Tesis de Mecatrónica

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https://hdl.handle.net/20.500.14414/898

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Adaptación del algoritmo de FABRIK para la solución de la cinemática inversa de robots manipuladores seriales redundantes
(Universidad Nacional de Trujillo, 2023) Orbegoso Moreno, Luis Antonio; Alva Alcántara, Josmell Henry
En el presente trabajo de tesis se desarrolla un estudio cuantitativo de alcance correlacional en donde se plantea una adaptación en el campo de la robótica del método heurístico de FABRIK, un algoritmo aplicado en los gráficos por ordenador caracterizado por su rápida convergencia y facilidad de computación, para mejorar la convergencia a la solución de la cinemática inversa de robots manipuladores seriales redundantes. Esto debido a que el aumento de los grados de libertad hace que la cinemática inversa sea una tarea que implica una elevada carga computacional para hallar una solución a este problema. Para demostrar la efectividad de la adaptación del algoritmo de planteado, se realizó un estudio comparativo entre el método propuesto y los métodos iterativos de vanguardia empleados para resolver la cinemática inversa de robots (el método Particle Swarm Optimization (PSO), el método Quantum Particle Swarm Optimization (QPSO), el método por algoritmos genéticos (GA) y el método por mínimos cuadrados amortiguados (DLS)). Este análisis comparativo se realizó para 5 cadenas cinemáticas de robots seriales redundantes de 7, 9, 11, 13 y 15 grados de libertad compuestos por articulaciones bisagra y pivote. A modo de indicadores de medición en las pruebas se consideraron al tiempo de ejecución, el número de iteraciones y el error cuadrático medio (RMSE) de dichos métodos para cada una de las 500 posturas aleatorias objetivas en el espacio predefinidas para cada una de las 5 cadenas cinemáticas robóticas. Finalmente, para validar la hipótesis de que el algoritmo propuesto supone una mejora significativa en el tiempo, número de iteraciones y RMSE, se aplicó la prueba ANOVA de Medidas Repetidas, donde se obtuvo un p-valor cercano a cero para las comparaciones del método propuesto con los otros algoritmos, lo que valida la hipótesis del presente trabajo.
Análisis de estabilidad de locomoción mediante el “Margen de Estabilidad Dinámica de Energía Normalizada” en un robot hexápodo escalador Romerin en superficies lisas.
(Universidad Nacional de Trujillo, 2023-04) Mendez Polo, Jack Daivy; Alva Alcántara, Josmell Henry
Jack Daivy Mendez Polo; Josmell Henry Alva Alcántara. Análisis de estabilidad de locomoción mediante el “Margen de Estabilidad Dinámica de Energía Normalizada” en un robot hexápodo escalador Romerin en superficies lisas. Trujillo, 2022, 198. Tesis para optar el título de Ingeniero Mecatrónico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Trujillo. El presente trabajo de investigación tiene como objetivo, analizar la estabilidad de locomoción de un robot hexápodo escalador ROMERIN, haciendo uso del criterio del Margen de Estabilidad Dinámica de Energía Normalizada en una superficie plana lisa, siendo una investigación aplicada. El diseño Cad del robot hexápodo fue desarrollado en el software Solid Works y exportado en formato urdf, se hizo uso de este en el software de simulación robótica Coppelia Sim. El modelo matemático de la cinemática directa e inversa fue desarrollado empleando el método Denavit Hatenberg y el método geométrico de manera respectiva; se desarrolló una planificación de trayectoria del tipo trípode empleando polinomios de grado tres, y la dinámica mediante el algoritmo Newton-Euler, ambos modelos matemáticos fueron implementadas en el software Python y evaluadas en el modelo de simulación en Coppelia Sim, haciendo uso de una api remota, permitiendo la comunicación entre ambos software. Se analizó la estabilidad haciendo uso del Margen de Estabilidad Dinámica de Energía Normalizada, determinando los parámetros que caracterizan la estabilidad, entre estos se encontraron factores manipulables como la longitud de paso, la distancia máxima de desplazamiento de la pierna en fase zancada hacia el exterior del cuerpo, la altura máxima de desplazamiento de las piernas en fase zancada y la velocidad media de desplazamiento del robot. Se implementó en el software Python el criterio de estabilidad antes mencionado junto con los criterios de Margen de Estabilidad de Energía Normalizada, y Margen de Estabilidad de Fuerza Ángulo bajo condiciones específicas, con la finalidad de corroborar el correcto desarrollo del margen de estabilidad usado. Finalmente se evaluó el Margen de Estabilidad Dinámica de Energía Normalizada del robot asignando distintos valores a los factores manipulables, obteniendo aquellos valores que permitan un desplazamiento más estable según el criterio propio establecido.
