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MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Créditos:
Autoridades de la Universidad
Canciller Fundador UIDE – Eco. Jorge Marcelo Fernández Sánchez, Mg.
Rector UIDE – Ing. Marcelo Xavier Fernández Orrantia, MBA, Ed.D.
Vicerrectora Académica UIDE – Ing. Marisol Isabel Bermeo Valencia, MBA
Vicerrector Administrativo Financiero UIDE – Eco. Jaime Ramiro Canelos Salazar, MBA
Director General de Investigación – PhD. Armando Gustavo Vega Delgado
Directora de Investigación Adjunta – PhD. Lourdes Ruiz Gutiérrez
Director de la Publicación
Ing. Pedro Ramiro Brito Portero, MSc., PhD(c)
Comité Editorial
PhD. Ericsson Daniel López Izurieta, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
PhD. Luis Aníbal Corrales Paucar, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
PhD. Luis Alberto Celi Apolo, Escuela Politécnica Nacional, Ecuador
PhD. Andrés Melgar, Pontificia Universidad Católica, Perú
PhD(c). Pablo Aníbal Velarde Rueda, Universidad de Valencia, España
MSc. Verónica Patricia Grefa Aguinda, Coordinadora de Investigación, UIDE
MSc. Juan Carlos Parra Mena, Docente Mecatrónica UIDE
PhD(c). Pedro Ramiro Brito Portero, Docente Mecatrónica UIDE
Editorial
© Editorial Universidad Internacional del Ecuador, Campus Matriz, Quito-Ecuador.
Apartado: 2985600 ext: 2223
E-mail: [email protected]
Página web: www.uide.edu.ec
Coordinación de Edición
MSc. Nathaly Cumandá Chanatasig Pichucho, Coordinadora Académica, UIDE
MSc. Cristina Natalia Espinosa Martínez, Coordinadora de Laboratorio, UIDE
MSc. Jenny Elizabeth Cabascango Calderón, Docente Mecatrónica UIDE
MSc. José Gustavo Beltrán Benalcázar, Docente Mecatrónica UIDE
MSc. Richard Marino Bernis Llanos, Docente Mecatrónica UIDE
MSc. Luis Xavier Sánchez Siguenza, Docente Mecatrónica UIDE
Publicación Periódica
Semestral
Registro Revista
ISSN 2477-8826
Carta del director de la publicación:
He aquí la primera edición de “MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL”, una revista
semestral en Ciencias Exactas y Física, Mecánica, Electrónica, Sistemas Inteligentes y otras
áreas congruentes con la Ingeniería. La revista “MECHATRONIC RESEARCH
JOURNAL” busca reflejar la sabiduría en el universo, a través de un enfoque exhaustivo y
de rigor académico. Por tanto, procura organizar un encuentro armónico de las ciencias con
la razón de ser del individuo en el universo.
En efecto, la revista “MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL” ha sido fundada para
presentar una dimensión distinta de las ciencias desde el punto de vista motivacional, y que
los descubrimientos científicos abran nuevos horizontes que conduzcan a la adquisición de
conocimientos que garanticen un valor agregado para el desarrollo de los pueblos.
Seguramente que este primer ejemplar sea el más deseado por la comunidad científica,
social y productiva del país, frente a una nueva edición que estoy seguro será siempre mejor
en todo sentido. En él, encontrarán artículos científicos originales de primer nivel sobre
temas diversos, aportes académicos de estudiantes investigadores, y propuestas que
garanticen la expresión sublime de la técnica y la ciencia mediante la palabra.
Tenemos importantes novedades en la sección Vinculación con la sociedad e información
relevante dentro del campo de la Ingeniería Mecatrónica.
Esta primera edición ha sido un reto que se ha propuesto la carrera de Ingeniería
mecatrónica, aclarando que hacer una revista científica no es tarea fácil, dos años de
planificación y buscar el perfil adecuado han sido las variables para cumplir con el
objetivo, y ahora los resultados se ven reflejados en esta primera edición. Asumimos un
compromiso con la calidad, y creemos que es el principal componente para alcanzar el
éxito en este tipo de publicaciones. Seguramente el nivel de los artículos aquí presentes
servirá como incentivo para que los científicos, profesionales y estudiantes de la región
deseen publicar sus aportes en “MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL”. Espero
sinceramente que no deba pasar mucho tiempo antes de que nos encontremos nuevamente.
Reitero la invitación a toda la comunidad científica del país y de latinoamérica a contribuir
con sus ideas y colaboración para lograr que “MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL”
sea un medio de encuentro y actualización permanente para todos.
Ing. Pedro Ramiro Brito Portero
Prólogo
Dr. Ericson López
Director del Observatorio Astronómico de la Escuela Politécnica Nacional
¿Cuál es su rol en el Observatorio
Astronómico?
Tengo el gran honor y la gran
responsabilidad de promover el desarrollo
científico del país en ciencia astronómica,
al estar a cargo del Observatorio Nacional
de la Escuela Politécnica. Desde el
principio de mi gestión nos hemos
preocupado por estructurar y desarrollar
el quehacer científico del Observatorio,
por
formar
a
nuestros
futuros
profesionales y por vincular las
actividades de esta noble dependencia con
la sociedad. Trabajamos por consolidar al
Observatorio Astronómico, de nosotros
los ecuatorianos, como una dependencia
de investigación científica de alto nivel.
¿Usted se decidió por una carrera
científica; la Física, fue una elección
difícil de tomar?
En realidad fue muy natural; siempre
interesado en entender el mundo físico y
fascinado con los intrigantes estudios de
nuestro universo, lo que determinó que al
iniciar mis estudios universitarios,
escogiese sin mayor dificultad la carrera
de ciencias exactas y específicamente la
Física. Posteriormente, en el postgrado,
realizado en el extranjero, la física se
orienta hacia la astrofísica, como la
especialización aplicada al estudio del
Universo, la cuál es mi pasión.
¿Qué debe hacer Ecuador para
promover la Ciencia y Tecnología?
Por supuesto, invertir, sin inversión no es
posible promover el desarrollo científico
y tecnológico de una nación. Sin
embargo, la inversión debe ser
extremadamente planificada y debe estar
en manos de las personas más talentosa y
calificadas para ello; científicos e
investigadores que conozcan la realidad
nacional y sus necesidades, y que tengan
la experiencia necesaria para realizar
propuestas que verdaderamente impulsen
el desarrollo del país. Dentro de las
políticas de estado no solo debe
considerarse el promover la formación de
profesionales a alto nivel, sino también el
estructurar la ciencia y tecnología;
ocupandose de de la creación de espacios
de convergencia para los investigadores
nacionales
y
extranjeros,
como:
laboratorios, institutos y centros de
investigación, fábricas e industrias,
dotados de las condiciones apropiadas
que permitan la articulación de la ciencia
y la tecnología y su desarrollo.
Innovación,
palabra?
¿cómo
explicar
esa
Crear
algo
nuevo
o
introducir
modificaciones sobre la base de un
conocimiento previo, es innovación.
Hacer uso del intelecto humano para
realizar cambios, generar nuevas ideas y
conocimiento,
nuevas
herramientas,
nueva tecnología, para el bienestar y
servicio de una sociedad. Es la
manifestación pura de la creatividad y de
la vanguardia.
¿Cómo impulsar a los jóvenes para que
le apuesten a la ciencia y a la
tecnología?
Muchos conocemos que la ciencia y la
tecnología son esenciales para el
desarrollo de un país, sin embargo, este
hecho no siempre es entendido a plenitud
y menos aún puesto en práctica. Mientras
no ocurra una verdadera concientización
de la importancia de esta necesidad y
mientras no existan políticas de estado
que promuevan el desarrollo científico y
tecnológico de la nación, difícil será
lograr un verdadero desarrollo.
Es así, que somos nosotros quienes
jugamos un rol importante en este
proceso de transformación, somos los
individuos parte de las nuevas
generaciones que tenemos la obligación
de prepararnos para lograr este cambio;
adquiriendo una formación sólida, llena
de profundos conocimientos, destrezas y
habilidades, que nos capaciten para ser
plenamente competitivos en este mundo
cada vez más exigente. Estamos
obligados
a
prepararnos
responsablemente y de manera integra,
incluso para ser capaces de tomar
decisiones sobre las políticas de estado
que promuevan el desarrollo científico y
tecnológico de la nación. Los individuos
y las sociedades más exitosas del Planeta,
son aquellos que han reconocido el valor
y la importancia de la ciencia y la
tecnología en beneficio del desarrollo y
bienestar de la humanidad.
En Investigación, ¿cómo no tenerle
miedo al error?
El errar es inherente a la natualeza del ser
humano, e incluso es esencial en el
proceso de investigación. Al crea e
innovar, los errores y las técnicas de
eliminación de los mismos, fortalecen la
investigación, permitiéndonos elaborar
modelos más próximos a la realidad.
Todo modelo o teoría planteada,
obligadamente deben ser validadas con el
experimento y los datos observacionales,
la diferencia entre estas instancias son los
errores que nos permiten valorar nuestro
buen entendimiento de la naturaleza.
¿La revista Mechatronic Research
será
publicada
Journal,
semestralmente, y su perfil está
orientado a investigadores en las áreas
de Ciencias Exactas y Física,
Electrónica y Control, Mecánica y
Sistemas Inteligentes, ¿Cuál es su
opinión sobre este nuevo aporte
académico para la sociedad?
El conocimiento y la sabiduría que la
humanidad adquiere debe necesariamente
ser divulgada y promovida en nuestras
sociedades, es inadmisible que el
conocimiento se quede entre nuestros
científicos, docentes y profesionales,
confinado en los predios de las
universidades. Se debe divulgar el
conocimiento y establecer el vínculo con
la sociedad tal que permita aplicarlo,
enriquecerlo y promover lazos de
cooperación entre sus integrantes.
Mechatronic Research Journal es una
gran
iniciativa
universitaria
que
efectivamente aporta en esta dirección y
que con seguridad tendrá una gran
acogida dentro y fuera de la institución
universitaria. Me permito agurar éxitos a
esta valiosa iniciativa académica, en su
noble tarea de divulgar y promover la
investigación científica en nuestro país.
Contenido
Design and Construction of a Synchronized Robotic Mounts System (RDS)
Diseño y Construcción de un Sistema de Monturas Robóticas Sincronizadas (SDR)
Salim Abedrabbo, Sandra Espinel, Ericsson López
11-18
Development of a Simulation Software that provides data of neutron flow in a radioactive material
Desarrollo de un Software de Simulación que proporcione datos del flujo de neutrones en un material
radiactivo
Diego Echeverría Ríos, Carlos Suntaxi, Ericsson López
19-25
Design and construction of a CNC cutter using a CO2 40 watts laser for up to 4 mm acrylic
Diseño y construcción de una máquina de control numérico por corte CO2 láser de 40 watts para acrílico
de hasta 4 mm
Francisco J. Hurtado , Juan C. Parra1, Walker López
26-32
Design and implementation of an air conditioning system for the CENACE Corporation Data Center
Diseño e implementación de un sistema de climatización para el Data Center de la corporación CENACE
Washington Medina, Omar Flor, Vicente Quizanga
31-41
Design and construction of a bottle semi-automatic washing industrial system for the company Logichem
Solutions S. A.
Diseño y construcción de un sistema industrial semiautomático de lavado de botellones de agua en la
empresa Logichem Solutions S. A.
Carlos Bedón, Xavier Sánchez
42-47
Four degrees of freedom robot manipulator
Robot manipulador con cuatro grados de libertad
Carlos Muñoz, Pedro Román, Esteban Montúfar, Juan Carlos Parra
48-53
Wireless energy transfer (WiTricity)
Transferencia inalámbrica de energía (WiTricity)
Ángel Enriquez, Kurt Groener, Jenny Cabascango, Verónica Grefa
54-58
SimMechanics Simulation of a 3 link vertical delta robot (Phase 1)
Modelamiento de un robot delta vertical de 3 eslabones en SimMechanics (Fase 1)
José Beltrán
59-63
Numerical retrospective of Cotopaxi Volcano
Retrospectiva Numérica del Volcán Cotopaxi
Richard M.Bernis
64-70
Design and implementation of an electricity generator from the kinetic energy of waves
Diseño e implementación de un generador de energía eléctrica a partir de la energía cinética de las olas
Estefania A. Suasti, Mauricio X. González, Roberto Narváez
71-74
Design, construction and implementation of a monitoring system in a shopping cart, for people visually
impaired
Diseño, construcción e implementación de un sistema de seguimiento en un carrito de compras, para
personas con discapacidad visual
Andrea E. Garzón, Rodrigo R. Vera, Diego G. Pazmiño, Fausto Villamarín
75-78
Design and implementation of a red chillies harvester robot
Diseño e implementación de un robot cosechador de ajíes rojos
Martin E. Flor, Mauricio X. González, Estefania A. Suasti, Freddy Torres
79-82
Design and construction of a system that plays an electric guitar
Diseño y construcción de un sistema capaz de tocar una guitarra eléctrica
A.S. Escalante, I.R. León, E. J. Páez, A. F. Pazmiño, Hugo Rodríguez
83-86
Implementation of a machine to support in physiotherapeutic rehabilitation focused on elbow injuries
Implementación de una máquina para apoyar la rehabilitación en la fisioterapia enfocada a las lesiones de
codo
E. Ávila, M. Revelo, y D. Vela
87-91
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
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Design and Construction of a Synchronized Robotic Mounts
System (RDS)
Diseño y Construcción de un Sistema de Monturas Robóticas
Sincronizadas (SDR)
Salim Abedrabbo1*, Sandra Espinel1, Ericsson López2
Escuela de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: The design and control of two altazimuth mounts is presented which are implemented for Observatorio Astronómico de Quito.
These mounts can be oriented by the user using coordinates of a specific point. Simulations on software packages and the final results of the
complete design are described, as well as the software developed for the user interface that allows the control of the entire system. In addition,
the control modules of the motors that have been implemented are explained. The communication module, the position calculation, the sensors
interpretation and the architectural implemented system are described. The performance is analyzed from different perspectives, such as speed,
accuracy and stability.
Keywords— Altazimuth mount, Observatorio Astronómico de Quito, robotics, altazimuth mechanism.
Resumen: Se presenta el diseño y control de dos monturas altacimutales las cuales se orientan a un punto de coordenadas predefinidas por
el usuario y realizan una trayectoria conjuntamente implementadas para el Observatorio Astronómico de Quito. Las simulaciones realizadas en
paquetes informáticos y los resultados finales del diseño completo se describen, al igual que el software desarrollado para la interfaz de usuario
que permite controlar el sistema. Además, se explica cómo se han implementado los módulos de control de los motores. Se describen el
módulo de comunicación, el cálculo de posición, el reconocimiento de los sensores del módulo y la arquitectura implementada del sistema. Se
analiza el desempeño desde diferentes puntos de vista, como velocidad, precisión y estabilidad.
Palabras clave— Bases altacimutales, Observatorio Astronómico de Quito, robótica, mecanismo altacimutal
I. INTRODUCCIÓN
El Observatorio Astronómico de Quito mantiene
investigaciones basándose en el uso de sensores que toman
datos en tiempo real cuya supervisión requiere que el personal
trabaje horas extras. Se ha comprobado que el movimiento de
estos sensores genera vibraciones que afectan los datos
dependiendo del sentido de giro, el terreno y el equipo que se
emplee. En este documento se describe el diseño y la
construcción de un sistema de monturas robóticas
sincronizadas (SDR) que mantiene una precisión de 0.01° en
azimut y 0.01° en elevación, soporta un peso aproximado en el
eje horizontal de 5 kg y utiliza un algoritmo de control para
orientar el sistema hacia el mismo punto de coordenadas, para
su visualización se ha acoplado un láser al sistema.
El proyecto SDR se realiza tomando en cuenta los
conocimientos adquiridos en la carrera de Mecatrónica
relacionados a los conceptos de diseño mecánico, el sistema
de control se calcula según los métodos utilizados en Robótica
y el algoritmo de control se modela y simula en software de
licencia libre para mantener la precisión deseada y que sea de
fácil acceso e instalación para los usuarios.
El resultado de este proyecto aporta datos y planos técnicos
investigativos para el diseño de monturas altacimutales, siendo
el primer sistema como soporte universal robótico de alta
precisión en el Ecuador.
II. DISEÑO DEL SISTEMA DE MONTURAS ROBÓTICAS
SINCRONIZADAS (SDR)
A. Esquema del Prototipo
El SDR consta para las monturas altacimutales de una
estructura plegable tipo trípode de fácil transportación, un
tornillo sin fin corona de una entrada para el mecanismo de
giro de los motores a pasos, un Arduino Mega como tarjeta de
control principal de la montura para el movimiento de los
motores, y un Arduino Nano como tarjeta de control
secundaria para la adquisición y procesamiento de las señales
desde los sensores inclinómetro y compás magnético. Para
visualización del sistema de referencia se utiliza un láser. La
interfaz de comunicación se realiza mediante el software
Proccesing para el control de velocidad, posición y calibración
de las monturas altacimutales.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
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2
III. DISEÑO MECÁNICO
A. Cálculo de fuerza en el eje horizontal
El eje horizontal soporta un peso máximo de 5kg a una
distancia de 0.1m desde el eje central. Se considera que el eje
se somete a flexión cuando se colocan los sensores, los cuales
pueden extenderse por fuera del sistema de montura
dependiendo del sensor, así el límite se extiende a 0.2m. El
material seleccionado para este elemento es acero de
transmisión AISI 1010 con ɸ 17 mm.
Para validar que este elemento soporte la carga se realizan
las simulaciones por el método de elementos finitos tanto para
flexión y torsión.
Análisis a flexión: en la Fig. 1 se muestra el análisis
de flexión por el método de elementos finitos en el eje
horizontal con el software Autodesk Inventor. La Tabla I
muestra las propiedades del acero AISI 1010. La Fig. 2
presenta la gráfica de convergencia que muestra el número de
repeticiones de la simulación a fin de reducir el error de
cálculo.
Fig. 2 Análisis de convergencia a Flexión para el eje horizontal con el
Software Autodesk Inventor
El valor máximo del esfuerzo a flexión  máx no debe ser
mayor al permisible 
 como se muestra en la ecuación (1)
y (2).
   0,6 * Límite elástico
 máx   
(1)
(2)
De la simulación se obtiene que el esfuerzo máximo es 41.97
MPa (Fig. 2), aplicando la ecuación (1) y (2) se tiene que:
   0,6 * 207MPa  124,2MPa
41,9MPa  124,2MPa
Se cumple la condición inicial, con lo que se concluye que el
elemento soporta trabajo a flexión. De la misma forma se
realiza el análisis de desplazamientos y de torsión.
Fig. 1 Análisis de flexión por el método de elementos finitos en el eje
horizontal
TABLA I
TABLA DE ESFUERZOS AISI 1010
Propiedad
Valor
Material
Densidad
Esfuerzo max
Esfuerzo tensión
Módulo de Young
Coeficiente de Poisson
Módulo de Shear 80
Acero 1010
7.85 g/cm3
207 MPa
345 MPa
210 GPa
0.3 ul
80,7692 GPa
B. Diseño de la caja horizontal
Se toma en consideración la validación de este elemento ya
que también soporta la carga de 5kg. El material seleccionado
para la caja horizontal es acero A36, placas de 2mm de
espesor, con límite elástico 250MPa. La Fig.3 muestra el
resultado de la simulación del análisis de desplazamientos de
la caja horizontal. Se puede observar que los desplazamientos
se encuentran en el rango de 0.00004mm a 0.002369mm, estos
valores son aceptables para el material y espesor de la
fabricación de los componentes.
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Para el módulo y ángulo de presión se trabaja con medidas
estándares. La longitud de 50 mm del tornillo sin fin se toma
como una consideración de diseño debido a que un tornillo de
mayor longitud incrementaría el tamaño de la base de los
equipos. Las dimensiones necesarias para el tornillo sin fin y
corona calculadas se presentan en la Fig. 4, con lo que se
obtiene que el torque de entrada al tornillo sin fin es 0.95 N,
donde el motor para las monturas debe tener un torque igual o
mayor a 0.95 N.
Fig.3 Análisis de desplazamientos de la caja horizontal
C. Diseño del mecanismo de giro
Para el sistema de giro se utiliza el tornillo sin fin corona por
su exactitud de giro y su auto freno. Este sistema de
engranajes produce una alta transformación de potencia
permitiendo que los motores que se empleen puedan ser
pequeños.
El dimensionamiento del tornillo sin fin y la corona se lo
realiza empleando el Software Autodesk Inventor versión
estudiantil.
TABLA II
REQUERIMIENTOS PARA TORNILLO Y CORONA PARA EL ANÁLISIS EN
SOFTWARE AUTODESK INVENTOR
CARACTERÍSTICA
VARIABLE
TORNILLO
Número de entradas
Número de dientes
Unidad de corrección
Diámetro de inclinación
Diámetro exterior
Diámetro de la raíz
Diámetro exterior
Diámetro base
Diámetro inclinación de
trabajo
Ángulo corona
Addeendum
Clearance
Fillete
Ancho dientes
z
z
x
d
da
df
dae
db
dw
1,00 ul
t
a*
c*
rf*
s
CORONA
26,311 mm
28,000 mm
20,00 ul
0,00 ul
56,00 ul
61,600 mm
49,280 mm
64,400 mm
52,623 mm
56,000 mm
1,000 ul
0,2000 ul
0.3000 ul
4,376 mm
34,64 deg
1,000 ul
0,2000 ul
0.3000 ul
4,376 mm
0,00 ul
28,00 mm
33,6000 mm
21,280 mm
TABLA III
CARACTERÍSTICAS DE TORNILLO Y CORONA PARA EL ANÁLISIS EN
SOFTWARE AUTODESK INVENTOR
CARACTERÍSTICA
VARIABLE
TORNILLO
CORONA
Potencia
Velocidad
Torque
Eficiencia
Fuerza radial
Fuerza tangencial
Fuerza axial
Fuerza normal
Velocidad circular
Velocidad desliz
p
n
T
nn
Fr
Ft
Fa
Fn
v
vk
0,100 kw
1000,00 rpm
0,955 Nm
0,663 ul
165,508 N
68,209 N
52,455 N
486,044 N
1,466 mps
1,473 mps
0.066 kw
50,00 rpm
12,669 Nm
0,663 ul
165, 508 N
452,455 N
68,209 N
486,044 N
0,147 mps
1,473 mps
Fig. 4 Dimensionamiento del tornillo sin fin - corona
Usando el método de simulación de elementos finitos se valida
la base del sistema, la base del trípode, la flexión de los
soportes y el esfuerzo cortante en los pernos.
IV. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL
El diseño del sistema de control de las monturas robóticas
sincronizadas se muestra en la Fig. 5 con todos los
componentes electrónicos.
Fuente 12V
Regulador 5V
PC
(Windows, Mac, Linux)
Arduino Mega
Controlador
DQ420MA I
Motor a
pasos I
12V
Controlador
DQ420MA II
Motor a
pasos II
12V
Arduino Nano
Arduino Nano
Sensor Compás
Magnético I
Sensor Compás
Magnético I
Sensor
Inclinómetro
Sensor
Inclinómetro
Controlador
DQ420MA III
Motor a
pasos III
12V
Controlador
DQ420MA IV
Motor a
pasos IV
Control de Movimiento
Adquisición de Señales
Fig. 5 Diagrama esquemático de los componentes electrónicos del
sistema de control
A. Sistema de alimentación principal
La alimentación de tensión para el sistema se lo realiza
mediante una fuente switching de 110- 220 VAC a 12 VDC 8
A. Este dispositivo cuenta con protecciones eléctricas de
sobrecarga a fin de evitar cualquier daño en los equipos
conectados, adicionalmente se instala un interruptor de
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4
energizado principal.
B. Controlador del motor a pasos
Los motores seleccionados son a pasos NEMA 23 doble con
un torque de 2.3Nm cada uno como se muestra en la Fig. 6
conjuntamente con sus especificaciones técnicas. Para su
control se utiliza el controlador DQ420MA (Fig. 7). Dado
que la velocidad en la cual se va a utilizar el motor es
despreciable ya que media vuelta del motor se realiza en
aproximadamente 24 horas se pueden utilizar estos motores y
controladores sin restricciones.
D. Sensores
En cuanto a la recepción de datos para el control de
movimiento se emplearon: un inclinómetro SCA100T de alta
precisión de dos ejes y sensor compás magnético LSM303
para cada una de las monturas.
E. Tarjeta de control secundaria
Esta tarjeta de control secundaria es necesaria instalarla
debido a que el sensor de inclinación y el compás magnético
tienen diferentes tipos de comunicación. En la Fig. 9 se
indica un diagrama de bloques para la conversión de
comunicación desde los sensores (I2C - SPI) a la tarjeta de
control principal (RS-232).
USB
PC
(Windows, Mac, Linux)
Arduino Mega
RS232
RS232
Arduino Nano
Arduino Nano
Fig. 6 Características técnicas Motor a pasos NEMA 23
Sensor Compás
Magnético I
I2C
Sensor Compás
Magnético I
SPI
SPI
I2C
Sensor
Inclinómetro
Sensor
Inclinómetro
Fig. 9 Conversión de comunicación I2C/SPI a RS-232
V. DISEÑO DEL SOFTWARE Y PROGRAMACIÓN DEL SISTEMA
A continuación se presenta en la Fig. 10 el diagrama de flujo
del software desarrollado en Processing.
Fig. 7 Controlador de micropasos DQ420MA
C. Tarjeta de control principal
La programación para el funcionamiento del sistema de las
monturas robóticas sincronizadas se realiza mediante un
Arduino mega 2560 cuyas características se muestran en la
Fig. 8.
INICIO
Conexión
Serial
Calibra1
Calibra2
Definir variables
a enviar
Si el botón es
presionado
SI
Enviar datos por el
puerto serial
NO
Recargar Pantalla
FIN
Fig. 8 Características de Arduino Mega
Calibra3
Fig. 10 Diagrama de flujo del programa principal
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De igual manera, para la programación de los
microcontroladores, la programación se basa en los
siguientes esquemas para el controlador principal Arduino
mega en la Fig. 11(a) y para el controlador secundario
Arduino nano en la Fig. 11(b).
INICIO
INICIO
Calibración
motores
Recibir datos
Montura 1
Recibir datos
de la tarjeta
principal
Recibir datos
Montura 2
Pedir datos a
los sensores
Enviar datos al
PC
Recibir datos del
PC
Enviar datos a
la tarjeta
principal
Actualizar estado
de los motores
FIN
b)
FIN
a)
Fig. 11 Diagrama de flujo de: (a) Controlador principal Arduino
Mega, (b) Controlador secundario Arduino Nano
A. Librerías
La aplicación desarrollada en Processing incluye librerías
especiales para la conexión serial, interfaz gráfica
(ControlP5), control de motores paso a paso (AccelStepper) y
para el control del sensor LSM303.
B. Desarrollo de la aplicación: pantalla principal
La pantalla principal de control está programada en C++ y
Java y puede ser ejecutada en sistemas operativos como
Windows, Linux y Mac OSX. Esto permite que el sistema
sea estándar y fácil de utilizar para cada usuario dependiendo
de qué sistema prefiera. La aplicación presenta una
asignación de botones y controles amigables con el usuario
como se puede apreciar en la Fig. 12.
5
En esta interfaz se puede seleccionar el puerto serial para la
conexión, la comunicación con los sensores, Compás 1 y 2,
Inclinación 1 y 2, y Temperatura 1 y 2. La aplicación tiene
dos modos de control: manual y automático. En el modo
manual las monturas se pueden mover a libertad, teniendo en
cuenta que su grado de movimiento es de 360° en acimut y
90° en elevación, adicionalmente en este modo se puede
calibrar la velocidad máxima de los motores para que las
monturas puedan llegar de un punto a otro. Por otro lado, en
el modo automático las monturas se mueven conjuntamente
los grados que se hayan programado en el modo manual. Así
también, se puede calibrar cada una de las monturas por
medio del menú Calibración cada vez que se han instalado en
un sitio diferente.
VI. CÁLCULO MATEMÁTICO DEL CONTROL DE
MOVIMIENTO
En el desarrollo matemático del movimiento de las monturas,
se tomaron varias consideraciones, para realizar los cálculos
se utilizan las relaciones entre los triángulos que forman las
monturas al apuntar a cada punto de calibración. Estos
puntos se observan en la Fig. 13.
Las relaciones aplicadas en los triángulos bajo la ley de senos
son:
L3
L1
L4
(3)


sen1  sen 2  sen1 
L5
L4
L2


sen 4  sen 3  sen 2 
(4)
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6
Fig. 12 Pantalla de la aplicación de control en Processing
puede garantizar una posición perpendicular a la superficie
de referencia. Como una consideración de diseño se asume
que la superficie de referencia es perpendicular a la vertical
de la superficie a donde se orientan las monturas. En la Fig.
14 se muestra un esquema de la posición de las monturas
respecto a la superficie de referencia formada por la posición
de la montura hacia los puntos de referencia.
Fig. 13 Sistema de triángulos dados en la calibración del Sistema
donde P1, P2 y P3 son los puntos de separación de las monturas.
L3
L5
L1  L2


sen1   2  sen 4  sen1 
(5)
Para facilitar los cálculos se crean k1, k2 y k3 para los
cálculos:
L1
(6)
k1 
sen1 
k2 
L2
sen 2 
(7)
k3 
L1  L2
sen1   2 
(8)
Previo a la puesta en marcha de las monturas, es necesario
realizar una calibración de cada montura debido a que no se
Fig. 14 Sistema de triángulos dados en la calibración del sistema
sobre un plano
Se utilizan las ecuaciones de (3) a (12) para proceder con la
calibración tanto para la montura 1 como para la montura 2.
(9)
1   2  1
(10)
2  3  2
 L4 k 3
 k 2 k1
  sen 1 



(11)
MRJ-UIDE 1(1):11-18, ISNN 2477-8826 / 2016
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
sen 2 1 k12 k 22
k 32  2k 3 k 2 cos1   k 22
L4 
(12)
Se calcula el ángulo de movimiento de la montura 2 (M2) en
función del ángulo obtenido en la montura 1 (M1),
estableciendo la distribución mostrada en la Fig. 15.
7
Para el sistema de control se ha instalado una caja de control
metálica de 30cmx30cm, con un interruptor para energizado
principal, una fuente de 12 VDC y los controladores de los
motores paso a paso, adicionalmente una canaleta ranurada
para la guía de cables internos, como muestra la Fig. 16.
Fig. 15 Obtención del ángulo M2 de altura a partir del ángulo M1
De donde se obtiene que:
 d tanM 1  

