Ingeniería Mecatrónica (Lic.)
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Item Sistema in situ de detección de fallas en los inyectores de un motor diésel de alta potencia con aplicación en minería(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-30) Valdivia Arévalo, José Víctor; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaLa presente investigación titulada “Sistema in situ de detección de fallas en los inyectores de un motor diésel de alta potencia con aplicación en minería” tiene como objetivo reducir paradas imprevistas en los camiones mineros, producto de un mal funcionamiento del motor diésel. Para reducir estos tiempos y teniendo en cuenta que la muestra en analisis corresponde a datos de motores diésel QKS78 Cummins operando en mina Antamina y Las Bambas, se propone el diseño metodológico experimental de un sistema inteligente in situ que detecte la falla en un componente crítico de los motores Diesel de alta potencia, como es el caso del inyector. El sistema está basado en el análisis del comportamiento de las temperaturas del gas de escape del motor, variable que registra una relación con el mal funcionamiento del componente en estudio. El sistema de detección de fallas cuenta con un software que realiza la detección del mal funcionamiento del inyector, cuyos resultados obtenidos en la exactitud del modelo desarrollado, mediante algoritmos de inteligencia artificial, corresponde a un 88%, con un margen de error de 2%. Con esta información se torna posible proporcionar recomendaciones en las tomas de decisiones para la parada de los camiones mineros, relacionados a un mal funcionamiento del inyector o sensor de temperatura de escape, sin necesidad de un personal capacitado.Item Diseño de un controlador descentralizado adaptable al sistema de semaforización de Lima Metropolitana para la optimización de tiempos de los ciclos semafóricos en tiempo real(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2021-11-10) Montoya Calderón, Andrée Yordan; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaActualmente, un problema que afecta a toda la población de la ciudad de Lima Metropolitana es la congestión vehicular, en donde una de las causas principales es el sistema de semaforización. A la fecha, el 67% de semáforos de la ciudad no están interconectados y son del tipo presincronizado, es decir, cambian el color de luz de acuerdo a un tiempo preestablecido; mientras que en el 33% de semáforos restantes, que se encuentran interconectados formando una red, el control se encuentra a cargo de cierto personal que actúa, únicamente, en momentos críticos. Si bien se puede decir que Lima cuenta con un sistema de semaforización, este no llega a ser el adecuado debido a que no puede adaptar su comportamiento en tiempo real para reducir la congestión vehicular. Aún más, algunas acciones tomadas, tales como el apoyo policial y la implementación de las denominadas “olas verdes”, pueden no presentar buenos resultados e incluso generar mayores problemas de tráfico debido a que no son acciones óptimas, puesto que son tomadas bajo criterio de agentes policiales u operarios, quienes cuentan con conocimiento limitado del entorno en tiempo real. De esta manera, se propone una solución para las intersecciones semafóricas que actualmente no se encuentran interconectadas a fin de optimizar los tiempos de los ciclos semafóricos según el estado de tráfico en tiempo real, con el objetivo de minimizar el volumen vehicular, bajo un modelo edge computing. Así, el presente trabajo desarrolla el diseño de un controlador descentralizado, como base de la solución propuesta, buscando aprovechar algunos recursos y componentes propios de las intersecciones, tales como los semáforos y las conexiones bajo tierra entre estos y el controlador. Cabe mencionar, que la solución también podría ser adaptada para usarse en las intersecciones interconectadas. El diseño del controlador incluye el diseño del algoritmo de control, el cual estará basado en una política de asignación proporcional generalizada que no requiere de información de otras intersecciones para el cálculo de tiempos de una intersección. El impacto del algoritmo de control se evaluará comparando sus resultados con los del sistema de semaforización actual en un ambiente de simulación, en donde se implementará el sistema de tráfico vehicular correspondiente a un caso de estudio. El diseño físico del controlador, el cual contempla el diseño electrónico y mecánico, e incluye los cálculos para la selección de componentes, así como las conexiones entre estos y protocolos de comunicación, también forma parte del