Ingeniería Mecatrónica (Lic.)
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Item Diseño de una articulación protésica basada en robótica paralela que emule los movimientos de la articulación del hombro(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2025-01-15) Linares Warthon, Misael David; Elias Giordano, Dante ÁngelEn el presente trabajo se realizó el diseño conceptual de una articulación protésica de hombro basada en robótica paralela, empleando la metodología VDI. En base a las diferentes alternativas de solución planteadas se escogió hacer uso de pistones hidráulicos telescópicos como actuadores del mecanismo paralelo. Se planteó utilizar un sistema electromecánico para accionar los actuadores del mecanismo. Cada actuador estará impulsado por un motor Brushless y un mecanismo escalamiento de la relación de transmisión. Se hará uso de un controlador PID para cada actuador, donde las señales de realimentación serán dadas por un sensor de luz infrarroja, para detectar la longitud de cada actuador; y un sensor de corriente para cada motor. Este sistema electromecánico posee un rápido tiempo de respuesta con un tiempo de respuesta menor a 1s considerando el error en estado estable de 1mm. El objetivo de este diseño es brindar una alternativa de desarrollo de prótesis diferente a los modelos de dinámica seriales que dominan el campo. Se establecieron los requerimientos de diseño en base parámetros como ergonomía, costo, velocidad angular, capacidad de carga, peso, alimentación, autonomía, fabricación, rango de movimiento, materiales y montaje. Además, se construyó un modelo matemático utilizando el software de MATLAB y matrices de transformación homogénea. Este modelo matemático se desarrolla en base a la cinemática inversa del mecanismo. Sobre este modelo se simularon trayectorias que emulan movimientos de la articulación del hombro. En base al análisis antropométrico y cinemático de dicha articulación se buscó una configuración geométrica que optimice el rango de movimiento de la articulación protésica. El rango de movimiento alcanzado por la articulación protésica es un 70% del rango de movimiento del hombro biológico. Adicionalmente, se plantearon condiciones preliminares de diseño y se realizaron modelos CAD del mecanismo paralelo. Finalmente se elaboraron planos mecánicos y electrónicos para su posible implementación. El costo total, tomando en cuenta los costos de fabricación y diseño se estiman en S/. 35,400. En este trabajo se concluye que el uso de los mecanismos paralelos en el desarrollo de prótesis es una alternativa para incrementar el desempeño de las mismas.Item Diseño de una secadora automática para granos de cacao con capacidad para 60 Kg.(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-29) Acuña Sánchez, Adrian Ysrael; García Zevallos, Luis EnriqueEl presente trabajo consiste en el diseño de una máquina secadora de tambor rotatorio con capacidad para 60 kg de granos húmedos de cacao previamente fermentados, cuya función es reducir la humedad de los granos homogéneamente hasta un 8% en base húmeda. La eliminación de la humedad al interior del sólido seco es realizada por transferencia de calor mediante inyección de aire a 55°C. Como desarrollo del proyecto, se presenta el diseño mecánico de la secadora según los requisitos establecidos en la etapa conceptual, definiendo las dimensiones necesarias del tambor rotatorio, de 740 mm de diámetro y 550 L de capacidad neta, su estructura de soporte, las especificaciones del sistema de descarga de granos y el motorreductor de 1.5HP, necesario para girar el tambor a 30 RPM. Posteriormente, se completa el diseño del sistema de generación de aire caliente, compuesto por un calentador de resistencias de 11 kW, un ventilador centrífugo de 0,15 kW, una termocupla y una lámina termoaislante de lana de roca necesarios para el calentamiento, transporte del aire y la conservación de la energía calorífica en el sistema de secado. Para el sistema de control de temperatura del aire se realiza el diseño y selección de los circuitos de electrónica de potencia, se selecciona el PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C para el control de los elementos eléctricos y electrónicos de la secadora y se realiza una simulación del sistema PID de control de temperatura que permite validar los parámetros del sistema de control. Por otro lado, a fin de aprovechar las características climáticas del entorno de operación del proyecto, se considera el diseño de un sistema de energía solar, compuesto por 4 paneles y un banco de baterías que suministran 1 kW de potencia a la secadora. Finalmente, se culmina con la evaluación de la inversión necesaria para el proyecto, que incluye el costo del desarrollo, fabricación e instalación de la secadora, la cual ofrece un presupuesto final estimado en S/39 780,60.Item Diseño de un sistema automático para el cultivo vertical de hortalizas e inspección por visión artificial(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-16) Aguilar