DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y LA MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

Documentos relacionados
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y LA MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

AUTORAS: JOHANNA IZA GABRIELA TACO TUTOR: ING. OSCAR ARTEAGA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

AUTOR: BLADIMIR VARGAS DIRECTOR: ING. GUIDO TORRES CODIRECTOR: ING. LEONIDAS QUIROZ LATACUNGA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA

REPOTENCIACIÓN Y MODERNIZACIÓN DE UN MONTACARGAS ELÉCTRICO DE PASILLO ANGOSTO CON EXTENSOR MARCA CATERPILLAR PARA LA EMPRESA FAVAG

PROYECTO DE TITULACIÓN PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO EN ELECTROMECÁNICA AUTORA: DIANA CAROLINA BERMEO M.

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

Anexo 1.1. Nomenclatura. A1.1 Nomenclatura

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

Teoría. 1) Deducir a partir de la figura la expresión del caudal lateral Q s que se consigue alimentando a presión un cojinete hidrodinámico.

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA

SOLO PARA INFORMACION

RHEOSCAM. RHEOSCAM MODULAR LABORATORIO Módulos Mono husillo y Doble husillo. Mezclador interno.

2.004 MODELISMO, DINÁMICA Y CONTROL II Primavera 2003

ESPECIFICACIONES MATERIALES UTILIZADOS

TEORÍA DE MECANISMOS 2.- RESISTENCIAS PASIVAS

Amortiguadores magnetoreológicos

PRUEBA DE ACCESO A LA UNIVERSIDAD PARA MAYORES DE 25 AÑOS PRUEBA ESPECÍFICA

CARRERA : Ing. MECÁNICA GUIA DE PROBLEMAS Nº6

Elementos que Influyen en el Dimensionamiento: Inercia, Carga, Par y Velocidad. Herramientas y Aplicación Ejemplo

CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA

Proyecto de curso. Control de Sistemas Eléctricos II

DISEÑO MECÁNICO (Ingeniería Industrial, 4º curso)

OBJETIVO DEL ACTUADOR. Regular el movimiento de un cuerpo que se debe trasladar controladamente de una posición a otra.

NOMBRE IZENA FECHA DATA 04//09/2003

Sistemas de unidades

Paola Maribel Llamuca Torres Raquel Estefania Fernández Martínez

Convocatoria de Junio. Parcial II. 16 de junio de apartado anterior, representar gráficamente VH indicando claramente su desfase

LABORATORIO DE SISTEMAS DE CONTROL AUTOMÁTICO PRÁCTICA N 3

LISTA DE SÍMBOLOS. Bajada, movimiento que realiza el palpador al acercarse al centro de rotación de la

Diseño e implementación de una plataforma robótica móvil inalámbrica con tracción intercambiable para el laboratorio de Mecatrónica de la ESPE-L

FÍSICA GENERAL III - CURSO 2015 Práctica 7: Flujo magnético. Ley de Faraday. Autoinducción. Inducción mutua.

Ingeniería Mecatrónica. Latacunga, 2015 CASA MARCELO NETO DANILO

Trabajo Práctico 7 - Dinámica de sistemas Edición 2014

ANÁLISIS DEL EFECTO DEL SECTOR NEUTRO DE LA LEVA, SOBRE LA EFICIENCIA VOLUMÉTRICA DE UNA MÁQUINA DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO CON FLUJO NO PULSADO

Guion de prácticas: El sistema de dos motores eléctricos acoplados

DEPARTAMENTO DE ENERGÍA Y MECÁNICA

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA

INGENIERÍA MECATRÓNICA EN COMPETENCIAS PROFESIONALES

REOLOGIA DE FLUIDOS ALIMENTARIOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

REDISEÑO Y OPTIMIZACIÓN DE UNA PLATAFORMA DE 800 lbs. TIPO TIJERA PARA TRABAJO AÉREO - MANLIFT, EN EL CENTRO DE MANTENIMIENTO AÉREO ( CEMA )

01/07/2009. Ecuaciones dinámicas del motor. Fig. 1 circuito equivalente del motor de CD con excitación independiente.

