Revista Politécnica

Análisis de Flexo-extensión del Cuello Mediante el Uso de Visión Artificial

Resumen: En el tratamiento del dolor cervical se emplean equipos y técnicas que no miden la intensidad del dolor del paciente, sino que únicamente permiten observar los daños estructurales de dicha región. Sin embargo, la evaluación de éste dolor se puede llevar a cabo al analizar las variables cinemáticas de los tres movimientos de la articulación cervical: flexo-extensión, flexo-lateral y rotación. En este trabajo estudiaremos la fiabilidad de la técnica de fotogrametría, mediante el uso de una cámara de bajo costo, denominado Kinect V1. La cámara Kinect adquirirá los parámetros cinemáticos del movimiento de flexo-extensión de la articulación del cuello y, técnicas de visión artificial y de procesamiento de imágenes de profundidad/color del sensor Kinect serán empleadas para obtener las trayectorias de los marcadores anatómicos y técnicos. Se utilizará un filtro de Kalman para corregir el seguimiento continuo de las trayectorias de los marcadores técnicos y, consecuentemente, las coordenadas espaciales de cada marcador. Los datos fueron obtenidos de siete sujetos de prueba, entre hombres y mujeres, físicamente sanos. Las edades de los sujetos están comprendidas entre 17 y 40 años. Asociados a las coordenadas de cada marcador técnico, calculamos los parámetros cinemáticos de velocidad angular, aceleración angular y desplazamiento angular, para obtener los parámetros de fiabilidad y correlación entre pruebas. Esto último se realizó al analizar el error estándar medio, el índice de correlación múltiple y los índices de correlación de Pearson, empleados para análisis clínico. El alto índice de correlación entre los ensayos realizados nos permite ratificar la fiabilidad de nuestra metodología.

Abstract: In the treatment of cervical pain, several techniques that are commonly used cannot indicate the patient pain- intensity, but only can identify structural damage. The evaluation of this pain-intensity can be achieved analyzing the cervical joint kinematic variables of the three movements: flexo-extension, flexo-lateral and rotation. In this work we will study the reliability of the photogrammetry technique through a low-cost camera, i.e., Kinect V1. The Kinect camera will acquire kinematic parameters of the flexo-extension movement from the neck joint. We will use artificial vision and depth/color image techniques to obtaining the trajectories of the technical (and anatomical) markers. A Kalman filter is employed to correct the continuous tracking of the technical markers to obtaining the spatial coordinates of each marker. The data is obtained from seven test-subjects, men and women physically healthy. The ages of the test- subjects are between 17 and 40 years. We compute the kinematic parameters of angular velocity, angular acceleration and angular displacement, associated with the spatial-coordinates of each technical marker. Then, we obtain the parameters of reliability and correlation between tests through the mean-standard error, the multiple-correlation index and the Pearson- correlation indexes, commonly used for clinical analysis. The high values of these correlation indexes let us to remark the reliability of our methodology.

Comportamiento de Conexión Losa-Columna en Nudos Interiores de Pórticos con Losas Planas y Vigas Embebidas

Resumen: Las losas planas con vigas embebidas en estructuras de hormigón armado son ampliamente usadas en el Ecuador debido a su bajo costo, facilidad de construcción y aspecto arquitectónico. Las losas planas han demostrado que tienen un buen comportamiento ante cargas verticales, sin embargo, se han reportado numerosos colapsos estructurales en edificaciones con este sistema constructivo durante eventos sísmicos. El colapso producido en este tipo de estructuras es preocupante pues las fallas se han producido debido al punzonamiento de las losas alrededor de las columnas. Este tipo de falla ocurre de forma repentina y por lo tanto es necesario evitarla. No existe en el ACI la recomendación para el diseño de la conexión Losa – Columna, cuando se trata de pórticos sin muros o paredes estructurales. En este estudio, se construyeron dos modelos de prueba a escala real. Se construyeron 2 nudos interiores de un edificio con losas planas y fueron ensayadas ante una combinación de cargas verticales y laterales para observar el comportamiento de la conexión losa columna. La carga horizontal fue aplicada de forma cíclica y se colocó una sobre carga en la losa para simular la carga vertical de una edificación en servicio normal. Estos experimentos mostraron que el tipo de falla que se produce en estructuras de hormigón con losas planas es frágil. En ninguno de los dos modelos se produjo el agotamiento por flexión, sin embargo, sí se evidenciaron daños por corte en dos direcciones o punzonamiento.