M 2  tan 1  1
d2


(13)
VII. IMPLEMENTACIÓN DEL SISTEMA
En la Tabla IV se describen los elementos a construir, el
proceso de mecanizado y acabado por elemento.
Fig. 16 Tablero de Control de SDR
VIII. PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO Y RESULTADOS
Se realizaron pruebas de funcionamiento del sistema SDR.
Se colocaron las monturas a una distancia de 120 cm
procurando que esta se encuentre perpendicular al plano de
referencia y desde la aplicación se enviaron varios ángulos,
estos fueron calculados y medidos; los resultados obtenidos
se muestran en Fig. 17 donde se tiene un error mínimo de
0,05%.
TABLA IV
PROCESOS DE MECANIZADO Y ACABADO POR ELEMENTO
ELEMENTO
Base compás
magnético
Base láser –
inclinómetro
Disco de
inclinación
Eje horizontal
Corona – tornillo
sin fin
Porte compás
magnético
Caja eje horizontal
Base del sistema
Base trípode
Soportes trípode
PROCESO
Torneado, taladrado,
roscado
Fresado, taladrado,
roscado
Torneado, taladrado,
roscado
Torneado, fresado
ACABADO
N/A
Fresado, torneado
Torneado, taladrado,
roscado
Corte plasma, fresado,
taladrado, roscado
Fresado, torneado,
rectificado, soldado,
perforado, roscado
Fresado, torneado,
perforado, roscado
Trozado, torneado,
rectificado, soldado,
moleteado, roscado
torneado
Fig. 17 Resultados obtenidos en las pruebas de movimiento de las
monturas
IX. CONCLUSIONES
Pintura
anticorrosiva,
pintura esmalte
sintético
Se construyeron las dos bases altacimutales, las cuales se
orientan a un punto de coordenadas predefinidas por el
usuario aplicando sensores para el control y funcionamiento
del sistema. Con las bases altacimutales se pueden
determinar una precisión de giro de 0,01° en Azimut y 0,01°
en elevación, con lo cual se cumple el objetivo de los
científicos del Observatorio Astronómico de Quito.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
18
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
REFERENCIAS
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8
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Development of a Simulation Software that provides data of
neutron flow in a radioactive material
Desarrollo de un Software de Simulación que proporcione datos del
flujo de neutrones en un material radiactivo
Diego Echeverría Ríos1*, Carlos Suntaxi1, Ericsson López2
1
Escuela de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: This project details the principles of the production of nuclear energy and the influence it has had on the world, in Latin America
and Ecuador. The mathematical model that describes the behavior of neutrons in a radioactive material is developed, besides the solution of the
linear Boltzmann equation is presented in one dimension, the specific problem source by four numerical methods: improved Euler, Galerkin,
Finite Elements and Discrete Orders. The purpose of solving the problem with these methods is to determine the most effective method, varying
the parameters for calculating and displaying the results in an easy and didactic way, also it provides different discretization techniques, so the
user develop skills and apply them to solve equations presented in the future. The this solution, the concentration of neutrons is obtained in the
fuel rod of a PWR nuclear reactor, AP1000 Westinghouse model, which determine the energy generated produced by fission and also it
contributes to develop a temperature profile in each component of the reactor fuel rod.
Keywords—Neutron flux, nuclear energy, simulation.
Resumen: El presente proyecto detalla los principios de la producción de energía nuclear, así como la influencia que ésta ha tenido en el
mundo, en Latinoamérica y en el Ecuador. Se desarrolla el modelo matemático que describe el comportamiento de los neutrones en un material
radiactivo, además se plantea la solución de la ecuación lineal de Boltzmann en una dimensión, el problema específico de fuente, mediante cuatro
métodos numéricos: Euler mejorado, Galerkin, Elementos Finitos y Ordenadas Discretas. El objetivo de resolver el problema con estos métodos
es determinar cuál es el más efectivo, variando los parámetros de cálculo y mostrando los resultados de forma fácil y didáctica, además
proporciona distintas técnicas de discretización, para que el usuario desarrolle destrezas y logre aplicarlas al resolver las ecuaciones que se plantee
en un futuro. Con la solución del problema de fuente, se obtiene la concentración de neutrones en la barra de combustible de un reactor nuclear
tipo PWR, modelo AP1000 de la empresa Westinghouse, determinando la generación de energía producida por fisión y desarrollando un perfil
de temperaturas en cada uno de los componentes de la varilla de combustible del reactor mencionado.
Palabras clave— Energía nuclear, flujo de neutrones, simulación.
I. INTRODUCCIÓN
En el presente trabajo se detalla la metodología de
investigación aplicada en la carrera de Ingeniería Mecatrónica,
por su especificidad de la integralidad o sinergia de otras
ingenierías como: Mecánica, Electrónica y control, y Sistemas
inteligentes, utilizada para la simulación numérica del
comportamiento de los neutrones en una varilla de combustible
de un reactor nuclear AP 1000 de la empresa Westinghouse.
Se especifica cada componente de la metodología,
caracterizando la realización del software de simulación. La
optimización es un componente fundamental en la carrera de
Ingeniería Mecatrónica, razón suficiente para discriminar
diferentes estrategias matemáticas que permitan tomar
decisiones.
II. METODOLOGÍA DE INVESTIGACIÓN
La metodología de investigación utilizada se fundamenta en
el proceso analítico, mediante la Simulación Numérica, que
consta de los siguientes pasos: recopilación de información,
planteamiento de leyes que rigen el comportamiento del
fenómeno, realización del modelo matemático, solución exacta
y numérica, validación de datos, modelo computacional y
validación del software de simulación. Se presenta el esquema
de los componentes que conforman la metodología a seguir en
la Fig. 1.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
20
2
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
transporte de los neutrones en un volumen determinado en
función del tiempo.
1 𝜕𝜕𝜕𝜕(𝑟𝑟, Ω, 𝐸𝐸, 𝑡𝑡)
𝑣𝑣
𝜕𝜕𝜕𝜕
= ∫∫
ℝ+ 𝑆𝑆2
Fig. 1.
Esquema de los componentes de una Simulación Numérica, [1]
III. ENERGÍA NUCLEAR: FENÓMENO FÍSICO
Se profundiza en todo lo general con respecto a la energía
nuclear, desde sus conceptos básicos hasta los complejos. Una
vez que se ha asimilado el principio fundamental del fenómeno
físico, se procede a determinar las leyes que rigen su
comportamiento, se plantea cada una de ellas de forma
conceptual y matemática. Por ejemplo un comportamiento
esencial en la descripción de la fisión nuclear, es la forma como
los neutrones interactúan con la materia, una forma de describir
esto es mediante el concepto de la Sección Eficaz.
La relación con la cual interactúan los neutrones con los
átomos, es la Sección Eficaz [1] y como ésta depende del
número de átomos que se encuentren en el blanco por unidad
de volumen, se puede representar éste fenómeno de interacción
en términos de la probabilidad de choque por núcleo, de lo cual
se obtiene en (1):
𝑑𝑑𝑑𝑑
= −𝛴𝛴 ∙ 𝐼𝐼𝑜𝑜
𝑑𝑑𝑑𝑑
(1)
Donde:
Io intensidad de neutrones que incide en el blanco, en
cm2/s.
dx espesor diferencial, en cm.
Σ sección eficaz macroscópica, en cm-1.
dI intensidad final de los neutrones, en cm2/s
La sección eficaz es solo un ejemplo de cómo se deben
describir las leyes que rigen el comportamiento del fenómeno
físico. Una vez descritas todas las leyes que contribuyan a la
formulación del modelo matemático, se procede al segundo
componente.
IV. MODELAMIENTO
A. Modelo Matemático
Tomando todas las leyes que intervienen en la fisión nuclear
se las relaciona entre sí y se determina el modelo matemático,
el cual es la formulación de una o varias ecuaciones que
describen el comportamiento de los neutrones en un material
radiactivo.
A continuación, en (2), se representa el modelo matemático
del transporte de neutrones o también llamada la ecuación lineal
de Boltzmann, la cual describe el comportamiento del
𝑋𝑋(𝐸𝐸)
𝑣𝑣(𝐸𝐸)𝜓𝜓(𝑟𝑟, Ω𝑜𝑜 , 𝐸𝐸𝑜𝑜 )∑𝑓𝑓 (𝑟𝑟, 𝐸𝐸𝑜𝑜 )𝑑𝑑Ω𝑜𝑜 𝑑𝑑𝐸𝐸𝑜𝑜
4𝜋𝜋
1
+
∫ ∫ 𝜓𝜓𝑜𝑜 (𝑟𝑟, Ω𝑜𝑜 , 𝐸𝐸𝑜𝑜 , 𝑡𝑡)∑𝑠𝑠 (𝑟𝑟, Ω𝑜𝑜 . Ω, 𝐸𝐸 − 𝐸𝐸𝑜𝑜 )𝑑𝑑Ω𝑜𝑜 𝑑𝑑𝐸𝐸𝑜𝑜
4𝜋𝜋 +
ℝ
(2)
𝑆𝑆2
− ∑𝑎𝑎 (𝑟𝑟, Ω, 𝐸𝐸, 𝑡𝑡)𝜓𝜓(𝑟𝑟, Ω, 𝐸𝐸, 𝑡𝑡) − Ω . ∇ . 𝜓𝜓(𝑟𝑟, Ω, 𝐸𝐸, 𝑡𝑡)
+ 𝑄𝑄(𝑟𝑟, Ω, 𝐸𝐸, 𝑡𝑡)
Donde:
v
ψ
r
X(E)/4π
∑𝑠𝑠
Ω𝑜𝑜
Ω
𝐸𝐸𝑜𝑜
𝐸𝐸
volumen, cm3.
flujo angular, en neutrones/cm2·s·eV
posición en coordenadas polares, en cm.
probabilidad fraccional de que un neutrón de fisión
aparezca.
sección eficaz macroscópica de dispersión, en cm-1.
dirección inicial en tres dimensiones, en sr.
dirección final en tres dimensiones, en sr.
energía de incidencia inicial, en J.
energía final del neutrón, en J.
Si se referencia solamente al problema monoenergético, se
asume el grupo de energía es igual a 1, lo cual quiere decir que
todos los neutrones producidos por fisión tendrán la misma
energía, también se puede asumir el término de probabilidad de
aparición de un neutrón con una energía determinada es X=1.
Por lo tanto en (3) se plantea la notación específica para
problemas monoenergéticos.
⃗⃗⃗) + Ω . ∇ . 𝜓𝜓(𝑟𝑟⃗, Ω
⃗⃗⃗)
𝜎𝜎(𝑟𝑟⃗)𝜓𝜓(𝑟𝑟⃗, Ω
=
+
𝑉𝑉(𝑟𝑟⃗)𝜎𝜎𝑓𝑓 (𝑟𝑟⃗)
⃗⃗⃗𝑜𝑜 )𝑑𝑑Ω𝑜𝑜
∫ 𝜓𝜓(𝑟𝑟⃗, Ω
4𝜋𝜋
𝑆𝑆2
(3)
1
⃗⃗⃗𝑜𝑜 , Ω
⃗⃗⃗)𝜓𝜓(𝑟𝑟⃗, Ω
⃗⃗⃗𝑜𝑜 )𝑑𝑑Ω
⃗⃗⃗𝑜𝑜 + 𝑄𝑄(𝑟𝑟⃗, Ω
⃗⃗⃗)
∫ 𝜎𝜎𝑠𝑠 (𝑟𝑟⃗, Ω
4𝜋𝜋
𝑆𝑆2
Donde:
𝜓𝜓(𝑟𝑟, Ω)
𝑟𝑟⃗
⃗⃗⃗
Ω
⃗⃗⃗𝑜𝑜
Ω
𝑉𝑉(𝑟𝑟⃗)
𝜎𝜎(𝑟𝑟⃗)
flujo neutrónico por unidad de ángulo sólido,
en Neutrones/cm2 sr s
vector posición en el espacio, en cm.
vector unitario de la velocidad (dirección), en
sr.
vector unitario de la velocidad antes de un
choque, en sr.
velocidad de los neutrones producidos por
fisión, en cm/s 2 .
sección eficaz microscópica de absorción, en
MRJ-UIDE 1(1):19-25, ISNN 2477-8826 / 2016
3
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
barn, 1 barn =10-24 cm2.
sección eficaz microscópica de fisión, en
𝜎𝜎𝑓𝑓 (𝑟𝑟⃗)
barn.
⃗⃗⃗𝑜𝑜 , Ω
⃗⃗⃗)
𝜎𝜎𝑠𝑠 (𝑟𝑟⃗, Ω
sección eficaz microscópica de dispersión, en
barn.
𝑄𝑄(𝑟𝑟, Ω)
fuente de energía neutrónica, en MeV
⃗Ω
⃗⃗ . ∇ . 𝜓𝜓(𝑟𝑟, Ω) flujo que se pierde a través de la superficie de
frontera, en 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁/ cm2 ∙ s ∙ eV.
El caso particular que se resuelve en este trabajo es el
problema de fuente o también llamando de absorción pura
unidimensional, con neutrones monoenergéticos y dispersión
isotrópica. Con estas simplificaciones el modelo matemático
resulta.
𝜎𝜎𝑎𝑎 𝜓𝜓(𝑧𝑧, 𝜇𝜇) + 𝜇𝜇
𝜕𝜕𝜕𝜕(𝑧𝑧,𝜇𝜇)
𝜕𝜕𝜕𝜕
= 𝑞𝑞(𝑧𝑧)
𝜓𝜓(0, 𝜇𝜇) = 0
𝜓𝜓(1, 𝜇𝜇) = 0
𝑧𝑧 𝜖𝜖 [0,1], 𝜇𝜇 𝜖𝜖 [−1, 1] (3)
cuando
cuando
𝜇𝜇 > 0,
𝜇𝜇 < 0
Al resolver la ecuación se obtiene el flujo angular de
neutrones, pero la variable que se desea encontrar es el flujo
escalar de neutrones, para esto simplemente se evalúa a esta
ecuación sobre todas las posibles direcciones de los neutrones.
1
1 𝜕𝜕𝜕𝜕(𝑧𝑧,𝜇𝜇)
𝜎𝜎𝑎𝑎 ∫−1 𝜓𝜓(𝑧𝑧, 𝜇𝜇) 𝑑𝑑𝜇𝜇 + 𝜇𝜇 ∫−1
𝜓𝜓(0, 𝜇𝜇) = 0
𝜓𝜓(1, 𝜇𝜇) = 0
𝜕𝜕𝜕𝜕
cuando
cuando
𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝑞𝑞(𝑧𝑧)
(4)
𝜕𝜕𝜕𝜕(𝑧𝑧,𝜇𝜇)
𝜕𝜕𝜕𝜕
= 𝑞𝑞(𝑧𝑧)
𝜓𝜓(0, 𝜇𝜇) = 0
𝜓𝜓(1, 𝜇𝜇) = 0
𝑧𝑧 𝜖𝜖 [0,1], 𝜇𝜇 𝜖𝜖 [−1, 1]
cuando
cuando
(5)
𝜇𝜇 > 0
𝜇𝜇 < 0
En vista que (5) es de tipo lineal no homogénea, se puede
obtener su respuesta, mediante el método de solución de la
función del factor integrante, este método permite obtener la
solución homogénea y particular del problema; al sumar ambas
soluciones, se obtiene la respuesta final de la ecuación
diferencial.
La solución analítica con respecto a la variable espacial es:
𝜓𝜓(𝑧𝑧, 𝜇𝜇) = (𝑞𝑞
1
𝜎𝜎𝑎𝑎
− q
1
σa
𝑒𝑒
𝜎𝜎 𝑧𝑧
− 𝑎𝑎
𝜇𝜇
)
1
1
𝜙𝜙+ = ∫ (𝑞𝑞
0
𝜎𝜎𝑎𝑎
(6)
Aplicando la primera condición de frontera, es decir
− q
1
𝑒𝑒
σa
𝜎𝜎 𝑧𝑧
− 𝑎𝑎
𝜇𝜇 )
𝑑𝑑𝑑𝑑
Considerando que no se puede obtener la solución exacta de
la integral, se aplica un método numérico que permita obtener
la solución aproximada. El método numérico que mejores
resultados obtiene para este tipo de problemas es el de
Ordenadas Discretas, aplicado a la ecuación de flujo escalar,
resulta:
+
𝑏𝑏
𝜙𝜙 = ∫ 𝜓𝜓(𝑧𝑧) ~
𝑎𝑎
𝜇𝜇𝑖𝑖 =
b−a
2
𝜙𝜙+ =
b−a
2
rli +
b−a
2
N
b−a
∑ wli f (
i=1
b−a
2
rli +
b−a
2
)
con 𝑖𝑖 = 1,2,3, … , 𝑁𝑁
2
∑Ni=1 wli × (𝑞𝑞
1
𝜎𝜎𝑎𝑎
− q
1
σa
𝜎𝜎 𝑧𝑧
− 𝑎𝑎
𝑒𝑒
𝜇𝜇𝑖𝑖
) (7)
Aplicando el mismo procedimiento, para la segunda
condición de frontera, se obtiene la siguiente solución:
0
𝜙𝜙− = ∫ (q
−1
𝜇𝜇 > 0,
𝜇𝜇 < 0
B. Modelo Numérico
En el modelo numérico se aplican las distintas técnicas que
proporcionen la solución del modelo matemático, siempre se
comienza verificando que exista una solución analítica del
problema, como se muestra a continuación.
Se plantea el problema de fuente para un flujo angular de
neutrones.
𝜎𝜎𝑎𝑎 𝜓𝜓(𝑧𝑧, 𝜇𝜇) + 𝜇𝜇
evaluando a la ecuación únicamente para neutrones con
dirección positiva, se obtiene:
1
σa
[1 − 𝑒𝑒
𝑁𝑁
𝜎𝜎𝑎𝑎 (𝑑𝑑−𝑧𝑧)
𝜇𝜇
])
𝑑𝑑𝑑𝑑
𝑏𝑏
1
1
1
𝜙𝜙− = ∫ 𝜓𝜓(𝑧𝑧) ~ ∑ 𝑤𝑤𝑤𝑤𝑖𝑖 𝜓𝜓 ( 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑖𝑖 − )
2
2
2
𝑎𝑎
𝜇𝜇𝑖𝑖 =
b−a
2
1
𝑖𝑖=1
rli +
b−a
2
𝜙𝜙− = ∑𝑁𝑁
𝑖𝑖=1 𝑤𝑤𝑤𝑤𝑖𝑖 × (q
2
1
σa
con 𝑖𝑖 = 1,2,3, … , 𝑁𝑁
[1 − 𝑒𝑒
𝜎𝜎𝑎𝑎 (𝑑𝑑−𝑧𝑧)
𝜇𝜇
])
(8)
Al sumar ambos resultados ϕ- y ϕ+, se obtendrá el flujo
escalar de neutrones, esto quiere decir la concentración total de
neutrones en todas las posibles direcciones. De esta forma la
solución general resulta:
𝜙𝜙 = 𝜙𝜙 − + 𝜙𝜙 +
(9)
Donde ϕ, es la solución de la ecuación lineal de Boltzmann,
obtenida con el método de las Ordenadas Discretas.
C. Modelo Computacional
Una vez encontrada la solución del problema, se desarrolla
el algoritmo correspondiente a la solución de obtenida, este
algoritmo comprobado y programado, corresponde al modelo
computacional.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
V. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DEL SOFTWARE DE
SIMULACIÓN
A. Requerimientos Previos
Los requerimientos del cliente son:
1. Flujo de neutrones en la barra de combustible nuclear.
2. Datos de energía producidos por la fisión nuclear.
3. Distribución de temperaturas en la varilla de combustible
de un reactor nuclear.
B. Diseño del Software
El problema a solucionar es la ecuación lineal de Boltzmann
en una dimensión, el caso específico del problema de fuente.
Este problema se puede resolver a través de los distintos
métodos numéricos mencionados anteriormente; estas
soluciones se detallan como algoritmos implementados en el
software de simulación. Al no plantear un solo método de
solución en el software de simulación, esto le permite al usuario
ver la exactitud de los métodos numéricos implementados, de
acuerdo a los parámetros de cálculo que ingrese el usuario.
1) Interfaz principal:
Con estos antecedentes, la interfaz principal que presenta el
software es del flujo de neutrones, ya que es la solución a la
ecuación lineal de Boltzmann; esta interface debe tener, además
de los parámetros de cálculo, los parámetros del material
radiactivo, que de igual forma el usuario será capaz de variar
sus características y observar cómo se comporta el flujo de
neutrones dentro de la barra de combustible. De la ecuación de
transporte unidimensional, se puede determinar que la fuente es
el valor de entrada del problema, el usuario será capaz de variar
los valores de fuente. De esta forma la interfaz principal del
programa se ha desarrollado, como se muestra a continuación
en la Fig. 2.
22
4
AP100) o con datos que el usuario ingrese. El botón
GRAFICAR realiza el cálculo con los datos ingresados y
permite visualizar el comportamiento del flujo de neutrones a
lo largo de la barra de combustible, este gráfico se presenta en
la parte izquierda de la pantalla donde se especifica la etiqueta
GRÁFICO COMPORTAMIENTO, además el valor máximo
que alcance el flujo de neutrones, se representa numéricamente
en el espacio de VALOR MÁXIMO, de igual forma el valor
mínimo se observa en el espacio de VALOR MÍNIMO y el
error que presenta del método numérico que se ha elegido, se
visualiza en su correspondiente espacio ERROR, con la opción
de graficar o no la solución exacta seleccionando la casilla
correspondiente.
A continuación se detalla cada sección de la interfaz
principal.
a)
Parámetros de cálculo:
En este contenedor se especifican los datos con los cuales el
programa realiza la solución de la ecuación lineal de Boltzman
en una dimensión, los parámetros que el usuario puede variar
son: el método con el cual se aproxima la solución, el número
de particiones del dominio espacial y el grado del polinomio de
Legendre para la discretización angular del problema, estas
opciones se despliegan en la Fig. 3 y 4.
Fig. 3. Parámetros de cálculo, menú de raíces y polinomios de Legendre
Fig. 4. Parámetros de cálculo, menú de métodos numéricos disponibles para la
solución.
Fig. 2. Interfaz principal de la aplicación diseñada.
Como se puede observar en la pantalla de la interfaz
principal, en la parte derecha se encuentran las cajas de texto y
listas que el usuario puede modificar en los tres ámbitos,
Parámetros de Cálculo, Datos Fuente y Datos Combustible, en
la parte inferior derecha se encuentran las acciones que el
usuario puede realizar. El botón de SETEAR DATOS, permite
al usuario llenar los cuadros de texto automáticamente con
datos que el software le proporciona (datos reales de un reactor
El usuario puede elegir el grado del polinomio de Legendre
de una lista de números pares de 4 a 12, la razón del número par
se debe a que las soluciones de los polinomios de orden par no
presentan cero como solución, de esta forma se elimina la
probabilidad de que un neutrón tenga una dirección nula. El
número máximo de 12 se refiere a que con un polinomio de
grado 12 se obtiene una solución bastante precisa del método
de las Ordenadas Discretas, números mayores a éste ocasionan
que el programa utilice más recursos, obtenga la solución en
mayor tiempo y el valor de su exactitud no sea muy diferente
que el obtenido con el polinomio de grado 12.
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MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
5
Los métodos que el usuario puede elegir para dar solución al
problema de transporte son los planteados anteriormente, se
despliega una lista y se puede variar el número de particiones
con el cual el software discretiza el problema, a través del
método elegido, por medio de una caja de texto que sólo admite
valores enteros. Todos los algoritmos que utiliza el software
fueron desarrollados.
b)
Datos fuente:
En la región de Datos Fuente, se encuentra una caja de texto
donde el usuario puede ingresar el valor del número de
neutrones que genera la fuente, en la parte izquierda de la caja
de texto se encuentra las unidades de este valor, el valor de
fuente es válido de acuerdo a los datos reales como se muestra
en la Fig. 5.
Fig. 5. Caja de texto del valor de fuente
c)
Datos Combustible:
Los datos del combustible se especifican en su respectivo
contenedor con la etiqueta “Datos Combustible”, dentro de este
contenedor se puede elegir el combustible con el cual se realiza
la simulación, a través de una lista que se identifica con la
etiqueta “Combustible”, además, es posible determinar su
respectivo radio, sección eficaz de absorción y conductividad
térmica; todas estas características se muestran en la Fig. 6.
Es importante mencionar que el usuario tiene el acceso para
eliminar, editar o agregar la cantidad de combustibles que desee
para la simulación, a través de interfaces secundarias que le
permiten ingresar su propia información de combustibles.
Fig. 7. Interfaz de Temperaturas sin activar el RadioButon “Ver”.
Fig. 6. Datos de Combustible mostrados en la aplicación
2) Interfaz de Valores de Energía
Al presionar el botón Graficar, el programa toma los datos de
la concentración de neutrones en sus valores máximo y mínimo,
que corresponden a los valores en el borde y en el centro de la
barra de combustible y procede a calcular la potencia que se
genera por medio de la fisión nuclear en dichos puntos, una vez
obtenidos estos datos, se calcula la distribución de temperaturas
en cada uno de los componentes de la varilla de combustible,
todos estos datos se presentan de dos formas distintas. Se genera
un gráfico de temperaturas donde cada color que presenta la
barra de combustible corresponde a un dato de temperatura, una
escala de colores con sus respectivos equivalentes de
temperatura se visualiza. Adicionalmente un recuadro describe
los componentes de la varilla de combustible con sus datos de
temperatura, pero esta vez descritos de forma numérica, además
en la parte superior de este recuadro, se encuentra una opción
(radiobutton) con la etiqueta “Ver”, este botón despliega un
número en el gráfico de la sección izquierda, este número
corresponde a un componente del cuadro de la derecha, con lo
cual se puede identificar los componentes descritos en el
recuadro con el gráfico.
A continuación se presenta la Interfaz de Temperaturas sin
activar la opción “Ver”, en la Fig. 7, y la Interfaz de
Temperaturas con la opción “Ver” activado, en la Fig. 8.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
24
6
Fig. 8. Interfaz de Temperaturas con el RadioButon “Ver” activado.
3) Requerimientos de Hardware y Software
En el caso de los requerimientos de hardware, el software de
simulación SimVa, se ejecuta de forma eficiente en ordenadores
con procesador Pentium 4 o mayores.
El software se ejecuta con cualquier sistema operativo,
desarrollado desde el año 1998 en adelante. El código del
software, denominado en este proyecto “SimVa”, fue
desarrollado en Java bajo el entrono NetBeans 7.3.1.
VI. RESULTADOS
Para obtener la simulación numérica de la ecuación de
transporte unidimensional, primero se deben detallar los
parámetros de entrada del software de simulación mostrados en
la Tabla I.
TABLA I
DIMENSIONES DE LA VARILLA DE COMBUSTIBLE [1]
Descripción
Dimensión ( m )
Radio de la barra de combustible.
0.004095
Radio interior del recubrimiento.
0.00419
Radio exterior del recubrimiento.
0.00475
Una vez obtenidas las dimensiones de la varilla de
combustible, se plantean los parámetros de cálculo y del
material (UO2), mostrados en la Tabla II. El software presenta
los datos mostrados en la Figura 9.
TABLA II
PARÁMETROS DE CÁLCULO DEL MATERIAL UO2
Parámetro
Número de particiones del espacio
discreto
Número de raíces y pesos del
polinomio de Legendre
Sección Eficaz Microscópica de
absorción (UO2).
Diámetro de la barra de combustible
UO2
Fuente de neutrones
Valor
M=300
N=10
σ = 0.3264 barns
d=0.819 cm
q=0.091 neutrones/cm2
Fig. 9. Simulación del flujo escalar de neutrones en un barra de combustible
radiactivo
VII. CONCLUSIONES
Mediante la metodología utilizada de la Simulación
Numérica, se puede diseñar e implementar un simulador, sin
importar el área de ingeniería de su formación, la metodología
guía de forma clara, secuencial y ordenada, para validar
aplicaciones reales que permitan tomar decisiones.
Se desarrolló el modelo matemático de un reactor nuclear
usando la ecuación lineal de Boltzmann. En esta ecuación se
determinó que se pueden realizar distintos tipos de
aproximaciones y simplificaciones, por ejemplo, transformar al
modelo en un problema de criticidad o en un problema de
fuente, de igual forma se puede plantear la ecuación con
neutrones monoenergéticos o con energías variables, se puede
simplificar las dimensiones de la ecuación, para estudiarla en,
tres, dos o en una dimensión. Es ésta en sí, la importancia de
desarrollar desde las bases de la fisión nuclear el modelo
matemático, para futuras investigaciones se tiene desarrollada
la Ecuación lineal de Boltzmann, con lo que se puede aplicar
otro tipo de simplificaciones y solucionar otros problemas en el
área de la neutrónica. La diversidad de métodos numéricos
aplicados, permitió desarrollar distintas destrezas en la
discretización del dominio espacial, además se logró determinar
la eficacia de cada método, con lo cual el lector puede tomar las
mejores características de cada desarrollo, para dar solución a
problemas similares o a problemas planteados.
Los métodos numéricos más exactos en la discretización de
MRJ-UIDE 1(1):19-25, ISNN 2477-8826 / 2016
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
la variable espacial fueron: el Método de los Elementos Finitos
(4 elementos cuadrados), y el método de Euler Mejorado. El
método de Euler Mejorado presentó un error del 0.0284%,
evaluado en un número de puntos igual a 980, lo cual es un
resultado muy bueno, considerando las cantidades de
operaciones y número de particiones que se manejan en otros
productos de simulación. A pesar de que es un método
tradicional y fácil de aplicar, sus buenos resultados radican en
el conjunto de técnicas que se aplicaron para reducir el número
de operaciones del algoritmo final. El método numérico más
exacto fue el método de los Elementos Finitos con 4 elementos
cuadrados, presentando un error del 0.0268%, esto indica
claramente que el método es muy bueno en la solución de
ecuaciones similares al problema de fuente. Por presentar pocas
restricciones en su aplicación y obtener datos muy buenos
utilizando un número bajo de elementos finitos, el MEF es el
método numérico más eficiente en la solución de la ecuación
lineal de Boltzmann en una dimensión.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
E. E. Lewis, Fundamentals of Nuclear Reactor Physics, EE. UU:
Academic Press – Elsevier Inc., 2008, pp. 12-13.
Universidad Politécnica de Catalunya, “Estudio de seguridad radiológica
de una instalación ATC de CG y RAA,” España, 2004 [En línea].
Disponible:
http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/9332/
2/ANEXOS_PFC.pdf.
H. Benalcázar, Departamento de Matemática, 2011. [Entrevista]. No
publicada.
7
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and construction of a CNC cutter using a CO2 40 watts laser
for up to 4 mm acrylic
Diseño y construcción de una máquina de control numérico por
corte CO2 láser de 40 watts para acrílico de hasta 4 mm
Francisco J. Hurtado 1*, Juan C. Parra1, Walker López2
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: It presents development a computerized numerical control machine (CNC) CO2 Laser for cutting acrylic sheet of 40 watts. This
machine lets down times in production, reduce error margins and develop more parts ready for use. The starting point is the analysis of user
needs in order to meet the requirements and specifications to be met the machine, so it is used concurrent design, which relies on methods QFD
(design for the quality), tools based on information and communication technologies (CAD, CAM manufacturing) and new organizational
forms (multidisciplinary projects or teams). After selecting the most suitable alternative that meets the requirements, we proceed to the design
of each of the components of the machine pay attention to those who were prioritized in the house of quality.
Keywords— CNC, laser CO2, laser optics, Moshi Draw
Resumen: Se presenta el desarrollo de una máquina de control numérico computarizado (CNC) CO2 láser de 40 Watts para realizar cortes
en láminas de acrílico. Esta máquina permite bajar los tiempos en la producción, reducir márgenes de errores y elaborar piezas de mayor
complejidad listas para ser utilizadas. El punto de partida es el análisis de las necesidades del usuario con el fin de encontrar los requerimientos
y especificaciones que debe cumplir la máquina, para esto se recurre al diseño concurrente el cual se apoya en métodos DFQ (diseño para la
calidad), en herramientas basadas en tecnologías de información y comunicación (diseño CAD, fabricación CAM) y en nuevas formas
organizativas (equipos pluridisciplinarios o por proyectos). Una vez seleccionada la alternativa más adecuada que se ajuste a los
requerimientos, se diseña cada uno de los componentes de la máquina prestando atención a aquellos que fueron priorizados en la casa de la
calidad.
Palabras clave— CNC, Láser CO2, Óptica Láser, Moshi Draw
I. INTRODUCCIÓN
Las máquinas de control numérico por computadora (CNC)
tienen como propósito ubicar o posicionar un elemento
actuador o herramienta como un taladro, pincel u otro
obedeciendo las órdenes o instrucciones que provienen de una
computadora [1].
El desarrollo de una máquina de control numérico por corte
CO2 láser busca abaratar costos, sin desatender la precisión y
estética, con el fin de satisfacer las necesidades de innovación
en el mercado local.
Su perfeccionamiento será un aporte valioso al desarrollo y
tecnificación de pequeñas y medianas industrias, que apuestan
al uso de tecnología propia para sus procesos de manufactura.
II. MÁQUINAS CNC LÁSER
Se considera control numérico por computador a “todo
dispositivo capaz de dirigir el posicionamiento de un órgano
móvil mediante órdenes elaboradas de forma totalmente
automática a partir de informaciones numéricas en tiempo
real” [2]. De esta manera se consigue la pieza deseada, la
secuencia de un sistema CNC se aprecia en la Fig. 1.
Fig. 1 Secuencia para un sistema CNC
2.1 Láser de CO2
“La palabra láser es un acrónimo de light amplification by
stimulated emission of radiation, que traducido al español
significa amplificación de luz por emisión estimulada de
radiación” [3].
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
27
2
En los láseres de CO2 existen subdivisiones dependiendo
de la manera en que se suministra el gas en el medio (ver Fig.
2).
Láseres sellados: El gas se encuentra mezclado en la
cavidad resonante asegurando su rendimiento miles de horas.
Se puede conseguir potencias desde 20 hasta 500W.
Es una técnica por medio de la cual se enfoca un haz de
láser en un punto del material a tratar hasta alcanzar la
temperatura de fusión, fundiéndose y evaporándose para
lograr el corte. Este proceso considera ocho fases como se
presenta en la Fig. 3, desde la fuente hasta el corte del
material.
Láseres de flujo axial lento: El flujo de gas es en sentido
axial, a lo largo del resonador y sin ningún impulso. Su
potencia es baja de 200 a 300 W.
Fuente de energía
Material
Luz láser
amplificada
Espejos deflectores
Haz láser dirigido
Cabezal
Láser enfocado
Corte del material
Fig. 3 Fases del proceso de corte láser adaptada de [5]
Fig. 2 Tipos de Láseres de CO2
Láseres de flujo axial rápido: El flujo de gas es en sentido
axial, la renovación de gas es forzada mediante bombas. Su
potencia va desde los 1000 hasta los 2000 W.
Láseres de flujo transversal: El flujo de gas es en sentido
transversal, la renovación del gas es mayor y eficaz. Su
potencia es en el orden de Kilovatios [4].
El láser sellado de CO2 se ha seleccionado por las ventajas
que se presentan en la tabla 1.
TABLA I
VENTAJAS DEL LÁSER SELLADO DE CO2
VENTAJA
EFECTO
Anchura de surco mínima
Corte perpendicular
al
material
Cortes limpios
Tubo catódico sellado
Mejor aprovechamiento del material
Mínimas deformaciones por efecto
térmico
No requiere ningún tratamiento posterior
No requiere renovación de gas
2.2 Corte con Láser
2.3 Óptica Láser
La óptica permite direccionar el rayo de láser hacia el
punto en que se necesita realizar el corte, ya que transportar el
tubo láser resulta complicado por su gran tamaño.
El láser emitido tiene un diámetro de 6.3 mm, el rayo es
direccionado mediante el uso de espejos a 45 grados hasta que
se localice en el punto de corte. La precisión del corte se
consigue al hacer pasar el rayo por un lente focal que
disminuye su diámetro (aproximadamente a 1 mm),
concentrando la luz en un punto más pequeño como lo
muestra la Fig. 4.
Espejo
Haz Láser
Lente Focal
Láser Enfocado
Fig. 4 Enfoque del haz del láser de CO2
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
2.4 Cálculo y selección de partes
A. Motor paso a paso
Se utiliza el motor SureStep STP-MTR-17048 NEMA 17,
este motor posee el torque más cercano al requerido,
satisfaciendo la necesidad del sistema tanto para el eje X,
como para el eje Y, sus especificaciones se pueden ver en la
tabla 2.
3
El material utilizado en la simulación es el aluminio 1060
de 2 mm de espesor debido a que no se conocen todas las
especificaciones técnicas del alucobond (nombre comercial de
la aleación de aluminio utilizada), como se aprecia en la Fig.
6.
TABLA II
ESPECIFICACIONES DE LOS MOTORES PASO A PASO
CARACTERÍSTICA
ESPECIFICACIÓN
Número de artículo
Norma
Voltaje
STP-MTR-17048
NEMA 17
24 V
0,59 N-m
83 onzas-pulgada
5,2 libras-pulgada
2,0 A/fase
1,8 °
3000 RPM
210 gramos
0,7 lbs
Torque máximo
Corriente nominal
Ángulo de paso
RPM máxima velocidad
Peso
Fig. 5 Tapa de la Bancada
B. Fuente láser
La fuente seleccionada es un tubo catódico del láser de 40
W, esta permite un funcionamiento eficiente y apropiado que
satisface el requerimiento, sus especificaciones se pueden ver
en la Tabla IIIdonde resaltan su eficiencia y velocidad de
respuesta.
TABLA III
ESPECIFICACIONES DE LA FUENTE LÁSER
CARACTERÍSTICA
Potencia
Entrada
Máxima salida de voltaje
Máxima salida de corriente
Eficiencia
Velocidad de respuesta
Protección
Requisitos ambientales
Modo de enfriamiento
Dimensión
ESPECIFICACIÓN
40W
AC 120 V
DC 30 Kv
DC 25mA
≥90%（full load）
≤1ms
Detección de agua de refrigeración
Temperatura de operación:-10~65℃，
Humedad relativa (RH) ：≤90﹪
Natural o por aire
L×W×H=173*143*75 (mm)
C. Diseño de bancada
Para analizar la resistencia de la bancada se determina la
fuerza máxima que puede resistir sin llegar a una deformación
permanente.
Este cálculo considera la tapa que se muestra en la Fig. 5 ya
que es un lugar crítico donde se podría producir la falla
(deformación permanente del material).
El análisis consiste en el empleo del software SolidWorks y
el método de elementos finitos (FEA) para determinar la
mayor carga que se puede aplicar a la tapa hasta llegar a un
factor de seguridad cercano a 1.
Fig. 6 Simulación FEA de la tapa de bancada.
Según el análisis de elementos finitos (FEA), la fuerza que
soporta la tapa de la bancada sin una deformación permanente
es de 150 N (15,3 kg).
D. Placa electrónica
La placa controladora utilizada es MS 10105 V4.5 de
Moshisoft que satisface los requerimientos como: manejo de
dos motores paso a paso, manejo de la fuente láser, dos
señales de entrada para la ubicación de los motores y entrada
USB para conexión al computador. Esta placa controladora es
eficiente debido a que está orientada en el manejo de
máquinas CNC, sus especificaciones se presentan en la Tabla
IV.
TABLA IV
ESPECIFICACIONES DE LA PLACA CONTROLADORA MS 10105 MOSHISOFT
MS 10105 MOSHISOFT
CARACTERÍSTICA
ESPECIFICACIÓN
Corriente
Voltaje
Velocidad de grabado
Velocidad de corte
Medidas
2.0 A
24 V
1-60 cm/s
1-40 mm/s
109x141 mm
En la Fig. 7, se muestra la placa MS10105 de Moshisoft.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
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combinado con perfiles de aluminio,
Aluconbond.
29
4
paredes y tapas de
Fig. 7 Placa MS10105 de Moshisoft
E. Alineación del Láser
Para un correcto funcionamiento de la CNC, es importante
alinear el láser ya que de esto depende la precisión que se
logre al momento de cortar el material, en la Fig. 8 se muestra
la ubicación del láser, los espejos y el lente focal.
Fig. 9 CNC láser de 40 W
Para verificar la complejidad de las piezas que se pueden
maquinar, se trabajó con las formas mostradas en la Fig. 10,
utilizando una velocidad de 10 mm/s, en acrílico de
210x297x2 (formato A4 de 2 mm de espesor). La máquina no
presentó dificultad para realizar los trazos con un
accionamiento máximo de 32 minutos continuos.
Fig. 8 Partes de la CNC de corte por láser
F. Software Moshidraw
El software Moshi Draw es un software CAD/CAM, que
permite el diseño de las piezas que se desean realizar (CAD) y
genera automáticamente las instrucciones que se agrupan en
códigos G y M (CAM) estandarizadas por la norma ISO 6983,
trasmitiéndolas a la placa electrónica la cual las procesa y
efectúa los movimientos de la máquina.
Los archivos que soporta el software MoshiDraw son:









