En el presente trabajo se diseñó un prototipo de brazo robótica háptico teleoperado de 4 grados de libertad para la exploración marina hasta una profundidad máxima de 500m. Se diseñó el brazo robótica esclavo en un software de diseño, se analizó la estática y dinámica de dicho robot y se realizaron análisis de esfuerzos en los principales componentes. El robot tendrá un alcance máximo de 900mm y contará con sensores de posicionamiento y fuerza para el control de posición y fuerza. Además el brazo robótico contará con una cámara cerca al efector final con el motivo de tener una mejor visión para el operador. El trabajo incluye también el diseño del manipulador maestro que será controlado por el operador y que incluirá una realimentación de fuerza (force feedback). Se escogieron los motores y controladores indicados para el correcto funcionamiento del robot así como el tipo de comunicación que tendrá el robot con el computador. En el primer capítulo se presentará la problemática actual de los manipuladores robóticos submarinos, los cuales en su mayoría son hidráulicos y el costo de operación de dichos robots son altos. En el segundo capítulo se mencionarán los requerimientos físicos-mecánicos, requerimientos electrónicos y requerimientos de control del robot. Además se presentará el concepto de solución del sistema mecatrónico que será una alternativa de solución a la problemática presentada. En el tercer capítulo presentará el sistema mecatrónico completo. Se explicará el diagrama de funcionamiento del sistema mecatrónico, los sensores y actuadores presentes en el trabajo, planos de ensamble de los manipuladores, diagramas de circuitos y el diagrama de control del sistema mecatrónico. En el cuarto capítulo se presentará el presupuesto total del proyecto, el cual incluirá el presupuesto de los componentes mecánicos y electrónicos. Por último en el quinto capítulo se presentarán las conclusiones obtenidas del proyecto.

Los sistemas teleoperados siguen siendo un campo de investigación de vigente importancia en el mundo. Cuentan con diversas áreas de aplicación y por ello continuamente se desarrollan nuevos algoritmos de control con los que mejorar las prestaciones de telepresencia y estabilidad del sistema en conjunto. Sin embargo, existe la necesidad de probar la eficacia de esos algoritmos en entornos reales aparte de los simulados. La Pontificia Universidad Católica del Perú es una de las instituciones académicas que realiza investigaciones de ese tipo. En particular, la presente tesis busca contribuir a dicho trabajo mediante el diseño de una plataforma teleoperada de un GDL en la que implementar y probar nuevos algoritmos de control bilateral basados en la convergencia de estados. La estructura mecánica diseñada considera el uso de impresión 3D como tecnología para la fabricación de las piezas diseñadas. De esta manera, la plataforma será mucho más accesible para su posterior uso en trabajos de investigación que desarrollen nuevos algoritmos de control. El GDL se implementa a través de un motor brushless controlado por FOC para generar una posición angular más precisa. Finalmente, la dinámica de cada manipulador es linealizada para simular la convergencia de estados con un modelo del sistema y validar su funcionamiento en un entorno terrestre.