trabajo.Item Robot arácnido inteligente para detección de minas antipersonales metálicas en terreno irregular(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-12-07) Saromo Mori, Daniel Alcides; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaDebido a su bajo costo y a su simplicidad, enterrar minas antipersonales en el campo de batalla ha sido, lastimosamente, una estrategia bélica muy común en el siglo pasado. Sin embargo, la contaminación de tierras con minas antipersonales es una problemática aún vigente en la actualidad, ya que más de sesenta países siguen contaminados con estos explosivos. El desminado humanitario busca erradicar todas las minas restantes en el mundo. Lamentablemente, el método más utilizado actualmente para ejecutar labores de desminado es hacerlo de forma manual, debido al elevado costo que representan los sistemas autónomos actuales. Aunque existen propuestas de robots móviles que asisten estas labores, la mayoría de ellas carece de versatilidad de desplazamiento sobre terreno irregular, ya que utilizan ruedas para permitir el movimiento de estos sistemas. En esta tesis, se propone el diseño de un robot arácnido para el traslado de un sensor que permite la detección de minas antipersonales en terreno irregular. En el ámbito mecánico, el robot tiene cuatro patas y presenta simetría sagital. Los elementos electrónicos están alojados dentro del tórax, que se encuentra en el centro del robot. El detector de minas se sujeta desde el tórax apuntando hacia abajo. Se hizo el análisis dinámico del mecanismo las patas, con su respectiva simulación cinemática y cinética. Además, se realizaron dos simulaciones de esfuerzos en la estructura del robot mediante el método de elementos finitos. Con respecto al diseño electrónico, se desarrollaron cálculos para los circuitos de las fuentes de voltaje internas del robot. Se verificó la estabilidad de dichas fuentes frente a ruidos eléctricos, ejecutando una simulación de los circuitos reguladores de voltaje agregando ruido sinusoidal. Se realizó también la selección de los demás componentes electrónicos del robot. El ámbito de control es el aspecto más desarrollado de la presente tesis. Se plantea un algoritmo innovador, que fusiona perspectivas de aprendizaje de máquina e inteligencia artificial bioinspirada, para permitir que el robot aprenda a caminar. De esta manera, se espera que el robot mejore su desempeño con el tiempo, a medida que vaya obteniendo más experiencia y haya recolectado más datos de su entorno. El algoritmo propuesto permite entrenar un agente inteligente para maximizar una métrica de recompensa, pero sin aplicar técnicas de aprendizaje por refuerzo, que son usualmente utilizadas en este tipo de problemas.Item Diseño e implementación de las funciones de agarre y levante en un brazo Kinova usando señales EEG y Deep Learning(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-24) Neyra Pérez, Juan Manuel; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaMiles de personas en el mundo son afectadas por enfermedades causantes de parálisis tales como esclerosis lateral amiotrófica, lesiones en la médula espinal y distrofia muscular. En los últimos años, investigadores han buscado desarrollar soluciones tecnológicas para asistir a estos pacientes. En el 2012, una mujer con tetraplejia, causada por un paro cerebral, fue capaz de acercar una botella a su boca y beber de ella, utilizando señales EEG invasivas [1]. Recientemente, en el 2016, ahora mediante sensores EEG no invasivos, se realizaron pruebas en 13 sujetos sanos para mover un brazo robot en dos dimensiones [2]. Buscando colaborar en el desarrollo de robots asistenciales, el presente trabajo propone el diseño e implementación de las funciones de 'agarre' y 'levante' en el brazo robot Kinova, donde las señales de activación provendrán de señales EEG y el algoritmo de traducción estará basados en modelos de deep learning. Los modelos de deep learning mencionados serán basados en la solución propuesta por Alex Barachant y Rafael Cycon para la clasificación de señales EEG [3]. El dataset que se utilizará para el entrenamiento se toma del repositorio WAY-EEG-GAL financiado por la unión europea [4]. A pesar de que las señales EEG corresponden a movimientos físicos reales, los cuales no pueden ser realizados por los pacientes con las enfermedades antes mencionadas, este trabajo busca brindar un aporte a la literatura médica e ingenieril y al avance de las aplicaciones de interfaz cerebro-computador. Adicionalmente, se busca proponer el método para evaluar el desempeño en una prueba experimental del algoritmo referido, lo cual