MDR
MMD
AI
DXF
PLT
BMP
JPG
EMF
WMF
Moshidraw2012 file
Moshidrfaw2012 model file
Adobe Illustrator 8 (lines)
AUTOCAD R12/R13/R14 (lines)
HPGL Plotter (2D)
Windows Bitmap
JPEG Bitmap
Enhanced windows Metafile
Windows Metafile
En la Fig. 9 se presenta la máquina diseñada y construida
la cual está soportada en su base con acero ASTM A36
Fig. 10 Prueba de complejidad
III. CONCLUSIONES
La máquina de control numérico por corte CO2 láser de 40
Watts puede realizar cortes con una resolución de hasta 0,1
mm en placas de acrílico de hasta los 3 mm de espesor y de
0,3 mm para placas de acrílico de 4 mm. El diseño y cálculo
de la máquina garantiza un área de trabajo de 210 x 297 mm
(formato A4), para el corte de piezas terminadas. El software
seleccionado MoshiDraw cumple con las expectativas y
requerimientos tanto de CAD/CAM al permitir realizar piezas
de gran complejidad y repetitividad sin perder su resolución.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Cienciatecnologia.com
Cienciatecnologia(2005).
Disponible:
http://www.cienciatecnologia.com/.
Universidad de Burgos (2013). (Contenido: Equipación de Mecanizado
(EM)).
Disponible:
http://www.ubu.es/es/investigacion/parquecientifico-tecnologico/prestaciones-servicio-equipamientoreservas/equipacion-mecanizado-em
Hitz, Ewing, Hecht, Introduction to láser Technology, IEEE Press Inc. 3
ed., USA, 2001. Pag. 1.
Alberto Cuesta Arraz, Tecnología láser: Aplicaciones Industriales,
Marcombo S.A. 1ed., España, 2011, Pag.14, 15.
Tecnologías de corte de chapa - Metalmecánica - Interempresas. (2010).
Disponible:
http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/12110Tecnologias-de-corte-de-chapa.html
5
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and implementation of an air conditioning system for the
CENACE Corporation Data Center
Diseño e implementación de un sistema de climatización para el
Data Center de la corporación CENACE
Washington Medina1*, Omar Flor1, Vicente Quizanga2
Escuela de Ingeniería Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Corporación Centro Nacional de Control de Energía, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: This project aims to strengthen the functioning of data center of the National Center for Energy Control (CENACE) by studying
thermal analysis devices and airflow. It also deals with the design and implementation of a data acquisition module allows you to analyze,
monitor and generate a record of information on the behavior of the temperature and humidity continuously by using international and national
quality standards for optimal performance.
Keywords— CENACE, climate system, data center, Flow Simulation, TIER standard.
Resumen: El presente proyecto está orientado a fortalecer el funcionamiento de los equipos albergados en el data center del Centro
Nacional de Control de Energía - CENACE, mediante el estudio térmico de los dispositivos y análisis de flujo de aire. También trata del diseño
e implementación de un módulo de adquisición de datos que permite analizar, monitorear y generar un registro de información del
comportamiento de la temperatura y humedad de manera ininterrumpida mediante el uso de normas internacionales y nacionales de calidad
para el óptimo desempeño de esta sala de trabajo.
Palabras clave— centro de datos, CENACE, normas TIER, simulación de fluidos, sistema de climatización.
I. INTRODUCCIÓN
El data center en el Centro Nacional de Control de Energía
CENACE almacena todos los equipos de la institución. Antes
de la implementación de este proyecto el incremento de
temperatura disminuía el rendimiento computacional de los
equipos debido a que el sistema de refrigeración no fue
diseñado apropiadamente. Para el diseño e implementación de
un sistema de climatización se simularon varios parámetros y
condiciones ambientales mediante un software especializado,
se diseña y construye un sistema de adquisición y
almacenamiento de datos, se analiza e implementa los
sensores y dispositivos necesarios para el monitoreo de
funcionamiento del sistema, se analizar la factibilidad de
redistribución de equipos para la implementación en el
proyecto todo esto mediante el uso de normas TIER.
II. EQUIPOS PARA EL DATA CENTER
A. Requerimientos Previos
La selección de equipos adecuados para esta aplicación
requiere de varias exigencias en cuanto a su arquitectura; es
decir, deben poseer una plataforma estable, instalación
metodológica que no se afecte por la ubicación geográfica,
además debe incorporar un sistema predecible de sucesos para
un funcionamiento óptimo ininterrumpido y tener agilidad en
el reacondicionamiento y reúso de equipamiento. Con respecto
al proceso y soporte técnico, la manufacturación debe constar
con normas de alto nivel como ITIL/CMM, debe provenir de
un proceso de mejora continua, poseer un soporte técnico
adecuado y garantizar una amplia gama de repuestos. En
cuanto a los riesgos debe minimizar el exceso de capacidad,
las paradas imprevistas, el uso excesivo de energía y los
movimientos innecesarios de aire acondicionado [1].
B. Características Destacadas de los Equipos
1) Escalabilidad y Bajo Consumo Eléctrico:
En un data center más de la mitad del consumo eléctrico de
la infraestructura de enfriamiento y potencia se establece y no
disminuye cuando la carga de TI es baja. La Figura 1 muestra
como la eficiencia se degrada a medida que la carga de TI
decrece.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
32
2
Fig. 1. Eficiencia del data center vs carga IT, adaptado de [2].
La solución a este problema es un dimensionamiento
adecuado mediante una eficiencia ganada por la
implementación
modular
y
escalable
evitando
sobredimensionamiento y cargas bajas, como muestra la Fig.
2.
La implementación modular – escalable reduce hasta un
30% el consumo eléctrico al dimensionar de manera
conveniente la infraestructura de potencia y refrigeración. La
Figura 3 muestra la comparación entre infraestructuras
antiguas e infraestructuras modulares.
Fig. 2. Ventajas de la implementación modular y escalable frente a la carga
TI, adaptado de [2].
Fig. 4. Esquema Close-coupled cooling, [2].
Otras características importantes son la contención ya que
frena y estabiliza los flujos térmicos de aire evitando
ambientes de alta densidad. Finalmente, la gestión de la
capacidad mejora el uso del contenido de potencia y
enfriamiento.
A continuación se presenta la Tabla I con las características
de la unidad de aire acondicionado, las unidades de
distribución de energía [3] [4] [5].
TABLA I
CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS SELECCIONADOS
Unidad de Aire
Unidad de Distribución de Energía PDU´s Trifásico
Acondicionado
Marca:
Marca:
Marca:
HIREF
APC
APC
Modelo:
Modelo:
Modelo:
TREF0281
PD60F6K1
PDRPPNX10-M
Capacidad:
Capacidad:
Capacidad:
27,1 kW
60kW
40kW
Tensión de salida nominal:
Tipo:
120V, 208V 3PH
Tensión de salida
Precisión
Total máximo de corriente
nominal:
extraída:
208V 3PH
Refrigerante:
167A
Entrada de voltaje:
R-140A
Entrada de voltaje:
208V 3PH
208V 3PH
Servicio
Frecuencia de entrada:
Frecuencia de entrada:
Eléctrico:
60 Hz +/- 3Hz
60 Hz +/- 3Hz
220V/60Hz/3Ph
Cables de alimentación:
1
Cables de
Tipo de
Corriente de línea máxima: alimentación:
Expansión:
167A
1
Directa Peso neto:
Peso neto:
Dowflow
460 Kg
230 kg
Fig. 3. Comparación de infraestructuras antigua frente a la modular, [2].
2) Close-Coupled Cooling:
Brinda un enfriamiento “estrechamente-acoplado” con
unidades de aire actuando de manera directa en las áreas
críticas de generación de calor como se muestra en la Fig. 4.
Se puede disminuir el consumo de potencia hasta un 20% con
la arquitectura de enfriamiento InRow (en fila), produciendo
beneficios como enfriamiento estrechamente ensamblado
previniendo la recirculación de aire, menor uso de energía en
los ventiladores, constante ajuste de temperatura en los
dispositivos y costos operativos menores.
III. MÓDULO DE ADQUISICIÓN DE DATOS
El proceso de adquisición de datos inicia con la
identificación del fenómeno físico a ser medido, en este caso
temperatura y humedad. Se define como un sistema de
adquisición de datos a la interacción entre software y hardware
que permite medir o controlar características físicas del
entorno real. En este sistema DAQ se incluyen sensores y
actuadores, hardware de accionamiento de señal, y el software
para la recopilación de señales medidas a la PC [6].
A. Esquema de Funcionamiento
La Figura 5 muestra el esquema de funcionamiento del
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
módulo de adquisición de datos.
B. Hardware de Adquisición de Datos
En este caso las señales tomadas para el estudio del
comportamiento físico son temperatura y humedad, que son
almacenados en una tarjeta de memoria removible para el fácil
manejo de la información recopilada. La tarjeta DAQ National
Instruments NI USB-6006 actúa como respaldo del reporte
diario del data center.
C. Controladores de Dispositivos de Adquisición de Datos
Es necesario la implementación de dispositivos de
adquisición de datos con el fin de que el hardware de toma de
información pueda trabajar de manera compatible con una PC.
El controlador de la DAQ es el encargado de realizar las
escrituras de registro a bajo nivel y los mismos que serán
leídos en el hardware, para lo cual se emplean varios entornos
de programación. Los elementos del módulo de adquisición de
datos son:
1)
Microcontrolador ATmega2560
2)
Pantalla TFT LCD 3.2
3)
Sensor de temperatura y humedad DHT11
4)
Módulo SD
5)
Módulo Xbee
Fig. 5. Función del módulo de adquisición de datos en arquitectura
centralizada
D. Diseño del Módulo de Adquisición de Datos
1) Configuración del microcontrolador ATmega2560:
El microcontrolador es la unidad más significativa del
módulo, ya que en este se instala y ejecuta el código
programado en C++. El voltaje de alimentación para esta
aplicación es de 9V.
3
2) Configuración y centralización de sensores:
Las unidades están acopladas mediante módulos
inalámbricos que permiten un rápido acople a la placa central,
estos elementos poseen librerías para su manejo. Se debe
considerar que para emplear sensores digitales solo existen
dos posibles valores, HIGH que es un valor alto y LOW un
nivel bajo, mientras que en el caso de sensores analógicos el
proceso es más complejo con la ventaja de poseer una amplia
configuración, puesto que debe leerse y escribir un voltaje de
0 a 5v represen-tados en 10 bits (lectura) o en 8 bits
(escritura), mostrando que la tención puede tener 1024
(lectura) o 256 (escritura) valores distintos. Los sensores
digitales tiene que ser inicializados como pin de salida con el
método pinMode (numeroDePin,OUTPUT). Para leer los
datos de los sensores analógicos se utiliza la instrucción
analogRead(numeroDePin), cabe señalar que se asigna una
variable de lectura para recibir cada uno de los métodos con el
motivo de obviar el llamado a la misma función en caso que se
la necesite más de una vez.
3) Configuración de interfaz y comunicación:
El objetivo de la interfaz es ofrecer comunicación entre el
sistema y el ser humano, proporcionando interacción de
eventos táctiles para la operación. La configuración de la
comunicación se realiza entre placas de manera inalámbrica.
4) Montaje del módulo de adquisición de datos:
Se opta por una arquitectura de comunicación centralizada
en donde el dispositivo central es una placa en lugar de un
computador. La placa brinda las características necesarias para
cumplir con la garantía el funcionamiento del sistema. Se
disponen de dos placas la central o “receptora” y la del sensor
o “emisor. Como dispositivo acoplable se ha seleccionado un
módulo Xbee Shield que se instala directamente en la placa
servidor, la que posee conexión inalámbrica con la placa
principal, y esta a su vez conectada a la PC mediante un cable
USB, permite la comunicación de cualquier dispositivo
enlazado a la red local del módulo.
5) Funcionamiento
La comunicación en el sistema está basada en una
arquitectura centralizada, las órdenes pasan constantemente
por el servidor aunque no están destinadas a él. El receptor
recibe y ejecuta el evento salirDeModulo que apaga todos los
sensores del data center y además actúa de servidor; es decir,
transporta los datos destinados al módulo receptor y presenta
la información al usuario ya sea por el software de
programación o por una TFT. El bucle principal del recibidor
busca mensajes por el puerto serial conectado al computador,
y mediante el puerto del sensor obtiene las respuestas. El
emisor puede encender o apagar el sensor, leer la temperatura
y la humedad. El código del emisor consiste en la lectura del
puerto serial, actuando y enviando una respuesta de
confirmación hacia receptor.
A continuación, la Fig.6 muestra la pantalla del menú inicial
del módulo de adquisición de datos.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
34
4
E. Validación de Información del Módulo de Adquisición de
Datos
La Tabla II muestra la comparación entre los valores
obtenidos por el módulo de adquisición de datos, la
información del panel certificado de la unidad de aire
acondicionado y el software de simulación FlowSimulation;
donde se verifica que no existe una fluctuación mayor al
±2.5°C ni ±10%HR entre las tres mediciones, consiguiendo de
esta manera datos válidos para el presente estudio como señala
la normativa ASHRAE. La Figura 7 muestra los resultados de
la simulación en el software FlowSimulation.
Fig. 6. Panel de Inicio - Módulo de Adquisición de Datos
Figura 7 Valores obtenidos por el software de simulación FlowSimulation
TABLA II
COMPARACIÓN ENTRE LOS DATOS OBTENIDOS POR EL MÓDULO DE
ADQUISICIÓN DE DATOS, EL PANEL DEL AIRE ACONDICIONADO
Y LA SIMULACIÓN CON FLOW SIMULATION
Módulo de
Panel Aire
Simulación en
Adquisición de
Datos
Acondicionado
FlowSimulation
datos
Temperatura
23.0 °C
20.8 °C
21.3 °C
Humedad
50.0% HR
43.1 % HR
49.0 % HR
Variación
2.2°C - 6.9%HR
0.5°C - 5%HR
0.5°C - 5.9%HR
IV. MODELACIÓN Y SIMULACIÓN
En esta sección se abordan las condiciones del modelado
para la simulación del data center, tomando en cuenta los
datos recopilados de fuentes bibliográficas de reportes diarios
realizados por operadores locales, así también la información
de sensores de humedad y temperatura encargados del
monitoreo de los equipos alojados en la sala.
A. Herramientas Utilizadas para el Análisis y Simulación
1) SolidWorks:
Es un programa de diseño mecánico en 3D que posee un
ambiente gráfico de fácil manejo, con la finalidad de creación
de ideas de una manera ágil y efectiva. Este software está
compuesto por múltiples funciones avanzadas las que ayudan
al modelado de piezas, desarrollo de ensamblajes, generación
de planos y demás funciones que gestionan, validan,
comunican trabajos de manera fiable admitiendo diversos
complementos de diseño y análisis.
2) SolidWorks FlowSimulation:
Es una herramienta robusta de ingeniería que está ligada
con el software de CAD 3D de SolidWorks, facilita el
modelado y la simulación de fenómenos dinámicos de fluidos
computacionales (CFD), como flujos de fluido, transferencia
de calor y fuerzas de fluidos que son importantes para el
desarrollo de un óptimo diseño mecánico.
B. Esquema de Distribución de Dispositivos en el Data
Center
El data center se divide en 4 zonas para facilitar la
recepción datos emitidos por los sensores, permitiendo de esta
manera adquirir los datos de temperatura y humedad de los
pasillos fríos y calientes de una forma sencilla como se
muestra a continuación en la Fig. 8.
C. Diseño de la Redistribución de los Equipos
1) Problemas actuales en el data center:
Los equipos ubicados actualmente en el data center tienen
características delimitadas y están mal distribuidos (sin
normas/estándares) lo que obstaculiza el correcto
funcionamiento y mantenimiento; la temperatura y humedad
afectan drásticamente en la actividad y eficiencia de los
equipos. Los principales problemas que se presentan son el
cambio brusco de temperatura ya que los equipos de aire
acondicionado no son suficientes para disipar apropiadamente
la demanda de calor que se produce en la sala, insuficiente
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escalabilidad en la infraestructura, costosos tiempos de
inactividad por mantenimientos no programados e incremento
de la demanda de servicios de data center.
Se propone una nueva distribución de todos los equipos que
se encuentran dentro de la sala del data center aplicando el
estándar TIA-942, con la finalidad de garantizar una
temperatura y humedad óptima para el funcionamiento de los
equipos ubicados en la habitación, así como también la
postulación a una certificación TIER aceptable.
2) Propuesta técnica de redistribución de equipos, red e
infraestructura:
Este proyecto pretende generar una solución end-to-end, es
decir, proporcionar una integración total de los equipos
propagando eficiencia en la ubicación final de los
5
componentes de infraestructura y red.
Pre-moving: Consiste en el levantamiento de información,
evidencia fotográfica y documentación para el reconocimiento
de todos los componentes. En esta etapa se realiza un
cronograma detallado de las consecuencias de la desconexión
y reconexión de los equipos considerando el downtime
(tiempo de inactividad) previamente establecido por el cliente.
Moving: En esta fase se realiza una limpieza, embalaje y
desembalaje de equipos sensibles por parte de especialistas en
Figura 8 Esquema de Distribución de Sensores de Temperatura – Humedad y Módulo de Adquisición de Datos en el data center de la Corporación CENACE.
desconexión industrial. Los equipos se desvinculan de acuerdo
a la planificación de pre-moving para luego ejecutar el poweron.
Post-moving: En esta etapa un técnico se encarga de la
vigilancia de imprevistos luego de la completa instalación y
reconexión de los componentes del data center.
D. Condiciones Iniciales para el Análisis y Simulación en
SolidWorks
El software Flow Simulation se utiliza para realizar la
simulación del sistema. Previamente se deben seleccionar las
condiciones iniciales que son relevantes para el estudio como
parámetros termodinámicos, velocidad de los parámetros
preestablecidos, parámetros de turbulencia, parámetros del
sólido y humedad relativa, el tipo de análisis, en este caso un
“análisis interno” debido a que el estudio está orientado al
comportamiento del interior de un data center. Se seleccionan
los factores físicos como conducción de temperatura en un
sólido y radiación, se define el tipo de fluido para el estudio,
considerando el tipo de comportamiento y la humedad
presente en el data center.
Adicionalmente se definen las características físicas que
poseen los sólidos albergados dentro del data center,
seleccionando el material de la estructura de los rack (acero
inoxidable AISI 403) y concreto con capa de pintura para las
paredes, se preestablecen las condiciones internas y que están
en contacto con el fluido, se selecciona una “pared adiabática”
ya que no produce un intercambio de calor con el exterior.
Finalmente se indica la cantidad de iteraciones en la
simulación para efectuar el mallado de los componentes a ser
analizados, después de realizar el estudio de convergencia con
diferentes niveles de mallado se considera un valor válido un
mallado estándar nivel 3.
E. Proceso inicial de Análisis y Simulación en SolidWorks
Una vez realizados los planos y el levantamiento de
información en el software Flow Simulation se obtienen los
datos mostrados en la Tabla III.
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TABLA III
VOLÚMENES EN EL DATA CENTER
Sectores del Data Center
Temperatura Máxima de Aire
Volumen
Volumen de la habitación y equipos
215.10
Volumen interno de fluido de aire en la habitación
180.48 𝒎𝒎𝟑𝟑
Volumen del ocupado por los equipos
𝒎𝒎𝟑𝟑
34.61 𝒎𝒎𝟑𝟑
Mediante el uso del software Flow Simulation, SOLVER
genera los datos sobre el comportamiento del aire y la
temperatura para una humedad relativa de 50%HR en el data
center mostrados en la Tabla IV.
TABLA IV
DATOS DE SOLVER SOLIDWORKS SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL AIRE Y
TEMPERATURA A UNA HUMEDAD DE 50% HR
Parámetro
Valor
Promedio de Flujo de Calor
Promedio de Flujo Aire
Flujo Máximo de Calor
Temperatura Máximo de Aire
Flujo Mínimo de Calor
2.12308 W/𝒎𝒎𝟐𝟐
3.86453°C
861.407 W/𝒎𝒎𝟐𝟐
6.02378°C
286.952 W/𝒎𝒎ȁ𝟐𝟐
36
6
7.4354°C
1) Temperatura del data center: estado inicial
Se puede visualizar en la Fig. 9 una acumulación de calor
en la zona inferior derecha alcanzando una temperatura de
28.5°C, la Fig. 10 muestra temperaturas elevadas en la zona
inferior derecha, la Fig. 11 permite detectar con precisión el
exacto punto crítico en la habitación. Estos resultados
muestran la inadecuada disposición de los racks y equipos en
el data center ya que no se encuentran dentro de las normas de
diseño. La identificación de los puntos críticos permite dirigir
las soluciones para disminuir la temperatura de la habitación.
2) Flujo de corrientes en el data center: estado inicial
La Figura 12 muestra el análisis del flujo de corrientes de
aire, revela un mayor flujo de aire en la parte izquierda del
data center permitiendo mejor refrigeración y justifica el
incremento de temperatura en el lado derecho. Se verifica la
existencia de la norma de pasillo frío y pasillo caliente, pero
con inconvenientes de acumulación de aire caliente en una
zona específica como muestra la Fig. 13, teniendo una
temperatura del aire de 24.5°C, lo cual no es recomendable
para el óptimo funcionamiento de un data center.
Fig. 9. Análisis de temperatura de los puntos críticos de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista frontal
Fig. 10. Análisis de temperatura de los puntos críticos de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista lateral
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7
Figura 11 Análisis de temperatura de los puntos críticos de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista superior
Fig. 12. Análisis de flujo de fluidos, comportamiento del aire dentro del data center de la Corporación CENACE, vista frontal
Fig. 13. Análisis de flujo de fluidos, comportamiento del aire dentro del data center de la Corporación CENACE, vista superior
Los datos obtenidos en la simulación fueron verificados
mediantes la toma de muestras y recopilación de datos en sitio.
F. Proceso Final de Análisis y Simulación en SolidWorks
Se realiza un rediseño de la ubicación de los equipos en el
data center y mediante el software Flow Simulation se
obtienen los datos mostrados en la Tabla V.
TABLA V
VOLÚMENES EN EL DATA CENTER – REDISEÑO.
Sectores del Data Center
Volumen de la habitación y equipos
Volumen interno de fluido de aire en la habitación
Volumen del ocupado por los equipos
Volumen
280.08 𝒎𝒎𝟑𝟑
172.97 𝒎𝒎𝟑𝟑
74.18 𝒎𝒎𝟑𝟑
La Tabla VI muestra los valores obtenidos luego del análisis
de comportamiento de aire y temperatura para una humedad
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relativa de 50%HR con el diseño.
1) Temperatura del data center: estado final
Las Figuras 14, 15 y 16 muestran la disminución de puntos
críticos, de esta manera se obtiene una mejor refrigeración y
disipación del flujo de calor dentro del data center, asegurando
temperaturas no superiores a 21.3°C. Se puede notar una
temperatura de flujo de aire admisible para el óptimo
funcionamiento de los equipos, eliminando de esta manera
varios puntos de temperatura elevada que se mostraban antes
de la simulación; con este diseño se cumple lo establecido por
las normas ASHRAE.
TABLA VI
DATOS DE SOLVER SOLIDWORKS SOBRE EL COMPORTAMIENTO DEL AIRE Y
TEMPERATURA A UNA HUMEDAD DE 50% HR – REDISEÑO.
Parámetro
Promedio de Flujo de Calor
Promedio de Flujo Aire
Flujo Máximo de Calor
Temperatura Máximo de Aire
Flujo Mínimo de Calor
Temperatura Máxima de Aire
Valor
0.00388466 W/𝒎𝒎𝟐𝟐
1.27351°C
38
8
2) Flujo de corrientes en el data center: estado final
Se puede observar en la Fig. 17 una notable mejoría del
funcionamiento del data center de la Corporación CENACE
debido a la redistribución de equipos e implementación de 2
unidades de del aire acondicionado que se encargan de enfriar
los puntos críticos donde antes se generaban conflictos de
aumento de temperatura, abasteciendo de esta manera el aire
frio necesario para la operatividad del centro, cumpliendo con
la norma TIA-942 (“pasillo caliente/pasillo frío”). En la Figura
18 se puede divisar claramente una mejora en el aumento de
flujo de aire en todo el data center de la Corporación
CENACE, con el aumento de mayor distribución de aire frío
(refrigeración) a lugares donde antes no llegaban el aire,
garantizando de esta forma mantener una correcta temperatura
de funcionamiento para los equipos a una temperatura que
oscila entre los 21.3°C, como es certificado por la norma
ASHARE.
0.0390786 W/𝒎𝒎𝟐𝟐
3.7315°C
0.392588 W/𝒎𝒎𝟐𝟐
1.39456°C
Figura 14 Análisis de temperatura, reducción de puntos críticos y una mejor disipación de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista frontal
Figura 15 Análisis de temperatura, reducción de puntos críticos y una mejor disipación de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista lateral
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Figura 16 Análisis de temperatura, reducción de puntos críticos y una mejor disipación de calor en el data center de la Corporación CENACE, vista superior
Figura 17 Análisis de flujo de fluidos, mejor comportamiento del aire dentro del data center de la Corporación CENACE, vista frontal
Figura 18 Análisis de flujo de fluidos, mejor comportamiento del aire dentro del data center de la Corporación CENACE, vista superior
9
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V. ANÁLISIS DE RESULTADOS
Una vez finalizada la comparación del Inicio vs. Final del
estudio, análisis y simulación, se alcanzan varios resultados:
Temperatura de aire: Se mejoró la capacidad de
refrigeración necesaria mediante una nueva distribución de los
equipos, aprovechando los beneficios del ambiente exterior
(Free Cooling), consiguiendo una temperatura máxima de
21.3°C.
Contaminación del aire: Se mejoró el aire apto para respirar,
mediante filtros de mayor calidad y capacidad, para disminuir
impurezas como polvo y residuos de contaminación, como
muestra el índice metropolitano de calidad del aire IMECA,
con un valor de 90 ubicándose en el rango de 0 – 100, con una
calidad de aire satisfactoria.
Humedad: Se reduce la humedad, evitando condensación,
humedad relativa baja y aparición de corrientes estáticas. Se
mantiene un rango de humedad entre 45% - 50% HR,
(máximo valor admisible 60% HR de acuerdo a la norma
ASHRAE).
TABLA VII
COMPARACIÓN DEL REPORTE MENSUAL DE DATA CENTER CORPORACIÓN CENACE EN EL ÁREA DE SERVIDORES,
PREVIO Y POSTERIOR DE LA REDISTRIBUCIÓN DE EQUIPOS
Iluminación
Aire Acondicionado
Sistema Contra
Incendios AFP-200
Comunicaciones
Descripción
Lámparas Fluorescentes
Lámparas de emergencia
Unidad 1
Unidad 2
Trasvase 1
Trasvase 2
Unidad 3
Unidad 4
Panel AFP-200
RED-04
10
Errores humanos: Se implementó un control de acceso de
personal no autorizado.
Suministro eléctrico: Se ha podido implementar mejores
equipos de climatización para posteriores certificaciones
(TIER IV).
Mantenimiento: Se establecen mantenimientos preventivos
y correctivos para reducir riesgos técnicos y gastos no
programados.
Reducción de presupuesto: Se ha logrado minimizar el
costo asignado a mantenimiento, y optimizar el proceso de
mantenimiento disminuyendo el riesgo de fallos en el sistema.
Crecimiento excesivo: Se ha podido ejecutar una
ampliación de infraestructura con condiciones de seguridad
óptimas, rebajando la carga operativa del data center.
La Figura 19 muestra los resultados del análisis de flujo de
fluidos y temperatura posteriores a la redistribución de
equipos del data center de la Corporación CENACE.
Adicionalmente se realiza un reporte mensual de operación
del Data Center, en la Tabla VII se muestra la comparación
entre los valores previos y posteriores a la redistribución de
equipos.
Figura 19 Resultados del análisis de flujo de fluidos y temperatura posteriores a la redistribución de equipos del data center de la Corporación CENACE.
SISTEMAS/ EQUIPOS
40
Condiciones Operativas
Previas
Posteriores
OK
OK
OK
OK
24.1°C, 49% H
20.1°C, 49% H
27.9°C, 49,01% H
21.2°C, 49,01% H
ON
ON
ON
ON
19,9°C - 46,6%
19,9°C - 46,6%
25,1°C - 47,1%
19,9°C - 47,1%
OK
OK
Condiciones ambientales en el
interior del gabinete: max:
24.5°C, 51% Hr, min: 18°C, 31%
Hr, promedio: 20.4°C, 44% Hr
Condiciones ambientales en
el interior del gabinete: max:
24°C, 51% Hr, min: 18°C,
31% Hr, promedio: 20°C,
44% Hr
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VI. CONCLUSIONES
Se obtiene una considerable mejora del
funcionamiento de los equipos ubicados dentro
del data center, se implementan dos unidades de
aire acondicionado para una mejor distribución de
aire frío y disipación de calor acumulado en zonas
críticas, posterior al análisis y la simulación
consiguiendo
una
configuración
(“pasillo
caliente/pasillo frío”) certificada por las normas
ASHRAE. También se ha podido generar una
temperatura y humedad de 21.3°C y 50% HR
respectivamente, obteniendo una óptima y
continua operatividad del data center.
La implementación de un módulo de
adquisición de datos añade un dispositivo capaz
de almacenar importante información de
temperatura y humedad, que es usado como
respaldo de información para el data center de la
Corporación CENACE para futuras mejoras
tecnológicas.
El modelado y la simulación están definidos por
el nivel de accesibilidad y tipo de aplicación que
posee el producto resultante del estudio, siendo
estos dos los puntales primordiales para el diseño
de ingeniería de vanguardia convirtiéndose en una
acertada opción para las empresas que optan por
poseer un alto grado de competitividad y
certificación en la industria a nivel mundial.
REFERENCIAS
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L. Angel, HVAC Design Sourcebook. EE.UU: Mc
GrawHill, 2012.
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Electric, Ag. 19, 2011. [En línea]. Disponible:
http://www.schneider-electric.com.co/documents/
eventos/memorias-jornadas-tecnicas-ecoestruxure/DataCenter-Eficiente/Data-Center-Eficiente.pdf
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http://www.aclimat.es/work/tref/. Acceso: Sept. 01, 2015.
APC by Schneider, Ecuador, “PDRPPNX10-M,”
Disponible:
http://www.apc.com/shop/ec/ls/products/
InfraStruxure-PDU-40kW-208V-208V-TransformerlessW-MBP/P-PDRPPNX10-M. Acceso: Sept. 01, 2015.
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http://www.apc.com/shop/ec/ls/products/Unidad-PDUInfraStruxure-de-60-kW-208-V-208-V/P-PD60F6FK1.
Acceso: Sept. 01, 2015
11
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[7] M. Cerrolaza, El Método de los Elementos Finitos.
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[8] A. Crespo, Mecánica de Fluidos. España: Paraninfo,
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SolidWorks Simulation 2013, Coquitlam, Canadá: CYRA
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Fundamentals to Applied Design. New York, EE.UU:
Springer Science & Business Media, 2013.
[12] S. Gómez. SolidWorks Simulation®. España: Alfaomega,
2010.
[6]
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and construction of a bottle semi-automatic washing
industrial system for the company Logichem Solutions S. A.
Diseño y construcción de un sistema industrial semiautomático de
lavado de botellones de agua en la empresa Logichem Solutions
S. A.
Carlos Bedón1*, Xavier Sánchez1
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Autor principal/Corresponding author, e-mail: f. [email protected]
1
*
Recepción:01/02/2016
24/02/2016
Recepción:
Aceptación:02/05/2016
01/02/2016
Aceptación:
Abstract: This project presents the construction of bottle semi-automatic washing system for the company Logichem Solutions S.A., so it is
conceived and implemented the structure of the machine; also it includes the design and selection of materials for the mechanics, the design and
implementation of the manual and automatic systems for safety, the design and implementation of electric and electronic systems, and the
performance tests and results are analyzed using control charts.
Keywords—Semiautomatic, bottles, structure, control charts, bottle washing, PLC, mechanism, process, functionality tests.
Resumen: Este proyecto presenta la construcción del sistema semiautomático de lavado de botellones para la empresa Logichem Solutions S.
A., por lo que se diseña e implementa la estructura de la máquina; el dimensionamiento y selección de materiales para la parte mecánica, el diseño
e implementación de un sistema de seguridad manual y automático, el diseño e implementación del sistema eléctrico y electrónico, y se analizan
las pruebas de funcionamiento y los resultados utilizando cartas de control.
Palabras clave— Robusto, semiautomático, botellones, estructura, cartas de control, lavado, PLC, mecanismos, proceso, pruebas de
funcionamiento.
I. INTRODUCCIÓN
La empresa Logichem Solutions S. A. ubicada en QuitoEcuador ha emprendido la construcción de su planta envasadora
de agua de marca Iridium Blue. Una de las características
principales de la empresa es garantizar agua programada con
envases totalmente esterilizados. Para esto, el proceso de lavado
de los botellones de agua es parte fundamental en los estándares
de calidad de la empresa. Existen 5 etapas fundamentales en el
lavado del botellón que son el lavado exterior, el lavado a
chorro, la desinfección con Peróxido de Hidrógeno, el preenjagüe y el enjagüe final.
La empresa requiere un sistema de lavado que realice la
segunda etapa del proceso (lavado a chorro) y cumpla con los
estándares de la empresa matriz localizada en Estados Unidos.
Para que el proceso de lavado a chorro cumpla con los
estándares se necesita que el botellón sea lavado por un tiempo
mínimo de 1 minuto 45 segundos con agua caliente,
desinfectante biodegradable y una presión promedio de 1000
psi.
II. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL SISTEMA
A. Componentes del Proyecto
Los materiales y mecanismos esenciales para la realización
de este prototipo son:
1) Máquina de lavado a chorro
La máquina de limpieza a chorro es una máquina utilizada
para limpiar, despintar y hacer mantenimientos de limpieza por
medio de agua a altas presiones, cuya característica principal es
usar un chorro pequeño de agua a gran velocidad. Existen
diferentes tipos de máquinas las cuales varían en la presión de
salida, la temperatura del agua y el tiempo de trabajo, la
selección de la máquina depende de las necesidades del
proceso. Las características técnicas de la máquina de lavado a
chorro se muestran a continuación en la TABLA I.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LA MÁQUINA DE LAVADO A CHORRO.
MARCA: ALL AMERICAN MODELO: NH4030EBPA
CARACTERÍSTICAS
Discharge Volumen
Pump Head Pressure
Temperature Raise
Temperature Limit
VALORES
4 gal/m / 15,1 L/m
3000 psi / 207 bar
140ºF@4gal/m/60ºC@15,1L/m
210ºF / 99ºC
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Combustion Smoke
Carbon Monoxide Allowed
Draft/Stack Installation
Heat Input
#1 or #2 Smoke
0,01%
0,2" - 0,4" WC Reading
320,000BTU/Hr / 80,640 Kcal/Hr
2) Baliza
Una baliza es un dispositivo indicador para uno o varios
estados en un determinado proceso. Envía señales de
advertencia tanto luminosas como sonoras dependiendo del tipo
de baliza. El sistema usa una baliza de tres luces como se
muestra en la Fig. 1.
3) Autómata Programable o PLC
Las siglas en inglés significan Programable Logic
Controller, este es un sistema que se utiliza en la industria para
actividades de diferentes tipos como repetitivas, control,
monitoreo, automatización, etc. Es muy útil ya que tiene un
microprocesador que el usuario puede programar dependiendo
de sus necesidades, hacer modificaciones y es robusto en
ambientes industriales.
43
2
control como máquinas y sistemas eléctricos. Las ventajas que
presenta se relacionan con la alta capacidad de tolerancia de
variaciones de voltaje, protección contra sobrecorrientes sin
necesidad de añadir elementos adicionales y óptimo desempeño
a nivel industrial. El funcionamiento viene dado por una bobina
que es un electroimán que acciona los contactos, abriendo los
cerrados y cerrando los contactos abiertos. Cuando se
interrumpe el paso de corriente a la bobina los contactos
vuelven a su estado de reposo. En el proyecto se utilizan para
dos propósitos, interrumpir el paso de corriente hacia las
calderas cuando el botón de emergencia ha sido activado por el
operador y para la auto-desconexión cuando los sensores se
encuentren en un estado no permitido o peligroso. El contactor
utilizado se lo visualiza en la Fig. 3.
6) Botón de emergencia
El botón de emergencia es un botón diseñado para
interrumpir el paso de corriente en caso de una situación de
emergencia. Es de tipo normalmente abierto (NO) y tiene una
característica especial, no se puede desactivar pulsándolo de
nuevo, se debe girar el botón para que regrese a su estado
inicial. Se lo utiliza en distintas partes del sistema de lavado de
botellones, ya que al tener altas presiones es necesario tener un
freno de emergencia manual. Para este proyecto se encuentra en
3 lugares de la planta: el área de máquinas, el área de control
del PLC y el área de trabajo.
Fig. 1 Tipos de Baliza
4) Fin de Carrera
Estos son elementos eléctricos, mecánicos o neumáticos que
se encargan de enviar una señal para indicar que un proceso,
producto o acción se encuentra en determinada etapa. Para el
sistema de lavado se seleccionaron fines de carrera eléctricos ya
que estos se acoplan de manera eficiente y fácil al sistema de
control (PLC). El modelo a utilizar es el AH8169 como se
indica en la Fig. 2.
Fig. 2 Tipos de Fin de Carrera
5) Contactor
Es un dispositivo eléctrico que permite interrumpir el paso
de corriente para aplicaciones en elementos de potencia o de
Fig. 3 Contactor Normalmente Abierto 110V/25A
7) LogoSoft! Comfort
El programa LOGO!Soft ofrece una simulación en PC de un
LOGO! preparado. Con el software de programación los
programas de conmutación se pueden elaborar, ensayar,
modificar, archivar e imprimir directamente en el PC. Esta
elaboración offline del programa de conmutación aumenta
notablemente la facilidad de manejo del LOGO!, para lo que la
pantalla refleja una imagen del equipo a programar.
8) Motor de bloqueo central
Los motores de bloqueo central son motores de corriente
continua de 12 voltios. Este tipo de motores tienen dos
posiciones (abierto y cerrado). Están compuestos por un pin el
cual se mueve de forma horizontal hacia afuera para mantener
la posición de cerrado y se contrae para obtener la posición de
abierto. Si se lo adapta a un mecanismo pueden ser muy útiles
para diferentes propósitos. El objetivo de este motor es
controlar el pin de seguridad del volante, de manera que el
operario no pueda abrir el volante cuando el pin del motor se
encuentre en posición de bloqueo.
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3
9) Jets
Los Jets de marca Bolundi son aspersores de 360 grados los
cuales están diseñados para la limpieza de máquinas o
elementos en contornos cerrados. Tienen una presión máxima
de 2100 psi y un caudal de 15 L/min. En este proyecto se
utilizan para lavar la parte interna de los botellones a una
presión de 1000 psi.
10)
Puente H
El circuito de puente en H es aquel que utilizan los motores
de corriente continua para poder invertir el sentido de giro del
motor. Cuando el motor tiene dos estados (abierto-cerrado)
sirve para cambiar de estado al invertir la fuente de
alimentación.
Estos componentes y máquinas serán parte del sistema
semiautomático de lavado de botellones de agua, seleccionados
por sus especificaciones técnicas, forma de uso y seleccionadas
como la mejor alternativa.
B. Etapas de Construcción
Entre los procesos se encuentra: Sistema mecánico, sistema
electrónico y la programación y control. El diagrama de flujo
del proceso se lo visualiza en la Fig. 4.
1) Sistema eléctrico
El sistema eléctrico del proyecto está controlado por un PLC
Logo 230 RC de marca Siemens, el cual se encarga de obtener
las señales de los sensores de entrada, procesarlas y enviar las
órdenes o acciones de salida para los actuadores (Fig. 5).
Fig. 4 Diagrama de flujo del proceso de Lavado a Chorro
Fig. 5 Tablero de Control
El sistema de Paro de Emergencia está construido con el
objetivo de desconectar la máquina de lavado a chorro de forma
inmediata en cualquier caso de emergencia. En la Fig. 6 se
observa el esquema eléctrico del sistema de paro de
emergencia, se puede observar que los tres botones de
emergencia están dispuestos en serie, es decir ninguno debe
estar activado para el normal funcionamiento del sistema.
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MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
45
4
bloquea o habilita el giro del volante como se muestra en la Fig.
9.
Fig. 9 Mecanismo Bloqueo del volante
Fig. 6 Sistema de paro de emergencia
Brazo de seguridad para los botellones de agua. Este brazo
funciona con un fin de carrera que indica si el brazo se
encuentra colocado encima de los botellones como medida de
seguridad como se muestra en la Fig. 10.
2) Sistema mecánico
Estructura. La estructura es la encargada de soportar el peso
de todos los elementos del sistema como se muestra en la Fig.
7.
Fig. 10 Brazo de seguridad
Fig. 7 Estructura o bancada
Volante. El volante se acopla a la válvula de agua para
facilitar el trabajo del operario (Fig. 8).
Fig. 8 Volante de seguridad
Mecanismo de bloqueo del volante de la válvula de agua
como medida de seguridad. El mecanismo es sencillo, el motor
de bloqueo central abre o cierra un pin cilíndrico, el cual
3) Sistema de Control y Programación
Analiza la parte de control de la lavadora de botellones. Se
debe tomar en cuenta los estados lógicos de cada uno de los
sensores. Para el diseño del programa de control se utiliza el
software LogoSoft Confort, el cual ayuda en la simulación de
las pruebas de funcionamiento. Existen 32 estados posibles por
los sensores de entrada, 2 estados adicionales cuando se
encuentra en proceso de lavado y 8 estados de seguridad en la
parte del encendido del sistema.
El sistema de seguridad automático es parte del programa
de control tomando en cuenta los estados que puedan tener
riesgo para el operador.
Por medio del algebra de Boole, simulación y pruebas de
funcionamiento se realiza el programa final que controlará el
sistema de lavado de botellones. Las etapas principales del
sistema se las encuentra en la Tabla II.
TABLA II
ETAPAS PRINCIPALES DEL PROCESO DE LAVADO DE BOTELLONES.
PROCESO
ACCIÓN
ESTADO
Amarillo
Válvula cerrada
Preparación para lavado
Verde
Válvula abierta proceso de trabajo
Lavado
Rojo
Freno de Emergencia activado
Emergencia
III. CÁLCULOS Y RESULTADOS
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5
El sistema semiautomático de lavado de botellones debe ser
robusto y garantizar la seguridad del operario. Para esto se
realiza el análisis de rigidez la estructura y se determina la
fuerza de salida del agua hacia el botellón para saber si este
puede ser expulsado por el impacto.
A. Ecuaciones y Cálculos
Este cálculo se realiza con la finalidad de determinar el
perfil apropiado para la estructura. Primero se determina el
Momento Flector como se muestra en la Fig. 11.
Fig. 12 Deflexión máxima
Fig. 11 Momento Flector
La fuerza de salida del agua es 22,03N, el botellón no es
expulsado ya que las fuerzas son opuestas y se anulan entre sí
como muestra la Fig. 13.
Para determinar el perfil apropiado se utiliza la ecuación
(1).
M n
(1)
W 
SY
131,2[ Nm]  2
W
 8,46  10 7 [m3 ]  0,846cm 3
310  106 [ MPa ]
El valor obtenido del módulo de resistencia es 0,846 cm 3
con el cual mediante la tabla de perfiles de acero AISI 304 se
determina el perfil adecuado de 25 mm con 1.5 mm de espesor.
Para el cálculo de rigidez se realiza una simulación en
Solidworks obteniendo como resultado la deflexión máxima de
0.69 mm como se muestra en la Fig. 12.
El análisis de fluidos determina la fuerza de salida del agua.
Para realizar este cálculo se utiliza la ecuación (2) de Bernoulli.
1
1
1  V12  gh1  Pbomba  P2  V22  gh2  H perdidas(2)
2
2
Obteniendo como resultado la presión de salida del Jet igual
a 770 psi. Con este dato se obtiene la fuerza de salida mediante
la ecuación (3).
F
(3)
P
A
TABLA III
CARACTERÍSTICAS DE PERFILES CUADRADOS DE ACERO AISI 304
Fig. 13 Diagrama de fuerzas que interactúan con el botellón
IV. PRUEBAS Y RESULTADOS
Los resultados de las pruebas de funcionamiento fueron
evaluados tomando una muestra de 20 ciclos de lavado. Se
obtienen las cartas de control como se muestran en la Fig. 14 y
Fig. 15.
Cuando el valor de Cp es mayor a 1 indica que el proceso está
controlado, para este proceso CP = 1.38, Cpk muestra si el
proceso está centrado en el punto medio de las especificaciones.
El resultado indica que está controlado y no se encuentra
centrado, pero es un resultado esperado ya que el tiempo
depende del operario y es completamente aleatorio. El proceso
de lavado no exige un tiempo exacto para cada ciclo, pero si
requiere un tiempo mínimo y un tiempo máximo, como el
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
proceso se encuentra controlado en los tiempos determinados,
se concluye que el sistema de lavado de botellones cumple su
función de manera satisfactoria.
Fig. 14 Carta de control X media
Fig. 15 Carta de control Rango
Como se observa en las cartas de control el proceso se
encuentra bajo control, el tiempo entre ciclos siempre supera el
tiempo mínimo requerido. El resultado es bueno ya que la
alarma está cumpliendo la función de aviso de fin de proceso
de manera adecuada. Los tiempos de lavado de los botellones
son correctos y el trabajo del operario es satisfactorio. Este
análisis le permite a la empresa conocer el tiempo promedio
para un ciclo de lavado, monitorear el trabajo de las máquinas
y controlar el adecuado trabajo del operario.
V. CONCLUSIONES
Después de analizar las pruebas y resultados, se verificó el
correcto funcionamiento del sistema por medio de las Cartas de
Control. Para que un proceso esté controlado la Capacidad de
Proceso (CP) debe ser mayor a 1. El valor de CP obtenido en
este sistema es de 1.38 lo que garantiza la seguridad y fiabilidad
del sistema de lavado de botellones.
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MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Four degrees of freedom robot manipulator
Robot manipulador con cuatro grados de libertad
Esteban Montúfar1*, Juan Carlos Parra1, Carlos Muñoz1, Pedro Román1
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
*
Recepción:
Recepción:01/02/2016
24/02/2016
Aceptación:
Aceptación:02/05/2016
01/02/2016
Abstract: The kinematic analysis in a 4 degree-of-freedom manipulator robot for educational purpose is presented in this article. This study
includes forward and inverse kinematics. The simulation of mathematical model using MATLAB is performed as well as the verification of the
movements in the implemented robot.
Keywords— inverse kinematics, Denavit-Hartenberg (D-H), degree-of-freedom, Mobil Robot Programming Toolkit (MRPT)
jacobian, manipulator.
Resumen: En este artículo se presenta el análisis de la cinemática de un robot manipulador de 4 GDL (cuatro grados de libertad), para uso
didáctico. El estudio incluye la cinemática directa e inversa. Se realiza la simulación del modelo matemático del robot en MATHLAB y se
verifican los movimientos en el manipulador ensamblado.
Palabras clave— cinemática inversa; Denavit Hartenberg (D-H); Grados de libertad (GDL); Mobil Robot Programming Toolkit
(MRPT) Jacobiano; manipulador
I. INTRODUCCIÓN
La presente investigación detalla el análisis de un robot
manipulador con cuatro grados de libertad. El estudio se lo
realiza partiendo del planteamiento de la cinemática directa,
utilizando los parámetros de Denavit Hartenberg (D-H) para la
obtención de las ecuaciones que gobiernan el movimiento del
manipulador.
A continuación se obtienen las soluciones del
comportamiento del manipulador aplicando la cinemática
inversa, comparando los resultados obtenidos con la
cinemática directa y comprobándolos sobre el prototipo.
Finalmente se presentan las conclusiones y futuras
investigaciones a realizar sobre el tema.
II. ANÁLISIS DE CINEMÁTICA DIRECTA
A. Dimensionamiento del prototipo
Para realizar el diseño del prototipo, se consideran las
medidas de los diferentes elementos y componentes utilizados,
los cuales se detallan en la TABLA I, se replican los elementos y
sus ubicaciones mediante el software CAD (Computer-Aided
Design) para determinar las distancias existentes en el modelo
que serán trasladadas a la matriz D-H. La Fig. 1 muestra el
modelo en CAD.
La Fig. 2 muestra las dimensiones básicas del manipulador,
considerando las distancias desde el eje de referencia hasta
cada uno de los ejes, correspondientes a cada grado de libertad
considerado (GDL=4).
Fig. 1 CAD Manipulador con 4 GDL/Inventor 2012
TABLA I
COMPONENTES DEL MANIPULADOR
ELEMENTOS
Bracket en U
Bracket multifunción
Disco de aluminio para servo
Perno M3 x 6
Perno M3 x 8
Perno M3 x 10
CANTIDAD
3
3
4
12
6
15
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Tuerca M3
Pinza para servo MG995
Servo MG995 12Kg-cm
Motor a pasos NEMA 23 185oz-pulg
Módulo analógico digital V4 para Arduino UNO
Arduino UNO
Panel Perforado de plástico
Espaciador 8mm
9
1
4
1
1
1
1
2
49
2
Es importante mencionar que las transformaciones básicas
consisten en una sucesión de rotaciones y traslaciones que
permiten relacionar el sistema de referencia entre los
elementos i-1 e i. Las matrices se deben plantear en el orden
correcto ya que el producto de matrices no es conmutativo y
los resultados se distorsionan al no cumplir con la regla [2].
TABLA II
SÍMBOLOS PARA UNIONES Y CONEXIONES [1]
Fig. 2 Dimensiones básicas del manipulador
B. Cinemática Directa
La cinemática directa busca la posición y orientación del
efector final conociendo los ángulos de las articulaciones y las
distancias entre ellas. Para el modelamiento se utiliza un
sistema simplificado de símbolos para uniones y conexiones
(TABLA II). La Fig. 3 muestra el esquema del manipulador con
la aplicación del sistema simplificado que representa el
prototipo del robot manipulador (Fig. 4).
C. Parámetros de D-H
El primer paso consiste en la identificación de todos los
eslabones y articulaciones que contiene el robot manipulador
(Fig. 5). Para determinar mediante la simulación los
movimientos de cada eje de coordenadas, como se muestra en
la Fig. 6, se utiliza el software MRPT - Robotic Arm
Kinematic.
Los parámetros se describen a continuación:
- θi : Ángulo formado entre el Xi-1 a Xi sobre Zi.
- di : Distancia entre Xi-1 a Xi medida a lo largo de Zi.
- ai-1 : Distancia entre Zi-1 a Zi medida a lo largo de Xi-1.
- αi-1 : Ángulo formado entre Zi-1 a Zi sobre Xi-1.
Fig. 3 Esquema del manipulador según la convención de símbolos de la Tabla
II
3
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
matriz D-H, la cual relaciona los ejes de desplazamiento y
rotación para cada grado de libertad del manipulador.
TABLA III
MATRIZ DE D-H PARA EL ROBOT MANIPULADOR
ai-1
αi-1
ESLABÓN
θi
di
1
θ1
l1
0
0
2
θ2+π/2
0
e1
π/2
3
θ3+π/2
0
l2
0
4
θ4+π/2
l3
e3
π/2
La matriz homogénea que se obtiene para cada grado de
libertad se presenta a continuación:
Fig. 4 Prototipo del robot manipulador
C i

