Ingeniería Mecatrónica (Lic.)
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Item Diseño de una plataforma de elevación con una rampa automática como medio de acceso para personas con movilidad reducida al transporte público(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-13) Morales Bravo, Jesús Sebastian; Elías Giordano, Dante ÁngelEn este documento, se presenta el diseño de un sistema mecatrónico conformado por un sistema de elevación y un sistema de traslación, con finalidad de permitir el acceso a personas con movilidad reducida, especialmente aquellas que usan sillas de ruedas, hacia la entrada de los buses de la línea roja del corredor complementario peruano. El sistema tiene una capacidad máxima de carga de 400kg, la cual se eleva a una altura de 1.10 m con respecto a la acera con una velocidad de 0.50 cm/s, permitiendo que el usuario llegue a la entrada del bus situada en la puerta posterior. La geometría está diseñada para sillas de ruedas de uso común con dimensiones máximas de 1.30 m de largo y 0.8 m de ancho. El desarrollo del documento contempla inicialmente un breve resumen del trabajo de investigación con respecto al diseño conceptual del sistema propuesto siguiendo la metodología UFSC, resaltando conceptos claves, mecanismos existentes en el estado del arte, tesis, patentes y una solución conceptual representada en bocetos. A partir de este primer capítulo, se empieza a desarrollar el diseño mecánico teniendo en cuenta consideraciones preliminares para el desarrollo de los cálculos, los cuales junto con simulaciones en elementos finitos permiten seleccionar los distintos materiales y componentes mecánicos e hidráulicos. Luego se realiza el diseño eléctrico-electrónico y de control, donde se detalla el diagrama de funcionamiento, la lógica de control, y la selección de los distintos componentes eléctricos-electrónicos que se usaran para controlar y energizar el sistema. Por último, se realiza la integración del dominio mecánico y electrónico, presentando diseños 3D, planos y un balance de costos. El sistema de elevación se basa en un mecanismo tipo tijera los cuales son usados por su robustez y su alta capacidad de carga sin perder el equilibrio. Por otro lado, el mecanismo de traslación está basado en un mecanismo telescópico el cual permite el traslado horizontal de cargas en voladizo con una flexión despreciable. Asimismo, se dispondrá de un panel de control el cual contendrá el controlador, relés de estado sólido y contactores, los cuales controlaran la entrada y salida de información de los sensores. La integración del sistema en sus tres dominios no supera los US$ 12000 dólares estadounidenses, por lo que podemos concluir que su inversión está dentro del rango comercial.Item Diseño de prótesis mioeléctrica de codo que permita emular los movimientos del antebrazo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-11-28) Acosta Traverso, Sebastián Alonso; Elías Giordano, Dante ÁngelEn la presente tesis se muestra el diseño de una prótesis mioeléctrica de miembro superior, enfocándose en los movimientos de flexo-extensión del codo y pronosupinación de la muñeca. Ello con el propósito de contribuir con el avance tecnológico y social, al advertir la escasez de investigaciones sobre este tipo de prótesis. La metodología que se siguió fue la de diseño VDI 2206, la cual consta de una etapa de investigación de antecedentes y elaboración del marco teórico. Asimismo, otra etapa posterior de definición los requerimientos y las propuestas de solución que surjan ante la problemática planteada. Y, finalmente, elección de la solución óptima y desarrollo del diseño de la prótesis. Siguiendo la metodología, se desarrolló el estado del arte a partir del cual se definieron los requisitos de usuario y de diseño que se buscan alcanzar en el presente proyecto. Seguidamente, se seleccionó sistemas de transmisión circular-circular que, posteriormente, se definieron como engranajes planetarios y embragues no retroactivos que forman parte de los mecanismos de pronosupinación y flexo-extensión. Asimismo, se seleccionó un Arduino-nano y se diseñó el sensor de electromiografía para el control de motores y la recolección de señales eléctricas en los músculos, respectivamente. Posteriormente, se realizó el diseño mecánico considerando que el usuario sostendrá una carga de 4.5 kg en la mano, y que el peso de la prótesis será de 1.5 kg. Además, se estableció como requerimiento que la prótesis debe tener una forma antropomórfica para que el usuario se sienta más cómodo con su uso. Es así que, aplicando conceptos de mecánica y diseño se obtuvo el módulo mecánico del dispositivo. En esta línea, se muestra el diseño de la prótesis la cual puede realizar los movimientos de pronosupinación y flexo-extensión en un