2. Maestría
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Tesis de la Escuela de Posgrado
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Item Developing of a device for measuring the areal distribution of the forces in the contact zone of foot and underground for the use in leg prostheses(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-09-18) Kubisch, Jörg; Fröhlich, Thomas; Elías Giordano, Dante ÁngelThe presented work demonstrates the process of designing a cheap, low cost three axis force sensor. Further it describes its integration in an array of multiple sensors to measure the distribution of forces acting on the sole of a prosthetic foot. The focus will be on easy manufacturing and common materials since the sensor will be integrated in a low cost prosthesis for lower limp amputees. Using the knowledge from bio mechanics and some basic assumptions for the later use, requirements for the project are derived. After a presentation of some state of the art sensor principles, suitable concepts are collected. Than, the concepts are compared using a comparison table to find the one the fits the requirements the best. A very compelling concept using barometers casted in silicone rubber is tested using a simple prototype to try out whether it is a good candidate or not. The tests show that the concept is capable of measuring forces but due to its disadvantageous susceptibility for temperature changes it is rejected for the further development process. The concepts are reevaluated and a new concept is chosen. Afterwards the design process is described. Beginning with the mechanical design explaining the working principle. The calculation of the dimensions is presented. After that a circuit to work with a capacitive measurement as well as a version for resitive measurement is developed and a layout for a prototype board using capacitive measurement is proposed. To prove the functionality, the capacitive system is built up as a prototype. To try the measurement behavior and to measure its repeatability a test stand is designed. It uses commercial available load cells to conduct a reference measurement. The output of the sensor is compared to the reference measurement. With various different test procedures the curves mapping the measured values to the force for normal and shear force measurement are determined. During the tests, different aspects of performance like creep behavior or hysteresis are investigated. Also the repeatability is measured various times under different loads to make reliable estimations of the precision of the measurement. Further on, a resistive force sensor which could be used instead of the capacitive sensing elements is tested regarding its curve and performance to have a comparison of the advantages and disadvantages of either designing the future sensor with resistive or capacitive sensing elements. With both concepts a repeatability of a few percent uncertainty can be achieved. Further on ways to improve future versions of the sensor are described based on the experiences made during the work with the prototype. Finally a possible way to integrate multiple sensors into a sensing array is proposed. The design as well as possible electrics to acquire the data are discussed. This way a solid basis for further developments of a sensing array measuring the force distribution is given.Item Ampliación de la red de magnetómetros del proyecto Perú-Magneto: Propuesta para su localización utilizando modelos de optimización(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2020-01-21) Mamani Apolinario, Paulo Sergio; Rojas Polo, Jonatan EdwardLos fenómenos pre-sísmicos es un tema de investigación ampliamente abordado por la comunidad científica durante las últimas décadas. En el Perú las investigaciones en este tipo de fenómenos se encuentran a la vanguardia, a través del Proyecto Perú-Magneto desarrollado en el Instituto de Radioastronomía de la Pontificia Universidad Católica del Perú. En la actualidad el proyecto cuenta con una red de diez sensores, siendo la meta en el corto plazo la expansión de la red, instalando nuevos sensores que estarán ubicados a lo largo de toda la costa del Perú. Esto permitirá obtener una amplia base de datos, y analizar de forma continua y a tiempo real los fenómenos ocurridos en la costa. Esto representa un reto en cuanto las etapas de planeamiento, despliegue e instalación, mantenimiento, tratamiento y análisis de los datos. Para afrontar este reto, en esta tesis se presenta un algoritmo que permita identificar las posibles zonas de instalación de los magnetómetros minimizando el costo fijo que representa la conexión a internet móvil de cada uno de estos