C  1S
i
i 1
 i
i A
 S i  1S i

0

 S i
C i  1C i
S i  1C i
0


 S i  1 dS i  1 (1)
 C i  1 dC i  1
0
0


1
Las matrices de transformación para cada eslabón a partir
de (1) son:
C1
 S
0
 1
1A
 0

 0
Fig. 5 Esquema de los ejes en cada articulación
Fig. 6 Simulación del robot manipulador con 4 GDL/MRPT
La TABLA III muestra el resultado del planteamiento de la
 S1
C1
0
0
0
0
1
0
0
0 
l1 

1
 

C  2   2 



1
0

A

2
 S     
2
 2


0



 S  2 
2

0


C  2 
2

0

e1 

1 0 
0 0

0 1 
 

C  2  3 

 


2

 3 
3 A  S
 2


0

0



 S   3 
2




C   3 

2
0
0

l2 

0 0

1 0

0 1 
 

C  2   4 

 
0
3

A

4
 

 S  2  4 

 
0



 S   4 
2


0


C  4 
2


0

e3 

 1 l3 

0 0

0 1
0
0
0
(2)
La matriz de transformación homogénea T, resulta al
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
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multiplicar cada una de las matrices obtenidas anteriormente,
dando como resultado la cinemática directa del manipulador
(ecuación 3).
 r11
r
T 10A21A32 A43A   21
 r31

0
r12
r13
r22
r32
0
r23
r33
0
r14 
r24 
r34 

1
(3)
 A *  A
1
2
1
1
0
1
1
1
2
1
0
1
1
* T  43A
(6)
De la ecuación (5) se obtienen 3 ecuaciones, las cuales son
utilizadas para encontrar los ángulos de las articulaciones,
estas se presentan a continuación:
px C  p y S1  0
Donde:
4
* T  32A43 A
 A  A *  A
2
3
51
(7)
r11  C1 C 2 C3 S 4   C4 S 1   C 1 S 2 S 3 S 4 
px C  p y S1  e1  e3C  2  3   l3 S  2   3   l2 S  2  (8)
r12  S 1 S  4   C1 C  2 C3 C  4   C1 C 4 S  2 S 3 
l1  p z  l2C 2   e3 S  2   3   l3C 2   3 
r13  S  2  3 C 1 
r14  C1 e1  e3C2  3   l3 S 2  3   l2 S  2 
r21  C1 C4   C2 C 3 S 1 S  4   S 1 S  2 S 3 S  4 
(9)
La formulación descrita constituye una serie de ecuaciones
trascendentales, su solución se consigue con ayuda de sistemas
computarizados involucrando métodos aproximados. En la
Fig. 7 se presenta la solución a las ecuaciones (8) y (9) que
contienen los ángulos θ2 y θ3. La solución presentada satisface
las dos ecuaciones simultáneamente.
r22  C  2 C3 C 4 S 1   C 1 S  4   C 4 S 1 S  2 S 3 
r23  S  2  3 S 1 
r24  S 1 e1  e3C 2  3   l3 S  2  3   l2 S  2 
r31  S  2  3 S  4 
r32  S  2  3 C  4 
r33  C  2  3 
r34  l1  l3C  2  3   e3 S  2  3   l2C  2 
(4)
III. ANÁLISIS DE CINEMÁTICA INVERSA
La cinemática inversa consiste en obtener los ángulos de
las articulaciones conociendo la posición del efector final, el
cual se obtiene conociendo las matrices de transformación de
la cinemática directa como muestran las ecuaciones (3) y (5).
 A
0
1
1
(5)
* T  21A32 A43 A
Resolviendo la ecuación (5),
C1
 S
 1
 0

