The 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. / Die vorgestellte Arbeit zeigt den Prozess der Konstruktion eines preiswerten, kostengünstigen Dreiachs-Kraftsensors. Weiterhin wird eine Integration der Sensoren in ein Array, zur Messung der Verteilung von Kräften auf der Fußsohle besprochen. Der Schwerpunkt soll dabei auf einer einfachen und günstigen Herstellung, sowie der Verwendung handelsüblicher Materialien liegen, da der Sensor in ein kostengünstiges Prothesenkonzept integriert werden soll. Ausgehend von den Erkenntnissen der Biomechanik und einigen grundlegenden Annahmen für die Nutzung des Sensors, werden verschiedene Anforderungen abgeleitet. Im Folgenden wird der Stand der Technik anhand einiger aktueller Forschungsarbeiten und Sensorprinzipien vorgestellt. Daraufhin werden geeignete Konzepte gesammelt, die zur Entwicklung des Sensors eingesetzt werden können. Anschließend werden die Konzepte anhand einer Vergleichstabelle verglichen, um das bestgeeignetste Konzept zu finden. Eine sehr überzeugende Variante, bei der Barometerchips in Silikon eingegossen werden, wird mit einem einfachen Prototyp getestet, um herauszufinden, ob es sich um einen guten Kandidaten für die weitere Entwicklung handelt, oder nicht. Die Versuche zeigen, dass der Prototyp in der Lage ist, Kräfte zu messen, jedoch zeigt sich eine große Anfälligkeit für Temperaturschwankungen. Das Konzept wird deshalb nicht weiter verfolgt. Die Konzepte werden neu bewertet und anschließend ein Neues ausgewählt. Daraufhin wird der Entwurfsprozess beschrieben. Das Funktionsprinzip und die Auslegung der Abmessungen werden erläutert. Anschließend wird eine Schaltung zum Arbeiten mit einer kapazitiven Messung, sowie eine Schaltung für eine resitive Messung entwickelt und ein Layout für eine Platine zur kapazitiven Kraftmessung vorgeschlagen. Zum Nachweis der Funktionalität wird das kapazitive System als Prototyp aufgebaut. Um das Messverhalten zu testen und seine Wiederholbarkeit nachzuweisen, wird ein Prüfstand entworfen. Zur Durchführung einer Referenzmessung werden handelsübliche Wägezellen verwendet. Der Ausgang des Sensors wird mit der Referenzmessung verglichen. Mit verschiedenen Prüfverfahren werden die Kurven bestimmt, die die Messwerte der Normalund Querkraft zuordnen. Während des Tests werden verschiedene Leistungsaspekte wie Kriechverhalten oder Hysterese untersucht. Auch die Wiederholbarkeit wird mehrmals unter verschiedenen Belastungen gemessen, um zuverlässige Schätzungen der Genauigkeit der Messung vorzunehmen. Weiterhin wird ein resistiver Kraftsensor, der anstelle der kapazitiven Sensorelemente verwendet werden könnte, hinsichtlich seiner Kurve und Leistung getestet, um einen Vergleich der Vor- und Nachteile der Konstruktion des zukünftigen Sensors mit resistiven oder kapazitiven Sensorelementen zu erhalten. Mit beiden Konzepten kann eine gute Wiederholgenauigkeit mit nur wenigen Prozent Unsicherheit erreicht werden. Weiterhin werden Möglichkeiten zur Verbesserung der zukünftigen Version des Sensors auf Grundlage der gesammelten Erfahrungen beschrieben. Schließlich wird ein möglicher Weg zur Integration mehrerer Sensoren in eine Sensoranordnung vorgeschlagen. Das Design, sowie die mögliche Elektrik zur Erfassung der Daten werden diskutiert. Damit wird eine solide Grundlage für die Weiterentwicklung einer Sensoranordnung zur Messung der Kraftverteilung geschaffen. / Tesis

