Ingeniería Mecatrónica (Lic.)
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Item Robot para carga y transporte de productos para el hogar por escaleras de edificios sin ascensor(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-09) Alamo Guizado, Andrés Leonardo; Flores Álvarez, Pedro AlonsoLos edificios a partir de los 5 pisos requieren tener ascensor [1], sin embargo, en Lima, la capital del Perú, hay lugares en donde esto no se ha cumplido, tales como: unidad vecinal de Mirones en el Cercado de Lima, unidades vecinales de Matute y Manzanilla en la Victoria, residencial San Felipe en Jesús María, multifamiliares en Surco Viejo y Ate; también en la Ciudad Satélite Santa Rosa de Callao, entre muchos otros. Es más, en otros departamentos del Perú, se encuentra esta misma situación de edificios sin ascensores. Esto significa, que la población que resulta más afectada para cargar sus víveres, compras u otros son las personas con discapacidad, de tercera edad, embarazadas y menores de edad. De un modo u otro, esto se volverá gran problema con el pasar del tiempo para todas las personas que viven en estos edificios por el factor de edad. La solución conceptual realizada es un robot móvil autónomo, el cual realiza 2 tareas fundamentales: trasladarse por pasillos y superar las escaleras. Las tareas son ejecutadas de manera independientes, por un lado, la traslación es realizada con ruedas omnidireccionales para poder evitar obstáculos y realizar giros; por otro lado, como se delimitó el problema a escaleras de tramos rectos, se hace uso de marcos-estrellas para subir y bajar las escaleras. La solución conceptual presentada del robot es personalizada a cada edificio, pues el robot se dirige al departamento que corresponde por medio de un mapa que utiliza de su edificio. Para este trabajo, se siguió la metodología de diseño mecatrónico realizada por la Pontificia Universidad Católica del Perú y la Universidad Federal de Santa Catarina [UFSC-PUCP]. De acuerdo con la metodología, las secciones a encontrar en este documento fueron organizadas en antecedentes, estado del arte, diseño conceptual y diseño integrador. La primera, describe el problema y todo lo relacionado a él. La segunda, analiza y compara tanto productos como tecnologías existentes. La tercera, recolecta los requerimientos del público objetivo, disgrega el problema en partes y obtiene pequeñas soluciones para que posteriormente se puedan integrar en una idea de solución. La última sección, contiene la ingeniería de detalle del concepto de solución final, características técnicas del robot y modo de funcionamiento. Finalmente, el robot propuesto es adecuado para las personas con discapacidad, de tercera edad, embarazadas y menores de edad; pues considera la ergonomía y así previene posibles lesiones músculo-esqueléticas.Item Acoplamiento para drones del tipo multirrotor enfocado a la limpieza de fachadas de edificios(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-11) Lema Eros, Rafael Williams; Saito Villanueva, CarlosLos drones actualmente han tomado relevancia en un gran número de industrias como la fotografía, cine, agricultura e incluso minería, lo que demuestra el gran potencial de esta tecnología. Sin embargo, sus aplicaciones pueden ir aún más lejos y llegar a industrias como la de limpieza de edificios donde pueden aportar una mayor eficiencia en tiempo y costos, además de reducir los peligros a los que los limpiadores de alturas están expuestos. Pero esto es algo que un dron multirotor no podría lograr por sí solo, ya que requeriría de adaptaciones y de otros sistemas que permitan a esta tecnología lograr introducirse en la industria de limpieza de edificios. Por tal motivo, el problema que se busca solucionar con el presente trabajo de investigación es disminuir la tasa de accidentes y exposición a lesiones de los limpiadores de edificios en alturas. Así como, reducir el tiempo y dinero requerido para realizar dicha tarea en edificios que no superen los 10 pisos de altura. El objetivo principal del presente trabajo es diseñar un acoplamiento con una carga útil inferior a los 5 kilos, para un dron comercial del tipo multirrotor con el propósito de realizar la limpieza de la fachada de edificios no mayores a 10 pisos utilizando agua a presión. Por otro lado, los objetivos específicos que se deben cumplir son: Investigar el estado de las tecnologías y sistemas actuales relacionados con la limpieza exterior de edificios, diseñar el sistema eléctrico / electrónico para regular la energía de cada parte del sistema, definir los sistemas de control que permitan a la solución operar de forma eficiente, diseñar el sistema mecánico que contenga los componentes necesarios, realizar los planos mecánicos y electrónicos del sistema y determinar el costo de desarrollo e implementación. Para cumplir