AUTORES: NURY ORTIZ SEBASTIÁN JÁCOME DIRECTOR: ING. ALEXANDER IBARRA

Índice de Contenidos

Ing. JAVIER HUMBERTO OLIVEROS DONOHUE Consultora OCI

Resistencia de Materiales 1A. Profesor Herbert Yépez Castillo

Resistencia de Materiales 1A. Profesor Herbert Yépez Castillo

DETERMINACION DE LAS CURVAS DE FLUJO MEDIANTE EL VISCOSIMETRO DE TUBO CAPILAR

PROBLEMA 1. Se pide: 1. Calcular para una confiabilidad del 95 % el valor máximo que puede tomar F para que la pieza tenga vida infinita.

Tema 4: Sistema de control de un aerogenerador de velocidad variable

Módulo 1: Mecánica Sólido rígido. Rotación (II)

8.5 SISTEMA PARA EL ÁNGULO DE INCLINACIÓN

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

TEMA 3.- CINEMÁTICA Y DINÁMICA DEL MOTOR

8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

UNIVERSIDADES PÚBLICAS DE LA COMUNIDAD DE MADRID PRUEBAS DE ACCESO A ESTUDIOS UNIVERSITARIOS (LOGSE) Curso

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UNA MÁQUINA AUTOMÁTICA PARA EL PROCESO DE SERIGRAFIADO EN CERÁMICA ESMALTADA PARA LA EMPRESA EDESA S.A

Precisión sin precedentes y facilidad de operación.

Fundamentos de los Motores Eléctricos

Cálculos de diseño. Vacío Carga. Reacción de inducido. Tema III Diseño de máquinas de corriente continua

Sistemas y Máquinas Fluido Mecánicas

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SOPORTE AUTOMATIZADO PARA LA REPARACIÓN DE MOTORES PARA LA EMPRESA TRACTO DIESEL

UNIVERSIDAD NACIONAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

- Rápido y silencioso. - Caja de acero. - Carcaza de aluminio inyectado. - Electrónica auto programable. - Máxima calidad. - Tecnología de avanzada.

Ejemplos de los capítulos II, III, y IV

UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE INNOVACIÓN PARA LA EXCELENCIA

INGENIERÍA AUTOMOTRIZ DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN SISTEMA DE DIRECCIÓN PARA UN VEHÍCULO TRIMOTO

PRÁCTICA DE LABORATORIO II-05 PÉNDULO DE TORSIÓN

Dinamica de rotacion. Torque. Momentum Angular. Aplicaciones.

EXAMEN DE FÍSICA E22A_1516 OPCIÓN A

Hidráulica de potencia. Motores

Examen de TEORIA DE MAQUINAS Diciembre 03 Nombre...

1. MOTOR DE CORRIENTE CONTINUA Y DINAMO

Sistema Integrador Ciencia y tecnología ACTUADORES

Gearbox. Actuadores rotativos de compuertas para instalaciones de ventilación y clima

Sistemas protésicos de rodilla

CABLE DE COBRE AISLADO CON XLPE 0.6 / 1 kv TABLA I

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL. Facultad de Ingeniería en Mecánica y Ciencias de la Producción TESIS DE GRADO

Resumen. Abstract INTRODUCCIÓN.

Serie CST Cilindros de Tope

TECNOLOGIA DE MAQUINAS

Diseño de Elementos de Máquinas. Cuestionario. 1.- Resortes

INGENIERÍA AUTOMOTRIZ

Programación Arduino Con Visualino

Características. Opciones. Potenciómetro Protección IP65. Diagrama de características. Velocidad/Par. Intensidad/Par

Soluciones Analíticas de Navier Stokes.