rango de -80° a 90° y 0° a 140°, respectivamente. De igual manera, la prótesis puede alcanzar la posición de deseada de pronosupinación y de flexo-extensión en 2 y 4 segundos, respectivamente. Igualmente, se realizó la estimación de costos para hallar el valor aproximado de la prótesis y se obtiene que el costo estimado equivale a S/ 5,600.00.Item Diseño de una silla de ruedas con sistema de posicionamiento bípedo para personas parapléjicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-27) Carretero Karretero, Camilo Marcelo; Elías Giordano, Dante ÁngelEn el presente trabajo de tesis desarrolla el diseño de una silla de ruedas con sistema de posicionamiento bípedo para personas parapléjicas. Haciendo uso de la metodología de la norma alemana VDI2221, se abarca principalmente el diseño de la silla con movimiento manual y el sistema de elevación mediante un actuador lineal, el cual es activado por el usuario a través de un mando de control diseñado. Primero se realiza una síntesis del trabajo de investigación previo a este, en el cual se menciona la problemática, el estado del arte y tecnologías previas, los requisitos del sistema a diseñar y la propuesta de solución conceptual tomada como base para comenzar con el desarrollo. Luego, se desarrollan las consideraciones preliminares geométricas, de velocidades y fuerzas, seguido del diseño mecánico de la silla y la selección del actuador a utilizar. En la sección electrónica y de control se describe la lógica que sigue el sistema durante su funcionamiento, luego se realiza la selección de los componentes electrónicos, el cálculo de potencia junto con la selección de la batería que energiza el sistema y el diseño de la caja electrónica, la caja que contiene el acelerómetro y el mando de control. Para finalizar el diseño se presenta la integración total de la silla, esto es realizado junto con la selección de las partes restantes como las ruedas o los frenos, también se menciona la nomenclatura y presentación de los planos. Finalmente, se presenta todo lo relacionado a los costos, se hace un cálculo de los costos de diseño, de este se obtiene S/17,200.00 para ello. Luego se realiza el cálculo de los costos de fabricación, el cual es dividido en costos de componentes electrónicos, pernería, materiales y procesos de manufactura, obteniendo de la suma un total de S/20,725.00 necesarios para la fabricación de la silla.Item Diseño de un dispositivo para la medición de los ángulos de giro de la muñeca(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-08-29) Rojas Cruz, Brus Albert; Elías Giordano, Dante ÁngelEn este trabajo se presenta el diseño de un dispositivo para la medición de ángulos de giro de la muñeca. El diseño consta de una caja electrónica portátil en la cual se procesan los datos y se muestran los ángulos mediante una pantalla TFT de 2,8 pulgadas, así como de 2 cajas donde se alojan los sensores IMU. Adicionalmente, cuenta con un ajustador de velcro y elásticos para sujetar los sensores al cuerpo del paciente. Con respecto al funcionamiento, los datos se obtienen a partir de 2 sensores IMU ubicados paralelamente a los ejes de la muñeca y fijados mediante velcro y elásticos. El algoritmo para procesar extrae la orientación absoluta de los sensores y luego calcula el ángulo entre estos. Con la finalidad de comprobar la exactitud y validez de las medidas del dispositivo se diseñó una prueba controlada en la cual se compararon los ángulos entre el IMU y un método gráfico de manera transversal y longitudinal. Los resultados fueron los esperados: un error absoluto menor a 3º en ambos ejes y una validez concurrente de 0.99 utilizando el indicador ICC (intraclass correlation coefficient). Finalmente, cabe mencionar que el costo de diseño estimado es de S/.18880. En este se incluye el trabajo del diseñador y la asesoría de un ingeniero senior. En cuanto a la manufactura del producto, el costo unitario de fabricación es de S/. 604. Este costo contempla los costos de importación, materiales, ensamble y procesos de manufactura1.Item Diseño de un electrogoniómetro para medir los ángulos de flexo-extensión y prono-supinación del codo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-08-24) Félix Ruiz, Javier Antonio; Elías Giordano, Dante ÁngelLa rigidez en el codo puede provenir de lesiones traumáticas y luxaciones, para su tratamiento se realizan diferentes tipos de terapias y ejercicios que paulatinamente van aumento el rango de movimiento, en cada sesión es importante medir el progreso del paciente debido a que, si se terminan las terapias sin lograr un rango completo de movimiento, las posibilidades de tener contracturas al flexionar el codo aumentan. Es por esa razón, que en la presente tesis se ha desarrollado un electrogoniómetro para medir los ángulos de