 0
 S1
C1
Donde:
0
0
0
0
1
0
0  nx
0  n y
*
l1   n z
 
1  0
 A
1
0
1
ox
oy
oz
0
* T se tiene:
ax
ay
az
0
px 
p y 
pz 

1
Fig. 7 Solución aproximada de las ecuaciones trascendentales
Para optimizar los tiempos de solución se recurre a la
programación en MATLAB, con un sistema iterativo
representado por el diagrama de flujo de la Fig. 8.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
5
CINEMÁTICA INVERSA
Datos: e1 = 15mm, e3 = 45mm, l1 = 50mm, l2 = 100mm, l3 = 40mm
Ecuaciones:
PxCθ + PySθ1 = e1 – e3C(θ2 + θ3) + l3S(θ2 + θ3) – l2S(θ2)
PxCθ + PySθ1 = 0
l1 – pz = l2C(θ2) – e3S(θ2 + θ3) – l3C(θ2 + θ3)
N
1
2
3
4
5
Ángulos [rad] Valores del efector final
θ2
θ3
[mm]
[mm]
0
-0.0087
-29.6492
140.3912
0
0
-30.0000
140.0000
0
0.0087
-30.3473
139.6058
-1.5708
-0.0105
155.4690
44.5787
-1.5708
-0.0052
155.2351
44.7899
-1.5708
0
155.0000
45.0000
-1.5708
0.0052
154.7638
45.2088
-1.5708
0.0105
154.5266
45.4164
-1.5656
-0.0157
155.4677
45.1023
-1.5656
-0.0105
155.2337
45.3135
1.5656
0.0105
-124.7625
-44.6852
1.5656
0.0157
-124.5252
-44.8928
1.5708
-0.0105
-125.4690
-44.5787
1.5708
-0.0052
-125.2351
-447899
1.5708
0
-125.0000
-45.0000
1.5708
0.0052
-124.7638
-45.2088
1.5708
0.0105
-124.5266
-45.4164
-1.5708
-1.5708
160.0000
-40.0000
-1.5708
-1.5656
160.2088
-39.7638
-1.5708
-1.5603
160.4164
-39.5266
-.15708
1.5603
70.4213
40.4690
-1.5708
1.5656
70.2101
40.2351
-1.5708
1.5708
70.0000
40.0000
-1.5656
1.5708
69.7898
40.2874
Resultados
[rad]
θ1=0, θ2=0,
θ3=0
θ1=0,
θ2=-π/2,
θ3=0
θ1=0, θ2=π/2,
θ3=0
θ1=0,
θ2=-π/2,
θ3=-π/2
θ1=π/2,
θ2=-π/2,
θ3=π/2
Fig. 8 Diagrama de flujo de la evaluación de las ecuaciones
V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
IV. RESULTADOS
Una vez finalizado el estudio del robot manipulador con
cuatro grados de libertad se concluye que el análisis
matemático es fundamental para el correcto planteamiento de
los parámetros D-H, con el análisis de la cinemática directa e
inversa del robot se pueden crear aplicaciones prácticas para
estudiantes, cuyos resultados pueden simularse y ser
observados y comprobados en el robot manipulador
ensamblado.
TABLA IV
RESULTADOS CINEMÁTICA DIRECTA
CINEMÁTICA DIRECTA
Datos: e1 = 15mm, e3 = 45mm, l1 = 50mm, l2 = 100mm, l3 = 40mm
N
Pruebas
[rad]
x
[mm]
y
[mm]
z
[mm]
1
θ1=0, θ2=0,
θ3=0, θ4=0
e1 – e3
0
l1 + l2 + l3
2
θ1=0, θ2=0,
θ3=0, θ4=0
e1 + l 2 + l 3
0
e3 + l 1
3
θ1=0, θ2=π/2,
θ3=0, θ4=0
e1 - l 2 - l 3
0
l 1 - e3
4
θ1=0, θ2=-π/2,
θ3=-π/2, θ4=0
e1 + e3 + l 2
0
l1 – l3
5
θ1=π/2, θ2=-π/2,
θ3=π/2, θ4=0
0
e1 - e3 + l2
l1 + l3
Valores
[mm]
x=-30
y=0
z=190
x=155
y=0
z=95
x=-125
y=0
z=5
x=160
y=0
z=-10
x=0
y=70
z=90
La Tabla V muestra los resultados de la cinemática inversa
para los ángulos θ1, θ2, θ3 con los datos de e1, e3, l1, l2, l3.
TABLA V
RESULTADOS CINEMÁTICA INVERSA
En el futuro, se tiene planificado hacer el control del robot
para manipulación de objetos conociendo su posición.
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convention,” in ISR / Robotik, 2010.
[10] O. Hock, P. Drgoňa, M. Paškala “Simulation model of adjustable arm
using Denavit-Hartenberg parameters,” IEEE, 2014.
6
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Wireless energy transfer (WiTricity)
Transferencia inalámbrica de energía (WiTricity)
Jenny Cabascango1*, Verónica Grefa1, Ángel Enriquez1, Kurt Groener1
1
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
*
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: The generation, production and distribution of electric energy is a widely studied field, which has found some limitations and also
developed discussion about energy independence. As follow a review about the studies realized in wireless energy transfer based on magnetic
resonance and their applications is presented, as well as the implementation of an initial prototype with which the transfer principle is
experienced using the equations related with electromagnetism.
Keywords—Transfer, energy, WiTricity, magnetic resonance
Resumen: La generación, producción y distribución de la energía eléctrica es un campo de estudio muy amplio, el cual ha encontrado
algunas limitaciones y en otros casos ha iniciado la discusión sobre temas de soberanía energética. A continuación se ha realizado una
recopilación de las principales investigaciones en el tema de la transferencia inalámbrica de energía a partir del principio de resonancia
magnética y sus aplicaciones, así como la implementación de un prototipo inicial con el cual se experimenta este principio de transferencia,
aplicando cada una de las formulaciones matemáticas que rigen las leyes del electromagnetismo.
Palabras clave—Transferencia, energía, WiTricity, resonancia magnética
I. INTRODUCCIÓN
II. ESTADO DEL ARTE
El avance de la tecnología electrónica ha creado cierta
dependencia en los consumidores, desde equipos de sonido
hasta teléfonos inteligentes, los cuales requieren “enchufarse”
a la red eléctrica para ser utilizados. Esto ha ocasionado que
los cables de alimentación llenen cada vez el espacio y
generen no sólo problemas de incendios por el abuso de las
tomas de corriente, sino en la estética del lugar, que cada vez
busca menos “ataduras”.
Actualmente, por la proliferación de la tecnología sin cables
para las conexiones a internet como computadores (portátiles
o de mesa), tablets y teléfonos celulares, se han impulsado una
serie de investigaciones sobre el uso de transmisión
inalámbrica no sólo para los datos, sino también para la
transmisión de energía para proporcionar de alguna manera la
alimentación necesaria para recargar baterías o encender
directamente un dispositivo.
Pero, no solamente estas aplicaciones son analizadas por los
investigadores de grandes compañías que han enfocado sus
recursos, sino en el campo de la medicina. Ejemplo de ello son
las pruebas con marcapasos para “recargar” las baterías que
poseen, así como algunos otros implantes realizados en seres
humanos.
Existen cientos de estudios en los cuales se determinan las
formulaciones matemáticas del comportamiento de ciertos
elementos en el electromagnetismo.
Un ejemplo de ello son las investigaciones iniciales
plasmadas en patentes [1], cuyo esquema original se muestra
en la Fig. 1.
Fig. 1 Esquema de funcionamiento de un módulo transmisor inalámbrico de
energía para almacenar en una batería
III. DESARROLLO DEL PROTOTIPO
A. Formulación Matemática
El principio fundamental de la generación de campo
magnético en un conductor circular se muestra en la Fig. 2
donde se considera la distancia desde el centro de la espira
hacia un punto focal.
UIDE - 2016
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
55
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
2
Dado que para el caso específico de este proyecto, las
bobinas están paralelas entre sí, el ángulo (α) es cero, puesto
que el vector normal de área y el vector de campo magnético
son paralelos, simplificando la ecuación (4) se puede obtener la
fem inducida en función del campo magnético y del área de
sección transversal. En la ecuación (1), se conoce el campo
magnético de una espira circular, reemplazando la ecuación (1)
sobre la (4) y simplificando, se deduce la ecuación (5):
Fig. 2 Campo magnético generado por una espira circular a una distancia (r)
del centro de la espira
El campo magnético que genera la espira de la Fig. 2 a una
distancia constante (r) se determina con la ecuación (1):
B

U 0 INa 2
2 a2  r 2

3/ 2
(1)
Es fundamental tomar en consideración el principio de flujo
magnético, el mismo que es un resultado de un producto
escalar entre el campo magnético y el área de sección
transversal mediante la cual circulan las líneas de flujo
magnético. En la ecuación (2) se denota el producto escalar que
define el flujo magnético.
 B  AB cos 
(2)
Donde:
A
Área de sección transversal
B
Campo magnético
α
Ángulo comprendido entre el vector normal de área y
el vector de campo magnético
Este proyecto consiste en la transmisión de energía eléctrica
a través del aire; es decir, la inducción de una fuerza
electromotriz sobre un conductor cerrado. Una fuerza
electromotriz (fem) se define como cualquier efecto que
permita generar una diferencia de potencial entre dos puntos de
un circuito abierto [2]. Bajo este contexto, aplicando la
definición de fuerza electromotriz, se toma en consideración la
ley de Faraday, la misma que establece:
“La fem inducida en una espira cerrada es igual al negativo
de la tasa de cambio del flujo magnético a través de la espira
con respecto al tiempo.” [2]
Representando el postulado de la ley de Faraday
matemáticamente en la ecuación (3) se obtiene:
  N
d B
dt
(3)
  N
(I ) 
Vmáx
senwt 
R
di  w
(6)
Vmáx
cos wt dt
R
(7)
Donde (wt) es el ángulo de la onda, que puede también ser
representado por ሺѲሻ, donde ሺw) está definido por:
(8)
w  2f 0
Al reemplazar la derivada de la corriente respecto al tiempo
(7) sobre la ecuación (5) se obtiene:

0 a 2
 2r 2  a 2 3 / 2

   NA

 * w Vmáx cos 

R

(9)
Por definición la ley de ohm establece que la corriente es el
voltaje sobre la resistencia [2]; en la ecuación (9) la corriente es
aquella que circula a través de la bobina transmisora, por lo que
forma parte del campo magnético que esta genera, si se
agrupan los valores nuevamente, dentro de la ecuación (9), se
presenta la ecuación (1), por lo que al reemplazar se obtiene la
ecuación (10).
  WNAB0 cos 
(10)
Resumiendo, en la ecuación (10) los valores son:
Vo Voltaje que se induce en la bobina receptora
w
Pulsación de onda definida como 2πf, donde f es la
frecuencia de operación
N
Número de espiras en la bobina receptora
Bo
Campo magnético generado por la bobina trasmisora
Reemplazando la ecuación (2) en la ecuación (3), se deduce
la fem inducida en la ecuación (4).
A
(4)
(5)
La corriente sobre un conductor está representada en la
ecuación (6), al derivar se obtiene una ecuación (7) presentada
a continuación:
α
dAB cos 
dt




Sobre la ecuación (5), la única variable resulta ser la
corriente, la misma que varía en función del tiempo, e induce
una fuerza electromotriz.
Si únicamente se realiza el análisis de la fuerza
electromotriz inducida (ϵ) sobre una espira circular, en la
ecuación (3) se debe suprimir la constante (N), la misma que
representa el número de espiras por las que circula una tasa de
flujo magnético.
  N
 0 Ia 2
d 
dt  2r 2  a 2 3 / 2
Ángulo de la señal, es decir el ángulo formado entre el
vector normal de área y el vector de campo magnético
Área de sección transversal de la bobina receptora
Se considera que los materiales con los que se construyen
las bobinas no son ideales, razón por la cual, se considera un
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
factor de calidad en las bobinas, el cual puede ser aplicado
dentro de la ecuación (10).
(11)
  WNAQB0 cos 
Despejando el campo magnético (Bo) de la ecuación (11) e
igualando nuevamente a la ecuación (1) se puede despejar el
factor de calidad (Q) de las bobinas.
U 0 I tra N tra a 2

2 a2  r 2

3/ 2

V0
WN recQA cos 
(12)
De la ecuación (12) se despeja finalmente obteniendo:
Q


3/ 2
2V0 a 2  x 2
U 0 I tra N tra N recWAa 2 cos 
(13)
Se añaden sufijos a las variables para facilitar el
entendimiento de la ecuación. Para calcular el factor de calidad
inicialmente se debe calcular el campo magnético a una
determinada distancia bajo condiciones ideales, reemplazando
los valores de la Tabla I en la ecuación 10. Posteriormente es
preferible realizar una medición con una pinza amperimétrica
para determinar la corriente que circula a través de la bobina.
Una vez determinado este valor se reemplaza en la ecuación
(13) obteniendo un factor de calidad aproximado.
B. Determinación de elementos e implementación
Para este proyecto se escogieron los valores de la
La fórmula de autoinductancia viene dada por:
L
N B
NU 0 IA NU 0 A


I
I 2
2
(16)
Reemplazando los valores de la
Tabla I, se obtiene una inductancia para la bobina
transmisora de 9.14uH.
Para la bobina receptora, se reemplaza la ecuación (1) en la
(16), es decir, se calcula la inductancia de un solenoide a una
distancia (r), obteniendo:
L
N rec N traU 0 Ia 2 A

2I a 2  r 2
(17)

3/ 2
A través de la ecuación (17) se obtiene una inductancia para
la bobina receptora igual a 0.326uH.
Con la finalidad de lograr una mayor captación de señal, se
deben acoplar magnéticamente las bobinas, para que esto sea
posible, ambas bobinas deben estar bajo condiciones de
resonancia. Se afirma que las condiciones de resonancia
ideales, vienen dadas por la ecuación (18).
X C  X L  wL 
1
wC
(18)
Despejando el capacitor de la ecuación (19):
1
C 2
wC
Tabla I.
TABLA I
PARÁMETROS ESTABLECIDOS PARA EL CÁLCULO DEL FACTOR DE
3
(19)
Reemplazando los datos de la
CALIDAD DE LAS BOBINAS
PARÁMETRO
TÉRMINO
VALOR
Voltaje de salida
Separación entre bobinas
Área de la bobina trasmisora
Número de vueltas en la bobina receptora
Número vueltas trasmisora
Corriente que circula por la trasmisora
Frecuencia de trabajo
Vo
r
a
Nrec
Ntra
Itra
F
14 V
0.1 m
0.1543 m
100 vueltas
30 vueltas
1.65 A
20 kHz
Reemplazando estos valores en la ecuación (10), se obtiene
un campo magnético bajo condiciones ideales igual a 23.653
uW/m, y un factor de calidad igual a 6.19. Es decir el campo
magnético final es igual a:
B0 
B
 3.98uT
Q
(14)
Con todos los valores de campo magnético obtenidos, se
calcula la inductancia de las bobinas, para lo cual se debe
determina el campo magnético en el centro de la bobina
transmisora. Si en la Fig. 2, la distancia (r) se hace cero,
entonces la ecuación (1) se reduce a la siguiente expresión:
B
UoI
2
(15)
Tabla I, se determina un capacitor de resonancia para la
bobina transmisora igual a 6.9uF. Mientras que, en la bobina
receptora, el capacitor resulta ser de 194.4nF. Sin embargo, se
debe calcular aun la corriente que circula a través de la bobina
receptora, la misma que se puede calcular mediante la fórmula
de autoinductancia (16). Esta corriente es igual a 55.1mA.
Por lo tanto, en la
Tabla II se reflejan los parámetros calculados.
TABLA II
CÁLCULO DE LOS PARÁMETROS DE CONTRUCCIÓN
PARÁMETRO DE
CONSTRUCCIÓN
BOBINA
TRASMISORA
BOBINA
RECEPTORA
Inductancia
Corriente
Capacitor resonante
Resistencia
Campo Magnético
Factor de calidad
9.1462 µH
1.65 A
6.9237 µF
1.9 Ω
3.98 µT
6.19
0.326mH
55.1828mA
194.42nF
5.6 Ω
-
La onda de voltaje que se requiere para provocar la señal
con la frecuencia de resonancia es generada a partir de un
oscilador comercial como se muestra en la Fig. 3.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
57
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
4
Analizando la relación entre el voltaje inducido VRMS y la
separación X entre las bobinas (TABLA III), se observa que la
energía transmitida desciende con una tendencia polinómica.
Las Fig. 5, Fig. 6 y Fig. 7 muestran el análisis de tendencia
para una respuesta lineal, exponencial y polinómica,
respectivamente.
Fig. 3 Configuración del oscilador lineal controlado por voltaje – ICL8038
Para amplificar la potencia a transmitir se utiliza un
amplificador en configuración de puente como muestra la Fig.
4.
Fig. 5 Análisis de tendencia lineal entre el voltaje inducido y la distancia de
separación de las bobinas
Fig. 4 Amplificador de potencia TDA2030 -configuración puente
Finalmente, se rectifica la señal obtenida en el lado de la
bobina receptora y se utiliza un regulador de voltaje continuo
para utilizar cargas que requieran 5Vdc.
IV. PRUEBAS Y RESULTADOS
Fig. 6 Análisis de tendencia exponencial entre el voltaje inducido y la
distancia de separación de las bobinas
Las pruebas realizadas evidencian el funcionamiento del
dispositivo de transmisión inalámbrica de energía, con una
distancia máxima de funcionamiento de 40 cm, considerando
que el factor de calidad de la bobina es bajo de 6.19.
TABLA III
RESULTADOS OBTENIDOS DE VOLTAJE INDUCIDO PARA DIFERENTES
DISTANCIAS
DISTANCIA
VOLTAJE INDUCIDO
5cm
10cm
15cm
20cm
25cm
30cm
35cm
40cm
20.33 V
13.96 V
8.70 V
5.38 V
3.42 V
2.26 V
1.15 V
1.10 V
Fig. 7 Análisis de tendencia polinómica entre el voltaje inducido y la distancia
de separación de las bobinas
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
V. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
A partir de la elaboración del prototipo se busca establecer
nuevos trabajos de investigación, como el almacenamiento de
energía emitida por algunas fuentes en cierta franja del espectro
radioeléctrico [3].
La construcción del dispositivo arroja resultados favorables
con respecto a la transmisión inalámbrica de energía
permitiendo la carga de una batería de un dispositivo móvil de
3,7 V a una distancia de 20 cm.
VI. AGRADECIMIENTOS
Agradecimiento especial al Ing. Edgar Hidalgo quien ha
guiado en el transcurso del desarrollo del prototipo al equipo
participante.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
J.M. Fernandez, y J.A. Borras, “Contactless battery charger with
wireless control link,” U.S. Patent 6 184 651, Febrero 6, 2001.
C. Zhu, K. Liu, C. Yu, R. Ma, y H. Cheng, “Simulation and
Experimental Analysis on Wireless Energy Transfer Based on Magnetic
Resonances,” Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC
'08. IEEE, Harbin, China, Sept. 3-5, 2008, On page(s): 1 – 4.
X. Zhou, R. Zhang, y C. Keong, “Wireless Information and Power
Transfer: Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff,” Wireless
Global Communications Conference (GLOBECOM), 2012 IEEE,
Anaheim, CA, Dic. 3-7, 2012, On page(s): 3982 – 3987.
5
PAPER COMUNICACIÓN ORAL
1
SimMechanics Simulation of a 3 link vertical delta robot (Phase 1)
Modelamiento de un robot delta vertical de 3 eslabones en
SimMechanics (Fase 1)
José Beltrán1*
Escuela de Mecatrónica, Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, email: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: Delta robots have conquered the industry because of their advantages over the well-known Cartesian robots. One of their main
strengths are the operating speed, it makes them excellent classifiers and placed them in the crosshairs of modern industry. It will be built a
model of a delta's configuration parallel vertical robot with 3 links, in CAD software, SolidWorks punctually, and in SimMechanics, in order to
study their function, direct and inverse kinematics, volume and speed of work and their singularities. The main objective of the development of
this model is the generation of a design basis of delta robots that will simplify the design and construction of real prototypes.
Keywords—delta robot, SimMechanics, SolidWorks, singularity, forward and inverse kinematics
Resumen: Los robots de configuración delta han ido conquistando la industria gracias a sus ventajas sobre los ya bien conocidos robots
cartesianos. Uno de su fuertes principales son su velocidad de trabajo, lo que los hace excelentes clasificadores y los ha colocado en la mira de
la industria moderna. Se plantea modelar un robot de configuración delta paralelo vertical de 3 eslabones, tanto en software CAD,
puntualmente SolidWorks, cómo en SimMechanics, con el fin de estudiar su funcionamiento, cinemática directa e inversa, volumen y
velocidad de trabajo y singularidades. El objetivo principal del desarrollo de este modelo, es la generación de una base de diseño de robots
delta, misma que simplificará el diseño y la construcción de prototipos reales.
Palabras clave— robot delta, SimMechanics, SolidWorks, singularidad, cinemática inversa y directa
I. NOMENCLATURA
A
B
C
FK
IK
L
Eje A
Eje B
Eje C
Cinemática Directa (Del inglés Forward
Kinematics)
Cinemática Inversa (Del inglés Inverse
Kinematics)
II. INTRODUCCIÓN
a Robótica y Mecatrónica representan en la actualidad
campos de vertiginoso desarrollo, en gran medida se debe
al surgimiento de software libre, y a herramientas de
prototipado rápido, catalogadas como open hardware. Lo antes
ya mencionado más la potencia gráfica desarrollada por
software CAD nos lleva a un mundo donde todo se puede
proyectar y prototipar, antes de la misma construcción.
Las ventajas que proporciona el modelamiento son grandes,
ya que antes de la construcción real, eventualmente se podría
haber identificado posibles problemas por depurar, y tal vez
definir sus posibles soluciones.
Este proyecto se trata de una plataforma de diseño de robots
delta, misma que ayudará al cálculo de materiales necesarios
para la construcción, rangos de trabajo, velocidad de
operación, ángulos y zonas muertas en las llamadas
singularidades, de un robot delta. Esto simplificará la
construcción propiamente dicha de la máquina o prototipo.
III. DESCRIPCIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE UN ROBOT DE
CONFIGURACIÓN DELTA
Un robot delta de tres eslabones se caracteriza por el
movimiento de los mismos en tres planos perpendiculares a
una base y que forman ángulos de 60% entre sí, dichos
eslabones conectados a un efector final mediante uniones
esféricas (ball joint) permiten transformar el movimiento
angular o lineal, dependiendo del delta, en un movimiento
cartesiano en el efector final.
Uno de los robots delta más conocidos en la actualidad es el
FlexPicker de la empresa suiza de robótica ABB. Figura 1.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
PAPER COMUNICACIÓN ORAL
60
2
Fig. 1. FlexPicker, robot delta de la empresa ABB.
Fig. 3. Configuración básica de un robot delta vertical de 3 eslabones, Eje A,
B y C, vista superior.
Cabe recalcar que el robot a diseñar es de tipo doble base
con tres eslabones de configuración vertical, Figura 2.
B. Software
Para simular este prototipo se usó software CAD,
puntualmente SolidWorks, dicho programa permite no solo la
simulación geométrica, sino también la mecánica, posee
herramientas para el análisis de juntas y para pre visualización
física del modelo, es decir implementando constante
gravitacional, torque en actuadores, etc. Figura 4.
Fig. 4. Simulación geométrica de correderas de eje A, en SolidWorks
Fig. 2. Robot delta vertical, impresora 3D Kossel
A. Componentes estructurales básicos
El sistema cinemático de un robot delta se define de forma
principal pero no exclusiva, por:
 Sistema de Control.
 Sistema de motriz (motores).
 Ejes ubicados todos perpendiculares a la base, figura
3.
 Correderas
 Uniones esféricas o universales
 Efector final [1]
Una de las ventajas que llevaron a elegir dicho software es
la del diseño por ecuaciones, esta tendencia del diseño, es muy
práctica para nuestro fin, ya que prácticamente todas las piezas
pueden cambiar de escala, de darse el requerimiento.
Para el diseño del modelo matemático se usa la herramienta
SimMechanics, SimScape Multibody SimMechanics es una
librería de Simulink de MatLab, provee una simulación de
multicuerpo en un entorno 3D de cualquier sistema mecánico,
robot o equipo, simplificando los entes mecánicos a bloques
representativos, tales como: cuerpos, juntas, elementos de
fuerza, sensores, etc. SimMechanics resuelve a su vez
ecuaciones de movimiento, lo que permite implementar
controles PID de posición, velocidad y aceleración.
PAPER COMUNICACIÓN ORAL
Una de las características principales de esta biblioteca es la
posibilidad de importar modelos CAD desde formatos XML,
con las características de cada bloque, como inercia, posición
en el espacio, conexión en la cadena cinemática y
características propias del material. [2]
IV. PRUEBAS Y RESULTADOS
Una vez modelado el prototipo en CAD (figura 5), se ha
comprobado la resistencia estructural del diseño, la masa
aproximada, volumen, área de trabajo, etc. Usando el paquete
de herramientas de cálculos físicos que brinda SolidWorks.
Dicha información se presenta a continuación:
Propiedades de masa de delta 001
Configuración: Predeterminado
Sistema de coordenadas: -predeterminado -Masa = 7134.95 gramos
Volumen = 3304549.77 milímetros cúbicos
Área de superficie = 851914.92 milímetros
cuadrados
Centro de masa: (milímetros)
X = -357.35
Y = -22.60
Z = -430.70
Ejes principales de inercia y momentos
principales de inercia: (gramos * milímetros
cuadrados)
Medido desde el centro de masa.
Ix = (0.00, 0.00, 1.00)
Px =
187743059.82
Iy = (-0.65, -0.76, 0.00)
Py =
602950620.20
Iz = (0.76, -0.65, 0.00)
Pz =
602974549.93
Momentos de inercia: (gramos * milímetros
cuadrados)
Obtenidos en el centro de masa y alineados
con el sistema de coordenadas de resultados.
Lxx = 602964324.03
Lxy =
11627.68
Lxz = 138779.19
Lyx = 11627.68
Lyy =
602959909.10
Lyz = -608119.09
Lzx = 138779.19
Lzy = 608119.09
Lzz = 187743996.83
Momentos de inercia: (gramos * milímetros
cuadrados)
Medido desde el sistema de coordenadas de
salida.
Ixx = 1930129691.98
Ixy =
57633199.77
Ixz = 1098263976.54
Iyx = 57633199.77
Iyy =
2837595303.91
Iyz = 68840585.76
Izx = 1098263976.54
Izy =
68840585.76
Izz = 1102502343.03
Fig. 5. Modelo terminado del robot delta vertical de 3 eslabones
3
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
PAPER COMUNICACIÓN ORAL
62
4
El archivo XML muestra una cantidad de datos muy amplia,
que tiene que ser depurada, se comprueba cada una las juntas,
cada uno de los subsistemas, y se lo organiza de una forma
más lógica y esquemática. En la figura 8 se muestra el sistema
de ejes – corredera, después de la clasificación de bloques y la
creación de sub - bloques.
Fig. 8. Sub-bloque ejes de corredera, basado en ejemplos de la librería de
SimMechanics
Fig. 6. Modelo terminado del robot delta vertical de 3 eslabones
El modelo, con la ayuda del paquete SimScape Multibody
SimMechanics Link 1st & 2nd Generation para SolidWorks,
se exportó a un archivo de XML, mismo archivo que fue
importado en MatLab. Parte de esos resultados se visualizan
en la figura 6, el modelo sin simplificar es bastante complejo y
extenso, por dicha razón se muestra un fragmento.
Fig. 7. Fragmento del modelo matemático del robot delta en SimMechanics
First Generation.
Fig. 9. Primer boceto del modelo matemático del robot delta en
SimMechanics
PAPER COMUNICACIÓN ORAL
V. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
Al concluir la primera fase de esta investigación, se
pudieron evidenciar problemas en las juntas esféricas, ya que
son especialmente ellas quienes definen el espacio de trabajo
del robot. Las características lineales del modelo se cumplen,
es decir las soluciones de las simulaciones convergen, por
tanto teóricamente se podría pasar a la construcción y corte de
piezas.
En cuanto a trabajos futuros, se asignará los debidos torques
a los motores y se implementará un control PID en el modelo.
VI. AGRADECIMIENTOS
Agradecimiento a todo el personal docente y administrativo
de la UIDE por permitir el desarrollo de esta investigación, y
por la ayuda brindada.
REFERENCIAS
[1] F. Reyes Cortés, “Matlab Aplicado a Robótica y
Mecatrónica”, México: AlfaOmega, 2012.
[2] M. Pérez, E. Cuevas y D. Zaldívar, “Fundamentos de
Robótica y Mecatrónica con Matlab y Simulink”., México:
AlfaOmega, 2015.
5
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Numerical retrospective of Cotopaxi Volcano
Retrospectiva Numérica del Volcán Cotopaxi
Richard M.Bernis1*
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
*
Recepción:01/02/2016
24/02/2016
Recepción:
Aceptación:02/05/2016
01/02/2016
Aceptación:
Abstract: This paper presents a numerical retrospective of the results of the computational processing applied to records related variables
and related to the reactivation of the Cotopaxi volcano, the reference point is constituted by the database issued, monitored and certified daily
by the Geophysical Institute of the National Polytechnic School, the evaluation period comprising the months of July to December 2015, the
variables considered are: number of explosions, emissions of SO2, tectonic volcano events, episodes of tremor, events long period, hybrid
events. The analysis of the variables are made in quantitatively and qualitatively, the results generated are the result of numerical computational
process using mathematical software; this allows identify, compare and validate a numerical analysis procedure compared to a conventional
process descriptive statistics.
Keywords—Numerical analysis, Statistics, Events Volcano Tectonic (VT), Events Hybrid (HB), Events Long Period (LP), Tremor
Episodes Emission (TE), Burst (EXP), Types of gases, Ash height.
Resumen: Este artículo presenta una retrospectiva numérica de los resultados obtenidos en el procesamiento computacional aplicado sobre
los registros de variables vinculadas y relacionadas con la reactivación del volcán Cotopaxi, el punto de referencia está constituido por la base
de datos emitida, monitoreada, y certificada diariamente por el Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional, el período de evaluación
comprenden los meses de julio a diciembre del 2015, las variables consideradas son: número de explosiones, emisiones de SO2, eventos
vulcano tectónicos, episodios de tremor, eventos de largo periodo, eventos híbridos. El análisis de las variables se efectúan en forma
cuantitativa y cualitativa, los resultados generados son consecuencia del proceso numérico computacional utilizando software matemático; esto
permite determinar, comparar y validar un procedimiento de análisis numérico respecto a un proceso convencional de estadística descriptiva.
Palabras clave—Análisis numérico, Estadística, Eventos Vulcano Tectónicos (VT), Eventos Híbridos (HB), Eventos de Largo Periodo
(LP), Episodios de Tremor de Emisión (TE), Explosión (EXP), Tipos de Gases, Altura de la ceniza.
I. INTRODUCCIÓN
En este documento se efectúa una retrospectiva numérica de
la actividad presentada por el volcán Cotopaxi, el cual es
considerado uno de los más peligrosos del mundo; Todo esto
en relación a su forma geométrica cónica, volumen de
almacenamiento glacial, frecuencia y comportamiento
eruptivo. Figura 1.
Existe reportes de manifestación eruptiva desde épocas de
la conquista española 1532-1534, 1742-1744, 1766-1768,
1853-1854 y 1877-1880; a partir del 3 de junio del 2015 el
Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica Nacional emite
continuos boletines que informan sobre las diferentes
actividades monitoreadas en el coloso: sismos, emisiones de
gases, vapores, lluvias. Las variables que se consideran en los
diferentes reportes son: eventos vulcano tectónicos (VT),
eventos híbridos (HB), eventos de largo periodo (LP),
episodios de tremor de emisión (TE), explosión (EXP), tipos
de gases, altura de emisión de ceniza. [1]
Se realiza un análisis estadístico y numérico en función de
los reportes generados por el Instituto Geofísico de la Escuela
Politécnica Nacional, los datos de entrada son los registros de
variables comprendidas en el período de Julio a Diciembre del
2015, este análisis busca obtener resultados matemáticos que
ayuden a comprender, analizar y representar de una manera
alternativa el comportamiento del fenómeno natural.
II. ESTADO DEL ARTE
De los procesos eruptivos ocurridos en siglos anteriores, no
existen registros de los eventos relacionados con este fenómeno
natural; esta carencia de información no ha permitido plantear
formulaciones estadísticas o matemáticas que ayuden en el
análisis del comportamiento del proceso eruptivo del volcán
Cotopaxi. En la actualidad con la existencia de tecnología de
monitoreo volcánico, se plantea en este artículo un enfoque
analítico numérico retrospectivo que coadyuve desde otra
enfoque en el análisis de tales comportamientos. Tabla I.
TABLA I
CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DEL VOLCÁN COTOPAXI
PARÁMETRO
TÉRMINO
Nombre
Cotopaxi
Coordenadas
0,683º S; 78,436º W
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
65
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
5897 m (Sobre el Nivel
del Mar)
Altura
20 km
Estrato volcán
compuesto
2015 hasta el presente
Activo
Actividad fumarólica
Sísmicidad,
deformación, aguas
termales,
desgasificación
Diámetro basal
Tipo de volcán
Última erupción registrada
Estado
Actividad reciente
Monitoreo
2
A. Formulación Numérica Spline-Eventos (LP-TE-EXP)
El análisis de las variables vinculadas a describir el
comportamiento del volcán varían significativamente, esto
implica obtener un conjunto de variables continuas, se
consideró aplicar el método de splines cúbico, este
procedimiento establece la obtención de polinomios de grado
inferior en subintervalos de datos, esto proporcionará una
mejor aproximación en la determinación del comportamiento
de funciones que manifiestan cambios puntuales y abruptos,
como es el caso de este fenómeno natural. Ecuación 1.
Una función spline cúbica 𝑠𝑠(𝑥𝑥) que interpola un conjunto de
datos, se define como:
𝑠𝑠1 (𝑥𝑥) 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑥𝑥 ∈ [𝑥𝑥0 , 𝑥𝑥1 ]
𝑠𝑠2 (𝑥𝑥) 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑥𝑥 ∈ [𝑥𝑥1 , 𝑥𝑥2 ]
𝑠𝑠(𝑥𝑥) = {
⋮
𝑠𝑠𝑛𝑛 (𝑥𝑥) 𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑥𝑥 ∈ [𝑥𝑥𝑛𝑛−1 , 𝑥𝑥𝑛𝑛 ]
Ec.[1]
Cada 𝑠𝑠𝑖𝑖 (𝑥𝑥) es un polinomio cubico; 𝑠𝑠𝑖𝑖 (𝑥𝑥𝑖𝑖 ) = 𝑦𝑦𝑖𝑖 para toda 𝑖𝑖 =
1,2, … , 𝑛𝑛 y tal que para 𝑠𝑠(𝑥𝑥) existe la primera y segunda
derivadas continuas en [𝑥𝑥0 , 𝑥𝑥𝑛𝑛 ]. Existen condiciones que
determinan cada uno de los polinomios cúbicos para la spline
cubica:
Fig. 1 Volcán Cotopaxi, Provincia de Cotopaxi-Ecuador, Sur América

III. OBJETIVOS
A. Objetivo General
Efectuar una retrospectiva numérica mediante la aplicación
de procesos computacionales sobre los registros de los eventos
vinculados con la reactivación del volcán Cotopaxi.