El presente trabajo presenta un modelo biomecánico del cuerpo en el plano sagital que permite estimar las fuerzas internas presentes durante la ejecución de la técnica de recepción baja básica en el vóley. De igual manera, se presenta el diseño de un módulo de ensayos experimentales que permita realizar la validación del modelo propuesto. En la etapa inicial se realizó un breve estudio sobre modelos biomecánicos del cuerpo así como métodos para realizar su validación que posean un enfoque deportivo. De esta manera se propuso un modelo biomecánico que cuenta con seis segmentos articulados en cadena y que permite analizar el movimiento deseado. Luego se procedió a realizar el diseño preliminar del módulo de ensayos, el cual consiste de un sistema de captura de movimiento basado en cámaras y seguimiento de marcadores, de un par de plataformas de fuerza y de un dispositivo lanzador de balones. El dispositivo lanzador de balones permite ajustar tanto la velocidad y el ángulo de lanzamiento del balón. Además, cuenta con un sistema de seguridad que impedirá el lanzamiento ante la presencia de obstáculos frente al dispositivo. El costo de fabricación del lanzador de balones asciende a S/. 4,000 aproximadamente, el cual incluye costos de diseño, fabricación y ensamble. Por último, se muestra el protocolo de ensayo que permite validar el modelo propuesto. Este protocolo explica la ubicación de los dispositivos para el ensayo, la preparación del sujeto de pruebas y el proceso para la recolección de información. Adicionalmente se explica cómo se procesa la información para obtener las variables deseadas y de esa manera poder realizar la validación deseada. El resultado del presente trabajo es la propuesta de un modelo biomecánico de seis segmentos articulados, así como el diseño de un módulo de pruebas experimentales para la validación de un modelo biomecánico. Además, se muestran los resultados obtenidos de un ensayo preliminar siguiendo el protocolo detallado utilizando los equipos con los cuales se contaba en el laboratorio LIBRA que muestra una validación preliminar del modelo propuesto. Este ensayo mostró que el modelo permitió estimar las fuerzas internas con un error menor al 20%, el cual se espera pueda ser mejorado al implementar el módulo de ensayos presentado.

Con 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.

Actualmente en el Perú, los técnicos profesionales junto con la selección peruana de voleibol femenino vienen realizando un trabajo arduo para conseguir un mejor posicionamiento en las competencias internacionales [1]. Además, el voleibol es un deporte colectivo de piso y regulado por la FIVB y según el técnico Mauro Marasciulo: “el movimiento de los pies es pieza clave en la ejecución de algunas técnicas como la de recepción” (Ver entrevista en Anexo A). Así mismo, otros países vienen haciendo un trabajo análogo pero con la aplicación de la biomecánica deportiva y el uso de instrumentos tecnológicos, los cuales permiten obtener datos precisos e información que a simple vista no se pueden observar durante el desarrollo de las técnicas propias de algún deporte [1, 2, 3]. Con el afán de complementar está disciplina del voleibol con la investigación, inclusión y desarrollo de la biomecánica deportiva la presente tesis diseña e implementa un sistema solución para la evaluación dinámica de los miembros inferiores, lo cual permita caracterizar biomecánicamente el movimiento el realizado por los pies de deportistas calificados durante la técnica de recepción básica baja del voleibol [4]. Este sistema cuenta con dos plataformas de fuerzas, las cuales son colocadas en una base portátil para poder trasportarlas a un ambiente donde se pueda realizar la evaluación de la técnica sin limitaciones. El diseño de la base portátil se realizó con un análisis previo del área de desplazamiento que una jugadora promedio de voleibol realiza durante el desarrollo de la técnica en mención para saber la distribución correcta de las plataformas. La toma de datos fue realizada desde la posición anterior que se debe adquirir para el impacto con el balón hasta la posición posterior a esta. Y se obtuvo como resultado una curva característica durante esta fase crítica de la técnica de recepción, además de un patrón en el desplazamiento del centro de gravedad en el desarrollo de la técnica. En todos los resultados de las evaluaciones realizadas se pudo observar que se realiza un pequeño impulso durante el corto acompañamiento que se realiza al impacto del balón en los antebrazos lo que es contrastado con la opinión especialista técnico (Ver ANEXO B:). Lo cual comprueba que la técnica es ejecutada de forma correcta, según lo mencionado por el técnico.