Paredes, David Moisés; Crisóstomo Romero, Pedro MoisésLa incertidumbre en la producción de alimentos se intensifica debido a la contaminación del suelo, el cambio climático y el inminente aumento de la población a 9.8 mil millones de personas. La agricultura convencional, con su uso intensivo de químicos, ha contribuido a perder el 30% de las tierras arables a nivel mundial en las últimas cuatro décadas. Esta situación destaca la urgencia de replantear los métodos de producción para abordar la creciente demanda, preservar los recursos y garantizar la sostenibilidad a largo plazo. En respuesta a este desafío, la agricultura vertical ha surgido como una solución tecnológica que ofrece protección contra insectos y enfermedades, además de posibilitar la producción independientemente de los factores climáticos. Este estudio de investigación se propone analizar el estado actual de la agricultura vertical, diseñar un sistema que permita el cultivo e inspección a través de visión artificial, y seleccionar dicho sistema mediante criterios técnicoseconómicos y un análisis de costos. En el primer capítulo, se presenta la problemática abordada, los objetivos, la metodología, y el alcance del trabajo. Se realiza un análisis exhaustivo del estado del arte sobre las tecnologías en cultivos verticales y proyectos anteriores. En el segundo capítulo, se aborda el proyecto conceptual, destacando la elección de una solución basada en un análisis técnico-económico. Esta solución implica la propuesta de una estructura metálica para alojar niveles de cultivos, integrando sensores para monitorear los parámetros de las plantas y actuadores para la distribución de la solución nutritiva. En el tercer capítulo, se diseña y simula la estructura metálica para garantizar el cumplimiento de los requerimientos establecidos. Además, se eligen los sensores, actuadores, fuentes de energía y una cámara para el subsistema propuesto. Finalmente, se simula el algoritmo de procesamiento de imágenes, se realizan pruebas del subsistema de transporte de la cámara, se estima el costo y se presentan las conclusiones del proyecto. En resumen, esta investigación propone una solución innovadora que integra la agricultura vertical y visión artificial para abordar los desafíos de la agricultura tradicional, siendo clave para asegurar la futura seguridad alimentaria.Item Diseño de una silla de ruedas teleoperada para niños con discapacidad física motriz(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-15) Manrique Gómez, Kenzo Nicolas; Elias Giordano, Dante AngelEn el presente trabajo de investigación se realizó el diseño de una silla de ruedas teleoperada para niños con discapacidad física motriz entre los 6 y 12 años. El diseño de la silla de ruedas teleoperada posee dos modalidades, conducción manual por medio de un módulo joystick y conducción remota por medio de un dispositivo móvil. Además, el paciente tiene la posibilidad de realizar sus necesidades higiénicas con mayor facilidad y comodidad desde la propia silla de ruedas por medio de un asiento extraíble, ubicando la silla sobre el inodoro. En este documento se presentan los antecedentes del Trabajo de Investigación de Manrique (Manrique, 2022) sobre el concepto de solución de la silla de ruedas teleoperada basada en la metodología “Design Methodology for Mechatronic Systems”, propuesta por la Profesora Karol Muñoz, el Ingeniero Víctor De Negri y el Magíster Vinícius Vígolo (De Negri, 2021). Bajo esta premisa, se desarrolló el subsistema mecánico de la silla con el modelamiento en 3D de los componentes mecánicos con su respectivo análisis dimensiona de esfuerzos y deformación para corroborar la admisibilidad mecánica de la estructura de la silla. Además, se realizó la selección de los componentes de actuación. Posteriormente, se desarrolló el subsistema eléctrico/electrónico y de control de la silla, donde se continuó con la selección de los componentes electrónicos (sensores, comunicación Wifi, controlador y fuente de energía) y sus respectivos diagramas esquemáticos. Luego, se diseñó el diagrama de flujo y lógica de funcionamiento de la silla, así como el diseño de la interfaz manual y remota de la silla a través de un prototipo de una aplicación móvil. Finalmente, se presenta el dispositivo general, planos mecánicos de ensamble y despiece, así como los planos de estimación de costos de fabricación.Item Diseño de un robot autónomo de limpieza utilizando aprendizaje de máquina(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-02) Susanibar Sipan, Grover Hernando; Portella Delgado, Jhon ManuelEn la actualidad existen varias marcas de robots limpiadores en el mercado, sin embargo, estos robots no realizan su misión de forma eficiente, debido a que presentan errores sistemáticos al momento de desplazarse en un ambiente requerido, por lo que no logran limpiar adecuadamente la suciedad. Se realizó un estudio de los motivos por los cuales los robots