sensores teniendo en cuenta restricciones como la influencia de ruido mecánico y eléctrico. Por otro lado, el algoritmo también será utilizado para plantear zonas de instalación que, esta vez escogidas por el criterio de un usuario, favorezcan la investigación científica al colocar los sensores que utiliza el proyecto a menor distancia unos de otros. Finalmente, se hará una propuesta de planeamiento para el proyecto utilizando técnicas de Planeamiento Adaptativo, específicamente el Incrementalismo Articulado y se hará una evaluación económica de la expansión de la red de magnetómetros.Item Navegación y orientación de una pequeña embarcación(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-12-03) Coaquira Paredes, Luis Santos; Tafur Sotelo, Julio CésarActualmente el monitoreo y toma de datos en embalses, lagunas y presas se realizan con embarcaciones de capacidad de carga de 4 personas como mínimo, esto supone costos por movilización de embarcación, personal y equipos, porque estos están ubicados en el interior del Perú. A esto si le agregamos el riesgo que corre el personal al ingresar a estas lagunas y presas que por ser lugares alejados, no existe equipos de salvataje y no existe personal con experiencia marina. Es por ello que el desarrollo de pequeñas embarcaciones autónomas controladas es una necesidad que necesita ser cubierta de acuerdo a los tiempos modernos que necesitamos de estar actualizados con el avance de la ciencia. Es por ello que la presente tesis consistió en la construcción de un modelo experimental de un vehículo autónomo superficial (ASV) pensado para navegar en lagunas, presas y en cualquier tipo de aguas calmas y sirva de plataforma para llevar equipos y sensores de medición acuática. Este modelo experimental tendrá la capacidad de seguir una trayectoria definida previamente por el usuario y realizar la navegación de la ruta definida. La dirección de la embarcación se realizara por un timón, el posicionamiento se realizara por GPS y la propulsión se realizara por medio de un motor eléctrico y el control se realizara mediante un microcontrolador Atmel contenida en una tarjeta de desarrollo denominada ArduPilot.Item Robust estimation of vertical wheel forces via modulation-based sensor fusion(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-11-05) Segura Rojas, Juan de Dios; Reger, Johann; Pérez Zúñiga, Carlos GustavoSince its introduction by Shinbrot, numerous variations of parameter identification based on the Modulating Function Technique (MFT) have been developed. Recently researches have achieved to estimate also states through this method. In this thesis, the MFT is utilized for the estimation, of both parameters and states, that lead to observe the behaviour of the vertical suspension forces on a vehicle over time. In order to deal with the frequency disturbances present by perturbations as measurement noise and vibrations, the Fourier Modulating Function (FMF) as a kernel is proposed. Furthermore, this method is implemented with the concept of sensor fusion. The estimation that results after the implementation of an adaptive observer during the present work is going to show the robustness of the studied technique.Item 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 JavierLos 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.Item Preparación, caracterización de sensores a base de zeolita, óxidos de estaño y de zinc conformando una nariz electrónica y su aplicación para la diferenciación de piscos peruanos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-09-17) Trevejo Pinedo, Jorge Nelson; Sun Kou, María del RosarioEl Pisco es una de las bebidas más consumidas en el Perú y posee una importancia comercial e histórica, por lo que se encuentra protegida por una Denominación de Origen en el país, que regula su producción. Sin embargo, son comunes los casos de adulteración y falsificación que dañan su imagen tanto en el mercado nacional como en el extranjero. Por ello, el presente trabajo tiene como objetivo realizar una diferenciación de muestras de Pisco peruano de las variedades Acholado, Italia y Quebranta, así como la diferenciación de mezclas de Pisco Quebranta con aguardiente de caña en distintas proporciones, empleando una nariz electrónica constituida por un arreglo de sensores basados en óxidos metálicos (óxido de estaño dopado con platino y óxido de zinc dopado con plata), ambos tipos de sensores con y sin recubrimiento con zeolita-Y. Se postula que las respuestas generadas por cada sensor para los distintos tipos de Pisco analizados son representativas para cada muestra y que permiten su identificación. La caracterización de los materiales preparados se realiza