dicho objetivo se encontró óptimo utilizar un dron comercial para realizar la función del desplazamiento del módulo. Este estará acoplado al dron y se encargará de dirigir el chorro de agua, así como grabar y transmitir en tiempo real el proceso de limpieza a una interfaz en tierra. Por otra parte, se diseñó una estación ubicada a nivel del suelo que se encarga de suministrar agua a presión y energía al módulo. El trabajo concluye con el alcance del objetivo general, puesto que se diseñó un acoplamiento, con una carga útil de 2, 432 kilos, para el dron comercial DJI S900 con el propósito de realizar la limpieza de la fachada de edificios de hasta 6 pisos utilizando agua a presión.Item Diseño de un sistema teleoperado para recolección de residuos sólidos flotantes en humedales(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-09) Cárdenas Rondán, Richard Daniel; Oscanoa Fernandez, Hector HugoLa degradación de los humedales en el Perú se debe en gran medida a la contaminación provocada por el ser humano, ante esto el gobierno promueve el desarrollo de tecnología para la prevención y mitigación de la contaminación como son los residuos sólidos que flotan en la superficie del agua. En el siguiente proyecto se diseña un vehículo recolector de residuos sólidos flotantes con capacidad de ser teleoperado. Esta solución apoyará en labores de limpieza, aumentando la eficiencia y reduciendo el impacto ambiental de la intervención humana o maquinaria pesada. El diseño del vehículo está basado modelos de barco del tipo catamarán cuyo casco se encuentra dividido en dos puntos de flotación. Se aprovecha el espacio entre flotadores para instalar una red que atrapará los residuos sólidos cuando el vehículo pase por encima de ellos realizando la acción de barrido. Se acondicionan electrónica de control y monitoreo, tales como una cámara, iluminación, alarma sonora, unidad de medición inercial, medidor de batería y sensores ultrasónicos para estimar el almacenamiento. Con las características propuestas el vehículo podrá realizar el barrido se hasta 5,1 hectáreas por carga de baterías. En adición se diseñó un mando de monitoreo y control remoto. La tecnología de comunicación propuesta permitirá controlar el vehículo hasta distancias de 2,5km con línea de visión. El mando además de controlar las funciones del vehículo cuenta con un zumbador para indicar alarmas y una pantalla para visualizar la información de sensores que retroalimenta el vehículo teleoperado. Se podrá utilizar el teléfono celular para recibir la señal de video desde el vehículo. El costo total del sistema se valoriza en 13 026 soles, 12 560 soles para el vehículo y 466 soles para su mando. Se diseñan piezas plásticas que podrán ser elaboradas mediante impresión 3D lo cual ayuda a reducir costos de fabricación.Item Extremidades robóticas supernumerarias para asistencia en actividades de cocina en restaurantes(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-06-12) Oshiro Kohashikawa, Bruno Gonzalo; Mio Zaldivar, Renato AlonsoSe sabe que en un restaurante uno de los factores más importantes es el tiempo, tanto para la preparación de los alimentos como la atención a los clientes. En particular, para ayudar a los cocineros a reducir sus tiempos en la cocina se busca el desarrollo de un sistema que realice tareas simples y/o repetitivas en lugar de ellos. Por ello, en este documento se presenta el diseño de un sistema que utiliza extremidades robóticas supernumerarias (supernumerary robotic limbs, SRLs por sus siglas en inglés) con la intención de ayudar a los cocineros a reducir sus tiempos en la cocina. El sistema fue diseñado para ayudar en las tareas de mover la cuchara en la olla y secar los platos. Se utilizó la metodología del libro “Design Methodology for Mechatronic Systems: An Approach Using Function/Means Tree and Channel/Agency Net” para el diseño conceptual, diseño mecánico, diseño eléctrico-electrónico y diseño del sistema de control. El sistema SRLs está compuesto por una interfaz mecánica que se coloca alrededor de la cintura y permite unir dos brazos de 5 GDL cada uno al cuerpo de la persona. Los brazos y partes del soporte de cintura son fabricados de nylon. Los efectores finales de cada brazo son gripper robóticos de tres dedos, a los cuales se les ha colocado sensores de fuerza resistivos en los dedos para medir la fuerza con la que se toman los objetos. Las SRLs son impulsadas por servomotores Dynamixel y una batería de ion de litio se encarga de su alimentación. El movimiento del sistema se da siguiendo una trayectoria que el usuario grabará previamente utilizando una aplicación de Smartphone que se conecta con las SRLs mediante bluetooth y moviendo físicamente las SRLs por la trayectoria deseada. Asimismo, el usuario controla el movimiento de las SRLs con una combinación de movimientos