Puentes Flexion Media Capacidad PFL.m kn/longitud - 3 y 4 Puntos

RheolabQC. Rheómetro Rotacional para Control de Calidad. ::: Intelligence in Rheometry

"DISEÑO DE UN REBANADOR DE BANANO PARA LA PRODUCCION DE HARINA A NIVEL ARTESANAL"

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DEL LITORAL FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMÁTICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA

LABORATORIO DE FENÓMENOS COLECTIVOS

TRABAJO FIN DE GRADO 2016 DISEÑO Y CÁLCULO DE UN REDUCTOR DE VELOCIDAD CON RELACIÓN DE TRANSMISION 16,01 Y PAR MÁXIMO A LA SALIDA DE 2388 NM

DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CLASIFICACIÓN DIDÁCTICO PARA SUPERVISAR UN PROCESO INDUSTRIAL EN LABORATORIO DE HIDRÓNICA Y NEUTRÓNICA

FECHA DE ASIGNACIÓN: 05 - febrero

Transcripción:

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y LA MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA EN MECATRÓNICA DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO DE PRÓTESIS DE RODILLA CON CONTROL DE TORQUE ACTIVO MEDIANTE LA INVESTIGACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES MAGNETOREOLÓGICOS BAJO LA ACCIÓN DE DIFERENTES CAMPOS MAGNETICOS DIEGO OMAR CAMACHO FRANCO ALVARO PATRICIO VELASCO VASCO TUTOR: ING. OSCAR ARTEAGA

INTRODUCCIÓN Amputaciones externas Naturales Accidente Fluidos Magnetoreológic os (FMR) Propiedades Implementación Prótesis con Limitador de Torque Estabilidad Regulador de torque Control mediante campo magnético Emulación de la marcha Humana

ANTECEDENTES (5,6%) Discapacidad Física (23%) 193520 Recuperación Comodidad Prótesis (rígidas) Jacob Rabinov 1940 Partículas micrométricas magnetizables Fluidos Magnetoreológicos Fluido newtoniano Viscosidad Resistencia al flujo Campo Magnético

JUSTIFICACIÓN Amputación Extremidades Inferiores Sustitución de la extremidad perdida Evitar Discriminación Promover Correcta Caminata Mecanismo de Rotación Confort Estabilidad Costo Beneficio

PROPUESTA Investigación Fluidos Magnetoreológicos Implementación Prótesis de Rodilla

OBJETIVO GENERAL Investigar las propiedades mecánicas de materiales Magnetoreológicos bajo la acción de diferentes campos magnéticos para el diseño e implementación de un prototipo de prótesis de rodilla con un control activo de torque activo. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Construir un prototipo de prótesis de rodilla con control de torque para emular la oscilación de la articulación amputada. Implementar fluidos Magnetoreológicos en el prototipo construido, afín de generar un control de torque activo durante la caminata y reemplazar la función del músculo perdido. Proponer un esquema de control que permita maniobrar el actuador del prototipo de prótesis para replicar la marcha humana. Realizar evaluaciones experimentales del prototipo de prótesis desarrollada para comprobar la incidencia del esquema de control en el control activo del torque

TRABAJOS PREVIOS Prótesis de rodilla policéntrica Ossur Canadá Prótesis de rodilla con pistón magnetoreológico México Prótesis de rodilla Rheo Knee 3 Estados Unidos Rodilla Adaptive Endolite Estados Unidos

DISEÑO Y SELECCIÓN DE COMPONENTES Materiales Protésicos Biocompatibles Resistentes Aluminio C330R Buena Resistencia Tratable Térmicamente Apto para el mecanizado Resistencia a la corrosión

PARAMETROS DE DISEÑO Medidas antropométricas Altura = 165-170 cm. Masa= 65 70 Kg. Peso: 686 [N] Peso de la prótesis Modelo Dempster y Clauser 3,57 Kg.