mediante DRX y FTIR. La configuración y recolección de datos de la nariz electrónica se realiza a través del software LabView2018 y se determinan las condiciones óptimas de temperatura, tiempo de sensado, dopaje metálico del sensor y recubrimiento de la zeolita. Las mejores respuestas son obtenidas con los sensores 0,10%Pt/SnO2; 0,05%Pt/SnO2//ZY y 0,15%Ag-ZnO. Las respuestas registradas por los sensores son analizadas a través de varios análisis estadísticos clasificatorios tanto no supervisados (PCA, HCA) como supervisados (SVM, RF, KNN) con el objetivo de determinar la capacidad de discriminación de muestras de Pisco por parte de los sensores que conforman la nariz electrónica.Item Evaluación de nanopartículas de plata estabilizadas con ligandos sulfurados como sensores de Hg (II) en muestras de agua(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-09-04) Rojas Cárdenas, Jorge David; Coello de la Puente, Yves PaulEl mercurio es uno de los metales pesados más tóxicos que existen y se encuentra ampliamente distribuido en el medio ambiente ya que puede ser encontrado en el agua, el aire y el suelo. El mercurio no es biodegradable, por lo que permanece en los diversos ecosistemas y se acumula en diversas especies marinas. El mercurio es ampliamente utilizado en la minería aurífera informal e ilegal en nuestro país, cuyos efluentes son vertidos en los ríos dejando expuesta a la población y el medio ambiente ante este contaminante. Entre las diferentes formas de mercurio, el Hg2+ es la forma más común y estable, debido a su gran solubilidad en agua. Debido a la presencia de microorganismos en los sistemas acuáticos, el mercurio inorgánico es convertido en metil mercurio, sustancia altamente tóxica para los organismos vivos. Comúnmente, para el análisis de mercurio se emplean técnicas como la espectrometría de absorción atómica de llama y la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente, que presentan excelentes límites de detección, pero requieren de tiempos largos de preparación de muestra e instrumentación especializada y costosa. Por ello, en los últimos años se han buscados metodologías alternativas para la detección de mercurio. Dentro de los nuevos avances tecnológicos y científicos han surgido investigaciones sobre el uso de nanopartículas de metales nobles (plata y oro) como sensores colorimétricos debido a la banda de resonancia plasmónica de estas nanopartículas que aparece en la región UV-Visible del espectro electromagnético. Este nuevo enfoque se presenta como una alternativa interesante, debido a los bajos costos de producción, su capacidad de brindar una respuesta analítica rápida y confiable, junto con el empleo de una instrumentación más accesible como los espectrofotómetros UV-Vis. Además, este nuevo enfoque permite la adaptación de los nuevos sistemas para poder contar con dispositivos portátiles que permitan realizar mediciones in situ. En el presente trabajo, se han sintetizado AgNPs esféricas y se han caracterizado mediante microscopía electrónica de transmisión y espectrofotometría UV-Vis. Además, se ha implementado y optimizado un protocolo de funcionalización para las AgNPs con los ligandos sulfurados cisteamina y cisteína, con el fin de detectar Hg2+ en agua. Finalmente, se ha optimizado un método colorimétrico de cuantificación de Hg2+ en agua empleando las AgNPs funcionalizadas. Para el sensor de AgNPs-CyNH2, se logró obtener un límite de detección de 108 nM con un tiempo de incubación de 2 min, mientras que para el sensor de AgNPs-Cy, se obtuvo un límite de detección de 441 nM con un tiempo de incubación de 20 min.Item Hybrid electromagnetic actuator design for an AMB prototype(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-07-31) Betz, Björn Arnold Heinrich; Calderón Chavarri, Jesús Alan; Barriga Gamarra, Eliseo Benjamín; Ströhla, TomIn Peru, mining is one of the main drivers behind most developments in engineering, an area of high dynamic forces and high pollution. As an illustration, shovel excavators transport tons of sediment each day while cylinder screens sort the stones by size. Typically, ball or cylindrical bearings support these screens and companies, such as SKF, replace the bearings in regular intervals. Thus, the idea is to implement a system, which can dynamically adapt to loads and dynamical load changes to reduce maintenance intervals and vibrations. Ultimately, for a prototype this thesis presents two design proposals of a homopolar, hybrid active magnetic bearing. Moreover, the selection of an inductive type sensor should represent an adequate solution for determining the shaft position.Item Diseño e implementación de un sensor híbrido de bajo costo para seguimiento