Ingeniería y Universidad

Diseño y construcción de la prótesis robótica de mano UC-1

Este documento muestra los pasos seguidos en el diseño y la construcción de la prótesis de mano diestra UC-1, asumiendo una estructura arborescente, de tres dedos con tres grados de libertad. Una vez probado el funcionamiento y control de la prótesis en simulación, se diseñó y construyó un prototipo de dedo poliarticulado pequeño y compacto que pudiera ser integrado fácilmente a una palma, con el fin de formar una mano polimórfica. El dedo está constituido de cuatro falanges acopladas mediante un sistema mecánico rígido de transmisión a través de motores de corriente continua. Una vez validado el dedo, se construyó la prótesis de tres dedos, adicionándole sensores analógicos Hall y sensores de fuerza para dotar de sensibilidad a la mano, así como un sistema de control implementado en un procesador digital de señales y controlado a través de Labview®. El propósito es obtener un primer prototipo que pueda servir como solución funcional a los amputados de mano y que pueda proveer diversos agarres como pinza, cilíndrico, esférico, lateral y gancho.

This article shows the steps followed in the design and construction of the prosthetic right hand UC-1. This device was designed based on a tree structure: three fingers with a range of three degrees for each finger. The operation and control of the prosthesis was tested in simulation, and then a prototype of a multi-articulated finger was designed and built. It was small and compact, and could be easily integrated into a palm structure in order to make a polymorphic hand. After the validated finger was completed, three finger prostheses were built. Analog Hall and force sensors were added to provide sensitivity to the hand, as well as a DSP control system which was managed through Labview®. The goal is to obtain a first prototype that can offer a functional solution to hand amputees, offering a number of grasping movements, as well as cylindrical, spherical, lateral and hook grasping.

Este documento mostra os passos seguidos no desenho e construção da prótese de mão destra UC-1, assumindo uma estrutura arborescente, de três dedos com três graus de liberdade. Uma vez provado o funcionamento e controle da prótese em simulação, desenhou-se e construiu-se um protótipo de dedo poli-articulado pequeno e compacto que pudesse ser integrado facilmente a uma palma, com o fim de formar uma mão polimórfica. O dedo está constituído de quatro falanges acopladas mediante um sistema mecânico rígido de transmissão através de motores de corrente contínua. Uma vez validado o dedo, construiu-se a prótese de três dedos, adicionando sensores analógicos Hall e sensores de força para dotar de sensibilidade a mão, bem como um sistema de controle implementado em um processador digital de sinais e controlado através de Labview®. O propósito é obter um primeiro protótipo que possa servir como solução funcional aos amputados de mão e que possa prover diversos empunhes como pinça, cilíndrico, esférico, lateral e gancho.

Ensayos numéricos sobre la formación de patrones de Turing bajo la acción de campos convectivos incompresibles: un acercamiento desde el problema de la cavidad

En este artículo se presentan varios ensayos numéricos sobre las ecuaciones de reacción-difusión en el espacio de Turing afectadas por campos convectivos presentes en flujos incompresibles, bajo el mecanismo de reacción de Schnakenberg. Los ensayos se realizan en 2D sobre cuadrados unitarios, a los cuales se les impone un campo advectivo proveniente de la solución del problema de flujo en una cavidad. El modelo desarrollado consiste en un sistema desacoplado de ecuaciones de reacción-advección-difusión, junto con las ecuaciones de Navier-Stokes de flujo incompresible, el cual se soluciona de forma simultánea mediante el método de los elementos finitos. Los resultados muestran patrones complejos que mezclan bandas y puntos que llegan al estado estable. Además, se muestran resultados en los que el patrón generado por las concentraciones del sistema reactivo varía tanto en el tiempo como en el espacio, debido al efecto ejercido por el campo advectivo. Los ensayos numéricos muestran que los patrones obtenidos son independientes de las condiciones iniciales y de la malla empleada para la solución.