no se ha abordado en la literatura presente hasta el momento.Item Desarrollo de un sistema tipo wearable para medición de fuerzas verticales de contacto pie-piso con aplicación en el voleibol(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-04) Bravo Thais, Leonardo Gabriel; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaCon la finalidad de que los deportistas realicen un buen desempeño en el campo, se busca siempre brindarles un adecuado entrenamiento, con herramientas que les ofrezcan una retroalimentación que permitan la mejora del rendimiento deportivo, así como la disminución de las probabilidades de sufrir una lesión. Sin embargo, la implementación de dichas herramientas tecnológicas en los centros deportivos es complicada debido a que estas son escazas y en muchas oportunidades costosas. Además, se requiere que el entrenador esté capacitado para interpretar y entregar adecuadamente la información obtenida a los deportistas. En ese contexto, en el Perú se viene estudiando el gesto de la recepción en vóleibol con el fin de mejorar el rendimiento deportivo. Un parámetro estudiado en este proyecto es la fuerza de contacto pie-piso para poder obtener los momentos en las articulaciones al realizar un análisis de dinámica inversa. Con el fin de cuantificar dicha fuerza se utilizan plataformas de medición; no obstante, el uso de estas plataformas tiene tres inconvenientes: son costosas, pesadas y restringen el movimiento del jugador durante la ejecución del gesto ya que este debe posicionar los pies dentro del área de medición. Buscando solucionar estos inconvenientes la presente tesis trata sobre el desarrollo de un sistema de medición de fuerzas verticales de contacto pie-piso que sea ligera, que no restrinja el movimiento del jugador y que su costo sea menor que los productos actuales similares. El sistema diseñado tipo wearable; es decir, que puede ser llevado en el cuerpo como una prenda o un accesorio, cuenta con tres partes principales. En primer lugar, posee una plantilla de calzado con sensores de fuerza integrados en ella. La plantilla está conformada por una capa inferior donde se ubican los sensores y una superior que cuenta con unos concentradores que distribuyen la fuerza ejercida por el jugador en todos los puntos de medición. En segundo lugar, el wearable posee una carcasa que se posiciona en la pierna de la persona y que contiene componentes electrónicos. Con estos se adquiere y procesa la información referente a las fuerzas verticales de contacto para calcular la fuerza resultante vertical y la posición del centro de presiones. Por último, se cuenta con una aplicación para celular la cual cumple con la función de interfaz gráfica para operar el sistema y para visualizar los datos obtenidos. La metodología para el diseño seguida consiste en la búsqueda de información correspondiente al estado del arte. Posteriormente, se proponen conceptos de solución para el problema tratado, de los cuales se escoge el óptimo. Luego se realizan los cálculos necesarios para una selección de los componentes mecánicos y electrónicos. Así también, se diseña el software para el procesamiento y visualización de los datos. Adicionalmente, se fabrica un prototipo para validar el funcionamiento del sistema diseñado y para encontrar oportunidades de mejora en él. Por último, se realizan las pruebas de validación de los resultados obtenidos por el prototipo.Item Guante inteligente que reconoce gestos de manos para reproducción de audio(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-12-06) Dominguez Medrano, Johana Indira; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaDebido al cambio continuo en la industria de la música, específicamente en la industria de la música electrónica, lo que siempre se ha buscado es innovar; esto ha sido posible gracias al crecimiento de la tecnología que ha brindado nuevas posibilidades de componer música y hacer performances en vivo. Sin embargo, lo que el performer también busca son nuevas maneras de interactuar con su audiencia en una performance en vivo, ya que no siempre es evidente para la audiencia que es lo que sucede cuando el performer está detrás de su laptop, loops u otros dispositivos. Por ello, para que los performers puedan interactuar con su música y audiencia de una nueva manera se propone el diseño de un guante, que reconozca gestos que el performer realice y un software, mediante el cual se permita reproducir audios que estén vinculados a un gesto; y así, dé la impresión al espectador de cómo “crea música” en frente de él. El guante está conformado por sensores de flexión, los cuales miden los ángulos