del pie y botones e interruptores ubicados sobre la interfaz mecánica. Los movimientos del pie son medidos por un sensor inercial ubicado sobre el empeine. El diseño planteado en esta tesis se enfoca en una aplicación novedosa de la tecnología SRL y presenta una herramienta con potencial para reducir los tiempos de cocina del usuario. Para un trabajo futuro, se deben considerar características como la versatilidad para realizar más actividades o la autonomía del sistema para no depender enteramente de los comandos del usuario. Las SRLs pueden ser de gran ayuda no solo en el ámbito de la cocina, sino en muchos más sectores.Item Diseño de una máquina prensadora automatizada de ladrillos ecológicos con interlocking(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-10) Ramirez Ocaña, Harry Eros; Portella Delgado, Jhon ManuelLos ladrillos ecológicos son utilizados hoy en día como una alternativa a los ladrillos convencionales, la diferencia es que estos son fabricados mediante presión en vez de cocción, por ello reciben el nombre de ecológicos. Los ladrillos son creados con una combinación de tierra, cemento y agua, la cual es luego prensada en una cámara la cual le da forma que la propiedad del interlocking (o forma tipo ‘lego’), para una fijación más sencilla; además, poseen mejor resistencia térmica que los ladrillos convencionales. El presente trabajo tiene como objetivo diseñar una máquina prensadora automatizada de ladrillos ecológicos con interlocking para productores pequeños o medianos en el país, que no puedan costear el importar las costosas máquinas disponibles solo en el extranjero. Para la elaboración del proyecto se hará uso de la metodología basada en la normal VDI 2221 “Proceso generalizado de desarrollo y diseño de sistemas mecatrónicos”.Item Diseño de wearable recolector de energía corporal para la identificación y localización en interiores(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-18) La Torre Lezama, Markyño Da’sa; Rodriguez Polo, Laureano Serafín RodrigoPara comparar cuánto produce un trabajador peruano en contraste con el resto del mundo, se analizó el aporte al Producto Bruto Interno que un trabajador produce por hora. Los resultados son alarmantes, por más que Perú ha gozado de uno de los crecimientos más altos en los últimos años, sin embargo, el promedio del aporte por hora trabajada es de 14 dólares. El país que lidera la región de Sudamérica es Uruguay, con 37 dólares aportados al PBI por hora trabajada. Potencias como Estados Unidos y Alemania generan 79 y 75 dólares respectivamente. Luxemburgo con 109 dólares es el país que más gana por hora trabajada, ubicándose en el puesto 1° de la lista mundial de trabajadores productivos. El año 2015 por primera vez las personas empleadas en China superaron a Perú con 12 dólares por hora de aporte. Por supuesto que este es un estudio objetivo que no toma en consideración las desigualdades económicas, tecnológicas, educativas, culturales y sociales entre cada país. Un estadounidense en Perú producirá menos que en su país por las diferencias mencionadas anteriormente, pero es el trasfondo de lo que estas diferencias significan, aquellas que impulsan a observar que el Perú tiene un problema de producción nacional de forma generalizada. Existe entonces, una necesidad de mejorar los tiempos de productividad en las empresas peruanas. La presente tesis se enfocará un sistema que optimice la productividad en el sector industria. Se propone un wearable integrable en un sistema de monitoreo laboral que permita la identificación y localización del personal. El diseño contempla un recolector de energía corporal, que, mediante elementos piezoeléctricos, transforma la energía cinética de una persona al caminar en energía eléctrica. Este sistema de recarga autosuficiente elimina el proceso de recarga convencional, despreocupando al usuario de que algún día se vaya a acabar la batería. El presente trabajo muestra las investigaciones preliminares para dar una solución al monitoreo laboral de forma óptima y llega hasta el diseño completo del wearable, incluyendo la mecánica, electrónica y los algoritmos de procesamiento principales. Finalmente se muestran las conclusiones, recomendaciones para una siguiente iteración y en los anexos una reflexión personal del punto de vista bajo el que se concibió el presente trabajo.Item Sistema de adquisición de imágenes submarinas para la generación de tours virtuales(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-10) Mendoza Rabanal, Renzo Martin; Arce Cigüeñas, Diego MartinEl desarrollo del turismo en los ambientes submarinos es una actividad con alto potencial gracias a las características de estos entornos, ideales para el desarrollo de este sector. No obstante, el desarrollo actividades en los entornos submarinos pueden causar consecuencias irreparables, como