This work presents a number of numerical examples of reaction-difussion equations in Turing space, modified by convective fields in incompressible flows, using a Schnakenberg reaction mechanism. Examples were made in 2D using quad elements, which have an imposed advective field derived from the cavity problem solution. The developed model consists of an uncoupled system of equations including the reaction-advection-diffusion equations and the Navier-Stokes equations for incompressible flow. This system is solved simultaneously using the finite element method. Results illustrate that complex patterns are formed, mixing dots and stripes which reach a stable state. Changes in pattern concentration in both space and time are also shown due to the effect of the advective field. Numerical examples confirm that pattern formation is independent of initial conditions and mesh.

Neste artigo apresentam-se vários ensaios numéricos sobre as equações de reação-difusão no espaço de Turing afetadas por campos convectivos presentes em fluxos incompreensíveis, sob o mecanismo de reação de Schnakenberg. Os ensaios realizam-se em 2D sobre quadrados unitários, aos quais se impõem um campo advectivo proveniente da solução do problema de fluxo em uma cavidade. O modelo desenvolvido consiste em um sistema desacoplado de equações de reação-advecção-difusão, junto com as equações de Navier-Stokes de fluxo incompreensível, que se soluciona de forma simultânea mediante o método de os elementos finitos. Os resultados mostram padrões complexos que misturam bandas e pontos que chegam ao estado estável. Além disso, mostramse resultados em que o padrão gerado pelas concentrações do sistema reativo varia tanto no tempo como no espaço, devido ao efeito exercido pelo campo advectivo. Os ensaios numéricos mostram que os padrões obtidos são independentes das condições iniciais e da malha empregada para a solução.

Evaluación del impacto ambiental de uniones roscadas en bronce mediante el análisis del ciclo de vida (ACV) de productos

En este artículo se evalúa el impacto ambiental de uniones roscadas para tubería fabricadas en bronce y se analizan dos escenarios de acuerdo con la cantidad de material reciclado utilizado en el proceso: (i) 100% materia prima virgen y (ii) 92,3% de material reciclado. Se utilizó el análisis de ciclo de vida (ACV) de productos, apoyado en el Ecoindicador 99, para determinar el grado de impacto, y en la herramienta informática Simapro®, para el desarrollo de los cálculos. En el escenario de productos con una formulación de 100% de materia prima virgen se estableció que los mayores efectos ambientales se alcanzaron en las categorías de impacto, correspondientes a la extracción de minerales y generación de material inorgánico respirable en suspensión. Para el escenario con 92,3% de material reciclado se estableció que los principales efectos negativos correspondieron a la emisión de respirables orgánicos y a la categoría de acidificación/eutroficación. Al comparar los dos escenarios se detectó una atenuación del impacto en las categorías de extracción de minerales y respirables inorgánicos. Como consecuencia del uso de material reciclado en este producto se redujeron notablemente los impactos globales del 231% en términos del indicador Pt.

This paper establishes an environmental impact assessment applied to brass threaded unions. Two different scenarios were analyzed based on the amount of material used in the process: i) 100% virgin raw material usage and ii) 92.3% of recycled material usage. For the analysis and environmental impact evaluation, this study made use of the life cycle assessment methodology (LCA). It also used Ecoindicator 99 for grading impact, as well as the computer tool Simapro® for calculations. When a composition of 100% virgin raw material was used, significant impacts were identified on mineral extraction and air suspended inorganic material categories. For 92.3% of recycled material, major effects were related to air suspended organic material and impact category related to acidification/ eutrophication. The comparison of both scenarios made it possible to detect an impact attenuation in mineral extraction and air suspended inorganic material categories. As a consequence of using recycled material in the product, a significant global impact reduction of 231% in terms of Pt was noticed.