El desarrollo de varias tecnologías ha permitido que hoy en día los exoesqueletos robóticos sean una realidad, siendo actualmente usados en distintas áreas de trabajo; sin embargo, éstos aún presentan ciertas limitaciones, como por ejemplo, restringir el desplazamiento del usuario si éstos están fijos a soportes. Por otro lado, el tipo de trabajo que realiza el trabajador de construcción civil, como la carga y transporte de elementos de construcción, lo pone en una situación de predisposición a sufrir lesiones como fracturas, esguinces y diversos trastornos músculo-esqueléticos. El presente proyecto consiste en el diseño de un exoesqueleto de miembro superior que alivie el esfuerzo en el transporte de carga y disminuya los riesgos a la salud de los trabajadores de construcción civil. Se presenta una solución de un exoesqueleto pasivo que utiliza el mecanismo kickstart ratchet –mecanismo que permite el movimiento rotacional en tan sólo un sentido y que utiliza los dientes de engrane en las caras planas de los discos en contacto para distribuir el torque entre todos los dientes de la pieza-, para poder soportar la carga aplicada por largos períodos de tiempo sin la necesidad de un suministro eléctrico permanente. Este diseño es ergonómico y permite un uso continuo y prolongado, es seguro para el usuario, compacto y fácil de transportar, es autónomo y no limita del desplazamiento del usuario. Así mismo, previene lesiones musculo-esqueléticas a través de la corrección de la postura del usuario, distribuyendo la carga uniformemente en la posición óptima. Además, resulta en una alternativa más económica que el costo que implica una lesión músculo-esquelética debido a las horas-hombre perdidas, gasto en medicamentos, tiempo invertido en fisioterapia, hasta inclusive posibles demandas a la empresa responsable. Finalmente, se espera que gracias al uso del exoesqueleto robótico, el trabajador de construcción civil pueda aumentar su eficiencia laboral al ser capaz de cargar y transportar un mayor número de elementos en un mismo período de tiempo que si no contara con el exoesqueleto, puesto que presentaría menos cansancio.

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.

En este trabajo se desarrolla el modelo dinámico de un actuador hidráulico de doble efecto de la marca Fluidtek, el cual forma parte importante del simulador de marcha normal que se desarrolla en la Pontifica Universidad Católica del Perú. Asimismo, se muestra el comportamiento dinámico del actuador por medio de simulaciones ejecutadas en MatLab, para lo cual se desarrolló el algoritmo correspondiente. En primer lugar se identificaron los parámetros que caracterizan el modelo dinámico del actuador hidráulico, definiendo como variable de entrada la presión hidráulica del fluido y como variable de salida el desplazamiento del vástago. El modelo matemático se obtuvo planteando las condiciones de equilibrio correspondientes a los fenómenos físicos presentes en el accionamiento del actuador. Algunos parámetros del modelo se obtuvieron revisando la información técnica del fabricante, mientras que otros fueron obtenidos por medición y experimentación (coeficiente de fricción dinámica) y de la literatura técnica (módulo de Bulk). Los resultados obtenidos indican que el comportamiento del actuador presenta un error en estado estacionario, lo cual produce imprecisión en la señal de salida, por lo que es necesario tomar acciones de control al respecto. Sin embargo, las gráficas muestran que la simulación en el computador asemeja a lo observado en el banco de pruebas. De esta manera, se concluye que el modelo matemático obtenido describe adecuadamente al actuador.

Actualmente, en toda empresa de manufactura se requiere un estricto control de la calidad del producto final; por ello, constantemente, se desea implementar equipos de inspección que proporcionen un mayor detalle sobre las evaluaciones requeridas por el cliente. En el caso de las empresas de manufactura de botellas de vidrio, los controles de calidad deben ser los más rigurosos posibles; debido a que, el producto final tiene contacto directo con el cliente. Los envases de vidrio cuentan con un código en la parte inferior, que los identifica según el número de molde en el cual han sido fabricados. Si bien no se puede detectar el 100% de los tipos de defectos, sí se puede detectar este código con el cual según las evaluaciones realizadas en planta, se puede determinar que durante un periodo de tiempo definido, todos los envases pertenecientes a una moldura en particular, cuentan con defectos. Por ello, la propuesta del proyecto es un equipo que lea el número de molde de los envases en una línea de producción y según los requerimientos de planta se programe el descarte de los envases que cuenten con el número de molde que contengan defectos. El objetivo del proyecto es el diseño de un sistema mecatrónico que minimice la cantidad de posibles filtraciones de envases defectuosos en el empaque enviado al cliente. Esto involucra mitigar los problemas con los clientes y la reducción del alto sobre costo utilizado en personal externo a la empresa que se dedica a la inspección de cada envase dentro de un lote designado como defectuoso.