actuales presentan problemas y se determinó que los algoritmos de control que usan para desplazarse sobre una habitación no son del todo eficientes, por lo que es necesario plantear otros algoritmos que complementen y así se puedan disminuir los errores. La presente tesis es desarrollada con el objetivo de diseñar un robot de limpieza que sea capaz de desplazarse de forma autónoma sobre todos los espacios de una habitación y limpie de forma eficiente todas las partículas de suciedad presentes en el interior de dicha habitación. Asimismo, se propone el uso de un algoritmo de Aprendizaje de Máquina a través del entrenamiento de una Red Neuronal Convolucional que le permite al robot aprender a reconocer objetos y partes de la habitación para que en su recorrido de limpieza se pueda guiar y le sirva como retroalimentación en su propósito de localizarse. En el documento se detalla el diseño mecatrónico del robot limpiador describiendo los componentes mecánicos y de desplazamiento del robot; los sensores, actuadores y circuitos de alimentación de energía; así como la arquitectura de control y diagramas de flujo de los algoritmos involucrados. Con el objetivo de validar el funcionamiento del diseño de robot planteado, se realizaron simulaciones computacionales del recorrido y limpieza de un robot dentro de una habitación requerida. Con los resultados obtenidos se concluye que es posible mejorar el desempeño de los robots actuales a través del uso de algoritmos de Inteligencia Artificial que le permiten al robot ir aprendiendo a reconocer objetos a lo largo de su desplazamiento. Finalmente, el robot propuesto tiene un costo estimado del sistema mecánico y electrónico de S/. 5’610 y un costo de diseño de S/. 5’625 para el proyecto, teniendo en cuenta que el costo de diseño va a disminuir conforme el robot sea fabricado en grandes volúmenes de producción.Item Diseño de un sistema mecatrónico móvil para apoyo en el traslado de muestras durante la prospección geológica(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-02) Infante Palacios, Fernando; Quiroz Velásquez, Diego EduardoEl presente trabajo de tesis explora las tecnologías de navegación autónoma aplicadas en terrenos irregulares, enfocado en la prospección minera. La prospección consiste en la recolección de muestras a lo largo de grandes extensiones de terreno con el fin de determinar un yacimiento mineral. Existe un desafío ergonómico que enfrentan los operarios, quienes deben recorrer largas distancias transportando muestras que, en conjunto, pueden llegar a pesar cerca de 25 kilogramos. Por ello, se plantea el diseño de un vehículo autónomo para agilizar el proceso de traslado de muestras. El vehículo debe ser capaz de identificar su ubicación y orientación, por lo cual se emplea un sensor inercial y un dispositivo GNSS que lo dirige a su destino. En paralelo, debe ser capaz de analizar la transitabilidad del terreno a fin de identificar el espacio disponible. Con este propósito, se integran sensores LiDAR y cámaras de profundidad para realizar un análisis exteroceptivo de la geometría, complementado con un análisis por apariencia a través imágenes de la cámara. La dirección del vehículo se logra mediante un servomotor que opera mediante un mecanismo de dirección Ackerman, mientras que la tracción es proporcionada por un motor brushless DC y transmitida a través de una cadena. Todo el vehículo es energizado por medio de una batería Ion-Litio recargable y contiene elementos de protección, como el relé electromecánico y fusibles. La información de los sensores debe ser procesada por una unidad de procesamiento con GPU, y los actuadores son controlados por un microcontrolador. El diseño mecánico contempla una suspensión Double Wishbone delantera y un eje sólido en la parte trasera.Item Diseño de un horno crematorio privado por combustión para mascotas con una capacidad máxima de 30 kg(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-04) Enríquez Paredes, Xavier André Ezequiel; Mas Bautista, Ronald EduardoEn el territorio peruano, viven una gran cantidad de animales domésticos, principalmente felinos y canes ,y se requiere la intervención humana en la eventualidad de la muerte de este. Esta situación genera complicaciones ambientales, logísticas y sanitarias que afectan a la comunidad. Una de las alternativas para cubrir dicha necesidad es mediante la cremación, proceso que involucra la descomposición de la materia orgánica mediante combustión. Se propone un horno crematorio que realice la cremación del cuerpo de una mascota con capacidad máxima de 30 kg con unas medidas de 1.9 m de ancho, 2.03 m de largo, y 2.2 m de alto. Esta contiene una mesa de rodillos para el ingreso de mascotas con una velocidad de 0.03 m/min, que tenga 2 dos espacios, uno para la combustión con una temperatura de operación de 600 oC y otra para la postcombustión con una temperatura de 900 oC. En la primera se aloja la mascota para la incineración y en la segunda para realizar