Neste artigo avalia-se o impacto ambiental de uniões roscadas para tubulação fabricada em bronze e analisam-se dois cenários de acordo coma quantidade de material reciclado utilizado no processo: (i) 100% matéria prima virgem e (ii) 92,3% de material reciclado. Utilizou-se a análise de ciclo de vida (ACV) de produtos, apoiado no Ecoindicador 99, para determinar o grau de impacto, e na ferramenta informática Simapro®, para o desenvolvimento dos cálculos. No cenário de produtos com uma formulação de 100% de matéria prima virgem estabeleceu-se que os maiores efeitos ambientais foram alcançados nas categorias de impacto, correspondentes à extração de minerais e geração de material inorgânico respirável em suspensão. Para o cenário com 92,3% de material reciclado estabeleceu-se que os principais efeitos negativos corresponderam à emissão de respiráveis orgânicos e à categoria de acidificação/ eutroficação. Ao comparar os dois cenários detectou-se uma atenuação do impacto nas categorias de extração de minerais e respiráveis inorgânicos. Como consequência do uso de material reciclado neste produto reduziram-se notavelmente os impactos globais em 231% em termos do indicador Pt.

Greedy Randomized Adaptive Search Procedure (GRASP), una alternativa valiosa en la minimización de la tardanza total ponderada en una máquina: A Valuable Alternative for Minimizing Machine Total Weighted Tardiness

Este artículo presenta los resultados experimentales obtenidos de secuenciar trabajos en una máquina, a fin de minimizar la tardanza total ponderada mediante un algoritmo GRASP. Los resultados se compararon con los valores óptimos o mejores valores reportados hasta el momento para cada una de las instancias de OR-Library y se encontró una excelente relación entre la calidad de los resultados (93% de las instancias se solucionaron con una desviación máxima del 1% respecto a estos valores) y el esfuerzo computacional y de implementación requerido. El algoritmo se implementó usando macros en una hoja de cálculo. La fase de postoptimización se realizó mediante una estrategia de Búsqueda Local que utilizó reglas de dominancia que, aun cuando sencillas, permitieron mejorar sustancialmente la tardanza total ponderada de las secuencias obtenidas en la fase constructiva del algoritmo.

A GRASP algorithm was implemented in a common spreadsheet for single machine scheduling total weighted tardiness problem, and was tested with OR-Library instances. Results were compared with optimum or best known schedules for each instance, yielding less than 1% of difference in 93% of the cases, which results in an excellent tradeoff among results quality, computational effort and implementation easiness. Local search was performed on the post-optimization phase, based on dominancy rules, which yielded even better results with little implementation effort.

Este artigo apresenta os resultados experimentais obtidos ao sequenciar trabalhos em uma máquina, a fim de minimizar a tardança total ponderada mediante um algoritmo GRASP. Os resultados compararam-se com os valores ótimos ou os melhores valores conhecidos até o momento para cada uma das instâncias de OR-Library e encontrou-se uma excelente relação entre a qualidade dos resultados (93% das instâncias solucionaram-se com um desvio máximo de 1% com respeito a estes valores) e o esforço computacional e de implementação requerido. O algoritmo implementouse usando macros em uma planilha de cálculo. A fase de pós-otimização realizou-se mediante uma estratégia de Busca Local que utilizou regras de dominância que, ainda que simples, permitiram melhorar substancialmente a tardança total ponderada das seqüências obtidas na fase construtiva do algoritmo.

**Influencia del agua en el fenómeno de stripping en mezclas asfálticas: estudio sobre el ligante**

Uno de los principales daños de mezclas asfálticas in situ ocurre cuando se separa el ligante asfáltico del agregado pétreo debido a la presencia de agua. Este fenómeno se identifica con el nombre de stripping. A pesar del alto número de investigaciones realizadas, este fenómeno y las causas que lo generan no han sido totalmente entendidas e identificadas. El artículo presenta los resultados de un estudio experimental ejecutado con el fin de evaluar la influencia que tiene el ligante asfáltico en el fenómeno, debido sólo al efecto del agua. Para tal fin se realizaron ensayos de resistencia bajo carga monotónica en tracción indirecta sobre dos mezclas de concreto asfáltico fabricadas con dos ligantes diferentes (CA 80-100 y CA 60-70). Como conclusión general se reporta que la interface ligante asfáltico-agregado pétreo se afecta por el cambio en la consistencia que experimentan los cementos asfálticos en presencia del agua.

