmente para ser aplicados en el sector industrial. Se determinó que, para aplicaciones industriales, la alternativa más viable es optar por el desarrollo de exoesqueletos pasivos. Por consiguiente, una vez presentado el panorama actual de la tecnología en exoesqueletos industriales pasivos, se investigaron las principales técnicas de compensación de carga en las cuales se basan los mecanismos de actuación incorporados por estos dispositivos. Esto se realizó con la finalidad de analizar los principios físicos y/o mecánicos de funcionamiento de los mecanismos de actuación pasivos. Finalmente, se procedió a analizar 8 de los principales exoesqueletos industriales de miembros superiores de actuación pasiva, para luego compararlos y determinar las ventajas de las distintas técnicas de compensación de carga aplicadas en el desarrollo de sus mecanismos de actuación.
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Propuesta conceptual de un dispositivo tipo exoesqueleto para asistir a la articulación de la rodilla al correr
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-02-15) Torres Ricalde, Diego Rodrigo; Elías Giordano, Dante Ángel
En el presente trabajo de investigación se ha realizado el diseño conceptual (en base a la norma VDI 2221) de un exoesqueleto para asistir y proteger la articulación de la rodilla al correr. Este diseño ha sido seleccionado entre varias alternativas de solución luego de una evaluación técnica-económica basada en criterios considerados importantes para un exoesqueleto de este tipo. Se ha realizado una breve revisión de la anatomía, fisiología y biomecánica de los miembros inferiores del cuerpo humano. Así mismo, se han evaluado las necesidades que tendría el usuario del exoesqueleto en mención, así como algunos de los parámetros más importantes al momento de correr. De esta manera, se han determinado los requerimientos con los que debe cumplir el dispositivo mencionado. Se han investigado diversos exoesqueletos y se han estudiado los componentes utilizados en estos. Además, se han hecho comparaciones entre los tipos de actuadores que suelen ser usados y también entre algunas configuraciones especiales de estos. De esta forma, se determinaron los componentes que pueden cumplir con las funciones de la matriz morfológica para cada dominio (mecánico, eléctrico – electrónico y de control). Se presentan también las alternativas para la estructura de funciones y se elige aquella considerada óptima, a partir de la cual se han elaborado las matrices morfológicas respectivas y se han propuesto las alternativas de solución que cumplen con el objetivo general de este trabajo.
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Sistema mecatrónico de escaneado e impresión para musicografía braille de piano
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-16) Espinoza del Castillo, Igor Joseph; Portella Delgado, Jhon Manuel
La musicografía Braille es un sistema que utilizan las personas invidentes para aprender música, equivalente a las partituras en tinta para las personas con visión completa. En Perú, obtener una partitura en Braille es un proceso complicado, debido a que se requieren de softwares de pago, una computadora, un escáner y una impresora compatible costosa. Además, no existe un sistema que integre todos los pasos de obtención de partituras Braille. Por ello, se establece como objetivo principal de este trabajo de investigación el diseño conceptual de un sistema mecatrónico de escaneado e impresión para partituras Braille de piano. La metodología empleada en el presente documento establece definir la problemática e investigar el estado de la tecnología respecto a la obtención de partituras Braille. Luego, definir una lista de requerimientos del sistema, abstraer el proceso en funciones, vincularlas y crear conceptos de solución. Con estos, se elige un ganador y se lo mejora. El concepto de solución óptimo final que se obtuvo se divide en los subsistemas de energía, de procesamiento y control, de actuadores y de sensores. Además, la parte mecánica se puede dividir en selección, transporte, impresión y dispensado de la hoja. El diseño conceptual obtenido cuenta con un sistema de rodillos que permite el movimiento de papel en el proceso, y con sensores en cada etapa. También, utiliza un cabezal de punzonado que permite imprimir varios puntos de una celda Braille a la vez. Además, el microprocesador permite controlar el proceso, así como digitalizar y traducir la partitura escaneada. De esta manera, se cumple el objetivo inicial de plantear conceptualmente una solución para brindar mayor accesibilidad en la obtención de partituras a las personas con discapacidad visual.
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Diseño de prototipo de máquina dobladora de polos de algodón con capacidad de 120 unidades por hora
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Huapaya Blanco, George Vincent; Coasaca Apaza, César Ernesto
El presente trabajo tiene como finalidad el diseño conceptual a nivel mecánico, eléctrico, electrónico de una máquina automática para el doblado de polos con una capacidad máxima de 120 unidades por hora. Las prendas que ingresan a la máquina pasan por el proceso de planchado y se lee el código de barras perteneciente a cada polo. Con ayuda del sistema mecatrónico, el operario ahorra tiempo de doblado permitiéndole trabajar paralelamente con el embolsado de la prenda. Por otro lado, la presencia de la máquina brinda a las empresas menor tiempo de entrenamiento para sus nuevos trabajadores, ya que a estos les toma aproximadamente un mes para alcanzar la rapidez y calidad solicitada por los clientes. Para el desarrollo del trabajo y cumplir los objetivos se utilizan la metodología del diseño según la norma VDI 2221 y el proceso de innovación del MIT. Los materiales utilizados en el diseño se consideran no contaminantes para la prenda. Para el desarrollo del diseño se plantean exigencias mínimas, posteriormente, la elaboración de conceptos de solución, luego se realiza una evaluación cuantitativa y cualitativa. Finalmente, el diseño planteado comprende un bosquejo a mano alzada y un modelamiento 3D preliminar.
