En el presente trabajo se plantea el diseño de un brazo robótico de 5 grados de libertad con un sistema de control de movimiento modificable por el usuario y un control de seguridad que garantice el bienestar del usuario y de la máquina. Se realizan los cálculos del diseño mecánico y electrónico necesarios que garanticen el buen funcionamiento de la máquina. Para ello, se obtiene el modelo cinemático del brazo robótico por medio de la obtención de los parámetros de Denavit-Hartenberg y el método geométrico. Por otro lado, se obtiene el modelo dinámico del robot resolviendo las ecuaciones de Euler-Lagrange. El dimensionamiento de piezas, ensamblaje y planos mecánicos del robot se realiza mediante el software Autodesk Inventor; así como también se consigue exportar el archivo CAD al software Matlab con la finalidad de corroborar una posible aplicación del diseño propuesto. Además, se realiza los circuitos esquemáticos del sistema usando el programa Eagle, para la selección de componentes electrónicos se hace uso de diferentes manuales y datasheets otorgados por los fabricantes. Para la cotización de los componentes utilizados, se obtuvo proformas y cotizaciones por correo electrónico, cabe resaltar que en el caso de componentes importados se está Considerando el costo de envió. Respecto a los resultados obtenidos, estos fueron positivos debido a que se consigue tener un diseño de brazo robótico que sea seguro para el usuario debido a que contiene sensores de corriente para evitar una sobrecarga en los motores y una parada de emergencia para detener el movimiento del robot cuando se requiera. Además, se le permite al usuario colocar las diferentes ecuaciones de movimiento para el control de robot y de esta manera poder tener un control libre a voluntad del usuario. Algunos cálculos fueron realizados por el software Autodesk Inventor, el reporte mostrado por este programa mostró un diseño valido y resultados positivos que ratificaron como correctos los parámetros ingresados para su análisis. En conclusión, el brazo robótico diseñado tiene un fin educacional y de investigación. El sistema de control de movimiento puede ser modificado por el usuario; es decir, le permite alterar diferentes parámetros en las ecuaciones de movimiento para su control. Cabe resaltar que se le proporciona al usuario información de la cinemática y dinámica del brazo robótico; de esta manera, con pruebas experimentales es posible corroborarlas. Esta información ayudará al usuario a realizar el control del brazo robótico diseñado. / Tesis

En el presente trabajo de tesis se realizó la modelación y la simulación dinámica de un mecanismo de 4 grados de libertad, orientado al diseño de prótesis activas para personas con desarticulación humeral. Este modelo facilita el análisis de la biomecánica del movimiento en el miembro superior con el fin de obtener parámetros dinámicos para iniciar un posterior diseño de la prótesis. Se realizó un diseño conceptual del mecanismo basándolo en las características fisiológicas del miembro superior, de tal manera que cumpla con los movimientos naturales y mantenga un parecido antropomórfico. Esto incluye una revisión de la fisiología para la obtención de los parámetros antropométricos necesarios para el dimensionamiento de los eslabones. En base al diseño preliminar, se desarrolló un modelo cinemático para el estudio de las características geométricas del movimiento, con el cuál se pueden describir las coordenadas de cualquier componente del mecanismo respecto a un sistema fijo al cuerpo. Esto se logró empleando las matrices de transformación homogénea según la parametrización Denavit-Hartenberg. Asimismo, el modelo cinético se describió mediante las ecuaciones obtenidas de servirse del algoritmo de Uicker para el estudio, aplicando conceptos de mecánica Lagrangiana, del cual se obtiene los momentos efectivos en cada articulación. Finalmente, el modelo fue implementado en Matlab para proceder con la simulación numérica de la dinámica del mecanismo, donde se realiza el cálculo de los torques efectivas aplicadas, cuyos valores máximos son los parámetros de selección para un posterior diseño. Los resultados aquí presentados, se contrastan con los obtenidos en literatura para validar los datos ofrecidos, los cuáles se encuentran dentro de rangos esperados / Tesis