Abstract: Flat slabs with hidden beams are widely used in reinforced concrete construction in Ecuador because of their low cost, short construction time and architectural appearance. Hidden beams are referred to beams that are as high as the flat slab. This kind of flat slabs has a good performance for vertical loads, however, several structural collapses have been reported during seismic events. These failures are commonly referred to as “punching shear” failures as the column appears to punch through the slab as the latter drops away from the failure surface around the column. These failures appear suddenly; therefore it is necessary to prevent them. In this experiment, two full scale specimens were constructed. Two interior slab - column connections were tested under gravity and seismic load to evaluate the slab column connection performance. The results showed that the failure of this structural system is fragile. In both specimens flexural yielding was not developed before the failure due to the punching shear.

Evaluación de Modelos de Turbulencia para el Flujo de Aire en un Difusor Transónico

Resumen: El campo de flujo con presencia de ondas de choque, turbulencia y separación de flujo se estudia mediante el empleo de equipos experimentales y puede reproducirse utilizando códigos computacionales. En el presente trabajo el objetivo es evaluar cinco modelos de turbulencia: S S T k - ω, k - e estándar, k - ω estándar, k - k l - ω de transición y R S M, para el flujo de aire con presencia de ondas de choque en un difusor transónico. Se realizaron simulaciones numéricas 2D del campo de flujo aplicando el modelo RANS en el código ANSYS-Fluent, el cual aplica el método de volumen finito. Se emplearon las ecuaciones gobernantes: conservación de la masa, cantidad de movimiento, energía y de estado; para la viscosidad en función de la temperatura la ecuación de Sutherland. Además, se consideró el análisis basado en densidad para un fluido compresible. Se obtuvieron resultados numéricos de perfiles de presión estática en las paredes y de la velocidad en diferentes posiciones en el difusor, así como, del campo de densidad, número de Mach, presión estática, velocidad y temperatura estática, para las relaciones de presión r p = 0,82 y r p = 0,72, los cuales fueron comparados con datos experimentales publicados en la literatura. Se concluye que el modelo de turbulencia S S T k - ω de Menter se ajusta más a los datos experimentales de presión y de velocidad para el flujo con presencia de ondas de choque.

Abstract: The flow field with the presence of shock waves, turbulence and flow separation is studied through the use of experimental equipment and can be reproduced using computational codes. In the present work the objective is to evaluate five turbulence models: S S T k - ω, k - e standar, k - ω standar, transition k - k l - ω and R S M, for the air flow with the presence of shock waves in a diffuser transonic. 2D numerical simulations of the flow field were performed by applying the RANS model in the ANSYS-Fluent code, which applies the finite volume method. The governing equations were used: conservation of mass, momentum, energy, and state; for viscosity versus temperature the Sutherland equation. In addition, density-based analysis for a compressible fluid was considered. Numerical results of static pressure profiles in the walls and of the velocity in different positions in the diffuser were obtained, as well as, of the density field, Mach number, static pressure, velocity and static temperature, for the pressure ratios r p = 0,82 and r p = 0,72, which were compared with experimental data published in the literature. It is concluded that the Menter S S T k - ω turbulence model is more in tune with the experimental pressure and velocity data for the flow with the presence of shock waves.

Evaluación del Estado del Aislamiento en Transformadores a partir de Mediciones IFRA de Alto Voltaje

Resumen: En este documento se presenta una evaluación experimental del estado del aislamiento de un transformador trifásico de 50 kVA sumergido en aceite a través de la aplicación de impulsos atmosféricos estándar de alto voltaje y su respuesta en frecuencia realizando un Análisis de la Respuesta en Frecuencia al Impulso (IFRA). La evaluación se basa en tener dos estados representativos del aislamiento, por ejemplo, cuando el transformador usa aceite dieléctrico deteriorado y luego este aceite es reemplazado por uno nuevo, por lo que se realiza el cambio del aceite dieléctrico. Se lleva a cabo una valoración general del estado del transformador en ambos estados representativos mediante la ejecución de pruebas de rutina. El análisis de la respuesta en frecuencia se desarrolla mediante la obtención de la respuesta del transformador en los dos estados representativos del aislamiento y bajo diferentes configuraciones de medición. Posteriormente se evalúa a través de una comparación gráfica entre las respuestas en frecuencia, valorando cualitativamente y cuantitativamente las figuras obtenidas; y relacionándolas con el estado del aislamiento. Por ello, se proporciona una metodología experimental como una opción al uso de equipo especializado para análisis de respuesta en frecuencia por medio de la acción de impulsos atmosféricos estándar de alto voltaje, usando el equipo disponible en el Laboratorio de Alto Voltaje de la Escuela Politécnica Nacional destinado para pruebas de impulso.