una filtración inicial del gas realizando una segunda combustión a una mayor temperatura. La combustión dura de 1 hora después del procedimiento de encendido del burner. Asimismo, se selecciona una torre de lavado a contraflujo considerando un flujo de gas de combustión de 1.25m3/h cuya composición se asume que consiste en CO2. y H2O. Cuenta con el subsistema de trituración, en donde realiza la pulverización de los huesos generados luego de la cremación, con una duración de 15 segundos, y se deposita en un contenedor para ser retirado por el operario encargado de la máquina. El incinerador está acondicionado con un panel de control para observar los estados y variables del proceso de cremación como las de temperatura y relación aire/combustible en las cámaras y cuenta con botones para iniciar o finalizar el funcionamiento del sistema, el desarrollo de la incineración es automatizado, no obstante, ha de ser necesaria la acción de un ser humano para eliminar el producto obtenido, se adicionan botones de emergencia para realizar la parada de la máquina cuando sea necesario. Se simulan los esfuerzos mediante el software INVENTOR la estructura, las cuchillas, los rodillos. Para la simulación del lazo de control de temperatura y relación aire/oxígeno en las cámaras se hace uso del software Matlab. Se finaliza el proyecto realizando un análisis de costos del sistema.Item Khallwa: robot aéreo para la identificación del estado de madurez de arándanos en los arbustos utilizando aprendizaje profundo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-16) Valera Espinoza, Jason Luis; Crisóstomo Romero, Pedro MoisésLa industria de arándano en nuestro país ha alcanzado un incremento en los últimos años. Por lo cual, el uso de nuevas tecnologías para el sector agroindustrial se convierte en un complemento para el desarrollo de una producción adecuada. El presente documento propone el diseño de un sistema que indique el estado de madurez del arándano en los arbustos utilizando aprendizaje profundo. El sistema se diseña para ser utilizado en campos de cultivo de arándanos de las localidades costeras del territorio peruano y abarca la concepción de un robot aéreo que podrá navegar dentro del campo de cultivo y registrar los arándanos en los arbustos mediante captura de imágenes, las cuales posteriormente serán analizadas por un algoritmo de identificación para clasificarlas por su estado de madurez. Para cumplir el objetivo, inicialmente se identificaron los requerimientos del sistema y posteriormente se proponen tres conceptos de solución por medio de la identificación de funciones. Luego de ponderar los tres conceptos de solución y realizar un análisis técnicoeconómico se selecciona un robot aéreo (“Khallwa”) de material de fibra de carbono y polipropileno expandido que posee una envergadura de 0.8 metros, un largo de 0.53 metros y una masa de 0.55 kilogramos. Una autonomía de vuelo de 10 minutos a una velocidad máxima de 6.2 m/s. Finalmente, con el objetivo de la identificación del arándano por su estado de madurez realizado se utilizó un modelo de aprendizaje profundo basado en aprendizaje por transferencia, el cual obtuvo una precisión media (mAP) del 92%, lo que conlleva a agilizar el proceso de inspección y evitar errores producidos en el proceso manual.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 Del laboratorio a la línea de producción: escalando la fabricación de vidrio automotriz para control solar(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-07-11) Temoche Solano, Eduardo David; Villota Cerna, ElizabethEste proyecto se implementó en una empresa dedicada al desarrollo, fabricación, comercialización y distribución de vidrios blindados, laminados y templados para uso automotriz y defensa. La empresa presenta 2 líneas de negocio: Vidrios inteligentes - Soluciones de vidrio de alta tecnología para el futuro de la movilidad aplicada a autos de gama alta. Vidrios de seguridad - Soluciones de vidrio resistente a balas para aplicaciones civiles. Dentro de la línea de negocio de vidrios inteligentes se tienen como tecnologías principales a Recubrimientos de control solar, Formas complejas, Impacto, Electrónica, Vidrios delgados y Camera. El presente informe está centrado en la creación de una línea de recubrimientos de control solar, partiendo desde pruebas a escala pequeña en los laboratorios de investigación y desarrollo, siguiendo con el prototipado a escala real para finalmente crear y poner a prueba la línea comprobando que sea capaz de producir vidrios recubiertos cumpliendo con los requerimientos según normas internacionales automotrices y según especificaciones internas de cada cliente. El equipo de trabajo para el desarrollo del proyecto estuvo compuesto por un Gerente de proyecto, Licenciados de Gestión y Alta Dirección, Licenciados en Negocios Internacionales, Ingenieros Mecatrónicos, Ingenieros Mecánicos, Ingenieros Electrónicos, Físicos y Especialistas en Ciencias de los Materiales.