A mayor distress on asphalt mixtures occur due to the physical separation of asphalt cement and the aggregate produced by adhesion failure. This phenomenon is called stripping. The causes that produce stripping are not yet fully understood. This paper describes the influence of asphalt cement on stripping which is due only to water effect. Indirect strength tensile tests were performed on two hot asphalt mixtures with two different asphalt cements (AC 80-100 and AC 60-70). There is a change of consistency in asphalt cement when it is saturated with water, and this change affects asphalt cement-granular aggregate connection.

Um dos principais problemas que as misturas asfálticas sofrem in situ ocorre quando o ligante asfáltico se separa do agregado pétreo devido à presença de água. Este fenômeno identifica-se com o nome de stripping. Apesar do alto número de pesquisas realizadas, este fenômeno e as causas que o produzem ainda não foram totalmente entendidas e identificadas. O artigo apresenta os resultados de um estudo experimental executado com o fim de avaliar a influência que o ligante asfáltico possui no fenômeno, devido só ao efeito da água. Para tal fim realizaram-se testes de resistência sob carga monotônica em tração indireta sobre duas misturas de concreto asfáltico fabricadas com dois ligantes diferentes (CA 80-100 e CA 60-70). Como conclusão geral reporta-se que a interface ligante asfáltico-agregado pétreo se afeta pela mudança na consistência que experimentam os cimentos asfálticos na presença de água.

Impacto de la incorporación de lixiviados en el arranque de reactores anaerobios al tratar aguas residuales domésticas

El tratamiento biológico de los lixiviados es viable cuando el contenido de material orgánico biodegradable es elevado; sin embargo, las altas concentraciones de nitrógeno y de otros compuestos refractarios pueden ser inhibitorias o tóxicas. Una estrategia de manejo ha sido su incorporación al tratamiento anaerobio de aguas residuales domésticas (ARD), debido a su simplicidad y a los menores costos operativos. La evaluación a escala del arranque de un reactor UASB para tratar ARD (R1), comparada con dos reactores con pH acondicionado, para tratar mezclas de lixiviados con ARD en proporciones volumétricas de 5% (R2) y 10% (R3) lixiviado, mostró que con un tiempo de retención hidráulico (TRH) de ocho horas, R1 y R2 alcanzaron eficiencias promedio de reducción de 66% y 73% de demanda química de oxígeno (DQO) y de 90% y 84% de sólidos suspendidos totales (SST), respectivamente. En R3 el TRH óptimo fue mayor y las eficiencias de reducción de DQO y SST fueron menores. Los resultados confirman la viabilidad del tratamiento conjunto de ARD y lixiviado en proporciones hasta del 10%; no obstante, el aumento de la fracción de lixiviado hasta 10% afectó en mayor proporción el desempeño del reactor tratando sólo ARD.

When the content of biodegradable organic-material in leachates is high, biological treatment is viable. However, high levels of nitrogen and other refractory compounds may be inhibitory or toxic. A leachate management strategy has been the leachate mixture with domestic sewage (DS) to anaerobic treatment for its simplicity and lower operating costs. The preliminary evaluation of the UASB reactor in bench scale, treating DS (R1), compared with two reactors with pH-adjustment and treating mixtures of leachate and DS in volumetric proportions of 5% (R2) and 10% (R3), showed that R1 and R2 operating with 8 hours of hydraulic retention time - HRT, achieved average removal efficiencies of 66% and 73% to COD and 90% and 84% to TSS respectively. In R3, the optimal HRT was higher (10 hours) and COD and TSS removal efficiencies were lower (61%). The results confirm the combined-treatment feasibility with DS and leachate in rates up to 10%. However, the 10% increase in leachate proportion affected mostly the performance of the reactor treating DS exclusively.