Abstract: An experimental evaluation of the insulation condition of a 50 kVA three-phase oil-immersed transformer is presented in this document by applying high-voltage standard atmospheric impulses to obtain its frequency response, also known as Impulse Frequency Response Analysis (IFRA). The evaluation is based on comparing two different conditions of the insulation on a transformer. For instance in this article, one insulation condition is obtained when the transformer uses deteriorated dielectric oil, and the second condition is obtained by replacing this deteriorated oil by a new one. A general evaluation of the transformer is performed in both conditions through the execution of routine tests. Frequency response analysis is implemented by obtaining the transformer response in the two insulation conditions, and under different measurement configurations. Then, the results are evaluated qualitatively and quantitatively through a graphic comparison between the measured frequency responses, and relating them to the dielectric oil insulating condition. The experimental methodology is provided as an alternative to the use of specialized frequency response analysis equipment, through the application of standard high voltage atmospheric impulses, using the equipment available in the High Voltage Laboratory of the National Polytechnic School for lightning impulse test.

Levantamiento Inteligente y Estabilización Robusta de un Sistema de Péndulo Invertido Rotatorio via Control Predictivo Basado en Modelo No-lineal y Tubos

Resumen: El propósito de este trabajo es presentar un nuevo esquema de control robusto basado en un modelo no-lineal aplicado a un sistema de péndulo invertido rotacional. El péndulo rotacional está compuesto por un brazo mecánico unido a un péndulo de movimiento libre (ortogonal al brazo), conocido como el péndulo Furuta. En principio, un controlador Fuzzy permite que la barra del brazo robótico levante el péndulo giratorio a través del movimiento oscilatorio y alcance automáticamente la posición de equilibrio superior en un rango de operación de estabilización prescrito. Después de que el péndulo alcanza el rango de operación, un sistema de conmutación inteligente permite la transición entre el controlador basculante y un controlador predictivo robusto para mantener la posición angular del péndulo alrededor de la posición vertical ascendente. Para lograr un desempeño robusto, un marco centralizado del controlador propuesto combina un tres acciones de control. El primero compensa las perturbaciones utilizando la trayectoria de regulación - control de adelanto. La segunda acción de control corrige los errores producidos por la discrepancia de modelado. El tercer controlador asegura robustez en el sistema de lazo cerrado mientras compensa las desviaciones de las trayectorias de estado con respecto a las nominales (es decir, sin perturbaciones). La estrategia de control proporciona factibilidad robusta a pesar de que las restricciones en la barra del brazo y los actuadores del péndulo son alcanzadas. Dichas restricciones se calculan en línea en base a conjuntos robustos positivamente invariantes caracterizados por conjuntos politópicos (tubos). El controlador propuesto se prueba en una serie de pruebas de simulación y se valida de forma experimental en un entorno de simulación de alta fidelidad que incluye un péndulo invertido giratorio construido con fines educativos. Los resultados muestran que el rendimiento de control robusto se fortalece frente a perturbaciones del sistema de lazo cerrado en comparación con la de los controladores predictivos lineales y no lineales inherentemente robustos.

Abstract: The purpose of this paper is to introduce a new robust nonlinear model-based predictive control scheme applied to a rotational inverted-pendulum system. The rotational pendulum is composed by a mechanical arm attached to a free-motion pendulum (orthogonal to the arm), namely Furuta Pendulum. In principle, a Fuzzy controller enables the robotic arm bar to lift the rotational pendulum through oscillatory swing-up motion up to automatically achieve the upper equilibrium position in a prescribed stabilizing operation range. After the pendulum reaches the operating range, an intelligent control bypass system allows the transition between the swing-up motion controller and a robust predictive controller to maintain the angular position of the pendulum around the upward critical position. To achieve robust performance, a centralized control framework combines a triplet of control actions. The first one compensates for disturbances using the regulation trajectory feedforward control. The second control action corrects errors produced by modelling mismatch. The third controller assures robustness on the closed-loop system whilst compensating for deviations of the state trajectories from the nominal ones (i.e, disturbance-free). The control strategy provides robust feasibility despite constraints on the arm bar and pendulum’s actuators are met. Such constraints are calculated on-line based on robust positively invariant sets characterised by polytopic sets (tubes). The proposed controller is tested in a series of simulations, and experimentally validated on a high-fidelity simulation environment including a rotational inverted-pendulum built for educational purposes. The results show that robust control performance is strengthened against disturbances of the closed-loop system benchmarked to inherently-robust linear and nonlinear predictive controllers.