Diseño de un exoesqueleto para rehabilitación de miembros inferiores para pacientes con secuelas de un accidente cerebrovascular
(Universidad Nacional de Trujillo, 2024-04) Silva Zuta, Fray David; Alva Alcántara, Josmell Henry
Se diseñó un exoesqueleto robótico para la rehabilitación de personas que tengan secuelas de un accidente cerebrovascular de 3 grados de libertad por extremidad para lo cual se propuso una tarea de diseño adecuada que logre englobar todo lo que se realizará, para el desarrollo esa tarea de diseño se realizó la búsqueda de parámetros humanos y de rehabilitación algunos encontrados usando el software Kinovea, los cuales nos sirven como requerimientos de diseño y simulación para el exoesqueleto, así también se propuso diseños conceptuales a partir de los parámetros humanos. Teniendo en cuenta el diseño conceptual más adecuado se continuó con la determinación del análisis cinemático de este apoyándonos del algoritmo de Denavit-Hartenberg el cual mediante ciertos parámetros nos dio como resultado la cinemática directa y por consiguiente también la cinemática inversa del exoesqueleto. Luego de haber desarrollado el análisis cinemático del exoesqueleto se desarrolló el análisis dinámico del exoesqueleto teniendo como consideración para realizar aproximaciones como el centro de masa, el momento de inercias y el peso para las partes que componen la extremidad inferior para el usuario, así como las partes del exoesqueleto los cuales nos ayudaran como variables que componen la ecuación de Euler-Lagrange. También se determinó la generación de trayectorias mediante el método de polinomios cúbicos teniendo en cuenta los parámetros de rehabilitación encontrados. Luego se determinó la simulación del exoesqueleto en las trayectorias realizadas. Por último, se realiza una evaluación del exoesqueleto siguiendo los criterios de valoración que se propuso en el anexo 1.
Diseño de un prototipo de robot bípedo con planificación de trayectorias con criterio zmp para su estabilidad al caminar sobre superficie plana
(Universidad Nacional de Trujillo, 2017-06) Alva Alcántara, Josmell Henry; León Lescano., Edward Javier
La presente tesis busca diseñar un robot bípedo de 10GDL en total 5GDL por cada pierna, con planificación de trayectorias con criterio de ZMP para su estabilidad al caminar sobre superficie plana. Se inicia presentando el desarrollo del modelo cinemático directo, mediante el método de Denavit-Hartenberg, de matrices de transformación homogénea; luego se desarrolló la cinemática inversa, para esto se decidió utilizar un método numérico para su solución, aplicando el criterio de “Damped Least Square”, esto nos permitirá encontrar las posiciones, velocidades y aceleraciones de cada uno de los GDL de robot. El modeló dinámico de este proyecto de investigación se realizó mediante la formulación de Newton - Euler, para calcular los torques que se producen en cada articulación, debido a que es más rápido computablemente respecto al de Lagrange -Euler, esto se debe a su naturaleza recursiva y vectorial; además asumiendo que no existe deslizamiento entre el suelo y el piso. Una vez tenido el modelo cinemático, y la dinámica se procede a hacer el modelo CAD del robot bípedo en Solidworks. Se planificó las trayectorias de movimiento del robot bípedo 10GDL en los planos sagital y frontal, para esto se utilizó las “Spline Cúbic” asegurando la existencia de sus derivadas (velocidad y aceleración) permitiendo el movimiento del robot se asemejara a la caminata humana. Se evaluó la estabilidad de la caminata del robot bípedo mediante el criterio de ZMP, para esto se modeló el robot bípedo mediante un péndulo invertido en 3D, basado en las trayectorias generadas, además para esto fue necesario calcular la velocidad y aceleración del COG. Se logró generar la simulación del robot bípedo en la plataforma de Simulink utilizando la librería de SimMechanics, siguiendo las trayectorias propuestas para la cadera y el pie flotante, esperando fundamentalmente que tenga un impacto investigativo, científico - tecnológico en la Universidad Nacional de Trujillo, y en el país que permita abrir nuevos campos de estudio en base a este proyecto de diseño de robot Bípedo.