el aumento de la contaminación y agobio de las especies submarinas debido a la fragilidad de los ecosistemas presentes. Una solución para promover el ecoturismo es el uso de los recorridos virtuales construidos a partir de información obtenida de estos entornos. Para ello, se requieren sistemas destinados a la adquisición de estos datos, los cuales se pueden encontrar en el mercado, pero presentan diseños rígidos y son de alto costo. Debido a ello, se plantea el desarrollo de una tecnología de bajo costo que permita la adquisición de los datos necesarios para la reconstrucción virtual de los ambientes submarinos y permita su uso por una buzo o un vehículo submarino. El presente trabajo de tesis forma parte del proyecto Concytec 161-2020 - Sistema de Fotogrametría Submarina y Visión por Computadora Avanzado para generación de videos 360° y modelos virtuales digitales de sectores submarinos con potencial turístico en el Perú. El documento desarrolla el diseño de un sistema de adquisición de imágenes submarinas de tres cámaras para obtener información de los ambientes de interés para la generación de recorridos virtuales hasta una profundidad máxima de 750 m. Este sistema es capaz de estimar su desplazamiento relativo y obtener su orientación para generar imágenes georreferenciadas y reducir el tiempo de generación de los ambientes virtuales. Este sistema cuenta con dos configuraciones para ser usado por un buzo profesional (hasta una profundidad mínima de 60 m) o un ROV submarino, lo cual destaca ante los sistemas comerciales enfocados únicamente a uno de estos modos de uso. El trabajo consta del diseño de tres dominios principales. (i) El sistema mecánico se compone de una estructura de soporte conformada por perfiles estructurales y cuatro contendores cilíndricos que contienen a los elementos electrónicos. (ii) El sistema electrónico cuenta con circuitos diseñados para el sensado del voltaje de batería y protección ante ingreso de agua, realizando simulaciones para verificar su funcionamiento. A su vez, se realizó la selección de los componentes electrónicos y fuente de alimentación. En el desarrollo de (iii) la etapa de control, se realizó el diseño de la interfaz y se propuso una estrategia de control de iluminación adaptativo basada en la diferencia de luminosidad entre la imagen sensada y la imagen con iluminación óptima; esta última es obtenida al aplicar una ecualización de histograma a la imagen original. Por otra parte, se simuló un algoritmo de estimación de desplazamiento basado en el filtro de Kalman, el cual mostró una desviación significante entre el valor real y estimado de desplazamiento. Para comprobar el funcionamiento del sistema, se implementó un prototipo enfocado únicamente a su modo de uso por buzo. Las pruebas realizadas demuestran que el sistema es capaz de aislar los componentes eléctricos y electrónicos ante el entorno acuático. Por otra parte, se comprobó que el tiempo de operación del prototipo es mayor a 120 minutos. Finalmente, se realizaron pruebas del control de iluminación donde se concluyó que la iluminación óptima es tal que el error generado no cambia al aumentar la intensidad de luz que proveen las luces submarinas.Item Diseño de un ventilador mecánico de presión negativa tipo coraza para el tratamiento de las enfermedades pulmonares obstructivas crónicas en personas adultas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-04-04) Venturo Ascasibar, Marcos Alexander; Vilcahuamán Cajacuri, Luis AlbertoLa presente investigación se centró en el desarrollo de un ventilador mecánico de presión negativa no invasivo tipo coraza, para el tratamiento de la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) en adultos. Este dispositivo se diseñó mediante simulaciones basadas en modelos matemáticos y la selección de componentes electrónicos y mecánicos. Su funcionamiento se basa en suministrar una fuerza de succión al tórax a través de una coraza conectada a este. El actuador, como un motor o compresor, proporciona esta fuerza para expandir y contraer el tórax y el diafragma durante el ciclo respiratorio. La necesidad de diseñar este tipo de ventilador mecánico surge debido a las carencias en el equipamiento de las instalaciones de atención médica y los altos costos de los tratamientos para enfermedades respiratorias, que se hicieron evidentes durante la pandemia de COVID-19. Este modelo es capaz de generar una presión entre los 20 y – 20 cmH2O, con una frecuencia respiratoria entre los 25 y 35 rpm para su uso en pacientes con EPOC que requieran de una terapia no invasiva con una coraza. Se empleo la metodología VDI 2206, la cual indica las pautas para el desarrollo de proyectos mecatrónicos. Se hizo un análisis de las problemáticas para requerir un ventilador a presión negativa y las tecnologías existentes actualmente. Además, se