O tratamento biológico dos lixiviados é viável quando o conteúdo de material orgânico biodegradável é elevado; entretanto, as altas concentrações de nitrogênio e de outros compostos refratários podem ser inibitórias ou tóxicas. Uma estratégia de manejo tem sido sua incorporação ao tratamento anaeróbico de águas residuais domésticas (ARD), devido a sua simplicidade e aos menores custos operacionais. A avaliação em escala da partida de um reator UASB para tratar ARD (R1), comparada com dois reatores com pH acondicionado, para tratar misturas de lixiviados com ARD em proporciones volumétricas de 5% (R2) e 10% (R3) lixiviado, mostrou que com um tempo de retenção hidráulico (TRH) de oito horas, R1 e R2 alcançaram eficiências médias de redução de 66% e 73% de demanda química de oxigênio (DQO) e de 90% e 84% de sólidos suspendidos totais (SST), respectivamente. Em R3 o TRH ótimo foi maior e as eficiências de redução de DQO e SST foram menores. Os resultados confirman a viabilidad do tratamento conjunto de ARD e lixiviado em proporções de até 10%; não obstante, o aumento da fração de lixiviado até 10% afetou em maior proporção o desempenho do reator tratando somente ARD.

Problema de la mochila irrestricta bidimensional guillotinada

Los problemas de empaquetamiento y corte óptimo son considerados clásicos dentro de la investigación de operaciones, debido a su gran espectro de aplicación en la industria y su alta complejidad tanto matemática como computacional. En este trabajo se presenta el problema de empaquetamiento óptimo bidimensional irrestricto de piezas rectangulares en una sola placa, con pesos asociados a las piezas y sin estos, al tiempo que se considera la posibilidad de rotar 90° las piezas y con restricciones de corte tipo guillotina (problema de la mochila bidimensional irrestricta guillotinada). Se describe el modelo matemático aplicado por diferentes grupos de investigación que estudian esta temática. Se propone, además, un tipo de codificación para aplicarla en este problema y se resuelve mediante un algoritmo de optimización que combina las principales características de cúmulo de partículas, recocido simulado y algoritmos genéticos. Para comprobar la eficiencia de la metodología presentada se tomaron casos de prueba de la literatura especializada, se analizan y comparan los métodos de solución presentados con los últimos avances del problema y se obtienen resultados de excelente calidad y nunca antes reportados en la literatura especializada.

Cutting and packing problems are common in operations research, due to their big spectrum of application in the industry and its highly mathematical and computational complexity for the academy. In this study we present the unconstrained twodimensional cutting stock problem of rectangular items, with and without weights associated to the items, bearing in mind the possibility to rotate items at 90°, and with guillotine cuts (also known as unconstrained two-dimensional guillotineable single knapsack problem). For this problem, we describe the mathematical model recognized by the academic community. We develop an appropriate encoding of the problem so it is possible to work on it using metaheuristic hybrid algorithm particle swarm optimization and simulated annealing. To check the efficiency of this methodology, case studies were taken from specialized literature, where the presented solution method could be analyzed and compared with current problems. The results obtained had an excellent quality and had never been reported.

Os problemas de empacotamento e corte ótimo são considerados clássicos dentro da pesquisa de operações, devido a seu grande espectro de aplicação na indústria e sua alta complexidade tanto matemática como computacional. Neste trabalho apresenta-se o problema de empacotamento ótimo bidimensional irrestrito de peças retangulares em uma só placa, com pesos associados às peças e sem estes, ao mesmo tempo em que se considera a possibilidade de rotar 90° as peças e com restrições de corte tipo guilhotina (problema da mochila bidimensional irrestrita guilhotinada). Descreve-se o modelo matemático aplicado por diferentes grupos de pesquisa que estudam esta temática. Além disso, propõe-se também um tipo de codificação para aplicá-la neste problema e se resolve mediante um algoritmo de otimização que combina as principais características de cúmulo de partículas, recozimento simulado e algoritmos genéticos. Para comprovar a eficiência da metodologia apresentada se tomaram casos de prova da literatura especializada, analisam-se e comparam-se os métodos de solução apresentados com os últimos avanços do problema e se obtêm resultados de excelente qualidade e nunca antes relatados na literatura especializada.