de las articulaciones metacarpofalángicas de los dedos de la mano, y un sensor IMU, que mide los movimientos articulares de la muñeca. Los datos que se adquieren de los sensores son enviados a una PC para que sean ingresados al modelo de reconocimiento de gestos construido y consiguientemente se reproduzca el archivo de audio que esté vinculado al gesto entrenado. El entrenamiento del modelo de reconocimiento de gestos se realizó con el algoritmo de clasificación Random Forest. La ventaja de este sistema es que se proponen dos modos de uso: modo de usuarios múltiples y modo de usuario especifico, dándose en el último caso la oportunidad al usuario de obtener resultados más precisos a cambio de que se tomen el tiempo de tomar los datos de sus gestos para el entrenamiento del modelo. Los resultados de precisión que se obtuvieron para los modelos fueron de 92.80% para el modelo de usuarios múltiples y 92,52% para el modelo de usuario específico. Por último, se obtuvo un costo del sistema electrónico y mecánico de S/. 1438.40 y un costo de diseño de S/. 9000 para el proyecto, con lo cual se concluye que el costo de diseño se podría repartir y obtener un costo menor por guante en el caso que sea fabricado en volúmenes de producción alto.Item Diseño de un sistema portátil tipo cometa para generación de electricidad(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-03-15) Ruiz Figueroa, José Iván; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaLas energías renovables constituyen un recurso importante en el mundo ya que no contaminan el ambiente en comparación con los recursos fósiles. En el mundo se cuenta con un gran potencial de fuentes de energía renovables como el agua (energía hidráulica), los desechos (biomasa), aire (energía eólica), entre otros. Sin embargo, el potencial total de estas energías no son aprovechadas debido a factores como costos, falta de lugares idóneos para su implementación y factores que pueden afectar en muchos casos el hábitat de los animales. En el Perú, el potencial teórico de energía eólica es de alrededor de 22 000 MW contra una capacidad instalada de 239 MW, lo cual representa 1 % del total que se podría obtener. Las principales barreras para un mayor aprovechamiento del potencial eólico son los costos y la tecnología. Dado que el potencial de energía eólica y su crecimiento está basado en la altura de las torres de los aerogeneradores, su desarrollo se ve impedido por el transporte y la maquinaria necesaria para su instalación a más de 100 m de altura. Por ello, en el presente trabajo se desarrolla el diseño de un sistema generador de electricidad con una estructura tipo cometa como dispositivo para captar la energía cinética del aire a alturas mayores a 100 m. El diseño cuenta con una cometa que está unida mediante cables a una unidad de control que cuenta con dos motores DC que modifican el perfil de la cometa para controlar su trayectoria. La unidad de control se une también mediante cables a una estación en tierra donde se encuentra un tambor que transmite el movimiento al generador. En la estación en tierra se ubica un motor AC para retornar la cometa una vez que esta haya alcanzado la altura máxima de operación. El generador se conecta a un banco de baterías para almacenar la energía producida. El control de la trayectoria se realiza mediante un control en tiempo real y módulos de posicionamiento, así como sensores de velocidad de viento, sensores de fuerzas, temperatura y voltaje para asegurar la seguridad del sistema. La metodología del diseño propuesto se delimita a partir del estado del arte encontrado. Luego, se definen los conceptos de solución y se evalúa el concepto de solución óptimo. Se realiza también una evaluación de los sensores y actuadores a usar a partir de los requerimientos establecidos, y se define una estrategia de control para la trayectoria en la generación de energía. El resultado final del diseño se muestra en las ilustraciones del documento y planos.Item Diseño de un sistema mecatrónico móvil para monitoreo de condición de fajas transportadoras(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-10-25) Chiu Castro, Godofredo Esteban; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaEl presente trabajo tiene como objetivo proponer un diseño mecatrónico que contribuya con la inspección del estado de los elementos mecánicos críticos en las fajas transportadoras en minería. El conocimiento del estado actual de los elementos mecánicos críticos facilita la toma de decisiones de mantenimiento y prolonga las horas de operación durante la jornada laboral. Para afrontar el objetivo planteado se