La presente tesis tiene por objetivo la elaboración de un algoritmo para el análisis cinemático inverso de mecanismos en el espacio, el cual abarcar mecanismos clásicos y mecanismos empleados en la actualidad, tales como brazos robóticos. Con el fin de realizar el análisis cinemático de diversos mecanismos usando el mismo algoritmo, se plantea el uso de un método iterativo para la evaluación de las ecuaciones de movimiento. En este proceso se usan los parámetros de Euler como sistema de coordenadas generalizadas, así como la pseudo-inversión para la resolución de la inversión del jacobiano y el método de Newton-Raphson como método de minimización. Además, se presenta una librería de juntas para el modelamiento de diferentes tipos de juntas entre eslabones, permitiendo el estudio de diversos mecanismos. El algoritmo se implementa en el programa de Matlab, emplea archivos tipo texto para el ingreso de información y ofrece una interfaz tipo GUI para la obtención de diversas gráficas requeridas por el usuario. Durante la elaboración del algoritmo se presentaron dificultades en la eliminación de restricciones redundantes y evasión de singularidades del mecanismo, en específico en mecanismos contenidos en un plano. Esta dificultad fue superada empleando modelos depurados por parte del usuario. Para la validación del algoritmo se desarrollaron dos ejemplos de aplicación, un mecanismo clásico Biela-Manivela-Corredera y un brazo robótico tipo esférico. Los resultados obtenidos en estos ejemplos usando el algoritmo implementado y los obtenidos por otros autores son similares, apreciándose una adecuada correspondencia en los valores de posición, velocidad y aceleración. El algoritmo elaborado e implementado presenta subrutinas específicas y una librería de juntas que pueden ser empleados en un programa para el análisis cinemático y dinámico de mecanismos espaciales a ser desarrollado en un futuro.

Gran parte de las importaciones de granos alimenticios a nuestro país se llevan a cabo mediante el transporte marítimo. Por consiguiente, nuestros puertos y terminales marítimos peruanos deben estar acondicionados para poder descargar y manipular dichos productos eficazmente. Dada su importancia, se busca mejorar la eficiencia de operación en la manipulación, optimizando el proceso de descarga con la finalidad de asegurar la calidad del producto, reducir tiempo y costos de operación. Como resultado, el presente trabajo presenta el diseño de un equipo móvil de descarga neumático de granos de 100 TM/h, cuya pluma telescópica de 10 metros y de carrera es de 5 metros es capaz de trasladar el sistema de conductos, posee un peso bruto de 9.11 toneladas y un costo aproximado de $ 90,000.00.

El siguiente tema de tesis corresponde al modelado cinemático y dinámico de un manipulador de 5 grados de libertad articulado verticalmente desarrollado en el Centro de Tecnologías Avanzadas de Manufactura CETAM de la Pontificia Universidad Católica del Perú. Esta tesis forma parte de un proyecto multidisciplinario para el diseño, fabricación y puesta en funcionamiento de un manipulador con las características ya mencionadas. El modelado cinemático consta del desarrollo de la cinemática directa y la cinemática inversa. La cinemática inversa permitirá conocer las coordenadas de cualquier punto del manipulador en función de los ángulos generados en las articulaciones, mientras que la cinemática inversa permitirá conocer los ángulos de los actuadores en funciona de alguna posición espacial. La cinemática directa utiliza matrices de transformación homogéneas, que relacionan una serie de sistemas coordenados colocados estratégicamente a lo largo del manipulador. La cinemática inversa por otro lado, utiliza un método geométrico para su resolución. La dinámica del manipulador también consta del desarrollo de una dinámica directa y una inversa Para el desarrollo de la dinámica directa se utiliza la formulación de Walker-Orin para obtener las aceleraciones, velocidades y posiciones en función de los torques en los actuadores. En la dinámica inversa por otro lado, se utiliza la formulación de Newton-Euler con una ligera variación desarrollada por Luh, Walker y Paul, para determinar los torques en los actuadores en función de las posiciones, velocidades y aceleraciones. Esta serie ecuaciones dinámicas son manejadas mediante un algoritmo soportado en Matlab, que permite la iteración de las diferentes variables de una manera práctica, rápida y precisa.

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