En este Proyecto de tesis se realizó el diseño de mejoras para el sistema mecánico del Exoesqueleto PUCP para rehabilitación de miembros inferiores. El resultado ha sido planos de fabricación y de ensamble que se basan en el método de diseño en ingeniería de acuerdo a la norma VDI 2221, así como una estimación de costos para la realización de estas mejoras. El costo de realización de este Proyecto es de aproximadamente S/. 72,600.00, lo cual incluye el costo de fabricación de los componentes (aprox. S/. 54,600.00), el costo de los componentes comerciales que se necesitarían comprar (aprox. S/. 3,000.00), los costos de logística y montaje, así como el costo de diseño (S/. 15,000.00). El diseño se realizó tomando como punto de partida las necesidades de los pacientes que requieren de terapias para la rehabilitación de la marcha, así como las exigencias mecánicas que se deben cumplir para el funcionamiento del Exoesqueleto. La metodología seguida fue, descrita a grandes rasgos: se revisaron los fundamentos para la rehabilitación de la marcha humana y las tecnologías existentes para apoyarla, luego se evaluaron los problemas y limitaciones que presenta el sistema mecánico del Exoesqueleto PUCP, para así elaborar las principales propuestas de mejora, y finalmente, se realizaron los cálculos de ingeniería y los planos correspondientes, así como una estimación del costo de implementación. En el capítulo 3 de este Proyecto se exponen los cálculos realizados para la ingeniería de detalle. Se realizaron análisis de cargas, así como análisis de esfuerzos en las secciones críticas de los elementos y verificación de rigidez por deflexión. Las fuentes de las teorías utilizadas para el análisis están referenciadas a lo largo de este capítulo. En base a las piezas diseñadas se realizó también una estimación de costos de este Proyecto. Finalmente se hizo una auto evaluación del trabajo realizado de modo que se pudieran identificar mejoras que no se pudieron abordar en este Proyecto y limitantes generadas por los alcances del mismo. También se evaluaron los resultados obtenidos durante la realización del Proyecto y su impacto en el contexto actual. / Tesis

En la presente tesis se propone, el diseño mecatrónico de una prótesis de mano, para pacientes con amputación transradiaL la cual pennitirá al usuario el control de esta nueva extremidad por medio de una mterfuz de electroencefulogra:fia que predecirá las acciones y deseos del usuario y comunicándose con el controlador de la prótesis llevará a cabo dicha tarea. El presente diseño ha sido basado en estudios antropomórficos y biomecánicos de la mano humana. Consideraciones, cálculos, comparaciones y justificaciones son presentados en el presente documento. Así se logró un diseño capaz de someterse hasta 1 O kgf de carga con sólo una masa de aproximadamente 800 gr. Además el tiempo de cerrado de la mano es de 0.33 s, siendo un prototipo rápido con una velocidad comparable a la mano humana . Así mismo, el sistema electrónico de la prótesis fue diseñado para optimizar el ahorro de energía y controlar sólo las variables necesarias para el buen funcionamiento del conjunto. Las variables a controlar son justificadas de acuerdo al diseño mecánico propuesto. Además, el sistema se divide en tres dispositivos independientes: una interfuz cerebro máquina, que adquirirá las señales eléctricas producidas en la superficie del cerebro para la interpretación de la acción a realizar; un dispositivo Smartphone de alto rendimiento, que procesará la señal adquirida, realizando el :filtrado y reconocimiento de patrones; y la prótesis propiamente dicha, la cual recibe los parámetros del anterior procesador y controla las salidas actuadas, por medio de un lazo de control realimentado con sensores de posición y fuerza. Finalmente, se proponen filtros digitales de orden ocho para el preprocesamiento de la señal los cuales otorgarán una atenuación de paso de 0.5 dB y una atenuación de corte de 40 dB, así como un algoritmo de reconocimiento de patrones basado en redes neuronales y aprendizaje autónomo. La presente tesis no desarrolla los parámetros exactos de este sistema de reconocimiento y aprendizaje, pero sí propone una secuencia de algoritmos que permitirá llegar al controlador óptimo de la prótesis. Esta limitante se debe a la necesidad de la obtención de estos parámetros por medio de iteraciones de prueba y error. / Tesis