El sistema de distribución de agua potable en la ciudad de Lima posee aproximadamente 40 años de antigüedad, causa por la cual en los últimos años se han presentado aniegos en diversos puntos de la capital peruana. La corrosión y falta de mantenimiento han provocado pérdidas económicas al Estado que ascienden hasta 10 millones de soles por tubería dañada. Además, las conexiones clandestinas se presentan como un problema latente en la comunidad limeña al ocasionar pérdidas económicas de hasta 2 millones 400 mil soles anualmente. El presente trabajo, motivado por la problemática descrita, tiene como objetivo principal el desarrollo de un sistema de inspección de tuberías. Este sistema debe integrar un conjunto de sensores que permitan extraer información relevante para una posterior reconstrucción tridimensional de la tubería inspeccionada y un procesamiento digital de imágenes de la superficie interna de la tubería. En el desarrollo de la presente tesis se muestra el detalle del diseño electrónico y mecánico del sistema mencionado. Finalmente, se concluye que el diseño descrito es económicamente viable ya que otros robots comerciales ofrecen características inferiores por costos iguales o más elevados que los estimados para este sistema.

Los guardias de seguridad en un centro comercial requieren cumplir dos tareas principales: ser un agente de seguridad y un anfitrión. Las tareas relacionadas con temas de seguridad incluyen cuidar de la propiedad del centro comercial y velar por el bienestar de las personas presentes; mientras que su rol de anfitrión, requiere que interactúen con los clientes y puedan absolver dudas. Debido a estos requisitos, se les exige que realicen patrullas y que permanezcan de pie por largos períodos en lugares de fácil accesibilidad. El desgaste físico involucrado, agregado al riesgo laboral intrínseco a la profesión, genera un elevado índice de rotación en la industria de la seguridad. Por ello, en el presente trabajo se plantea el diseño de un sistema mecatrónico, capaz de poder desplazarse de forma autónoma dentro de un centro comercial y realizar las labores rutinarias de un guardia de seguridad. Además, puede servir como una herramienta para aumentar el rendimiento de los agentes. Con la finalidad de fomentar confianza, el sistema diseñado es un robot con apariencia humanoide el cual incluye un par de brazos de un grado de libertad y una cabeza de tres grados de libertad. El robot se posiciona sobre una plataforma de dos ruedas generando una configuración de péndulo invertido. El sistema total tiene un peso de 70 kg y un tamaño de 70 x 50 cm con una altura de 1.6 m. Tiene la capacidad de capturar video de su entorno y enviarlo inalámbricamente a un centro de seguridad. Además, puede navegar de forma segura y confiable en un ambiente dinámico e interactuar con las personas para resolver dudas como ubicación de locales y servicios. El sistema elaborado es capaz de satisfacer necesidades presentes en la industria de seguridad privada representando un beneficio para agentes, empresas y centros comerciales.

La toma de muestras de sangre es un proceso que se ha quedado relativamente estancado en el aspecto tecnológico en comparación a otros procedimientos médicos tales como para cirugías o procesamientos de imágenes (resonancia magnética, radiografías, entre otras). El éxito de una venopunción recae completamente en la habilidad y experiencia del tecnólogo médico. Incluso los más experimentados pueden fallar resultando en la incomodidad, daño y dolor provocado al paciente. A fin de solventar este problema, se ha diseñado en el presente trabajo una propuesta para una realización precisa y exacta del procedimiento de punción de las venas, mediante el uso de actuadores en sistemas que ofrezcan una resolución adecuada y el uso de sensores que permitan una captura y procesamiento de imágenes adecuada. Además, otro aspecto que se le agrega al diseño será el rotulado de las muestras obtenidas, dado que en la actualidad aún se generan confusiones por intercambio de muestras, lo cual solo perjudica aún más al paciente. El resultado es un robot con múltiples grados de libertad y diversos subsistemas con sus correspondientes actuadores y sensores. Estos subsistemas son: de punción, de almacenamiento de tubos y de rotulado. Esta división en subsistemas se da, ya que se requerirá que el sistema realice varias funciones con el fin de obtener las muestras rotuladas.