explica los fundamentos de la mecánica respiratoria y la tecnología de los ventiladores mecánicos. En base a lo anterior, y junto a la lista de requerimientos se determinó que la alternativa más viable era usar un motor junto a un impeller, controlado por un microcontrolador y que se pueda interactuar con una pantalla táctil. Posteriormente, se realiza el diseño electrónico con la selección de componentes; el diseño mecánico con la elaboración del impeller y de control para obtener un modelo matemático de todo el sistema. Finalmente, se procede realizar la simulación mediante software del modelamiento matemático, el diseño en 3D del sistema mecatrónico y el control PID de la presión generada, para luego evaluar la viabilidad económica de la fabricación y el costo de los componentes seleccionados.Item Diseño mecatrónico de un dispositivo para la rehabilitación pasiva de la rodilla(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-01-22) Castro Villanueva, Diego; Elias Giordano, Dante AngelEl presente trabajo de tesis consiste en el diseño de un dispositivo que realice los movimientos correspondientes a la fisioterapia pasiva de rehabilitación de rodilla. El trabajo está basado en la metodología VDI 2221, la cual establece los pasos a seguir para el desarrollo de sistemas mecatrónicos. La estructura del dispositivo diseñado cuenta con 2 eslabones articulados por un extremo en común, cada eslabón tiene forma de canastillo y el paciente reposará su muslo y pierna en estos, se usará un ajuste mediante velcro para mantener estos segmentos de la extremidad fijados al dispositivo. El movimiento de flexión y extensión de la rodilla será realizado mediante un servomotor ubicado en la unión articulada de los eslabones; la cual está, a su vez, ubicada al nivel de la rodilla del paciente. El servomotor entregará el torque necesario para movilizar la pierna mientras el muslo se mantiene fijo en reposo. El diseño que se obtuvo como resultado no requiere de gran espacio para su uso y la mayoría de sus piezas son de materiales de baja densidad. Se realizaron simulaciones de esfuerzos y deformaciones usando el software Autodesk Inventor para verificar que la estructura del dispositivo no falle. Además, el diseño permite guardar un registro de uso del dispositivo con el fin de monitorear el avance del paciente, y puede ser usado por medio de una aplicación en un Smartphone. Finalmente, se realizó una estimación de los costos involucrados para el desarrollo del dispositivo, esto involucra el costo de diseño (S/. 5,840.00) y el costo de fabricación (S/. 3,437.55), esto representa una suma total de S/. 9,277.55.Item Diseño de un sistema de prótesis de antebrazo y muñeca de 3 grados de libertad con actuadores de soft robotics(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-12-12) Chero Arana, Brian Alberto; García Sulca, José GustavoEl presente trabajo presenta una prótesis de antebrazo que integra elementos de soft robotics para lograr una prótesis de muñeca capaz de mover una mano con tres grados de libertad, al igual que su contraparte real. Inicialmente se realizó un estudio previo para identificar los movimientos de una muñeca a emular y recopilar modelos existentes de prótesis de antebrazo como parte del estado del arte. A partir de esto se propuso un diseño de prótesis de antebrazo capaz de emular dichos tres movimientos de la muñeca mediante la integración de músculos artificiales neumáticos y otros componentes electrónicos. A continuación, se procedió a realizar el diseño definitivo del sistema. Para ello se realizó una lista de los componentes requeridos en cuanto a sensores, actuadores y controladores. Por cada componente se recopilaron posibles modelos comerciales disponibles, y se seleccionó el más adecuado teniendo en cuenta las características deseadas según las condiciones de trabajo. Además, se realizó el modelado de la estructura de la prótesis y de los subsistemas involucrados mediante el software de diseño mecánico Autodesk Inventor. La prótesis de antebrazo desarrollada es un dispositivo portátil capaz de trabajar de manera continua por aproximadamente 6 horas, el cual cuenta con todos los elementos requeridos para realizar las tareas deseadas. Por último, se estima el costo total de la prótesis, incluyendo el costo de sus componentes electrónicos y mecánicos, elementos de pernería y cableado, y su manufactura, obteniendo un total de S/. 2222.30, el cual aumenta a S/. 10522.30 al incluir costos de diseño y ensamble. Además, se realizan simulaciones acerca del comportamiento del sistema mediante el uso de software como Autodesk Inventor o la herramienta de simulación ANSYS. Del mismo modo, se exploran las pruebas experimentales requeridas para validar el funcionamiento de un músculo artificial para futuras pruebas experimentales de este elemento.