Diseño de un sistema mecatrónico multigripper para el trasplante de plantines de alcachofa en bandejas multicelda en el proceso de repique de los viveros industriales de La Libertad
(Universidad Nacional de Trujillo, 2021-10) Vera Reyes, Smith Orlando; Alva Alcántara, Josmell Henry
El trasplante de plantines es una tarea fundamental en los viveros industriales, y se aplica fundamentalmente en el proceso del control de calidad de los plantines que luego serán llevados a los fundos de los principales agroindustriales del país. El control de calidad de los plantines requiere de operarios con experiencia a fin de determinar de forma más precisa la calidad de cada plantín. El no disponer de la cantidad necesaria de recurso humano especializado genera cuellos de botella afectando con ella la productividad. En este trabajo se presenta el diseño, simulación e implementación de un sistema multigripper (tres grippers) para el trasplante de alcachofas. El que estará acoplado a un robot cartesiano como su efector final. Primero, se identifican las necesidades funcionales y se realiza la caracterización del plantín que en este caso es alcachofa del tipo Imperial Star (por ser una variedad de alcachofa mas producida en los viveros industriales de la región La Libertad). Segundo, se realiza el diseño conceptual, de configuración y de detalle integrando en ello actuadores eléctricos. Tercero, se realiza la síntesis dimensional del mecanismo del gripper optimizando el diseño para maximizar la transmisión de fuerzas. Cuarto, se diseña e implementa las tarjetas electrónicas controladoras de posición basadas en control óptimo con un regulador cuadrático lineal y con capacidad para conectarse a un PLC a través de señales DIO con niveles de voltaje industrial y cuya electrónica está totalmente aislada para evitar la transmisión de ruido eléctrico. Quinto, se integran todas las partes previamente mencionadas y finalmente se muestran los resultados de diversas aplicaciones y se discute sobre ellas. Los resultados de rendimiento del gripper mostraron una mejora notable respecto a los grippers existentes reportados en la comunidad científica.
Diseño e implementación de un sistema robótico para el posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en una bandeja multiceldas en viveros industriales de la región La Libertad
(Universidad Nacional de Trujillo, 2022-12) Herrera German, Julio Cesar; Alva Alcántara, Josmell Henry
El control de calidad del crecimiento de plantines es una tarea fundamental en los viveros industriales, para producir plantines de buena calidad que serán luego llevados a los fundos de las principales agroindustrias de la región y del país. Esta tarea requiere de operarios con experiencia que determinan de forma más precisa la calidad de cada plantín contenido en las bandejas multiceldas. El no contar con la cantidad requerida de personal especializado provoca cuellos de botella, mermando así la producción. En este trabajo se diseña e implementa de un sistema robótico para el posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en una bandeja multiceldas mediante una metodología de diseño recurrente, una herramienta de diseño paramétrico y un análisis de ponderación. Primero, se identifican los requerimientos técnicos y se caracteriza el sistema robótico que permiten alinear una morfología mecánica referencial y necesidades fundamentales del sistema robótico. Segundo, se diseña, simula y optimiza la estructura mecánica del sistema robótico que aseguren un correcto acoplamiento entre ellos. Tercero, se selecciona los equipos eléctricos y electrónicos que permitan automatizar de manera eficiente los actuadores eléctricos. Cuarto, se implementa mecánicamente y eléctricamente el sistema robótico. Quinto, se desarrolla e implementar un programa principal en el PLC que permita al sistema robótico realizar el proceso de repique de manera automática. Sexto, el sistema robótico se valida en largos periodo de pruebas mediante una alimentación continua de bandeja multiceldas con plantines de alcachofa traídas desde un vivero industrial y entregadas al sistema robótico para procesarlos. Finalmente, el sistema robótico logro alcanzar una repetitividad del 100% y una precisión de 0.01mm en el posicionamiento de la herramienta, y velocidades de operación de 0.67m/s logrando desplazarse a largo de todo su recorrido en 2.98 segundos.