Debido 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. / Due to its low cost and simplicity, burying anti-personnel landmines on the battlefield has unfortunately been a ubiquitous war strategy in the last century. However, land contamination with anti-personnel landmines is yet in force today since more than sixty countries are still polluted with these explosives. Humanitarian demining seeks to eradicate all remaining landmines worldwide. Unfortunately, today's most widely used demining method is manual due to the high cost of existing autonomous systems. Although there are proposals for mobile robots that assist these tasks, most of them lack the versatility of movement on uneven terrain since they use wheels for their locomotion. In this thesis, an arachnid robot's design is proposed to carry a sensor that allows the detection of anti-personnel landmines on uneven terrain. In the mechanical domain, the robot has four legs and has sagittal symmetry. The electronic components are housed within the thorax, which is located in the center of the robot. The mine detector is held by the thorax, pointing downwards. A dynamic analysis of the leg mechanism was made, with its respective kinematic and kinetic simulation. Also, two stress simulations were made for the robot structure using the finite element method (FEM). Regarding the electronic design, calculations were performed for the circuits of the robot's internal voltage sources. The stability of these sources against electrical noise was verified. A simulation of the voltage regulator circuits' was developed to check their response while adding sinusoidal noise. Additionally, the selection of the other electronic components of the robot was made. The control domain is the most developed aspect of this thesis. An innovative algorithm is proposed, which merges machine learning and bio-inspired artificial intelligence perspectives to allow the robot to learn to walk. In this way, the robot improves its performance over time as it gains more experience and collects more data from its environment. The proposed algorithm allows training an intelligent agent to maximize a reward metric without applying reinforcement learning techniques, which are usually the way to solve this type of problem.

En estos últimos años, las carreras de innovación y desarrollo de nuevas tecnologías han presentado un gran crecimiento debido al aporte generado al PBI por parte del sector manufacturero en el Perú [1], por tal motivo, los profesionales que van ejerciendo su carrera en el mercado deben estar preparados tanto conceptualmente como en temas prácticos de ingeniería. Las universidades del Perú cuentan actualmente con módulos educaciones, en los cuales, el alumno tiene conocimiento práctico de los temas aprendidos, pero estos no son completos. Es por eso que existe un déficit en el sistema educativo peruano [2], en el cual no cuentan con un sistema completo, tanto mecánico, electrónico y de programación, mediante el cual se puedan desenvolver profesionalmente y así solucionar los problemas comunes que pueden incurrir en las empresas peruanas. Por tal motivo un sistema mecatrónico completo es presentado como plataforma educativa, para el desarrollo de habilidades mecánicas, electrónicas y de programación en los alumnos de pregrado de ingeniería mecatrónica. Dicha plataforma se basa en una de las competencias más importantes y de exigencia a nivel internacional, como RoboCup, específicamente en la categoría RoboSoccer middle size. Dicha plataforma cuenta una amplia variedad de sistemas mecánicos, como las ruedas omnidireccionales, actuadores solenoides, sistemas de suspensión y análisis de estructuras, ya que, el sistema completo debe ser lo suficientemente robusto y de un material resistente para poder soportar los diferentes impactos a los cuales será sometido en el campo de trabajo. Por el lado electrónico, el sistema cuenta con un control de motores, tanto para velocidad y posición; control de corriente del actuador, visión por computadora, etc. En la competencia mundial de RoboSoccer, se tiene un equipo de robots los cuales tiene que trabajar de forma cooperativa, por lo cual, la implementación de un sistema de control y programación es necesaria para el correcto funcionamiento del robot. Por lo mencionado anteriormente, la plataforma que se presenta tiene un amplio campo de aplicaciones, ya que, la solución al reto presentado en la competencia puede variar, ya sea para aplicar una mejora o resolver el problema desde otro punto de vista. Por lo tanto, estamos ante una plataforma educativa en la cual los alumnos de pregrado de la especialidad de ingeniería mecatrónica pueden desarrollar sus habilidades técnicas en un sistema de alto nivel competitivo a en un ámbito internacional, lo cual, generaría una mejora en la aplicación de los conceptos aprendidos en clase.