B. Objetivos Específicos




Procesar computacionalmente los datos de las
variables significativas vinculadas al proceso de
reactivación del volcán Cotopaxi, logrando de esta
manera interpretar numéricamente el comportamiento
de las mismas.
Establecer la correlación que pudiese existir entre las
variables consideradas en el análisis numérico, su
vinculación y conexión existente en el proceso.
Determinar, cuantificar y cualificar los eventos
volcánicos en un período de tiempo establecido, de
esta forma establecer y concluir los hallazgos
preponderantes del fenómeno en forma general.
IV. DESARROLLO DE LA RETROSPECTIVA NUMÉRICA


𝑠𝑠(𝑥𝑥) es un polinomio cúbico en cada uno de los
intervalos [𝑥𝑥𝑛𝑛−1 , 𝑥𝑥𝑛𝑛 ]. Se define por 𝑠𝑠𝑛𝑛 (𝑥𝑥) a cada
uno de los polinomios, definido únicamente en el
intervalo [𝑥𝑥𝑛𝑛−1 , 𝑥𝑥𝑛𝑛 ].
La función interpola los puntos de la muestra, es
decir: 𝑠𝑠(𝑥𝑥𝑖𝑖 ) = 𝑦𝑦𝑖𝑖 , ∀𝑖𝑖: 0,1, … , 𝑛𝑛. Esto significa que:
𝑠𝑠𝑗𝑗 (𝑥𝑥𝑗𝑗 ) = 𝑦𝑦𝑗𝑗 , 𝑠𝑠𝑗𝑗 (𝑥𝑥𝑗𝑗+1 ) = 𝑦𝑦𝑗𝑗+1 , ∀𝑗𝑗: 0,1, . . . , 𝑛𝑛 − 1.
La primera derivada de 𝑠𝑠(𝑥𝑥) cumple:
′
(𝑥𝑥𝑘𝑘+1 ),
𝑠𝑠𝑘𝑘′ (𝑥𝑥𝑘𝑘+1 ) = 𝑠𝑠𝑘𝑘+1
∀𝑘𝑘: 0,1, … , 𝑛𝑛.
′′ (𝑥𝑥
𝑠𝑠𝑘𝑘′′ (𝑥𝑥𝑘𝑘+1 ) = 𝑠𝑠𝑘𝑘+1
𝑘𝑘+1 ),
∀𝑘𝑘: 0,1, … , 𝑛𝑛.
La segunda derivada de 𝑠𝑠(𝑥𝑥) cumple:
Finalmente, para los puntos inicial y final, se
impone la condición extra:
𝑠𝑠 ′′ (𝑥𝑥0 ) = 𝑠𝑠 ′′ (𝑥𝑥𝑛𝑛 ) = 0
Esta última condición, determina que el spline sea natural.
Las condiciones requeridas por la función spline cúbica se
traducen en un sistema de ecuaciones lineales compatible
determinado, por lo tanto la solución es única. Figura 2.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
3
media estos convergen a una disminución.
Julio, agosto y septiembre presentan un comportamiento
que aunque sin alejarse de la media si adoptan un
comportamiento asimétrico. A partir del mes de octubre,
noviembre y diciembre se mantiene una tendencia asimétrica
descendente, siendo el último mes el que registra la mayor
simetría del evento.
C. Eventos de Tremor de Emisión (TE)
Fig. 2 Interpolación splines cúbico mensual, evento de largo período (LP). [2]
B. Eventos de Largo Período (LP)
Se definen como un sismo de baja frecuencia (LF), a 1
evento de largo período (LP) que tiene una duración menor a 1
minuto, están relacionados con el movimiento o vibración del
fluido dentro del volcán. [3]
Un tremor (TE) se considera un tipo de terremoto de los
volcanes, caracterizado por mantener una amplitud constante
durante un largo período de tiempo (LP) el cual es provocado
por el movimiento del magma. La poca energía involucrada
indica que cuando se registra un tremor este suele corresponder
a un movimiento del magma dentro de las cámaras internas que
lo contienen; Este puede ser considerado como un evento
precursor del comienzo de una erupción volcánica.
Este tipo de evento es imperceptible para el ser humano, su
caracterización se registra mediante un sismómetro. Se
considera un evento de largo período (LP) con una duración de
algunos minutos hasta horas, este dependerá del tiempo
necesario para la expulsión de material por el cráter del volcán:
gases, cenizas. Se clasifican en: Tremor de alta frecuencia
(6Hz), frecuencia intermedia (1-6Hz) y baja frecuencia (0,5
Hz). [3]
Fig. 3 Interpolación splines cúbico semestral, eventos de largo período (LP).
[2]
Los eventos de largo período registran un incremento a
partir del mes de julio colocando su media en 33 eventos, para
el mes de agosto su media registra 64 eventos. Luego decrece
nuevamente en el mes de septiembre donde su media registra
40 eventos, octubre y noviembre su media se ubica en 14
eventos, en diciembre prácticamente este evento va en
descenso. Figura 3
Los eventos de largo período se evidencian en el mes de
septiembre a razón de 36 por día, siendo este un incremento
representativo respecto a los meses de julio y agosto, en los
meses de septiembre, octubre y diciembre se presentan una
mayor cantidad de eventos de largo período por día; sin
embargo es importante mencionar que en comparación a su
Fig. 4 Interpolación splines cúbico, eventos de duración de tremor (TE). [2]
Se evidencia que los tremores se registran mayormente en
los meses de julio, agosto y septiembre, aproximadamente la
media es de 45, 71 y 24 eventos respectivamente, la tendencia
tiene un comportamiento decreciente. Para el mes de octubre se
registra un descenso drástico registrando una media constante
de comportamiento en 11 tremores, finalmente registra que la
media se ubica para el mes de noviembre en 5 y mes de
diciembre en 1 evento diario. Figura 4.
Los eventos de tremor se evidencian en el mes de julio a
razón de 2 por día, se evidencia un incremento considerable
hasta 10 eventos de tremor por día en el mes de agosto, su
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
67
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
presencia paulatinamente va en decremento hasta el mes de
diciembre donde esporádicamente se refleja un incremento
despreciable considerando la media de tremores registrados
para este último mes.
Septiembre, octubre y agosto presentan un comportamiento
asimétrico en contrapuesta a los meses de noviembre y
diciembre, en estos últimos meses se muestra un
comportamiento simétrico.
D. Eventos de Explosión (EXP)
Constituye una emisión violenta, rápida hacia la superficie
terrestre de materias procedentes del interior del volcán: lava,
ceniza y gases tóxicos. Exceptuando los géiseres, que emiten
agua termal y los volcanes de lodo, cuya materia, en gran parte
orgánica, proviene de yacimientos de hidrocarburos
relativamente cercanos a la superficie, las erupciones terrestres
se deben a los volcanes. Si los eventos de largo periodo (LP) y
el tremor (TE) son provocados por el magma y el material que
se desplaza en el interior del volcán, estas variables tienen una
relación directamente proporcional. [3]
4
El proceso para el cálculo de los coeficientes se efectúa
recursivamente, constituyen las diferencias divididas de la
función f(x) definida: Ecuación 2.
f[xk] = f(xk)
f[xk-1; xk] = f[xk] - f[xk - 1]
xk – xk-1
Ec[2]
f[xk-2; xk-1; xk] = f[xk-1; xk] - f[xk-2; xk-1]
xk – xk-2
Si que x0, x1,…..,xN son N + 1 números distintos en [a,b].
Entonces existe un único polinomio PN(x) de grado menor o
igual que N tal que:
f(xj) = PN(xj) para j = 0,1,….., N
El polinomio interpolador de Newton es:
PN(x) = a0+a1(x-x0)+………+aN(x-x0)(x-x1).(x-xN-1)
En donde los valores de los coeficientes ak se definen
mediante:
ak = f[x0,x1,….., xk] para k = 0,1,….., N
F. Evento Híbrido (HB)
Un evento híbrido es aquel cuya frecuencia de vibración es
mayor a (10Hz), se asocia también a un pequeño terremoto, se
lo considera como la combinación de un evento de largo
periodo (LP) y un evento vulcano tectónico (sismo menor a 4o
de magnitud, generado por la ruptura de rocas en el interior del
volcán, de origen local y de ocurrencia simultánea que incluye
movimiento de magma. [3]
Fig. 5 Interpolación splines cúbico semestral, eventos de explosión (EXP). [2]
Las explosiones presentan un incremento considerable en el
mes de noviembre donde se registran 11 eventos de esta clase,
las explosiones siempre están ligadas tanto a las emisiones de
SO2 como a las emisiones de ceniza. En los meses de julio,
agosto y septiembre se registran únicamente 2 explosiones en
contraposición a los meses de octubre, noviembre y diciembre
que registran la mayor actividad acumulando un total de 36
explosiones. Figura 5.
E. Formulación Numérica Newton-Eventos (HB)
Para el ajuste polinómico en referencia a la variable de
eventos híbridos (HB) se interpola los registros globales
correspondientes a cada mes, utilizando la interpolación de
Newton. Figura 6.
Fig. 6 Interpolación de newton semestral, eventos híbridos (HB) [4]
La razón de mayor consideración en el análisis, en
referencia a la media que presentan los eventos de largo
período y eventos híbridos se registra en el mes de agosto.
Figura 7.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
5
Los eventos vulcano tectónicos evidencian en el mes de
septiembre un incremento hasta 36 registros por día, un cambio
abrupto en relación a los meses de julio y agosto. En el mes de
octubre se reduce la presencia de estos eventos a razón de 30
registros diarios, en noviembre estos eventos se incrementan
hasta diciembre registrando, 45 y 95 eventos diarios.
En septiembre se presenta un comportamiento
relativamente simétrico en contrapuesta a los meses de julio,
agosto, octubre y noviembre, siendo diciembre el único mes
donde muestra un comportamiento simétrico.
H. Eventos: Explosión (EXP) y Emisión de SO2
Fig. 7 Razón semestral, eventos largo período (LP) vs. eventos híbridos (HB)
[4]
La mayor cantidad de emisiones de SO2 se produce en los
meses de agosto y septiembre, periodo en el que también se
registran en contraste explosiones esporádicas; el 20 de
noviembre se presentan 11 erupciones de magnitud
considerable de emisiones que alcanzaron las 7776 Ton-SO2.
G. Evento Vulcano Tectónico (VT)
Los eventos vulcano tectónicos corresponden a
movimientos de placas tectónicas, producidas por la actividad
volcánica propia, contrario al producido por una colisión
natural de las mismas. Si un terremoto se produce en un
ambiente volcánico recibe el nombre de evento vulcano
tectónico, su duración es variable, desde los pocos segundos
para los terremotos pequeños, hasta varios minutos para los
más grandes. Es posible observar eventos vulcano tectónicos
con frecuencias superiores a los (10Hz), este tipo de sismos
disminuyen en forma exponencial. [3]
Fig. 9 Explosión (EXP) vs emisión de (SO2) [5]
Está variable es importante dada su conexión con el
aumento en la probabilidad de una posible erupción. El
promedio semestral de emisiones de SO2 registra 2603 TonSO2 por día, este es un indicador alto en comparación a su
similar el “Nevado del Ruíz”. En los meses de julio, agosto y
septiembre se registran las emisiones de SO2 más potentes y
continuas; en contrapunto, el mes de noviembre registra el
índice más bajo de emisión de SO2 y discontinuos
correspondientes a 1787.68 Ton-SO2. La emisión de SO2 se
manifiesta con un incremento considerable después de una
explosión, elevando su volumen a medida que se acerca una
nueva explosión. Figura 9.
Fig. 8 Interpolación de newton semestral, eventos vulcano tectónicos (VT) [5]
Los eventos vulcano tectónicos registran un aumento
considerable en el mes de septiembre, su media registra 32
eventos, respecto a los meses de julio y agosto su media se
ubican en 2 y 3 eventos respectivamente. La media de eventos
tectónicos nuevamente continúa en aumento para los meses de
octubre, noviembre y diciembre, registrando una media de 27,
62 y 93 eventos respectivamente. Figura 8.
I. Eventos: Explosión (EXP) y Emisión de Ceniza
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Los episodios de tremor (TR) registraron una mayor
manifestación en los meses de julio y agosto del
2015. Actualmente el volcán manifiesta un nivel de
base pre-eruptivo registrando entre 1 a 3 explosiones
internas diarias. Fundamentado en el análisis del
Instituto Geofísico de la Escuela Politécnica
Nacional: El patrón de deformación del volcán no
refleja tendencias coherentes de este evento, se
infiere pequeñas anomalías asociadas con la intrusión
“reacomodamiento” de magma en profundidad.

Las emisiones de SO2 fueron registradas mayormente
en los meses de agosto. El volcán continúa con
emisiones de gas y posiblemente pequeñas emisiones
de ceniza sin afectación a las poblaciones que lindera
el volcán. En el mes de marzo se refleja un mínimo
incremento de emisiones ubicándose dentro de los
niveles de fondo establecidos desde el año 2011.
Actualmente no existen registros satelitales debido a
la disminución en el gas emitido, según el reporte de
actualización de registro de la actividad eruptiva del
volcán Cotopaxi manifiesta que existe presencia de
emisiones de gases que han alcanzado los 500 m.
sobre el nivel del cráter.

Los eventos registrados por explosiones fue la
característica reflejada en los meses de noviembre y
diciembre. Actualmente en el volcán se observa una
continuidad en el proceso de fusión de glaciares que
se originó con las explosiones en el mes de agosto.
Los glaciares continúan con desplazamientos
pendientes abajo con la conformación de las grietas y
fracturas.

El número de sismos de largo período (LP) y los
eventos tipo híbrido (HB) determinan que en los
meses de julio y noviembre tuvieron su mayor
manifestación, actualmente este tipo de eventos
reportan un retorno de nivel de base pre-eruptivo,
actualmente se registran entre 1 a 6 sismos de este
tipo. Esto indicaría de acuerdo al análisis efectuado
que tienen un intervalo de mayor presencia en
períodos trimestrales.
V. PRUEBAS Y RESULTADOS
La aplicación de los variados métodos de análisis numérico
existentes, la estadística descriptiva e inferencial y el desarrollo
de algoritmos a través de programas computacionales, permiten
obtener respuestas a heterogéneas situaciones reales que se
presentan día a día en los diferentes fenómenos aleatorios,
randómicos e impredecibles propios de la naturaleza; estos
mismos resultados no pretenden determinar o converger hacia
un efecto predecible y determinístico, simplemente impulsan al
ser humano en el desarrollo del conocimiento con el único afán
de conocer, comprender, y llegar a convivir de mejor manera
en el planeta.
La aplicación del análisis numérico en la interpretación de
este tipo de fenómenos naturales, presentan resultados
cuantitativos y cualitativos confiables, estos valores son
eficientes y robustos si se los comparan con procesos de
análisis estadísticos convencionales. Adicionalmente, se
presentan los resultados con la proyección de datos de acuerdo
al boletín emitido por el Instituto Geofísico de la Escuela
Politécnica Nacional. [6].

El número de sismos del tipo vulcano tectónico (VT)
ha mantenido un comportamiento continuo simétrico
alrededor de su media en el mes de diciembre,
actualmente continua disminuyendo a razón de 15-20
eventos por día. Sin embargo, la magnitud de estos
eventos se mantiene al mismo nivel que los meses
anteriores, alcanza hasta los 2.8 Mlv, estos eventos se
localizan entre 2 y 9 km. bajo el nivel del cráter.
6

Fig. 10 Explosión (EXP) vs. emisión de ceniza [5]
Se puede observar que la actividad del volcán registra una
gran cantidad de emisión de ceniza previo al incremento en la
cantidad de explosiones, los picos registrados en estas dos
variables no coinciden. La emisión de ceniza fluctúa su media
entre los 1500 m. sobre el nivel del cráter, registrando una
asimetría en los meses de septiembre y noviembre donde las
emisiones de ceniza alcanzaron los 4000 m. sobre el nivel del
cráter. Figura 10.
69
VI. CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS
Mediante la implementación futura del método de
diferenciación centrada aplicada sobre la muestra, se podría
obtener la tasa de cambio instantáneo en un punto específico de
la función de interpolación; esto permitiría la interpretación del
comportamiento de una variable determinada en el proceso en
un tiempo definido.
La posibilidad de aplicar métodos de integración numérica
en un intervalo definido de tiempo sobre la función interpolada;
ayudaría a cuantificar la intensidad con que se manifiesta el
evento en el proceso.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Desarrollar un análisis numérico aplicando ecuaciones
diferenciales ordinarias EDO, aportaría en el estudio de las
variables de dos maneras: Como variables individuales
dependientes del tiempo o variables parametrizadas respecto al
tiempo y su correlación existente. En cualquiera de los dos
casos se estaría en la posibilidad de proyectar un análisis
multivariable.
REFERENCIAS
[1] IGEPN, «EPN,» 2015. [En línea]. Available:
http://www.igepn.edu.ec/cotopaxi. [Último acceso: 01 02 2016].
[2] R. M.Bernis, Dirección, Interpolación Splines. [Película]. Ecuador:
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, 2016.
[3] E. C. J.M. Ibañez, «A. UCLM,» Intituto Andaluz de Geofísica, [En línea].
Available:
https://www.uclm.es/profesorado/egcardenas/SISMICIDAD_VOLCANIC
A%5B1%5D.pdf.
[4] R. M.Bernis, Dirección, Interpolación Newton. [Película]. Ecuador:
Universidad de las Fuerzas Armadas ESPE, 2016.
[5] R. M.Bernis, Dirección, Erupciones-Emisiones. [Película]. Ecuador:
Universidad de las Fuerzas Armadas, ESPE, 2016.
[6] IGEPN, «EPN,» 2016. [En línea]. Available:
http://www.igepn.edu.ec/servicios/noticias/1303-actualizacion-de-laactividad-eruptiva-del-volcan-cotopaxi-n-5-2016. [Último acceso: 01 05
2016].
7
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and implementation of an electricity generator from the
kinetic energy of waves
Diseño e implementación de un generador de energía eléctrica a
partir de la energía cinética de las olas
Estefania A. Suasti1*, Mauricio X. González1, Roberto Narváez2
2
1
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Dirección de la Industria Aeronáutica, Fuerza Aérea Ecuatoriana, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: The project is based on the design and construction of a device as a prototype to obtain electric power by harnessing
the energy contained in the movement of the waves present in affluent (seas, rivers, lakes or canals), to provide electricity for
inaccessible places that do not have this service. The design and implementation of a platform that is kept afloat with an electric
generator inside using magnetic induction is presented. The electrical energy obtained with the prototype is direct current, DC, which
can be converted into alternating current using power converters DC / AC type (inverters).
Keywords—Electromagnetism, neodymium, PVC, generator, coil, kinetic energy.
Resumen: El proyecto se basa en el diseño y la construcción de un dispositivo a modo de prototipo que permite obtener energía
eléctrica aprovechando la energía contenida en el movimiento de las olas presentes en afluentes (mares, ríos, lagos o canales),
para proporcionar energía eléctrica a sectores vulnerables que por su orografía o difícil acceso no cuentan con este servicio. Se
desarrolla una plataforma que se mantiene a flote y en su interior contiene un generador eléctrico con el principio de inducción
magnética. La energía eléctrica obtenida con el prototipo es de corriente directa, DC, la cual puede convertirse posteriormente
en corriente alterna utilizando conversores de energía de tipo DC/AC (inversores).
Palabras clave—Electromagnetismo, neodimio, PVC, generador, bobina, energía cinética.
I.
INTRODUCIÓN
La necesidad de generar energía eléctrica de una manera que
no afecte al medio ambiente actualmente ha crecido debido a la
conciencia ecología que se ha creado, por lo que se intenta
optimizar el uso de recursos naturales, utilizándolos como
generadores de energía eléctrica para reducir la contaminación
de manera eficiente.
Actualmente las fuentes de energía eléctrica que utilizan
recursos naturales más comunes son las hidroeléctricas y la
energía solar, en este caso se hace uso de un recurso poco
utilizado como el movimiento de las olas, con el movimiento
cinético se activa un sistema mecánico de inductancia que
produce energía electromagnética y consecuentemente se
consigue energía eléctrica transportada a través de un conductor
fuera del prototipo.
II.
PREPARACIÓN DEL TRABAJO TÉCNICO
A. Componentes del Prototipo
Los materiales esenciales para la realización de este
prototipo son:
1)
Bobina
La bobina o inductor por su forma (espiras de alambre
arrollados) almacena energía en forma de campo magnético. El
inductor es diferente del capacitor, que almacena energía en
forma de campo eléctrico. Una característica interesante de los
inductores es que se oponen a los cambios bruscos de la
corriente que circula por ellas. Esto significa que cuando se
modifica la corriente que circula por ellos, esta intentará
mantener su condición anterior.
2)
Imanes de Neodimio
Los imanes de neodimio forman parte de la familia de
imanes de tierras raras y son los más poderosos imanes
permanentes en el mundo. También se conocen como los
imanes de NdFeB porque se componen principalmente de
Neodimio (Nd), Hierro (Fe) y Boro (B). Estos tienen una alta
resistencia a la desmagnetización, a diferencia de la mayoría de
otros imanes, es decir, no pierden su magnetización alrededor
de otros imanes. Sin embargo comienzan a perder "fuerza" si se
calientan por encima de su temperatura máxima de
funcionamiento (80 ºC para los grados estándar "N") y pierden
completamente su magnetización si se calientan por encima de
su temperatura de Curie (310 °C para los grados estándar "N").
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
3)
Energía Undimotriz
Esta energía permite la utilización de la energía
mecánica producida por las olas para su transformación
en energía eléctrica. En el mercado actual existen
dispositivos que generan energía a través de sistemas
hidráulicos acoplados a generadores eléctricos.
I
N
Uo
L
γ
λ
b
H
Peso específico del agua en kg/m3
Longitud de la onda
Ancho de la cresta o longitud del frente de ondas
Altura de la ola
Ley de Faraday
Para la producción de energía eléctrica se utiliza la
Ley de Faraday o inducción electromagnética, la cual
indica que el voltaje inducido en un circuito cerrado
resulta directamente proporcional a la velocidad con que
cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una
dada superficie con el circuito haciendo de borde.
Es decir, la fuerza electromagnética inducida en
cualquier circuito cerrado es igual al negativo de la
velocidad del tiempo del flujo magnético encerrado por el
circuito, en el caso de que se trabaje en una bobina de N
espiras se tiene (2);
  N
d
dt
(2)
La variación de flujo ( ϕ) se produce variando las
posiciones relativas del área de la espira respecto al
campo,
(3)
  B  A  cos 
Utilizando (2) y (3) se puede calcular el flujo
magnético que se requiere para tener un voltaje base
en el diseño,
I  N  B0
L
(5)
Para el análisis de la estructura que se debe utilizar para
el prototipo, hay que tomar en cuenta que este debe flotar
y soportar los pesos adicionales que hagan parte del
funcionamiento del prototipo. Para su solución se hace
uso del Principio de Arquímedes.
Arquímedes indica que el empuje (E) que hace el
líquido donde va a flotar debe ser mayor que el peso del
material por lo cual se hace referencia en (7):
(7)
EP
E
P
Donde:
Empuje
Peso
Entonces se dice que la relación del empuje debe ser
igual al doble del peso del objeto en (8).
E  2P
(8)
1  g  V  2  g  V 
(9)
Donde:
Densidad
Gravedad
g
Volumen
V

Donde:
Voltaje inducido

d
Derivada del flujo magnético con respecto al
dt
tiempo
Número de vueltas de las espiras
N
B
I  N U0
A
L
El valor de “L” es 2πr ya que se trabaja en un tubo
cilíndrico y el valor de A es el área en la cual se va a
realizar la bobina,
I  N U0

 2r (h  r )
2r
(6)
  I  N  U 0 (h  r )
Para determinar cuánta energía se puede obtener
de una ola se analiza la energía potencial que posee y
la cinética que alcanza, lo cual se resume en (1);
1
(1)
E     b  H 2
8
Donde:
2
Donde:
Corriente
Número de vueltas
Permeabiliadad en el vacío
Longitud del conductor

B. Etapas de Construcción
1) Modelo matemático
72
(4)
Reemplazando los valores de (9) con los valores
reales se obtiene:
1  1000[kg m3 ]

g  9,81 m s 2


 kg 
m
m 2 
1000 3   9,81 2   V  2   9,81 2   V 
m 
s 
s  3 

Entonces,
  768,75[kg m3 ]
El valor obtenido anteriormente se toma como
referencia para los posibles materiales que pueden
adaptarse, como la estructura externa del material para
que flote y sea impermeable.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Con la información de la Tabla I y con la densidad que
tiene y por la fácil manipulación que tiene el material se
escogió el tubo PVC como la estructura externa e
impermeable del prototipo.
TABLA I
DENSIDAD DE MATERIALES
MATERIALES
DENSIDAD EN [kg/m3]
Plástico (Polietileno)
Acrílico
Madera
Tuvo PVC
910
118
600 – 900
1370
III.
CÁLCULOS Y RESULTADOS
1) Cálculo de las especificaciones de la bobina
Como es de importancia conocer la potencia que tiene
el imán a utilizarse se debe tomar en cuenta el valor en
Gauss que tiene este, en este caso la fuerza del imán es
de 13000 Gauss (10000 Gauss = 1 Tesla) que es el
campo magnético. Utilizando (3) para un ángulo de flujo
de cero grados se obtiene,
  B A
El área (A) el valor de h=30mm y r=10,375mm que son
los valores de la altura y radio de la sección del cilindro
donde se va a realizar la bobina,
  B  2r h  r 
Donde,
Longitud
Perímetro
Número de vueltas
L  0,065[m]  877
L  57,2[m]
2) Cálculos y dimensionamiento de la etapa de rectificación
Para la rectificación del voltaje AC se utiliza un puente
de diodos, resistencia y capacitor. Considerando las
ecuaciones (5) y (6), se obtienen los valores de voltaje medio y
corriente media,
2Vmáx  V puernte
(13)
Vmedio 

Vmáx = 5 [V]
Vpuente = 1,4 [V]
Vmedio 
25[V ]  1,4[V ]