de uniones en soldadura MIG(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-04-24) Sigüenza Astoquillca, Michel; Lean Sifuentes, Paul PedroEl presente trabajo muestra el desarrollo de un sistema de sensado híbrido de bajo costo para el seguimiento de uniones soldadas mediante el proceso GMAW, para la unión de planchas con junta a tope sin preparación de bordes y con junta tipo “V” de acero estructural ASTM A36. El desarrollo del sistema se dividió en cuatro fases como se indica a continuación: i) diseño mecánico, ii) diseño electrónico, iii) diseño de algoritmo de control para el seguimiento de juntas, e iv) integración del sistema con sus respectivas pruebas de laboratorio para verificar el funcionamiento correcto del sistema híbrido de sensado. El sistema contó con una interfaz de usuario gráfico (GUI) que ayudó al operador en la ejecución de la tarea de soldadura con el fin de obtener valores que se utilicen para el control de calidad del producto final soldado. El sistema de sensado híbrido permite ubicar y seguir la junta a soldar mediante un barrido de un diodo láser y la proyección del láser es capturada por una cámara digital. El sistema permite realizar inspección visual de la junta a través de una comparación de dimensión del cordón soldado. Además, controla la trayectoria y alineación de la antorcha de soldadura de un robot industrial por medio de un algoritmo de control que detecta la desalineación de la antorcha a través de la imagen capturada por la cámara. Finalmente, en la verificación del funcionamiento del sistema en tiempo real para el seguimiento de juntas e inspección de cordones de soldadura, se obtuvo como resultado un error mínimo de inspección en tiempo real de 0.18 mm en una junta a tope sin preparación, y junta en tipo “V”. En el sistema de seguimiento de juntas se obtuvo un error mínimo de 0.23 mm en la corrección cartesiana de desfase entre la antorcha de soldadura y el punto medio de la junta a soldar. Sobre los resultados se concluyó que los errores presentados en los resultados son mínimos, por lo que cumpliría con el requisito de corrección e inspección de soldadura en tiempo real, en acorde a los criterios de aceptación de inspección visual de la AWS D.1.Item Theoretical and numerical investigations of the parametric resonance of the mechanical vibrissa(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2019-02-25) Perez Tineo, Cesar Augusto; Alencastre Miranda, Jorge HernánIn nature, vibrissae are tactile hairs of mammals used as sensor elements for the exploring the surrounding area. These hairs, also known as whiskers, can be found in different locations on an animals body. Mystacial vibrissae are distributed over a whiskerpad on a muzzle. Carpal vibrissae are located on the downside aspect of the forelimbs of mammals. The vibrissal hair has a conical shape and grows from a special heavily innervated hair follicle incorporating a capsule of blood. As the hair itself has no receptors along its length, the vibrissa may be considered as a system for transmitting forces and torques that arise from the contact between the hair and an object to sensory receptors inside the follicle. The present thesis deals with the vibrational motion of vibrissae dur- ing natural exploratory behaviour from the mechanical point of view. The phenomenon of the parametric resonance of the vibrissa is investigated the- oretically and numerically. In the first part of this thesis, two mechanical models of an elastic beam are presented based on findings in the literature. The first model considers a straight beam with the linearly decreasing radius of the circular cross-section. The second model takes into account the circu- lar natural configuration of the cylindrical beam. Within these models, the small transverse vibration of the beam under a periodic following force at the tip are analysed using the Euler-Bernoulli beam theory and asymptotic methods of mechanics. In the second part of the thesis, the numerical analysis of the problems is performed based on the finite element method using ANSYS 16.2 software. For each model, the dynamical response of the system on the parametric excitation is simulated for different frequency values. It is shown theoretically and numerically that at specific ranges of the excitation frequency the phenomenon of the parametric resonance of the beam takes place. That means that the amplitude of vibrations of the beam increases exponentially with time, when it is stimulated within one of the frequency ranges of the parametric resonance. These ranges depend on the geometrical and material parameters of the beam model, as well as the am- plitude of the periodic excitation.