Con el crecimiento exponencial de la tecnología en los últimos años se ha optado por aplicar soluciones robóticas a diferentes problemas que el mundo real presenta. Algunas de estas soluciones se ven reflejadas en robots dedicados a brindar ayuda o entretenimiento a las personas. Dichos robots deben cumplir con su tarea y además tener las características externas necesarias para tener la aceptación del público objetivo. Es decir como tienen una interacción directa con el usuario no deben solo cumplir con la parte de máquina funcional, sino también las características necesarias para obtener una buena interacción humano robot. En la actualidad, esta clase de robots se encuentran en laboratorios, centros comerciales, museos e incluso en fábricas, dispuestos a brindar información o dar servicio de guía. Sin embargo aún no se encuentran en una biblioteca y ahora con la construcción de bibliotecas más tecnológicas, que cuentan con nuevos servicios como áreas de videoconferencias, áreas de impresión 3D y de manufactura digital, estantes de libros abiertos o cubículos con recursos multimedia, se debe informar al público para que éste conozca las nuevas posibilidades a la hora de acudir a la biblioteca. Para brindar información en algunos lugares se ha optado por utilizar paneles led o pantallas táctiles, lo cual no es eficiente, puesto que con las primeras no se tiene una interacción, sólo brinda información de manera cíclica y por otro lado las segundas se deterioran con el uso constante, en especial cuando no las usan de manera adecuada. Esto se podría mejorar con la utilización de un robot, puesto que la información la puede brindar de manera no sólo táctil sino también acústica. Además esta clase de robots motiva la curiosidad de las personas, logrando captar mejor su atención y atrayendo más usuarios a un área donde podrán adquirir conocimientos. Por tales motivos, en la presente tesis se desarrollará un diseño mecatrónico de un robot para guía de biblioteca que pueda brindar la información necesaria para dar a conocer los servicios con los que cuenta una biblioteca de una manera amena y agradable al usuario. Asimismo es una forma más eficiente que las otras soluciones no tienen, pues interactúa con las personas y no se desgasta fácilmente con el tiempo.

En el presente documento de tesis se desarrolla un sistema de control para la manipulación y planificación de trayectorias de un robot de cinco grados de libertad. Este robot que ha sido fabricado por la Maestría de Ingeniería Mecatrónica de la Pontificia Universidad Católica del Perú, forma parte de un proyecto multidisciplinario que busca desarrollar un sistema robótico capaz de ser utilizado para pruebas dinámicas y cinemáticas en este área. En el mencionado proyecto se realizó el diseño mecánico correspondiente al brazo robótico, que incluyó el dimensionamiento y posterior fabricación de cada uno de los eslabones. En la parte electrónica, se dimensionó y adquirió motores con encoders que permitirían obtener señales de posición y dar movimiento a los eslabones. Con toda la información adquirida a través de los dimensionamientos y ensayos mecánico-eléctricos, se logró generar modelos matemáticos de función de transferencia de motores para el diseño del control discreto. Usando estas funciones de transferencia, se implementó un sistema de control distribuido basado en la implementación de un algoritmo PD que permite el control angular de los motores con 5 microcontroladores comunicados en protocolo I2C.Las referencias para cada control de lazo cerrado, son generadas desde una interfaz que tiene internamente un generador de referencias y enviadas por protocolo serial al microcontrolador maestro. Este generador tiene un funcionamiento basado en modelos cinemáticos que toma como principio los algoritmos de cinemática directa e inversa para la generación de trayectorias. Finalmente, el sistema es comandado por un usuario que podrá definir el punto final de la trayectoria del brazo en coordenadas X, Y, Z. Además, el usuario podrá realizar control individual de cada uno de los eslabones y observar los valores de posición X, Y, Z en tiempo real mediante gráficas y valores.

El programa de Maestría de Ingeniería Mecatrónica de la PUCP desea contar con un brazo robot de 5GDL, teniendo a la fecha la estructura mecánica; ahora desea agregarle la parte electrónica para la enseñanza de robótica avanzada. El desarrollo del sistema experimental ha sido dividido en 3 partes en el curso Proyecto Electrónico 1 de la especialidad de Ingeniería Electrónica y está generando 3 tesis de pregrado, una ya sustentada; acá se abordan las partes más relevantes de esos trabajos: el hardware electrónico, la interface de usuario, y el control electrónico que permite la cinemática directa e inversa, así como el seguimiento de una trayectoria. Lo que se ha desarrollado en esta tesis en la parte de hardware es la selección de los motores, excitadores y sensores de posición, se ha diseñado e implementado un controlador Maestro y 5 controladores Esclavos. En la parte de software se ha desarrollado una interfaz desde una PC en Visual Basic para que se ingresen los movimientos que debe realizar cada una de sus 5 articulaciones del brazo robot, ya sea de un punto inicial a otro final, o para que describa una trayectoria. También se ha realizado la comunicación en lenguaje C entre la mencionada interfaz y el controlador maestro, y la comunicación de este último con los 5 controladores esclavos; finalmente se ha realizado un control PD en cada articulación. El brazo robot cuenta con sensores de fines de carrera y detectores de sobre corriente que cuando se activen harán que el robot detenga su movimiento para evitar cualquier accidente. / Tesis