Vmedio  2,3[V ]
Una vez obtenida la tensión de salida se puede calcular la
corriente del circuito con una resistencia R = 100Ω,
I medio 
Vmedio
R
(14)
2,3[V ]
100
I medio  23[mA]
Una vez calculado el voltaje y la corriente del circuito, se
debe conocer el valor del capacitor del circuito para regular el
voltaje de salida, por lo cual se utiliza la ecuación (15),
1
(15)
XC 
2  f  C
Para obtener XC, se calcula previamente mediante la ley de
Kirchoff en el circuito el voltaje eficaz (Vfz) a partir del
voltaje pico (Vp) usando la ecuación (16),
Vp
(16)
Vfz 
2
2,3[V ]
Vfz 
 1,63[V ]
2
Vfz
(17)
XC 
I
1,63[V ]
XC 
 70,87[]
23[mA]
I medio 
  1,3T  2  0,010375  0,03  0,010375
  3,42  103 Tm2
(12)
L  P N
L
P
N
3
(10)
Una vez conocido el valor de  se reemplaza en (2)
para conocer el número de vueltas de alambre de cobre.
Definiendo un valor de voltaje (   3[V ] ) se halla el
número de vueltas,
 3[V ]   N  3,42  103[Tm2 ]
N  877vueltas
Para conocer la longitud de cable de cobre se debe
tomar de referencia el grosor del cable y la altura de la
bobina, por lo cual se utiliza,
(11)
P  2  r
Donde,
P
Perímetro
r
Radio
P  2  0,010375[m]
P  0,065[m]
Una vez conocido el perímetro y el número de vueltas
se puede calcular la longitud de cable que se necesita
para el bobinado, con lo que se tiene,
Reemplazando el valor de Xc en (15), y conociendo una
frecuencia de 2Hz de forma experimental (osciloscopio), se
halla el valor del capacitor.
1
70,87[] 
2  2[ Hz]  C
1
C
2  2[ Hz]  70,87[]
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
C  1,12[mF ]
3) Diseño de la estructura
Para la realización del prototipo, se utiliza un tubo de
PVC utilizado en un desagüe de agua de lluvia con un
espesor de 2.7 mm debido a que la estructura debe tener
un peso ligero para que flote. El prototipo cuenta con tres
segmentos, los segmentos extremos tienen mayor
longitud que el segmento central para conseguir que la
mayor cantidad de movimiento se concentre. La Fig. 1
muestra el diseño y las dimensiones de la estructura
externa.
IV.
74
4
PRUEBAS Y RESULTADOS
Se realizaron pruebas del prototipo en una piscina, en las
que se pudo evidenciar las características de sobrenadar las
olas. El movimiento del agua, en este caso las olas provocadas
al mover el prototipo, genera un voltaje AC, después de las
mediciones realizadas se observa que el prototipo genera entre
0.5-8Vdc con una corriente máxima de 40mA.
El prototipo es capaz de generar 1.3V almacenados en un
capacitor. En el transcurso de 4h se estima que el voltaje
obtenido es de 31.2V, que es más del voltaje que entrega la
batería por lo cual se puede aplicar una batería de
almacenamiento.
IV. CONCLUSIONES
Fig. 1 Dimensiones de la estructura externa en centímetros
En el interior de la estructura se coloca el mecanismo
de inducción con el principio de Faraday, el cual está
elaborado en acrílico por ser un material ligero, a la vez
transparente con el fin de observar su funcionamiento
como se muestra en la Fig. 2.
Fig. 2 Tapas de acrílico
El chasis interno del prototipo consta de dos cilindros
transparentes y huecos que contienen un imán de
neodimio y a su alrededor una bobina de alambre de
cobre. El propósito del mecanismo es que el movimiento
del imán a través de la bobina genere voltaje.
Fig. 3 Mecanismo desarrollado para la generación de energía
Luego de las pruebas realizadas se puede concluir
que para poder aprovechar un mayor porcentaje de la
energía presente en las olas es necesario construir un
dispositivo de mayor tamaño, en vista que parte de la
corriente generada se consume en las etapas de
rectificación por disipación de energía (efecto Joule), es
decir, es necesario el uso de materiales de bajo consumo
de potencia (más eficientes) para aprovechar de mejor
manera la energía undimotriz. Al tratar de generar
mayores valores de corriente, el diámetro del conductor
de las bobinas debe ser de mayor tamaño (calibre), por
lo tanto cambia tanto el número de vueltas que se
requiere como el valor del flujo magnético que deben
generar los imanes. Finalmente, el afluente debe
contener olas más “pronunciadas” (valores de ancho y
alto de cresta más elevados), en vista que la relación es
lineal con respecto a la longitud de onda, pero posee una
relación cuadrática con la altura de la cresta.
REFERENCIAS
[1]
X. Elías Castells, “Energías Renovables,” Energía, Agua,
Medioambiente, Territorialidad y Sostenibilidad, España: Ediciones
Díaz de Santos, 2012.
[2]
Sistema Nacional de Información. “Sector estratégico:
Energía”,
Ecuador,
2015.
[En
línea]
Disponible:
http://app.sni.gob.ec/web/menu/
[3]
P. Vivero, “Estado situacional del Ecuador en cuanto al
manejo de los recursos hídricos,” Secretaría Nacional del Agua, Quito,
Ecuador,
2015.
[En
línea]
Disponible:
http://www.cepal.org/deype/noticias/noticias/1/
44071/senagua_oferta-demanda.pdf
[4]
T. Floyd, “Aplicaciones del diodo”, Dispositivos
Electrónicos, México: Pearson - Prentice Hall, 2008
[5]
V. Cevallos, D. Amores, Máquinas Básicas. Monterrey,
Nuevo León, México: U. Tecnológico de Monterey, 2011.
[6]
Motores Hidráulicos, 3ra ed., Mitsubishi Co., California,
CA, 2010, pp. 124–412.
[7]
P. González. (2009). Turbina Pelton. 2015-06-25, de
Maquinas
de
fluidos
Sitio
web:
http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/maquinas_flu
idos/tema-6-turbinas-pelton.pdf
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design, construction and implementation of a monitoring system in
a shopping cart, for people visually impaired
Diseño, construcción e implementación de un sistema de
seguimiento en un carrito de compras, para personas con
discapacidad visual
A. E. Garzón1*, R. R. Vera1, D. G. Pazmiño1, Fausto Villamarín2
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Consejo Nacional de Discapacidades, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: A following system is implemented in a shopping cart for the visually impaired people. They do not have to lead a shopping cart,
it follows the visual impaired person. The design includes an H-bridge, in conjunction with infrared sensors, a buzzer and wiper motors coupled
in the shopping cart. The H-bridge allows the cart goes forward and turn around. With an infrared sensor the system detects the person and
follows him around the supermarket. Also, there are audible alarms, a buzzer sounds each time a thing is placed inside the shopping cart so the
person can be aware of it. When the shopping cart is full the buzzer sounds continuously to notify of this event.
Keywords—Programming, motors, Arduino, Infrared sensor, industrial sensors.
Resumen: Se diseña un sistema de seguimiento para ser implementado en un carrito de compras para que la persona con discapacidad visual
no tenga que guiar un carrito de compras. El diseño incluye un puente H, un conjunto con sensores infrarrojos, un buzzer y motores eleva
vidrios acoplados en el carrito de compras. El puente H permite que el carrito avance y gire. Con la señal que envía el sensor infrarrojo se
detecta a la persona y el carrito de compras la sigue por el supermercado. Para que la persona no vidente tenga conocimiento de las compras
que coloca en su carrito se ha utilizado los sensores infrarrojos. Cuando se coloca compras dentro del carrito el buzzer suena y cuando este ya
se encuentra lleno el buzzer suena continuamente para notificarle del evento.
Palabras clave—Programación, motores, módulo Arduino, sensores infrarrojos, sensores industriales.
I. INTRODUCCIÓN
El trabajo realizado se basa en la integración de tres
materias que se han investigado para el proyecto: electrónica,
mecánica y programación. Las investigaciones realizadas en
las ramas mencionadas anteriormente; permiten encontrar
alternativas y utilizar la más adecuada. Para el control del
sentido de giro de los motores se emplea un puente H que le
permite avanzar o retroceder al sistema de seguimiento, se
investigó acerca de los sensores adecuados para detectar la
presencia de la persona, la presencia de productos en el carrito
y para determinar cuándo se ha alcanzado el peso máximo
permitido. En la rama de la mecánica se investigó sobre el
cálculo del torque necesario en los motores para que puedan
mover el carrito sin afectar la velocidad de movimiento.
II. DISEÑO DEL PROTOTIPO
A. Diseño Electrónico
1) Diseño del Puente H
El diseño del puente H se realiza usando transistores y relés.
Debido a la corriente que requieren los motores para su
funcionamiento se utilizan transistores como elementos
auxiliares para la activación de los relés. En la Fig. 1 se
observa el esquema del puente H implementado.
1) Simulación del Puente H
En la Tabla I se presentan las combinaciones de las salidas
del controlador para los diferentes modos de funcionamiento
de los motores. En la Fig. 2 se presenta el esquema de la
simulación del puente H con compuertas analógicas. Este paso
de simulación permite verificar que los movimientos
programados corresponden a lo requerido para el sistema.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
76
2
Fig. 3 Señal de un sensor infrarrojo
Fig. 1 Esquema del puente H
TABLA I
PRUEBAS DE LA PLACA DEL PUENTE H
S1
S2
PRUEBAS
1
0
0
1
0
1
0
1
El motor gira en avance
El motor gira en retroceso
El motor se detiene
El motor se detiene
3) Sensor Infrarrojo Digital
Este sensor es un transmisor y receptor de infrarrojos que
con todo esto conforman un sensor fotoeléctrico. Este
sensor tiene un ajuste destornillador para calibrar la
distancia detectada, cuando detecta algo dentro del rango de
la luz infrarroja da una salida digital. El receptor es sensible
solo a la luz infrarroja, cuando se corta esta interferencia el
modulo Arduino envia una señal al buzzer haciendolo
sonar. En la Fig. 4 se observa un sensor industrial.
Fig. 4 Sensor infrarrojo digital
Fig. 2 Simulación del puente H
2) Sensores Infrarrojos
Un sensor infrarrojo es un dispositivo de reflexión por
infrarrojos con un medidor de distancia proporcional al ángulo
de recepción de la luz que incide en un sensor lineal integral,
la salida puede ser analógica o digital.
De acuerdo a la señal enviada por el sensor se puede
mantener la distancia entre la persona con discapacidad visual
y el carrito de compras. Cuando se emite luz infrarroja por
medio de un IR, esta luz pasa a través de un lente que conecta
con los rayos de luz formando un único rayo. La luz va hacia
delante en línea recta y cuando encuentra un obstáculo
reflectivo rebota y retorna con cierto ángulo dependiendo de la
distancia, en la Fig. 3 se observa gráficamente la explicación
del funcionamiento del sensor.
B. Programación
En la Fig. 5 se puede observar el diagrama de flujo, se ha
tomado como referencia la programación utilizada en el
proyecto. Primero se asignan a las variables a, b, c, d, e, f el
estado inicial de los sensores infrarrojos con el número de sus
pines correspondiente en la placa Arduino, después se inicia
un bucle continuo, en la función movimiento se toman los
datos del estado de los sensores infrarrojos de las variables a,
b, c y se mide la distancia entre el usuario y los sensores y de
acuerdo con las condiciones se realizan los movimientos ya
sea hacia delante, derecha o izquierda. La función sonido
funciona con los datos recibidos de las variables d, e, f que
inicialmente está en 1, pero cuando se interrumpe la señal
cambian a 0, la placa Arduino activa el buzzer. Después se
toma la lectura del estado de los sensores infrarrojos, así
sucesivamente hasta que se apague el proyecto.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
10
INICIO
10 m
45 KG
SI
NO
3
6.00m
Una vez realizadas las 10 pruebas de carga se determina que
el peso máximo que puede transportar el carrito de compras es
de 45 kg para evitar sobre esfuerzo o daño en los motores. En
total el peso máximo movido por el sistema es de 57.2 kg lo
que incluye el peso de 45 kg neto de carga y el peso del carrito
de compras y el sistema de seguimiento de 12.2 kg.
A=LECTURAD1 ( )
B=LECTURAD2 ( )
C=LECTURAD3 ( )
D=LECTURAT1 ( )
E=LECTURAT2 ( )
F=LECTURAT3 ( )
N=1
X=0
C. Calibración de Sensores Digitales Infrarrojos
La calibración de los sensores digitales infrarrojos se realiza
mediante la regulación del potenciómetro ubicado en la parte
posterior del sensor, se calibra la distancia de reconocimiento
de productos, estableciéndose en 950 mm, que es la distancia
de separación de rejillas dentro de la canasta.
X<N
MOVIMIENTO (A,B,C)
SONIDO (D,E,F)
D. Pruebas de Factibilidad de uso en Rampa Eléctrica
1) Bajada
Al momento de trasportar el carrito de compras desde el
supermercado hacia el estacionamiento se debe bajar por una
rampa eléctrica, se probó la estabilidad del carrito de compras
en la rampa de bajada y este no resbaló, respondiendo de
forma adecuada bajo este escenario.
A=LECTURAD1 ( )
B=LECTURAD2 ( )
C=LECTURAD3 ( )
D=LECTURAT1 ( )
E=LECTURAT2 ( )
F=LECTURAT3 ( )
2) Subida
Al momento de transportar el carrito de compras desde el
estacionamiento hacia el supermercado se debe subir por una
rampa eléctrica. Se probó dejando el carrito de compras sobre
la rampa de subida y este no retrocedió, razón por la cual el
resultado de factibilidad es adecuado para esta aplicación.
FIN
Fig. 5 Diagrama de flujo del sistema de seguimiento
III. ANÁLISIS DE PRUEBAS
A. Peso Estipulado de Carga
Como condición para el desarrollo del proyecto, se
considera que el peso mínimo que debe soportar el sistema de
seguimiento sea de 3,5 kg, a este peso mínimo se suma el peso
propio del carrito de 12,2 kg, dando como resultado un total de
15.7 kg para iniciar el movimiento.
B. Pruebas de Seguimiento y Carga
Para determinar el peso máximo capaz de ser transportado
en el carrito de compras con el sistema de seguimiento
incorporado, se realizan varias pruebas de carga iniciando con
4 kg, posteriormente se añaden diferentes cargas. En la Tabla
II se pueden apreciar las diferentes pruebas con sus
respectivos pesos de carga.
TABLA II
PRUEBAS DE SEGUIMIENTO CON DIFERENTES CARGAS
PRUEBA
DISTANCIA
CARGA
HAY
MOVIMIENTO
VELOCIDAD
CONSTANTE
DISTANCIA
RECORRIDA
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
4 KG
6 KG
12 KG
23 KG
27 KG
30 KG
32 KG
34 KG
40 KG
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
SI
NO
NO
NO
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
10 m
8.0 m
7.50 m
7.20 m
IV. PROTOTIPO FINAL
En la Fig. 6 se observa el carrito de compras con el sistema de
seguimiento para las personas con discapacidad visual ya
implementado. Después de las pruebas de funcionamiento se
mejoró el sistema de tracción en la parte delantera del
prototipo.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
78
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Fig. 6 Carrito de compras para personas con discapacidad visual
V. CONCLUSIONES
Se ha determinado que el sistema de seguimiento utilizado
de los distintos tipos existentes, es el más fácil de usar para las
personas con discapacidad visual y la distancia óptima para
que los sensores infrarrojos no pierdan la señal entre el carrito
de compras y el usuario está entre 30 y 50 cm. Es necesario
utilizar un buzzer que emita una alarma audible, para que la
persona con discapacidad visual reconozca cuando las
compras se ubican dentro del carrito y para que emita un
sonido constante cuando el carrito se encuentra al límite de su
capacidad.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
D. H. D.Mc Cloy, Robótica: Una introduccion, México: Noriega
editores, 2010.
A. O. Baturone, ROBÓTICA Manipuladores y robots móviles, España:
MARCOMBO, S.A., 2002.
Ó. T. Artero, ARDUINO: Curso práctico de formación,
México:
Alfaomega Grupo Editor, S.A de C.V, 2013.
A.. M. MESA, Caracterizacion de Sensores Infrarrojos, España:
Academica Española, 2011
4
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and implementation of a red chillies harvester robot
Diseño e implementación de un robot cosechador de ajíes rojos
Martin E. Flor1*, Mauricio X. González1, Estefania A. Suasti1, Freddy Torres2
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
EP Petroecuador, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: This research is based on the construction of a collector for red pepper mature. A mobile robot is implemented as the main
structure of the robot, then an extension is adapted to the mobile robot, it also has a sensor that detects the fruit and cuts it, afterwards the fruit
is store on a compartment located on the side of the robot.
Keywords—Red pepper, Arduino, harvest, DC motor, gearmotor, H bridge motor driver, TCS230 sensor, servomotor.
Resumen: Esta investigación presenta la construcción de un recolector de frutos maduros en las plantaciones de ajíes rojos, por lo que se
implementa un robot móvil como estructura principal del recolector; una extensión tipo ascensor, ajustada al robot móvil para la localización
del fruto maduro y una pinza cortadora para extracción y posterior almacenamiento en el compartimiento ubicado en la parte lateral del robot.
Palabras clave— Ajíes, Arduino, cosecha, motorreductor, motor DC, puente controlador de motor, sensor tcs230, servomotor.
I. INTRODUCCIÓN
La cosecha siempre ha requerido de tiempo y esfuerzo por
parte de la persona encargada e incluso a veces requiere
contratación de mano de obra extra para su realización, es por
esta razón que se desea implementar un robot móvil que posea
la capacidad necesaria para realizar la cosecha de frutos
maduros, específicamente en este caso se cosechan los frutos
de la planta de ajíes rojos.
La implementación de este prototipo en la cosecha de ajíes
se inspira en un proyecto relacionado, un robot creado por la
empresa Agrobot denominado SW 6010 que cosecha frutillas.
II. DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO
A. Componentes del Prototipo
Los materiales esenciales para la realización de este
prototipo son:
1) Arduino Mega
Esta placa se conecta mediante el cable USB a la
computadora para comenzar a programarlo, es necesario tener
instalado en el computador el software necesario para la
programación del mismo, en este caso se utiliza el programa
Arduino. Para continuar con el proceso, en el programa
Arduino se desarrolla la programación deseada para controlar
los diferentes componentes eléctricos que se conectan a la
placa Arduino Uno, en este caso, los componentes principales
son: el sensor Tcs230, los servomotores y los motorreductores
[1].
2) Sensor TCS230
Es un convertidor programable de color de luz a frecuencia
que combina fotodiodos de silicio y un convertidor de
corriente a frecuencia. El convertidor de luz a frecuencia lee
un array de 8x8 fotodiodos, 16 fotodiodos tienen filtros azules,
16 filtros verdes, 16 filtros rojos y 16 poseen filtros sin color.
Los fotodiodos con filtro de color rojo identificarán el color
rojo característico de un ají listo para cosechar [2].
3) Micro Servo
También conocido como servomotor, es un dispositivo
similar a un motor de corriente continua el cual posee la
capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de su
rango de operación y posteriormente quedarse estable. Se
puede controlar su velocidad y posición, siendo así de gran
utilidad en la construcción de las articulaciones del robot, ya
que permite su movimiento y control [3].
4) Puente H L298N
Un Puente H es un circuito electrónico que permite a un
motor eléctrico DC girar en ambos sentidos, avanzar y
retroceder. Son ampliamente usados en robótica y como
convertidores de potencia. Los puentes H están disponibles
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
como circuitos integrados, pero también pueden construirse a
partir de componentes discretos [4].
5) Motor DC C6419
El motor DC es un dispositivo electromecánico que
convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos
angulares discretos, lo que significa que es capaz de avanzar
una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de
control. El motor DC se comporta de la misma manera que un
conversor digital-analógico (D/A) y puede ser gobernado por
impulsos procedentes de sistemas lógicos. El motor modelo
SMJ40 trabaja con un voltaje de 7V a 12V y consta de 10
pasos. Este motor presenta las ventajas de tener alta precisión
y repetitividad en cuanto al posicionamiento. En este proyecto
se utiliza para el sistema de detección alrededor de la planta
por medio de una banda dentada flexible y un polea [5].
6) Motorreductor
Es la adaptación de una caja reductora a un motor DC. Esta
adaptación se realiza generalmente con uno o varios
engranajes que adaptan la velocidad y potencia mecánica del
motor. Con estos motorreductores se obtiene mayor potencia y
tracción para que el robot se mueva con mayor facilidad.
Estos componentes serán acoplados en la base de un robot
móvil, siendo este el modelo más adecuado para el prototipo
[6].
B. Etapas de Construcción
Entre los procesos se encuentra la programación, el diseño
del módulo mecánico y del módulo electrónico.
1) Programación
La programación del robot se realiza en el software de
Arduino. Este software permite la programación tanto de los
motores usados para el movimiento del robot móvil, como
para los motores del ascensor acoplado, el sensor infrarrojo y
la pinza cortadora de frutos que utiliza un microservo. La Fig.
1 muestra la conexión entre Arduino y un microservo. Los
motorreductores que se localizan en las ruedas del robot móvil
son programados para que el robot se mueva alrededor de una
planta cuya localización es conocida, luego de su cosecha, el
robot se desplaza a la siguiente planta y realiza la misma
acción. Los motores del ascensor son programados para que el
sensor y la pinza se ubiquen en paralelo en la parte superior de
la planta. Progresivamente estos descienden para realizar el
escaneo completo de toda la planta. Por medio del sensor
TCS230 se detecta el color rojo de los frutos maduros. La
pinza cortadora se acciona cuando un fruto maduro se ha
identificado, se extrae el fruto de la planta y se suelta dentro
de un colador para almacenar los frutos cosechados.
Fig. 1 Conexión del Arduino con un servo motor
80
2
2) Módulo mecánico
La base de este modelo es una plataforma de robot móvil
con tracción en 2 ruedas (Fig. 2).
Fig. 2 Base del robot móvil
El diseño del ascensor mecánico que se acopla a la
plataforma está basado en una cadena que posee un motor
en un extremo, una polea en el otro extremo y el sensor y la
pinza en la parte intermedia. La activación del motor
permite el ascenso o descenso del sensor de acuerdo al
sentido de giro programado.
El diseño de la pinza mecánica está basado en el
principio básico de una tijera, el cual planea extraer el fruto
de la planta. La Fig. 3 muestra robot cosechador de ajíes
rojos.
Fig. 3 Robot cosechador de ajíes rojos, a) ascensor, b) tijeras y c)
almacenamiento
3) Módulo electrónico
Para este módulo se conectan la alimentación y las señales
de cada componente al Arduino, se utiliza también el puente H
L298N, que permite controlar la polaridad que se envía a los
motores para hacerlos girar en sentido horario o anti horario.
Como fuente de alimentación se utiliza una batería externa de
7,4V y 2200mA/h, que alimenta a todo los elementos que
conforman el robot, como se muestra en la Fig. 4.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
T  tg  d
Donde,
tg
d
3
(5)
Tiempo de giro
Distancia recorrida
El resultado obtenido para una distancia de 1.38m es,
T  500 1,38  690[ms]
Fig. 4 Circuito eléctrico del robot cosechador de ajíes rojos
III. CÁLCULOS Y RESULTADOS
A. Cálculos para el recorrido total del robot móvil
Este cálculo se realiza con la finalidad de determinar el
recorrido total del robot móvil en un determinado tiempo
usando su perímetro como parámetro de desplazamiento.
Para el cálculo del perímetro de la llanta se utiliza (1),
dando como resultado (2).
P  2   r
Donde,
P
r
(1)
Perímetro de la llanta
Radio de la llanta
P  2    34.5  216.77[mm]
CD  CmS  CS  CMP  CM  CA
Donde,
CmS
Consumo del microservo
CMP
Consumo motor DC
CM
Consumo motorreductor
CA
Consumo Arduino
(9)
(2)
(3)
Con estos valores obtenidos se calcula la duración de
batería usando (9) en (7).
2200[mAh]
 1,262[h]
1220,01[mA]
(10)
C. Resultados obtenidos de la detección de Rojo
Los valores de rojo que se obtuvieron en las diferentes
circunstancias de luz son expuestos en la Tabla I.
Distancia que recorre
Número de giros
300
 1,38[ giros]
216,77
(8)
CD  1220,01[mA]
Tabla I
Valores de Rojo para el sensor TCS230
El número de giros obtenidos es,
x
(7)
Donde,
DB
Duración de la batería
CB
Capacidad de la batería en [mAh]
CD
Consumo del dispositivo en [mA]
Se suman todos los valores de consumo de los elementos
electrónicos como indica usando la ecuación (8). El resultado
se observa en (9).
DB 
d
x
P
CB[mAh]
CD[mA]
CD  (100  0,01  500  120  500)[mA]
Para conocer el número de giros que deben realizar las
llantas de la plataforma móvil se utiliza la ecuación (3).
Donde,
d
x
B. Cálculos para el consumo de energía
Se realiza también el cálculo de duración de la batería de
7,4V a 2200mA. Para satisfacer las necesidades de los
elementos electrónicos se considera el consumo de cada uno
de ellos utilizando la ecuación (7).
DB 
Este robot tiene la capacidad de movilizarse por un
camino predeterminado, realizar el escaneo de la planta
correspondiente, y detectar el color rojizo característico de
un ají maduro. Si uno de los ajíes de la planta es detectado,
el robot tiene la capacidad de utilizar su pinza cortadora
para realizar la recolección del mismo.
(6)
(4)
Para calcular el tiempo que tarda en recorrer una distancia
determinada, se utiliza la ecuación (5).
LUGAR
CLIMA
HORA
DATO DEL
SENSOR
Quito - Interior
Quito - Interior
Quito - Interior
Valle de los Chillos -
Despejado
Nublado
Noche
Nublado
10:00 – 12:00
16:00 – 17:00
22:00
16:00
+10
+5
+79
>40
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
[7]
Interior
Valle de los Chillos Exterior
Valle de los Chillos Exterior
UIDE- Interior
UIDE- Interior
UIDE- Interior
UIDE- Laboratorio.
Despejado
12:00 -13:00
Noche
21:30
Despejado
Nublado
Despejado
Nublado
11:00
13:20
15:00
8:00
[8]
>25
>27
+20
D. Resultados obtenidos de la medición de torque.
Para medir el torque del microservo, se utiliza la ecuación
de torque (11).
M  F d
(11)
Donde,
M Momento o Torque
d
Distancia
F
Fuerza
Los valores de torque obtenidos se muestran en la Tabla II.
Tabla II
Valores De Torque De Microservo
DISTANCIA
PESO
TORQUE
5,9 cm
5,9 cm
5,9 cm
5,9 cm
5,9 cm
0,033 kg
0,050 kg
0,055 kg
0,060 kg
0,070 kg
0,1947 kg-cm
0,295 kg-cm
0.3245 kg-cm
0.354 kg-cm
0.413 kg-cm
IV. CONCLUSIONES
La detección de un color depende de factores externos,
como la intensidad y tipo de iluminación y también de la
distancia que posea el sensor con respecto a su objetivo.
Después de las pruebas realizadas se observó que existe un
rango de error, en que de cada 3 ajíes rojos, el robot puede
cortar o arrancar solo 1, ya que afecta la fuerza que tenga la
rama de la planta que sujeta al ají.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
M. Banzi, D. Cuartielles. (2012). Arduino Mega 2560. 2015-01-16, de
Arduino Sitio web: http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardMega2560.
A. Gómez. (2014). Sensor TCS230. 2015-01-08, de Electronilab Sitio
web: http://electronilab.co/tienda/sensor-de-color-tcs230/.
A. Gómez. (2014). Micro servo. 2015-01-08, de Electronilab Sitio web:
http://electronilab.co/tienda/sensor-de-color-tcs230/.
A. Gómez. (2014). Puente h l298n. 2015-01-08, de Electronilab Sitio
web: http://electronilab.co/tienda/sensor-de-color-tcs230/.
A. Gómez. (2014). Motor reductor. 2015-01-08, de Electronilab Sitio
web: http://electronilab.co/tienda/sensor-de-color-tcs230/.
A. Gómez. (2014). Motor DC. 2015-01-08, de Electronilab Sitio web:
http://electronilab.co/tienda/sensor-de-color-tcs230/.
[9]
82
4
T. Nagazaki, S. Kajita, y A. Yokoy, “A running experiment of
Humanoid biped“ Proceedings of the International Conference of
Intelligent Robots and Systems, 2004, pp 515.
A. Gómez. “Seminario de diseño y construcción de micro robots” Ing.
Técnica de Telecomunicación. Sistemas de Telecom. 2006.
G. Borenstein, “Making Things See”. Publicado por O’Reilly Media,
Inc., 1005 Gravenstein Highway North, Sebastopol, CA 95472, Canadá,
2012.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Design and construction of a system that plays an electric guitar
Diseño y construcción de un sistema capaz de tocar una guitarra
eléctrica
A.S. Escalante1*, I.R. León1, E. J. Páez1, A. F. Pazmiño1, Hugo Rodríguez2
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
2
Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador
*
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: Robotics is the science that studies the design and implementation of robots in order to facilitate everyday life. Robotics combine
multiple disciplines, such as mechanics, electronics, computer science, artificial intelligence, systems engineering and engineering control,
among others. This project focuses on the development of a robotic system capable of playing an electric guitar melody pre-established so that
together with other robotic systems achieve the expected melody, this robotic system is mechanical and electronic. The purpose of this project
is to apply the knowledge previously received and combine it with investigation.
Keywords— Robotics, electronics, programming, electric guitar.
Resumen: La robótica es la ciencia que estudia el diseño y la implementación de robots que facilitan la vida cotidiana. La robótica conjuga
múltiples disciplinas, como la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial e Ingeniería en Sistemas, entre otras. Este
proyecto se enfoca en la elaboración de un sistema robótico capaz de tocar en una guitarra eléctrica una melodía pre establecida para que junto
con otros sistemas robóticos logren un ensamble musical, este sistema robótico es mecánico y electrónico. El fin de este proyecto es aplicar el
conocimiento adquirido previamente y combinarlo con la investigación.
Palabras clave— Robótica, electrónica, programación, guitarra eléctrica
I. INTRODUCCIÓN
Actualmente la mayoría de la gente ya relaciona el término
Robótica y lo asocia con los grandes avances tecnológicos que
se están dando en los últimos años. Hoy en día la mayor parte
de la sociedad tiene una idea de lo que es la robótica gracias a
la ciencia ficción que facilita una idea sobre el tema.
En el siguiente proyecto se da a conocer la construcción y
programación de un Sistema Robótico capaz de tocar una
canción predeterminada en una Guitarra Eléctrica, los
accionadores, las pruebas de funcionamiento y los problemas
que se presentaron a partir de la idea de imitar al guitarrista
que toca “Beautiful People” de Marylin Manson y tratar de
evitar errores para tener una armonía sincronizada con los
demás instrumentos automatizados.
II. DISEÑO DE LA ESTRUCTURA
En la Fig. 1 se muestra la estructura que sujeta la guitarra
eléctrica. Esta consta de soportes para los relés y
accionamientos de las cuerdas; soportes para los solenoides
que manejan los diferentes trastes y guías para el sistema de
control.
Fig. 1 Cuerpo Completo del Sistema Robótico
III. DISEÑO ELÉCTRICO
En la Tabla I se especifica cada elemento usado en el
Sistema Robótico capaz de tocar una guitarra eléctrica con su
característica de funcionamiento para su mejor comprensión.
Se especifica el voltaje y la corriente requerida para cada
elemento conectado a la placa Arduino, se consideran estos
datos como el consumo mínimo para evitar problemas de
funcionamiento del sistema electrónico.
En la figura 2 se muestra la ubicación de cada solenoide y relé
presentados en la Tabla I.
TABLA I
ELEMENTO, VOLTAJE Y CORRIENTE ELÉCTRICA REQUERIDA
NOMBRE
ELEMENTO
VOLTAJE
CORRIENTE
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
84
2
ELÉCTRICA
T8M , T4M
Solenoide A
24V
0.5A
T6 , T5 ,T3
Solenoide B
12 V
2A
C1 , C2 , C3
Relés
24V
2.7A
Fuente de 12V
110V
10A
Fuente de 24V
110V
3A
Arduino Uno
9V
5A
Placa de Relés
5V
10A
IV. SISTEMATIZACIÓN DEL PROTOTIPO
Para la adecuada construcción de un sistema capaz de tocar
una canción predeterminada en una Guitarra Eléctrica,
primero se debe analizar que este sistema debe tener un
movimiento similar a los dedos de un guitarrista por lo que
hay que seleccionar adecuadamente cada una de las partes que
lo conforman. Una vez que se ha especificado las partes y su
ubicación en el instrumento, se ensamblan para su correcto
funcionamiento y encaje y así evitar fallas mecánicas.
Fig. 2 Elementos del Sistema Robótico
A. Preparación de los solenoides
Se utilizan 5 solenoides estandarizados, estos se encuentran
ubicados en el mango de la guitarra para crear los puentes de
notas en los trastes. Dos de estos solenoides son los
encargados de tocar las notas en el traste de la guitarra
eléctrica.
Se utilizan solenoides debido a que son elementos
electrónicos que cuando reciben voltaje actúan, el movimiento
del pin presiona las cuerdas con el puente de notas. Los
solenoides son conectados a la placa de relés por medio de una
bornera para su fácil acceso. Las conexiones de la placa de
relés se distribuyen en conexión a tierra y a la fuente de 24V.
B. Preparación de los Relés
Se utilizan 3 relés en el cuerpo de la guitarra eléctrica. Estos
relés permiten tocar las cuerdas independientemente,
conforme el estilo musical que la canción requiere. Estos relés
de accionamiento son conectados a la placa de relés a través
de una bornera lo que permite posicionarlos de manera
ordenada.
C. Montaje del Sistema
El montaje del sistema tiene los siguientes componentes:











Estructura en aluminio y MDF
Arduino Uno
5 solenoides
3 relés
Cables para las conexiones
1 bornera
1 placa de relés
Guitarra Eléctrica
1 Fuente de 12V y 10A
1 Fuente de 24V y 3A
Conversor DC – DC
D. Circuito Implementado
En la Fig. 3 se muestra el circuito simulado en el software
Proteus para probar la secuencia inicial de la melodía,
mediante resistencias y leds que se activan cuando reciben la
señal del controlador y se desactivan cuando esta señal es
omitida. Debido a la configuración del circuito en la placa de
relés, el código de activación es 0L y de desactivación es 1L.
Fig. 3 Simulación en el Software Proteus
E. Pruebas y Resultados
Una vez realizado el montaje se programa el código en el
controlador Arduino, se comprueba que el tiempo de
accionamiento de los solenoides y relés sea el correcto.
También se comprueba la armonía de la canción con los otros
sistemas robóticos para que durante el ensamble musical se
mantenga la sincronización (tempo).
Otro detalle a comprobar es si las dos fuentes de 12V y
24V son suficientes para que el sistema funcione y para que
los solenoides logren el movimiento deseado sin forzarse o
sobrecalentarse demasiado.
Las pruebas fueron realizadas en el software Proteus para
establecer en tiempo real los periodos de accionamiento de los
elementos, asociando los movimientos y las notas finales con
la canción original. En la Fig. 3 se puede apreciar de mejor
manera la simulación de la programación.
V. COSTOS
En la siguiente Tabla II se muestra un listado de los costos
de todos los materiales necesarios para la elaboración del
proyecto.
TABLA II
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
ELEMENTO, PRECIOS Y TOTAL REQUERIDO
Cantidad
Material
Costo
1 m2
1m
1
65
65
1
5
1
1
1
1
Planchas de Aluminio. (3mm)
Corte a láser de las piezas
Placa Arduino Uno
Pernos
Tuercas de Seguridad
Arduino Shield
Solenoides
Batería (9v)
Guitarra
Amplificador
Distorsionador
TOTAL:
$ 35.00
$ 13.50
$ 60
$1.95
$ 1.30
$43
$120
$3
$100
$80
$40
$577,75
C2
C3
T8M
T6
T5
T4M
T3
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
TABLA III
ALGORITMO DE CONVERSIÓN DE BINARIO A DECIMAL
VALOR
C1 C2 C3 T8M T6 T5 T4M T3
(acciones)
1
0
0
0
0
0
0
0
128
0
1
0
0
0
0
0
0
64
0
0
1
0
0
0
0
0
32
0
0
0
1
0
0
0
0
16
0
0
0
0
1
0
0
0
8
0
0
0
0
0
1
0
0
4
0
0
0
0
0
0
1
0
2
0
0
0
0
0
0
0
1
1
La afinación de una guitarra eléctrica normalmente está en
MI, LA, RE, SOL, SI y MI, pero esta canción necesitaba una
afinación determinada por lo que fue necesario afinar la
guitarra en RE, LA y RE (solamente la 6ta, 5ta y 4ta cuerda)
para así conseguir el tono necesario.
En la primera secuencia se puede observar que se accionan
los 3 relés simultáneamente (C1, C2 y C3) por lo que al final,
se determina, a través de un algoritmo de cálculo, que el valor
para las acciones es 224. Con este número el controlador envía
el código de activación a las cuerdas 1, 2 y 3.
ECUACIONES
En la ecuación (1) se demuestra el algoritmo usado para
codificar el código binario para transformarlo a decimal y así
aplicarlo al código aceptado por el software arduino.
B  128  C1  64  C 2  32  C 3  16  T 8M 
8  T 6  4  T 5  2  T 4M  T 3
Donde:
B
C1
Binario
Cuerda 1
(1)
Cuerda 2
Cuerda 3
Traste 8 Mute
Traste 6
Traste 5
Traste 4 Mute
Traste 3
VII. PROGRAMACIÓN
En la Fig. 4 se detalla la secuencia que sigue el sistema
robótico para tocar la canción “Beautiful People” de Marilyn
Manson y en la Tabla IV se muestra cada una de las
secuencias con su respectiva secuencia.
VI. ALGORITMO DE CONVERSIÓN
Se identificaron cada una de las secuencias que se necesitan
para esta rutina. En la Tabla III se muestra el código binario
usado para probar cada uno de los elementos del sistema
robótico con un tiempo determinado entre cada acción (tiempo
inicial de prueba 500 milisegundos). Para definir el tiempo de
accionamiento se realizaron varias pruebas que permitieron la
corrección y adaptación del sistema mecánico para alcanzar el
tono determinado por la canción Beautiful People de Marilyn
Manson.
3
TABLA IV
SECUENCIAS DE ACCIONAMIENTO
SECUENCIA
Secuencia 1
Secuencia 2
Secuencia 3
RUTINA
64, 32, 128, 32, 64, 64, 32, 128, 32, 64, 64, 32,
128, 32, 64, 64, 32, 128, 32, 64, 64, 32, 128, 2,
66, 32
8, 104, 64, 32, 128, 64, 8, 104, 64, 32, 128, 64,
16, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64,
32, 128, 16, 64, 32, 128, 33, 65, 64, 32, 128, 66,
32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128,
16, 40, 72, 64, 32, 128, 8, 104, 64, 32, 128, 64,
16, 64, 32, 128, 33, 64, 32, 128, 2, 32, 64, 128,
40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 16, 64,
32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128,
16, 64, 32, 128, 65, 64, 32, 128, 2
8, 104, 64, 32, 128, 64, 8, 104, 64, 32, 128, 64,
16, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64,
32, 128, 16, 64, 32, 128, 33, 65, 64, 32, 128, 66,
32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128,
16, 40, 72, 64, 32, 128, 8, 104, 64, 32, 128, 64,
16, 64, 32, 128, 33, 64, 32, 128, 2, 32, 64, 128,
40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 16, 64,
32, 128, 40, 72, 64, 32, 128, 40, 72, 64, 32, 128,
16, 64, 32, 128, 65, 64, 32, 128, 2
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
[4]
Fig. 4 Diagrama de Flujo
VIII. CONCLUSIONES
Se obtuvo buenos resultados cuando se puso en marcha el
Sistema robótico capaz de tocar una guitarra eléctrica, sin
embargo tiene limitaciones pues la velocidad de respuesta de
los componentes no permite simular el movimiento de los
dedos humanos. Al usar diferentes tipos de solenoides se tuvo
problemas que se debieron solucionar en la programación,
también se debe tomar en cuenta la fuerza que tiene el
solenoide pues no se necesita mucha fuerza para presionar las
cuerdas; en el caso de usar solenoides con más fuerza se lo
debe alejar del traste. Para el diseño de un sistema robótico
capaz de tocar una guitarra eléctrica, Se tuvo que investigar la
teoría del instrumento, la influencia de los tiempos en el ritmo
de las canciones y buscar asesoría para el instrumento.
REFERENCIAS
[1]
[2]
[3]
R. L. Boylestad, “Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos
electrónicos”, (10ma edición), México DF, México, 2009.
J. Aachen, “Mecatronica: Ingeniería mecatrónica”,(2da edición)
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M. Banzi,“Arduino: Placa Arduino”,(8va edición) [online]. Disponible:
http://www.arduino.org/info
86
4
H.
Laurence,
“El
servo
motor”
[online].
Disponible:
http://www.infoab.uclm.es/labelec/solar/electronica/elementos/servomot
or.htm
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
1
Implementation of a machine to support in physiotherapeutic
rehabilitation focused on elbow injuries
Implementación de una máquina para apoyar la rehabilitación en
la fisioterapia enfocada a las lesiones de codo
E. Ávila1*, M. Revelo1, y D. Vela1
Universidad Internacional del Ecuador, Quito, Ecuador
Autor principal/Corresponding author, e-mail: [email protected]
1
*
Recepción: 24/02/2016
Aceptación: 01/02/2016
Abstract: This project focuses on helping people who need physical therapy rehabilitation, which may be autonomous to perform the
necessary activities in the recovery of their trauma with the implementation of the proposed solution. The need for a specialist company at any
time during the sessions of rehabilitation exercises is discarded. To achieve this, the mechanism will replace the physical therapist for
rehabilitation exercise itself effectively to the injury caused by broken elbow. Patients can easily set the level of difficulty refers to the degree
of bending and deflection graduate of the machine, which has a mechanism of control to customize rehabilitation as the painful condition of the
patient movement. To view the progress in recovering the patient will have to go from beginner to advanced level in the estimate to verify that
the recovery is successful time.
Keywords—Ergonomics, Physiotherapy, elbow injury. Mechanisms, rehabilitation.
Resumen: El proyecto se enfoca en la ayuda a personas que necesitan de rehabilitación fisioterapéutica, las cuales podrán realizar con
mayor independencia las actividades necesarias en la recuperación de su trauma con la implementación de la solución propuesta. Se descarta la
necesidad de tener compañía de un especialista en todo momento durante las sesiones de ejercicios de rehabilitación. Para conseguir esto, el
mecanismo reemplazará al fisioterapeuta para realizar eficazmente el ejercicio de rehabilitación propia para la lesión provocada por fractura de
codo. Los pacientes pueden definir fácilmente el nivel de dificultad que hace referencia a los grados de flexión y de deflexión del movimiento
graduado por la máquina, la cual posee un mecanismo de control para personalizar la rehabilitación según la condición de dolor del paciente.
Para ver los avances en la recuperación el paciente pasa por diferentes etapas de rehabilitación en el tiempo estimado para verificar que la
recuperación es exitosa.
Palabras clave—Ergonomía, fisioterapia, lesión de codo, mecanismos, rehabilitación.
I. INTRODUCCIÓN
La Universidad Internacional del Ecuador “UIDE” a través
de la Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías Aplicadas
con la carrera de Ingeniería Mecatrónica colabora en el
desarrollo científico y tecnológico de las áreas relacionadas a
la fabricación de prototipos robóticos a fin de aportar un
avance significativo en cuanto al entendimiento y la
fabricación de los mismos para el uso ya sea a nivel
académico o inclusive a nivel industrial.
La presentación de este proyecto significa mantener el
estado actual del desarrollo de la investigación en el sistema
educativo universitario colaborando con el desarrollo de
proyectos o elementos electrónicos que permitan de algún
modo facilitar las necesidades de las personas, para así
mejorar la calidad de vida.
El proyecto busca emular los movimientos requeridos en
una rehabilitación, mediante el desarrollo de un mecanismo
que permita realizar los ejercicios necesarios para ayudar a la
óptima recuperación de la lesión por fractura de codo.
Aplicando la mecánica, la electrónica, la informática y la
automatización.
II. REHABILITACIÓN DE CODO
En caso de tener una lesión en el codo por un mal
estiramiento, por sobreuso o simplemente por una bursitis
olecraniana que puede provocar molestias o un estado de dolor
constante, si no se sigue un protocolo de rehabilitación
adecuado de codo, la lesión podría tardar más tiempo en curar
o incluso podría empeorar. Los traumatismos del codo, lleven
asociada o no alguna lesión ósea, tienen tendencia a ocasionar
rigidez, pero el ejercicio cuidadoso evita y previene esta
complicación. Es por esto que la rehabilitación fisioterapéutica
es de suma importancia para la recuperación de cualquier
lesión.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
88
2
Fig. 3 Prototipo para Rehabilitación de Codo y Muñeca
Fig. 1 Fractura de codo
Una de las lesiones de codo más comunes es la causada
por fractura del codo, más específicamente del olecranon
representado en Fig. 1. Estas involucran un periodo de reposo
en el cual la articulación debe permanecer inmovilizada
mediante el uso de yeso. Tras haber cumplido el periodo de
inmovilización, al momento de retirar el yeso, el brazo
presenta rigidez para realizar los movimientos del codo. Para
recuperar la movilidad total de la articulación afectada se
procede a la rehabilitación fisioterapéutica.
Los ejercicios requeridos para el tratamiento de
rehabilitación del codo por fractura consisten en los
movimientos de flexión y deflexión como se puede ver
representado en la Fig. 2.
Tras algunas modificaciones, el diseño final de la máquina
para rehabilitación es el de la Fig. 4.
Fig. 4 Diseño final
A. Detalles de medidas
Tomando en cuenta las longitudes de la TABLA I y TABLA
II basados en El libro de Rosalío Ávila Chaurand
“Dimensiones antropométricas” (Población Latinoamericana),
se determina las dimensiones de las piezas como se puede ver
en Fig. 5 y Fig. 6.
Fig. 2 Ejercicio de flexión y deflexión
El ejercicio de rehabilitación para tratar la lesión
mencionada es progresivo y repetitivo. Un ciclo consiste en
flexionar el brazo desde la posición de reposo hasta el ángulo
requerido para el paciente. Al alcanzar la flexión máxima, se
detiene el movimiento por un tiempo definido. Después de la
espera, el brazo regresa a la posición de reposo donde hace
una pausa nuevamente. En un comienzo, los pacientes
presentan cierta oposición al movimiento debido al dolor por
el ejercicio de rehabilitación.
III. DISEÑO MECÁNICO
La máquina debe ayudar al paciente a flexionar el brazo
solo hasta el ángulo en que el paciente se sienta seguro y
pueda soportar el dolor. Una de las principales características
que debe poseer la máquina es su funcionalidad tanto para
rehabilitar el codo del brazo derecho como izquierdo además
debe ser ajustable para personas de diferentes edades, alturas y
pesos. Estos son los parámetros principales que se tomaron a
consideración para el diseño de la máquina de rehabilitación
para lesiones de codo por fractura. Tras un análisis de
alternativas entre diferentes máquinas de rehabilitación,
basado en la tecnología requerida, disponibilidad de materiales
y costos de inversión entre otros, se decide por la máquina de
rehabilitación presentada en Fig. 3.
TABLA I
DIMENSIONES EXTREMIDAD SUPERIOR PARA PERSONAS MAYORES A 10
AÑOS
RANGO[CM]
MÍNIMO
MÁXIMO
Longitud palma de la mano
Longitud antebrazo
Diámetro antebrazo
Longitud antebrazo más longitud media de la
palma
6,8
18,6
5
14,1
29,2
8
22
36,25
La máquina de rehabilitación es regulable para personas de
10 años en adelante. Se usa el rango de regulación de la pieza
presentada en Fig. 5 y Fig. 6 considerando los valores de la
TABLA I.
Fig. 5 Regulación mínima
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
Fig. 6 Regulación máxima
3
Fig. 7 Motor DC modelo KK-1032L
TABLA II
MASAS CONSIDERADAS DE MANO Y ANTEBRAZO
MASA [kg]
MÍNIMO
MÁXIMO
Mano
Mano y antebrazo
0,45
1,58
0,73
3,13
El motor cuenta también con dos velocidades. Debido a
que el movimiento para rehabilitación debe ser a una
velocidad moderada, se utiliza la velocidad más baja. Además,
se realizaron pruebas en él con 5V y 12V en su menor
velocidad. Los resultados fueron los mostrados en la TABLA
IV.
IV. ANÁLISIS DE MATERIALES
B. Cálculo del torque:
T  F  x
T  0,21[m]  3,13[kg]  9,81[m s 2 ] |
(1)
T  6,45[ N m]
Con el cálculo realizado en (1) se determina el torque
necesario del motor que da movimiento a la máquina.
Para no utilizar el motor al límite es preferible dimensionar
al doble del torque necesitado, por lo que el motor a utilizarse
debe ser de mínimo 12N/m.
Tomando en cuenta los requerimientos del motor y
comparando con las características de motores disponibles en
el mercado, se destaca el motor KK-1032L, presentado en la
Fig. 7, utilizado comúnmente para dar movimiento a las
plumas de los automóviles. La TABLA III muestra las
características del motor. Tras realizar las pruebas, se alimenta
el motor con 5V.
TABLA III
CARACTERÍSTICAS MOTOR KK-1032L
CARACTERÍSTICAS
DATOS
Durabilidad
rpm
Torque
Potencia
Corriente
Voltaje
6 millones ciclos
40 - 60
20 N/m
36w
1A-3A
5V-12V
Para el análisis de materiales se investiga las características
del aluminio y el acero, debido a la fácil disponibilidad;
además se realiza la comparación entre ellos siguientes las
valoraciones de la TABLA V. La TABLA VI muestra la
valoración de cada característica para el aluminio y el acero.
TABLA IV
REVOLUCIONES POR MINUTO MOTOR KK-1032L
VOLTAJE
CORRIENTE
RPM
5V
0,95A
16
12V
1,22A
40
TABLA V
VALORACIÓN CARACTERÍSTICAS
VALORACIÓN
Excelente
5
Muy Buena
4
Buena
3
Regular
2
Mala
1
TABLA VI
TABLA COMPARATIVA DE PROPIEDADES DEL ACERO Y ALUMINIO
CARACTERÍSTICAS
ALUMINIO
ACERO
Propiedades físicas
Facilidad de maquinado
Facilidad de soldadura
Corrosión
Accesibilidad en el mercado
Costo
TOTAL
4
5
3
5
5
3
25
5
5
5
3
5
5
28
Mediante el análisis de materiales se determina que el
mejor material para la construcción de la máquina de
rehabilitación para lesiones de codo por fractura es el Acero.
V. DISEÑO ELECTRÓNICO
Para el funcionamiento de la máquina se necesita un botón
de inicio, paro o stop, botón de emergencia y tres para escoger
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
90
4
la etapa de rehabilitación y el sentido de giro para iniciar la
rutina de rehabilitación.
Debido a que el motor es DC, es necesario un método
para limitar el ángulo de movimiento, dirección de giro y
cambio de estado.
Para determinar la dirección de giro, se utiliza un relé de
8 pines que invierta la polaridad del motor al ser activado o
desactivado. Se utiliza un transistor NPN como conmutador
para activar el relé. De igual manera, para controlar el cambio
de estado del motor, se utiliza un MOSFET de potencia que
opere como interruptor.
Se utilizan pulsadores para la selección de las diferentes
etapas de rehabilitación.
VI. PROGRAMACIÓN
El control de la máquina se basa en un programa de
rehabilitación el que permite controlar el proceso de
rehabilitación en la recuperación como indica TABLA VII, al
igual de las repeticiones y tiempos estimados en cada rutina
como muestra la TABLA VIII y la lógica utilizada para la
máquina de rehabilitación de lesiones de codo por fractura se
muestra en la Fig. 8.
TABLA VII
ÁNGULO Y REPETICIONES DEL MOVIMIENTO POR ETAPA
ETAPA
ÁNGULOS
REPETICIONES
Básica
Media
Avanzada
20° - 45°
20° - 90°
0° - 145°
3x10
3x15
3x20
TABLA VIII
TIEMPO DE ESPERA DEL MOVIMIENTO POR ETAPA
ETAPA
TIEMPO DE PAUSA
Básica
6s
Media
10s
Avanzada
15s
Fig. 8 Diagrama de flujo control máquina
VII. PRUEBAS
Se determina el ciclo de trabajo de la máquina mediante la
realización de pruebas variando el porcentaje de velocidad del
motor como muestra la TABLA IX. La TABLA X muestra las
pruebas realizadas sobre el consumo de corriente para el
prototipo con y sin carga.
Luego del proceso de investigación realizado
anteriormente se llega al prototipo final de la máquina de
rehabilitación para lesiones de codo por fractura mostrado en
la Fig. 9.
TABLA IX
TIEMPO PARA DIFERENTES CICLOS DE TRABAJO (CT)
CT= 100% [s]
CT = 75% [s]
CT = 60% [s]
2,43
2,43
2,45
2,43
2,5
2,56
2,45
2,56
2,45
2,35
2,41
2,36
3,25
3,6
3,26
3,35
3,16
3,48
3,16
3,48
3,16
3,48
3,16
3,4
6,53
6,56
6,58
6,72
6,51
6,5
6,51
6,5
6,63
6,55
6,69
6,52
Promedio En Cada Ciclo De Trabajo [s]
2,437
3,33
6,579
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL
TABLA X
PRUEBAS MOTOR
CARGA
VOLTAJE [V]
CORRIENTE [A]
Con Carga
Sin Carga
5
5
1
3
Fig. 9 Prototipo final máquina rehabilitación
VIII. CONCLUSIONES
Mediante el uso de la máquina para la rehabilitación de
codo por fractura se puede observar una rutina de
movimientos más exactos, los cuales a la larga permiten una
recuperación más eficaz. La realización de movimientos para
la rehabilitación de codo por fractura requiere de una
secuencia de ejercicios de flexión en un determinado intervalo
de repeticiones el cual ayuda a la recuperación óptima de la
lesión de codo por fractura. Al diseñar considerando las
medidas antropométricas, la máquina es regulable para
personas de 10 años en adelante.
IX. RECOMENDACIONES
Para realizar una máquina que ayude a la rehabilitación
de personas en la fisioterapia se necesita una exhaustiva
investigación sobre los requerimientos para los ejercicios
necesarios sin que afecten al paciente. Se recomienda tener la
asesoría de una persona experta en el tema de la rehabilitación
para no causar problemas futuros en el paciente. Realizar una
máquina que permita al paciente sentirse a gusto con la
misma. Tomar en cuenta el peso a soportar para colocar el
motor acorde a lo necesitado. Utilizar material resistente para
la elaboración de la máquina de rehabilitación para lesiones
por fractura de codo.
REFERENCIAS
[1]
Mecanismos, Automáticos, grupo de medicina,
Universidad Estatal, “Máquina rehabilitación de codo,” Julio
2004. [En Línea]. Disponible: www.armeo.es
[2]
Arduino, Características, Tabla de comparación,
“Tabla comparación arduino,” Julio 2015. [En Línea].
Disponible: https://www.arduino.cc/en/products.compare
[3]
Arduino, Características, “Arduino Mega,” Julio
2015. [En Línea]. Disponible: https://www.arduino.cc
[4]
Motor, Limpia parabrisas, modelo, “Motor kk1032l,”
Agosto
2013.
[En
Línea].
Disponible:
www.wiper.es//smotor
5
[5]
Motor, Funcionamiento, “Motor funcionamiento,”
Octubre
2002.
[En
Línea].
Disponible
www.kinmore.com/motores.
[6]
Características, Funcionamiento, “Motor kk-1032l,”
Septiembre
2006.
[En
Línea].
Disponible:
http://www.tradeatchina.com/company/catalog/280938412/Au
to-Wiper-Motor-KK-1032L.html
[7]
Fuente, Computador, 12V, “Fuente de computadora
12V,” Diciembre 2010. [En Línea]. Disponible:
www.enhance.com.
[8]
Máquina
rehabilitación,
Codo,
Mecanismos,
“Máquina rehabilitación codo, Centro Médico” Noviembre
2005.
[En
Línea].
Disponible:
https://www.cpmmedicalequipment.com
[9]
Máquina rehabilitación, Codo, Muñeca, “Prototipo
para rehabilitación de codo y muñeca ” Septiembre 2014. [En
Línea]. Disponible: https://www.espe.com.ec
[10]
Transistor , NPN, “Circuito transistor ” Agosto 2012.
[En
Línea].
Disponible:
http://www.electronicstutorials.ws/transistor/tran_4.html
PREPARATION OF PAPERS FOR MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL (USE TITLE CASE FOR PAPER TITLE)
1
Preparation of Papers for Mechatronic Research Journal
Use Title Case for Paper Title
First A. Author*; Second B. Author**; Third C. Author***
*Universidad Internacional del Ecuador, Facultad de Ciencias Exactas y Tecnologías Aplicadas, Escuela de Ingeniería Mecatrónica
Quito, Ecuador (Tel: 593-2-985600-2222; e-mail: [email protected])
** Escuela Politécnica del Litoral, Facultad de Ingeniería Industrial
Guayaquil, Ecuador (Tel: 593-4-2269-269; e-mail: [email protected])
*** Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Exactas
Cuenca, Ecuador (Tel: 593-7-4051-000; e-mail: [email protected])
Resumen: Las siguientes instrucciones establecen las pautas para la preparación de artículos
para la Revista Mechatronic Research Journal. Los artículos pueden ser escritos en español o
en inglés, pero tendrán un resumen en ambos idiomas. Los autores pueden hacer uso de este
documento como una plantilla para componer su artículo si están utilizando Microsoft Word
6.0 o superior. Caso contrario, este documento puede ser utilizado como una guía de
instrucciones. El número máximo de páginas será 10. Para el envío de los artículos, los
autores deben seguir las instrucciones colocadas en el sistema de recepción de artículos del
sitio web de la Universidad Internacional del Ecuador.
Palabras clave: Incluir una lista de 5-10 palabras clave.
Abstract: These instructions give you guidelines for preparing papers for Mechatronic
Research Journal. Papers can be written in Spanish or English; however an abstract in both
languages is required. Use this document as a template to compose your paper if you are using
Microsoft Word 6.0 or later. Otherwise, use this document as an instruction set. The maximum
number of pages will be 10. For submission guidelines, follow instructions on paper
submission system from the Universidad Internacional el Ecuador website.
Keywords: Include a list of 5-10 keywords.
This document is a template for Microsoft Word versions 6.0
or later. If you are reading a paper version of this document,
please
download
the
electronic
file,
mechatronicjournaltemplate.docx. Please do not put any
running header/footer or page number in the submitted
paper.
You
can
type
over
sections
of
mechatronicjournaltemplate.docx or cut and paste from
another document and then use markup styles. The pull-down
style menu is at the left of the Formatting Toolbar at the top
of your Word window (for example, the style at this point in
the document is “Text”). Highlight a section that you want to
designate with a certain style, and then select the appropriate
name on the style menu. The style will adjust your fonts and
Manuscript received January XX, 2013; revised July XX, 2013. (Write the date on
which you submitted your paper for review.) This work was supported in part by the
SENESCYT under Project BS123456 (sponsor and financial support acknowledgment
goes here). Paper titles should be written in uppercase and lowercase letters, not all
uppercase. Avoid writing long formulas with subscripts in the title; short formulas that
identify the elements are fine (e.g., "Nd–Fe–B"). Do not write “(Invited)” in the title.
Full names of authors are preferred in the author field, but are not required. Put a space
between authors’ initials.
Corresponding author: F. A. Author´s emails address, phone, and institutional address.
line spacing. Do not change the font sizes or line spacing to
squeeze more text into a limited number of pages. Use
italics or bold for emphasis; do not underline.
Position figures and tables at the tops and bottoms of
columns. Avoid placing them in the middle of columns.
Large figures and tables may span across both columns.
Figure captions should be centered below the figures; table
captions should be centered above. Avoid placing figures and
tables before their first mention in the text. Use the
abbreviation “Fig. 1”, even at the beginning of a sentence.
99.9
98
Weibull Breakdown Probability (%)
1. INTRODUCTION
90
70
50
30
20
10
5
2
1
0.5
0.2
0.1
100
101
102
Breakdown Voltage (kV)
Figure 1. Weibull distribution of 60 Hz breakdown voltages
11 cables α = 45.9 kV peak β = 5.08. Confidence Intervals 95%
1.2 About Authors
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, JUNE 2016
PREPARATION OF PAPERS FOR MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL (USE TITLE CASE FOR PAPER TITLE)
As suggestion, it is important take in account that the first
author is the researcher who that did most of the work,
and probably he will put this into his thesis and will
emphasize it in his cv, whereas the last author is typically the
professor who obtained the grant, produced the intellectual
lead and often edited and submitted the final draft of the
paper.
2. PROCEDURE FOR PAPER SUBMISSION
2.1 Review Stage
Please use this document as a “template” to prepare your
manuscript. For submission guidelines, follow instructions on
paper submission system from Mechatronic Research Journal
website.
It will be better for you to prepare your initial submission in
the camera ready layout so that you will have a good estimate
for the paper length. Additionally, the effort required for final
submission will be minimal.
2.2 Final Stage
Authors are expected to mind the margins diligently. Journal
papers need to be stamped with journal data and paginated
for inclusion in the proceedings. If your manuscript bleeds
into margins, you will be required to resubmit and delay the
proceedings preparation in the process.
2.3 Page margins
Mechatronic Research Journal will put in place an electronic
copyright transfer system in due course. Please “do not”
send copyright forms by mail or FAX. More information on
this will be made available on Mechatronic Research Journal
website.
3. MATH
If you are using Word, we suggest use either the Microsoft
Equation Editor or the MathType add-on for equations in
your paper (Insert | Object | Create New | Microsoft Equation
or MathType Equation). “Float over text” should not be
selected.
4. UNITS
Use either SI as primary units. Other units may be used as
secondary units (in parentheses). This applies to papers in
data storage. For example, write “15 Gb/cm2 (100 Gb/in2)”.
Avoid combining SI and CGS units, such as current in
amperes and magnetic field in oersteds. This often leads to
confusion because equations do not balance dimensionally. If
you must use mixed units, clearly state the units for each
quantity in an equation.
The SI unit for magnetic field strength H is A/m. However, if
you wish to use units of T, either refers to magnetic flux
density B or magnetic field strength symbolized as µ0H. Use
the center dot to separate compound units, e.g. “A·m2”.
5. HELPFUL HINTS
Your manuscript should be ‘camera-ready.’ Please do not
modify margins. If you are creating a document on your own,
please observe the margins as listed in Table 1. All
dimensions are in centimeters.
Table 1. Page margins
Page
First
Rest
2
Top
3.5
2.5
Bottom
2.5
2.5
Left/Right
1.5
1.5
It is very important to maintain these margins. They are
necessary to put conference information and page number for
the proceedings.
5.1 Figures and Tables
Figure axis labels are often a source of confusion. Use words
rather than symbols. As an example, write the quantity
“Magnetization,” or “Magnetization M,” not just “M.” Put
units in parentheses.
Do not label axes only with units. For example, write
“Magnetization (A/m)” or “Magnetization (A ⋅ m 1)”, not just
“A/m.” Do not label axes with a ratio of quantities and units.
For example, write “Temperature (K)”, not “Temperature/K”.
−
2.4 Figures and PDF Creation
All figures must be embedded in the document. When you
include the image, make sure to insert the actual image rather
than a link to your local computer. As far as possible, use
standard PDF conversion tools Adobe Acrobat or Ghostscript
give best results. It is important that all fonts be
embedded/subsetted in the resulting PDF.
2.5 Copyright Form
Figure 2. Sinergia Ingeniería Mecatrónica
Multipliers
can
be
especially
confusing.
Write
“Magnetization (kA/m)” or “Magnetization (103 A/m)”. Do
not write “Magnetization (A/m) × 1000” because the reader
PREPARATION OF PAPERS FOR MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL (USE TITLE CASE FOR PAPER TITLE)
would not know whether the top axis label meant 16000 A/m
or 0.016 A/m. Figure labels should be legible, approximately
8 to 12 point type.
3
5.5 Languages
Papers can be written in Spanish or English; however an
abstract in both languages is required.
5.2 References
References must be cited in text. When there are number
citations on the line, in square brackets inside the
punctuation. Multiple references are each numbered with
separate brackets. When citing a section in a book, please
give the relevant page numbers. In text, refer simply to the
reference number. Do not use “Ref.” or “reference” except at
the beginning of a sentence: “Reference [3] shows ...”. Please
do not use automatic endnotes in Word, rather, type the
reference list at the end of the paper using the “References”
style.
Use standard style references (see at the end of this
document). Footnotes should be avoided as far as possible.
Please note that the references at the end of this document are
in the preferred referencing style. Papers that have not been
published should be cited as “unpublished.” Capitalize only
the first word in a paper title, except for proper nouns and
element symbols.
5.3 Abbreviations and Acronyms
Define abbreviations and acronyms the first time they are
used in the text, even after they have already been defined in
the abstract. Abbreviations such as UIDE, SI, ac, and dc do
not have to be defined. Abbreviations that incorporate
periods should not have spaces: write “C.N.R.S.”, not “C. N.
R. S.” Do not use abbreviations in the title unless they are
unavoidable (for example, “UIDE” in the title of this article).
5.4 Equations
Number equations consecutively with equation numbers in
parentheses flush with the right margin, as in (1). First use
the equation editor to create the equation. Then select the
“Equation” mark-up style. Press the tab key and write the
equation number in parentheses. To make your equations
more compact, you may use the solidus ( / ), the exp function,
or appropriate exponents. Use parentheses to avoid
ambiguities in denominators. Punctuate equations when they
are part of a sentence, as in
∫
r2
0
F ( r, ϕ ) dr dϕ = [σ r2 / ( 2 µ0 )]
⋅∫
∞
0
(1)
exp( − λ | z j − zi | ) λ−1 J 1 ( λ r2 ) J 0 ( λ ri ) dλ .
Be sure that the symbols in your equation have been defined
before the equation appears or immediately following.
Italicize symbols (T might refer to temperature, but T is the
unit tesla). Refer to “(1)”, not “Eq. (1)” or “equation (1)”,
except at the beginning of a sentence: “Equation (1) is …”
5.6 Other Recommendations
Use one space after periods and colons. Hyphenate complex
modifiers:
“zero-field-cooled
magnetization.”
Avoid
dangling participles, such as, “Using (1), the potential was
calculated.” [It is not clear who or what used (1).] Write
instead, “The potential was calculated by using (1),” or
“Using (1), we calculated the potential.”
Use a zero before decimal points: “0.25,” not “.25.” Use
“cm3,” not “cc.” Indicate sample dimensions as “0.1 cm × 0.2
cm,” not “0.1 × 0.2 cm2”. The abbreviation for “seconds” is
“s”, not “sec”. Use “Wb/m2” or “webers per square meter,”
not “webers/m2.” When expressing a range of values, write
“7 to 9” or “7-9”, not “7~9”.
A parenthetical statement at the end of a sentence is
punctuated outside of the closing parenthesis (like this). (A
parenthetical sentence is punctuated within the parentheses.)
Avoid contractions; for example, write “do not” instead of
“don’t”. The serial comma is preferred: “A, B, and C” instead
of “A, B and C”.
6. CONCLUSIONS
A conclusion section is not required. Although a conclusion
may review the main points of the paper, do not replicate the
abstract as the conclusion. A conclusion might elaborate on
the importance of the work or suggest applications and
extensions.
7. ACKNOWLEDGMENT (OPTIONAL)
The preferred spelling of the word “acknowledgment” in
American English is without an “e” after the “g.” Use the
singular heading even if you have many acknowledgments.
Avoid expressions such as “One of us (S.B.A.) would like to
thank ...”. Instead, write “F. A. Author thanks ...”. In most
cases, sponsor and financial support acknowledgments are
placed in the unnumbered footnote on the first page, not here.
REFERENCES
List of references arranged alphabetically according to first
author, subsequent lines indented. Do not number references.
Publications by the same author(s) should be listed in order
of year of publication. If there is more than one paper by the
same author(s) and with the same date, label them a, b, etc.,
e.g. Morris et al. (1990a, b). Please note that all references
listed here must be directly cited in the body of the text by
using [].
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL, VOL. 1, NO. 1, JUNE 2016
PREPARATION OF PAPERS FOR MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL (USE TITLE CASE FOR PAPER TITLE)
Basic format for books:
[1]
[2]
G. O. Young, “Synthetic structure of industrial plastics,” in Plastics,
2nd ed., vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964,
pp. 15–64.
W. K. Chen, Linear Networks and Systems. Belmont, CA:
Wadsworth, 1993, pp. 123–135.
4
Basic format for the most common types of unpublished
references:
[15] A. Harrison, private communication, May 1995.
[16] B. Smith, “An approach to graphs of linear forms,” unpublished.
[17] A. Brahms, “Representation error for real numbers in binary computer
arithmetic,” IEEE Computer Group Repository, Paper R-67-85.
Basic format for periodicals:
Basic format for standards:
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[18] IEEE Criteria for Class IE Electric Systems, IEEE Standard 308, 1969.
[19] Letter Symbols for Quantities, ANSI Standard Y10.5-1968.
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[5]
J. U. Duncombe, “Infrared navigation—Part I: An assessment
of feasibility,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. ED-11, no. 1, pp.
34–39, Jan. 1959.
E. P. Wigner, “Theory of traveling-wave optical laser,” Phys. Rev.,
vol. 134, pp. A635–A646, Dec. 1965.
E. H. Miller, “A note on reflector arrays,” IEEE Trans. Antennas
Propagat., to be published.
Basic format for handbooks:
[6]
[7]
Transmission Systems for Communications, 3rd ed., Western Electric
Co., Winston-Salem, NC, 1985, pp. 44–60.
Motorola Semiconductor Data Manual, Motorola Semiconductor
Products Inc., Phoenix, AZ, 1989.
Basic format for books (when available online):
[8]
J. Jones. (1991, May 10). Networks. (2nd ed.) [Online]. Available:
http://www.atm.com
Basic format for journals (when available online):
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R. J. Vidmar. (1992, Aug.). On the use of atmospheric plasmas as
electromagnetic reflectors. IEEE Trans. Plasma Sci. [Online].
21(3),
pp.
876–880.
Available:
http://www.halcyon.com/pub/journals/21ps03-vidmar
Basic format for papers presented at conferences (when
available online):
[10] PROCESS Corp., MA. Intranets: Internet technologies deployed
behind the firewall for corporate productivity. Presented at
INET96
Annual
Meeting.
[Online].
Available:
http://home.process.com/Intranets/wp2.htp
Basic format for conference proceedings (published):
[11] D. B. Payne and J. R. Stern, “Wavelength-switched pas- sively coupled
single-mode optical network,” in Proc. IOOC-ECOC, 1985,
pp. 585–590.
Basic format for patents:
[12] G. Brandli and M. Dick, “Alternating current fed power supply,”
U.S. Patent 4 084 217, Nov. 4, 1978.
Basic format for theses (M.S.) and dissertations (Ph.D.):
[13] J. O. Williams, “Narrow-band analyzer,” Ph.D. dissertation, Dept.
Elect. Eng., Harvard Univ., Cambridge, MA, 1993.
[14] N. Kawasaki, “Parametric study of thermal and chemical
nonequilibrium nozzle flow,” M.S. thesis, Dept. Electron. Eng., Osaka
Univ., Osaka, Japan, 1993.
MECHATRONIC RESEARCH JOURNAL 100