establecieron los requerimientos del sistema mecatrónico, entre los cuales los principales son: contar con un mecanismo de desplazamiento que sea capaz de monitorear las principales variables de los elementos mecánicos y que pueda ser controlado de manera remota, entre otros, para posteriormente establecer el concepto de solución, proponer alternativas de solución y diseño del sistema. El diseño del sistema mecatrónico se describe a través de: diagrama de funcionamiento, hojas de datos del equipamiento involucrado, diagrama de flujo de la lógica de control del sistema y planos mecánicos. Finalmente, se plantean las conclusiones, de los principales resultados obtenidos del diseño del sistema mecatrónico.Item SYSML como herramienta para garantizar la trazabilidad de requerimientos en el diseño mecatrónico(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2018-02-12) Vidal Sandoval, Jesus Enrique; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaLa trazabilidad de requerimientos durante el proceso de diseño mecatrónico es de suma importancia ya que permite rastrear, ubicar y verificar eficazmente el cumplimiento de los requisitos establecidos por el cliente, o interesados. Si se introduce o aplica durante las primeras etapas de diseño es posible garantizarla, permitiendo resolver a priori problemas de diseño que de otra forma no se hacen evidentes hasta etapas posteriores. En ese sentido, la presente tesis muestra cómo los requisitos de trazabilidad para el diseño mecatrónico se pueden lograr mediante el empleo de una metodología de ingeniería de sistemas basada en modelos (MBSE) y la herramienta asociada, Systems Modeling Language (SysML). SysML es un lenguaje de multivista de propósito general para el modelado de sistemas capaz de vincular los requisitos a los elementos del sistema al capturar los requisitos textuales y colocarlos en los modelos de diseño. Además, SysML se puede acoplar a otras herramientas, incluidas las hojas de cálculo y el software de diseño y simulación, como Matlab o Modelica, lo que permite la verificación de los requisitos. Un actuador electromecánico (EMA), actuador de superficie del avión, se elige como caso de estudio de sistema mecatrónico. Al unirse a SysML y Matlab/Simulink, fue posible rastrear los requisitos para el diseño mecatrónico de EMA y, por lo tanto, verificar el cumplimiento de los principales requisitos asociados al diseño de control. Finalmente, esta tesis cierra proponiendo un trabajo futuro que contempla la necesidad de trabajar una lista más completa de requerimientos, los cuales llaman al uso de herramientas computacionales de ingeniería del tipo CAD como Autodesk Inventor o CadSoft Eagle, entre otros.Item Diseño de un vehículo aéreo no tripulado y software asociado para la inspección de carreteras interprovinciales(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2017-07-05) Rivera Calagua, Bryan Joel; Villota Cerna, Elizabeth RoxanaEl método más común para inspección de carreteras es la inspección visual. Esta tarea toma tiempo ya que el proceso de evaluación e inspección es tedioso y largo, además de no abarcar más de 20 km por día. Con todos estos factores y teniendo en cuenta el error del operario, no se logra obtener una inspección adecuada. Además, implica alto costo y muchas veces es riesgoso para los mismos operarios ya que en una carretera transitan vehículos a alta velocidad, además de que las mismas carreteras en mal estado pueden resultar peligrosas. El presente trabajo propone el diseño de un vehículo aéreo no tripulado de ala fija (UAV que solo posee un motor y donde la fuerza de sustentación es proporcionada por las alas) para la acción de inspeccionar carreteras. Este debe ser lo más ligero posible, es por ello que se escogió poliestireno expandido como material principal. Se integrará el UAV con una cámara digital que tome fotos con alta calidad cada 5 segundos mientras sigue una trayectoria definida. Finalmente, las fotos tomadas son analizadas en una computadora por medio de procesamiento de imágenes para encontrar las fallas en las pistas. El algoritmo de procesamiento de imágenes se restringirá para carreteras interprovinciales, debido al poco tráfico que presenta en comparación con las carreteras de ciudad. Para el diseño del UAV se utilizó la metodología VDI 2225, donde de tres conceptos de solución se seleccionó el óptimo a través de un análisis técnico y económico, este concepto óptimo se va mejorando a través del avance de la tesis. Como resultado final se obtiene un vehículo de 3 kg de peso, el cual puede sobrevolar a una altura máxima de 80 m, a una velocidad máxima de 15 m/s.