flexo-extensión y prono-supinación del codo. Una de las características más importantes es que permite obtener valores con una precisión de +- 1°, y adicionalmente al tener un dispositivo que permite almacenar los valores leídos, se puede usar en el área de la ciencia para realizar estudios en las acciones que se realizan en los diferentes deportes y así poder evitar lesiones. El diseño fue realizado utilizando las metodologías según las normas VDI 2206 y VDI 2221, para ello se realizó un estudio de la problemática actual referente al uso del goniómetro universal, y además se compararon las diferentes tecnologías que existen para medir ángulos. A partir de la información obtenida se obtuvieron diferentes conceptos de solución, en el cual el ganador fue escogido a través una evaluación técnica-económica. En el diseño final se realizaron una serie de consideraciones como la selección de componentes, los materiales a usar, el dimensionamiento de las piezas que protegerán los componentes internos, entre otros, estas consideraciones permitieron llegar al diseño propuesto. Finalmente, se realizó una estimación de los costos involucrados en el desarrollo del dispositivo, se consideró los costos de manufactura, ensamblado, y para las piezas se consideró el costo de importación, sumando cada uno de los subtotales se obtiene que el costo estimado del dispositivo es de S/. 800.00 aproximadamente.Item Diseño de un sistema de suspensión y desplazamiento para controlar el movimiento vertical humano en el exoesqueleto PUCP para rehabilitación de miembros inferiores(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-07-19) Del Alcázar Flores, Jaime Jorge; Elías Giordano, Dante ÁngelEn el presente proyecto se desarrolló el diseño de un sistema de suspensión y control del desplazamiento vertical humano, complementando así al exoesqueleto de rehabilitación de miembros inferiores desarrollado en la PUCP. El sistema está enfocado a pacientes con discapacidad motora en las extremidades inferiores, debido a lesiones medulares o enfermedades neurodegenerativas. Se contempló un breve análisis biomecánico de la marcha humana, se consideran factores como desplazamientos, velocidad, aceleración y fuerza en el paciente con trastorno de marcha para su interacción con el sistema a diseñar. El diseño del sistema se basó en la metodología de la norma VDI 2221, en donde este es seleccionado en base a un concepto de solución para lo cual se hizo un análisis técnico y económico de una serie de alternativas que se plantearon. Así mismo, se desarrollan los cálculos respectivos que respalden el diseño del sistema mencionado, haciendo énfasis en el ámbito mecánico, realizando un analizando las cargas que actúan sobre los componentes mecánicos durante la marcha del paciente. De igual forma se seleccionaron los componentes electrónicos en base a los cálculos obtenidos en el análisis mecánico, con lo que permite su interacción con el sistema de control. El sistema presentado se compone principalmente de un arnés de seguridad y una cuerda que sujeta al paciente, cuyo peso no exceda de los 125 kilogramos, que, mediante un controlador, sensores, y actuadores, realiza de manera óptima el control del desplazamiento vertical del centro de gravedad, a una velocidad máxima de 5 cm/s, del usuario durante el proceso de marcha, corrigiendo su trayectoria a una cercana a la de una persona sana. A su vez, el sistema soporta el propio peso del paciente, con lo que le permite realizar otros tipos de movimientos asistidos dirigidos por el terapeuta, haciendo más eficiente el proceso de rehabilitación. El costo estimado del sistema es de aproximadamente S/. 21,000.00 el cual incluye costos de diseño, fabricación y ensamble. Adicionalmente se presentan una serie de observaciones y recomendaciones para la optimización del sistema diseñado.Item Diseño de muñeca activa de 2 grados de libertad para prótesis transradial(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-06-06) Pozo Abregú, John Antonio; Elías Giordano, Dante ÁngelEn el presente trabajo se presenta el diseño mecatrónico de una muñeca de dos grados de libertad para una prótesis mioeléctrica transradial, que permita al usuario realizar los movimientos de flexión-extensión y pronación-supinación; y con una capacidad de carga de 500 gramos en la palma de la mano de la prótesis. Estos movimientos son los más requeridos en prótesis comerciales existentes. El sistema diseñado cuenta con dos motores DC, uno para cada tipo de movimiento. En la transmisión de potencia, se usó un mecanismo de tornillo sinfín-corona para el movimiento de flexión-extensión y una transmisión mediante engranajes helicoidales para el movimiento pronación-supinación. El diseño completo está desarrollado de manera que se pueda ensamblar con la palma de mano del proyecto de “Prótesis mioeléctrica de mano de 4 grados de libertad con algoritmo de control de fuerza independiente en los dedos” que se desarrolla dentro del Círculo de Investigación de Contrato N°206-2015 FONDECYT. Las simulaciones para corroborar las deformaciones y esfuerzos de los diferentes elementos se han realizado mediante el software AutoCAD Inventor por medio del método de elementos finitos, lo que ha permitido validar el diseño de las piezas. El costo estimado de diseño y fabricación de la muñeca para la prótesis mioeléctrica transradial del Contrato N°206-2015 FONDECYT, y todo esto integrado en la mano protésica, es de S/. 