TORQUE MÁXIMO Torque flexión y extensión 7,1 [Nm] Torque máximo caminata

PROPIEDADES FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO MRF 140 CG Ensayos Reológicos Anton Para Physica MRC-50I MRD 70/IT

RESULTADOS Viscosidad Umbral de Cizalladura 4.5 x 104 4 3.5 20 ºC 30 ºC 40 ºC 50 ºC Umbral de cizalladura (Pa) 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Campo magnético (mt) Viscosidad= 21,51 [Pa.s] 800 [mt] 41,7 [Kpa]

PROPIEDADES DE LOS FLUIDOS Viscosidad intrínseca Viscosidad Fracción volumétrica de las partículas Par de torsión Temperatura Campo Magnético Umbral de Cizalladura

DISEÑO MECÁNICO Tipos de Limitadores Disco r2= radio del disco r1= radio del eje del limitador rt= radio exterior de limitador a= ancho del limitador

TENSIÓN DE CORTE DEL LIMITADOR Fluidos Magnetoreológicos Fluido de Bingham τ r 2, ω, H = τ y H + η ωr h T = T MR + T η T = 4π 3 τ y H r 2 3 r 1 3 + ηωπ h r 2 4 r 1 4 τ r2, ω, H es la fuerza de cizallamiento τ y H es el límite de cedencia dinámico η es la viscosidad del fluido ω es la velocidad angular del disco rotatorio h (gap) es el intervalo en donde se encuentra el fluido Saturación 800 [mt] 121 KA/m r 2 es la posición en la superficie del disco. T= 7,2 [Nm] Torque requerido 7,14 [Nm]

Efecto GAP Efecto r2 sobre el torque

DISEÑO MAGNÉTICO Según el fabricante Circuito magnético analogía eléctrica NI = (R MR + R acero )Φ B = 2.645H 3 0.07035H 2 + 0.2654H + 1.013 800 [mt] 121 KA/m

DISEÑO MAGNÉTICO H MR = Φ μ MR A MR = NI g MR + l acero ( μ MR μ acero )( A MR A acero ൰ N El número de vueltas del cable I Corriente = 0.8 [A] g MR (gap) intervalo donde se encuentra el fluido= 1[mm] l acero longitud magnética del acero = 0.213 [m] μ MR coeficiente de permeabilidad magnética del fluido MR = 5.26 μ acero coeficiente de permeabilidad magnética del acero = 100 (Olmo, 2012) A MR Área del fluido = 0.131 [m] A acero Área del acero = 0.444 [m] H MR Intensidad de campo magnético del fluido = 121000 A/m N = 215.91 216 vueltas 0,8 A 24 (AWG)

SELECCIÓN DEL LIMITADOR Dispositivos del Mercado Condiciones geométricas y mecánicas TDF Steering Unit LORD 5 Nm 7 Nm Flexión y extensión Sistema de transmisión

DISEÑO DEL EJE Masa 70 kg. Factor de seguridad= 1,2 Masa 84 Kg. Teoría de deformación = 7,491[mm] = 12,7 [mm] Criterio de Goodman Factor de Seguridad n= 1,13

SELECCIÓN SERVOMOTOR Marcha Humana Movimiento Continuo Actuador Pasivo Motor DC Servomotor Torque 3,9 [Nm] Precio 150 Torque 4 [Nm] Precio 60

DISEÑO SISTEMA DE TRANSMISIÓN Marcha 10 a 25 [Nm] Relación de Transmisión 6,25: 1 Torque máximo 26 [Nm] + 5 [Nm] 31 [Nm]

Deformación 0,00214 [mm] Factor de seguridad 3,27 Giro 90 Bloqueo de movimiento

DISEÑO CORTANTE PERNOS DE LA MANZANA F perno 266,64 N Rodamiento SKF 6001 F soporta 1170 N C 3,9 KN C soporta 5,1 N

DISEÑO SOPORTE DEL LIMITADOR Aluminio C330 Deformación 0,006472 [mm] Factor de seguridad 9,9