Diseño y simulación de un manipulador robótico para mejorar la precisión de los parámetros de la siembra mecanizada de semillas de maíz amarillo duro INIA 605 e INIA 619
(Universidad Nacional de Trujillo, 2022-11) Rodríguez Carbajal, Arnold Jair; Alva Alcántara, Josmell Henry
Arnold Jair Rodríguez Carbajal; Josmell Henry Alva Alcántara; Sixto Ricardo Prado Gardini. Diseño y simulación de un manipulador robótico para mejorar la precisión de los parámetros de la siembra mecanizada de semillas de maíz amarillo duro INIA 605 e INIA 619. Trujillo, 2022, 304 páginas. Tesis para optar el título de Ingeniero Mecatrónico, Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Trujillo. El presente trabajo tiene como objetivo diseñar y simular un manipulador robótico para mejorar la precisión de los parámetros de la siembra mecanizada de semillas de maíz amarillo duro INIA 605 e INIA 619, siendo una investigación aplicada y desarrollada siguiendo la norma VDI 2206. Se inició identificando el proceso y parámetros técnicos de la siembra de las semillas de maíz amarillo duro INIA 605 e INIA 619, determinando los requerimientos de diseño del manipulador robótico y la morfología adecuada para proponer su mejor diseño conceptual. Con el diseño conceptual desarrollado se modeló la cinemática del manipulador robótico con la obtención de los parámetros de DenavitHartenberg, y luego la dinámica a partir del modelo dinámico de Euler - Lagrange. Luego se diseñó el sistema mecánico asignando las dimensiones y modelando la estructura mecánica para obtener sus parámetros estructurales que permitan dimensionar los actuadores que cumplan con los requisitos, para luego diseñar el efector final considerando las características físicas de las semillas. Seguidamente se diseñó el sistema eléctrico y electrónico seleccionando los actuadores, sensores, tarjetas de potencia y de control, y estableciendo sus conexiones. Para el diseño del sistema de control cinemático se utilizaron trayectorias PTP y lineales, mientras que el control dinámico fue monoarticular usando el control PID que incluyen los servomotores seleccionados, además se diseñó una interfaz de control para el robot. Finalmente se obtuvieron los planos mecánicos, neumáticos y eléctricos del manipulador robótico y se realizó la simulación de la siembra en el entorno virtual de CoppeliaSim utilizando la interfaz de control; a partir de la cual se obtuvieron los puntos de sembrados para diferentes combinaciones de densidad y profundidad de siembra dando como resultado una precisión de más del 99.7% y 98.5% respectivamente.
"Implementación de Algoritmos de Procesamiento de Imágenes Satelitales Multiespectrales para Optimizar la Gestión de Cultivos Agrícolas en la empresa Danper: Período 2018-2023"
(Universidad Nacional de Trujillo, 2024-10) Díaz López, Luis José Antonio; Alva Alcántara, Josmell Henry
El trabajo de suficiencia profesional presentado abarca el flujo de trabajo aplicado para el monitoreo, análisis y gestión de cultivos agrícolas en la empresa DANPER S.A.C., utilizando imágenes multiespectrales de satélites. Durante el desarrollo, se planteó una metodología de trabajo propia para la puesta a punto de los campos, el procesamiento de la información y el cierre del lazo de trabajo mediante la retroalimentación final por parte de los encargados de las principales áreas agrícolas. El proyecto inicia mediante la validación semanal de la disponibilidad de imágenes satelitales hábiles en las diferentes variedades de cultivos. Una vez ello, se sigue una secuencia ordenada de pasos que abarcan desde la descarga hasta la integración del mapa final de vigorosidad. El entregable generado permite a los encargados de campo gestionar la toma de decisiones a distancia o in situ, pudiendo visualizar su entorno de trabajo mediante un mapa zonificado, lo que les permite tomar acciones mucho más eficientes basadas en indicadores numéricos asociados al valor de vigor de sus campos. El trabajo presentado demostró la importancia del uso de las tecnologías de teledetección satelital y cómo estas sirven como una herramienta de suma importancia para optimizar la gestión y toma de decisiones en las diferentes áreas de cultivo mediante la digitalización de los indicadores de vigorosidad multiespectral. La solución final fue adoptada y aplicada dentro de los principales procesos de manejo en campo. Finalmente, se sugiere la complementación con herramientas y tecnologías que permitan aumentar el número de correlación de variables agrícolas, así como asegurar siempre la disponibilidad de las imágenes basadas en la frecuencia de trabajo. Palabras clave: teledetección, multiespectral, satélite.

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