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Diseño del concepto óptimo de la integración entre una máquina de cocción de granos de maíz con un sistema de activación a través de una interfaz cerebro- computador (BCI) que detecta caídas en el rendimiento en estudiantes universitarios para proporcionar descansos efectivos durante sesiones de estudio
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Ramírez Castillo, Jorge Armando; Chau Delgado, Juan Manuel
Invertir largas horas en realizar una actividad académica sin tomar descansos, resulta siempre en una caída de rendimiento. Esto fue confirmado por un estudio realizado por la revista Harvard Business Review, el cual afirma que estar realizando una misma actividad durante largos periodos puede generar problemas como estrés, ansiedad, problemas de memoria, entre otros (Carmichael, 2015), que impiden que se continúe adecuadamente con las actividades que se están realizando. Asimismo, los descansos que se toman no son efectivos, pues parte de ese tiempo es ocupado, por ejemplo, para preparar alimentos o revisar el celular, no tomando un respiro para retomar las labores de la mejora manera. Ante esta problemática, el objetivo principal del presente trabajo se basa en la realización del diseño conceptual óptimo de un sistema integrado por una máquina automática para cocción de un alimento saludable sin necesidad de ser supervisada por un usuario, como lo son los granos de maíz y su sistema de activación mediante una interfaz cerebro-computador (BCI), para decodificar la actividad cerebral y detectar el momento en que se produce una caída de rendimiento, enviando un comando a la máquina para su activación, para así comenzar con el procedimiento de preparación, dando un aviso al usuario para que tome el descanso una vez que el alimento esté listo. La metodología del diseño empleada para la realización del presente trabajo de investigación está basada en la norma VDI 2206, para el diseño de sistemas mecatrónicos.
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Control de la posición de un cañón para tiro antisuperficie abordo de una corbeta misilera
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-10-11) Iriarte Chávez, Pedro José Pablo; Sotomayor Moriano, Juan Javier
Los cañones de artillería de las corbetas misileras con que cuenta la Marina de Guerra del Perú, poseen un sistema de control de tiro con tecnología analógica de los años 80´s, que actualmente presentan una serie de desventajas respecto al gran avance tecnológico de los sistemas electrónicos y digitales, quedando en desuso y con gran obsolescencia técnica. El tiro antisuperficie se realiza con el cañón 76 mm. instalado a proa de la cubierta principal de las corbetas misileras; el cual lo ejecuta en forma automática de acuerdo al seguimiento que efectúe el radar de control de tiro, y la solución al problema de tiro que efectúe el calculador del sistema de control. El sistema de control de tiro recibe las señales provenientes de los diversos sistemas periféricos del buque, así como de las tablas de tiro, para realizar el cálculo y determinar el ángulo de elevación y el ángulo de ronza con que debe posicionarse el cañón para ejecutar el disparo. En la presente tesis se realiza una introducción a la corbeta misilera y sus características, armamento y sensores; se explica en qué consiste el tiro antisuperficie y sus particularidades; asimismo, se analiza la problemática con que se cuenta para controlar la posición del cañón y realizar el tiro adecuadamente. Finalmente, se plantean técnicas de control para determinar la posición del cañón a fin de realizar tiro antisuperficie. El trabajo consta de la simulación de un sistema de control con calculador que determine cuál es el ángulo de elevación y ángulo en ronza del cañón para ejecutar el tiro en la posición deseada donde se encuentre el blanco. El principal aporte de la presente tesis es el desarrollo del sistema de control de la posición de un cañón, que permite alcanzar los requerimientos para ejecutar un tiro antisuperficie, el cual podría ser implementado en base a tecnología actual.
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Control de un sistema de posicionamiento magnético de dos dimensiones usando aprendizaje profundo por refuerzo
(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-10-30) Bejar Espejo, Eduardo Alberto Martín; Morán Cárdenas, Antonio Manuel
Los sistemas de posicionamiento magnético son preferidos respecto a sus contrapartes mecánicas en aplicaciones que requieren posicionamiento de alta precisión como en el caso de la manufactura de circuitos integrados. Esto se debe a que los actuadores electromagnéticos no sufren los efectos de la fricción seca o desgaste mecánico. Sin embargo, estos sistemas poseen fuertes no linealidades que dificultan la tarea de control. Por otro lado, el aprendizaje por refuerzo se ha posicionado como una técnica de entrenamiento de redes neuronales prometedora que está permitiendo resolver varios problemas complejos. Por ejemplo, el aprendizaje por refuerzo fue capaz de entrenar redes neuronales que han logrado vencer al campeón mundial de Go, derrotar a varios jugadores profesionales de ajedrez y aprender a jugar varios videojuegos de la consola Atari. Asimismo, estas redes neuronales están permitiendo la manipulación de objetos por brazos robóticos, un problema que era muy difícil de resolver por medio de técnicas tradicionales. Por esta razón, el presente trabajo tiene como objetivo diseñar un controlador neuronal entrenado por refuerzo para el control de un sistema de posicionamiento magnético de dos dimensiones. Se utiliza una variación del algoritmo Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) para el entrenamiento del controlador neuronal. Los resultados obtenidos muestran que el controlador diseñado es capaz de alcanzar varios setpoints asignados y de realizar el seguimiento de una trayectoria dada.

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