9,000 aproximadamente.Item Diseño de un dispositivo wearable para estabilizar y monitorear la marcha de perros con displasia de cadera(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-04-07) Camacho Nalvarte, Néstor Omar; Elías Giordano, Dante ÁngelEn este trabajo, se presenta el diseño de un wearable ligero y de bajo costo que estabiliza las articulaciones de la cadera de canes de tamaño mediano a medianogrande con displasia. Esto es, perros con un tamaño de altura de cruz de 56 a 66 cm. Al mismo tiempo, el wearable dispone de un sistema de acelerómetros que permiten monitorear la marcha del animal, y a su vez, sensores electromiográficos que permiten estimar la carga que soporta la cadera. De esta forma, el wearable realiza un análisis objetivo del proceso de mejoría del animal, y a su vez mejora la calidad de vida de este. En este documento se presenta la metodología del diseño, la cual se basó en el método alemán VDI2206. Este parte del estudio de la literatura, con el fin de plantear conceptos de solución y dilucidar un proyecto preliminar. Posteriormente se realizó la selección de componentes, seguido por la descripción de los métodos de análisis y procesamiento de las señales pertinentes, la lógica del sistema, y finalmente la descripción del sistema con sus planos respectivos. El wearable consiste en dos paneles laterales flexibles, los cuales se sujetan firmemente a las patas traseras del animal. A su vez, estos se unen a una pechera que ejerce tensión lo cual permite estabilizar la cadera. Cada panel dispone de un microcontrolador, el cual en conjunto con los diversos componentes eléctricoelectrónicos, logran monitorear la marcha del can y estimar la carga en la cadera. Al mismo tiempo, el dispositivo permite grabar la información obtenida en una tarjeta microSD. Finalmente, el costo de fabricación y ensamble del wearable no supera los S/. 5,000, representando así una opción viable frente a intervenciones quirúrgicas, y a su vez posibilitando la comercialización de este.Item 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 ÁngelEn 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.Item Diseño de los miembros superiores de un exoesqueleto de cuerpo completo para incrementar la capacidad de carga de la persona(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-08-27) Peña Rivera, José Miguel; Elías Giordano, Dante ÁngelEl presente trabajo presenta el diseño de los miembros superiores de un exoesqueleto de cuerpo completo, con cinco grados de libertad en cada brazo, de los cuales cuatro son actuados, para soportar una carga de hasta 30kg durante la acción de elevar un objeto desde el suelo hasta la zona media del cuerpo. Incrementar las capacidades físicas de la persona a través del uso de exoesqueletos, consiste en que estos mismos cubran el cuerpo entero de la persona. Por lo tanto, debido a la complejidad del mismo, es que en este proyecto solo aborda el diseño de los miembros superiores del exoesqueleto, además se proporcionan las fuerzas en el extremo que se debe conectar con el resto del exoesqueleto, para su desarrollo en futuros trabajos. En los primeros capítulos se realizó un estudio sobre las tecnologías existentes en el campo de los exoesqueletos, tanto de modelos comerciales, como de exoesqueletos que forman parte de trabajos de investigación aun en desarrollo. Además, se presenta una breve introducción sobre conceptos anatómicos del cuerpo humano como también de antropometría, esto con el fin de entender y aplicar dichos conceptos en el posterior diseño mecánico. Con esta información recopilada y haciendo uso de la metodología VDI 2221, se realizó el diseño conceptual del exoesqueleto en base a una lista de requerimientos previamente propuestos. Por último, se desarrolló el diseño mecánico del exoesqueleto, una vez realizado esto se obtuvo y analizó todos los procesos que el exoesqueleto debía cumplir para su funcionamiento y en base a estos requisitos se seleccionaron los componentes electrónicos que cumplan dicha tarea. Así mismo, los costos de diseño y fabricación se estiman en S/. 20,000 y S/ 43,000, respectivamente.