DISEÑO ELECTRÓNICO Marcha Humana Matlab Variación angular en grados de la articulación de la prótesis de la rodilla. RP-respuesta al peso, AY-apoyo intermedio, AF-apoyo final, PB-pre balanceo, BI-balanceo inicial, BIT- balance intermedio, BF-balanceo final θ t = 23.06 18.24cos 3.057t + 13.2sen 3.057t + 3.936cos 6.114t 21.35sen 6.114t

DISEÑO ELECTRÓNICO Proporcional Rapidez Integral Estabilización

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN Sistema de transmisión Buje Tapa del Limitador

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN Soporte del servomotor Manzana

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN Soporte del Limitador Estructura

CONSTRUCCIÓN E IMPLEMENTACIÓN

SISTEMA DE CONTROL Sensor Arduino Sabertooth Limitador Servomotor Mapeo y Acondicionamiento 420 a 800 175 a 90 Comunicación Serial

SISTEMA DE CONTROL Condiciones de Seguridad Control PI

SISTEMA DE CONTROL Activación del Limitador

SISTEMA DE CONTROL Activación del Limitador Implementación circuito eléctrico

ENSAMBLAJE FINAL

ANÁLISIS DE RESULTADOS Limitador de Torque SIN Datos CARGA Obtenidos SISTEMA DE RODILLERAS Datos Fabricante

IMPLEMENTACIÓN Estructura de la prótesis Limitador de torque y servomotor Sistema de transmisión Prótesis completa (pruebas)

RESPUESTA PROTESIS A LA MARCHA Interfaz Arduino Matlab

RESPUESTA PROTESIS A LA MARCHA Marcha Humana Prótesis Marcha Humana Normal

PRUEBAS CON CARGA Flexión Carga Aplicada Soporte Peso de la persona

CONCLUSIONES Mediante la investigación de las propiedades mecánicas de materiales Magnetoreológicos bajo la acción de diferentes campos magnéticos se lleva a cabo el diseño e implementación de un prototipo de prótesis de rodilla con un control activo de torque activo. Con la implementación de los fluidos Magnetoreológicos en el prototipo construido, se logra generar un control de torque activo durante la caminata y reemplazar la función del músculo perdido. El esquema de control se permite controlar el actuador del prototipo de prótesis para replicar la marcha humana y mediante evaluaciones experimentales del prototipo de prótesis desarrollada se verifica la incidencia del esquema de control en el control activo del torque

CONCLUSIONES Para el correcto diseño del limitador de torque se consideran tres parámetros importantes: el número de vueltas, el límite de saturación magnética y el gap o cavidad en donde se encuentra el fluido MR, deben considerarse simultáneamente para el diseño del limitador. Los dispositivos de fluido MR, gracias a sus numerosas ventajas (compacidad, altas fuerzas o pares, bajo consumo de energía, suavidad y seguridad de funcionamiento), pueden utilizarse en una amplia variedad de campos que van desde automoción a la rehabilitación. El reciente interés creciente del mercado por los fluidos magnetoreológicos deriva principalmente de la capacidad de emplear interfaces rápidas y sencillas entre una señal de control eléctrico y una respuesta mecánica.

CONCLUSIONES Estos materiales tienen el potencial de cambiar radicalmente el diseño de las máquinas en las que su implementación es posible. Sin embargo, este escenario sólo es posible si los dispositivos que explotan estas características son capaces de garantizar el accionamiento mediante un movimiento preciso y rápido. Esta consideración es aún más relevante cuando se tiene en cuenta su costo. Como los dispositivos magneto-reológicos son controlables electrónicamente, es posible usar algoritmos de control de realimentación para mejorar su funcionalidad; sin embargo, este tipo de control requiere conocimiento de la respuesta del dispositivo mucho más allá de la disponible en la hoja de datos proporcionada por el fabricante.

RECOMENDACIONES Comunicación Inalámbrica Limitador de toque mas compacto Medidas ajustables