Desde años atrás, la mayoría de las personas han sufrido de diversos problemas de salud que han podido ser resueltos mediante medicamentos, descansos o algunas indicaciones de personas expertas en determinado rubro de la medicina. Actualmente, los problemas de columna vertebral reflejados en el dolor de espalda, se presentan como una de las principales patologías que pueden afectar a las personas de cualquier condición sin importar si se trata de niños, jóvenes, mujeres, hombres o ancianos. El problema principalmente se da por el desgaste del disco intervertebral que es un problema inevitable debido a la vejez. Se presenta el diseño de un equipo de ensayo de fatiga que permite al usuario el poder probar un implante para disco intervertebral utilizando una interfaz útil para el encendido, apagado y visualización de indicadores (fuerza aplicada y desplazamientos durante la prueba) de todo el sistema. El equipo de ensayo de fatiga consiste en un actuador lineal que se desplaza hasta una velocidad de 5,7 mm/s. Dicho actuador generará una fuerza de presión de 75 N (carga necesaria para realizar el ensayo sobre un implante, según Norma ISO 18192-1). Variando el posicionamiento del vástago del actuador lineal, se podrá introducir y retirar el implante según le convenga al usuario. Además, el equipo cuenta con un sensor de fuerza que puede medir magnitudes de hasta 20 kg, motores con reducción con torque nominal de 1,6 Nm. para generar cada uno de los movimientos presentes en un disco intervertebral. El ensayo se realiza mediante una interfaz para que el usuario ingrese información necesaria con el fin de lograr el mejor análisis del comportamiento. El control estará a cargo de un Arduino UNO. El costo aproximado considerando el diseño, fabricación y armado del equipo es de aproximadamente S/. 4,900.00, siendo el concepto de mayor costo por el diseño del mismo, el cual alcanza los S/.3,000.00. / Tesis

La presente tesis consiste en el diseño del prototipo del mecanismo de un exoesqueleto posicionador de espalda enfocado en contribuir con el entrenamiento deportivo del tiro con arco. Un exoesqueleto es un implemento mecánico, accionado generalmente por actuadores electrónicos o neumáticos, el cual es portado por una persona a fin de guiar su movimiento y a su vez mejorar habilidades físicas como la fuerza o motrices como la precisión del usuario. Respecto a esto se vienen realizando estudios que indican que estos mecanismos también permiten a personas con problemas o lesiones motoras acelerar la recuperación de sus habilidades motrices, por ello estos mecanismos vienen demostrando su eficacia en terapias de rehabilitación. El principio de las terapias de rehabilitación consiste en la repetición continua de determinados movimientos en el miembro afectado y precisamente estos mecanismos pueden programarse a fin de repetir infinidad de veces estos movimientos con una gran precisión. Por otro lado en el caso de personas sin problemas motores se ha demostrado que estos mecanismos contribuyen con acelerar el aprendizaje de movimientos nuevos y a su vez contribuir con la mejora de habilidades motrices como la precisión del movimiento. Igual que en el caso anterior esto se logra mediante la repetición continua del movimiento nuevo que se quiere aprender o mejorar. El tiro con arco es un deporte con gran potencial de masificación en el país, se puede practicar a cualquier edad y no requiere un biotipo en especial. Si bien esta disciplina requiere pocos movimientos durante su ejecución deben realizarse con gran precisión. Habilidad que puede desarrollarse con el uso de un exoesqueleto. Para el diseño del mecanismo se tuvieron que realizar visitas a centros deportivos de tiro con arco a fin de reconocer los movimientos característicos para dirigir el movimiento de la flecha. Se pudo reconocer que al mantener los brazos tensados al apuntar era la espalda la que permitía controlar la dirección final de la flecha. Posteriormente se realizó un modelo matemático para obtener los parámetros inerciales de un individuo con las medidas del peruano promedio. Se planteó un diseño preliminar, se reconoció la distribución de cargas sobre el mecanismo y se realizó la ingeniería de detalles para finalmente obtener los planos de fabricación del mecanismo propuesto / Tesis

El objetivo del trabajo es analizar la placa (implante) a través de un modelo capaz de proporcionar valores de tensiones y desplazamientos bajo las diferentes condiciones de carga en distintos puntos de la placa que pueden son necesarios conocer. Esta información es de gran importancia, porque una cirugía persigue que la prótesis hueso del sistema este bajo un estado mecánico íntimo al hueso, promueve una estabilidad más grande y durabilidad de la placa y reduce el número de cirugías necesarias durante la vida del paciente. / Tesis

El objetivo del trabajo es analizar la placa (implante) a través de un modelo capaz de proporcionar valores de tensiones y desplazamientos bajo las diferentes condiciones de carga en distintos puntos de la placa que pueden son necesarios conocer. Esta información es de gran importancia, porque una cirugía persigue que la prótesis hueso del sistema este bajo un estado mecánico íntimo al hueso, promueve una estabilidad más grande y durabilidad de la placa y reduce el número de cirugías necesarias durante la vida del paciente. / Tesis