Ingeniería y Universidad

Software Tool for the practice on Robotic Surgery

Este artículo presenta el desarrollo de un software que integra la utilización de robots quirúrgicos en un entorno virtual 3D y que lleva por nombre RoboSurgery. La herramienta ha sido diseñada para que los ingenieros puedan comprender el uso de los asistentes robóticos en operaciones de laparoscopia. Integra dos tipos de robots: uno portaendoscopio (robot Hibou) y dos quirúrgicos (robots LapBot), manipulados mediante un joystick. El sistema permite observar en una ventana el interior del abdomen del paciente, imagen virtual que es generada por el endoscopio situado en el órgano terminal del robot Hibou, mientras que se manipulan los dos robots quirúrgicos con el fin de realizar una colecistectomía (extracción de la vesícula). Los resultados muestran un sistema virtual bastante útil para la comprensión del funcionamiento de los asistentes quirúrgicos, según la evaluación realizada por un grupo de estudiantes y docentes. En un futuro esta herramienta podrá incluir otros robots y otros procedimientos, además de mayor realismo, al incluir algoritmos de deformación de órganos.

This article presents the development of a software tool for the practice on virtual robotic surgery. The tool is called RoboSurgery and it was designed for engineers that need training on how to use laparoscopic surgical robots. The tool contains two types of robots: an endoscopic holder robot (Hibou robot), and two surgical robots (LapBot robot), all of them handled by joystick. The system allows the observation of the inside of the abdominal cavity of the patient by a virtual image generated by the endoscopic holder camera, while the two surgical robots work on a virtual cholecystectomy (removal of the gallbladder). Results show a useful system to help understand the operation of laparoscopic robot-assisted procedures, according to the evaluation made by a group of students and teachers. In the future this tool could include more surgical robots and more surgical procedures, as well as more realism including body deformation algorithms.

Movement Intention Detection System for Myoelectric Control of a Prosthetic Robotic Hand

Este artículo presenta un sistema embebido que detecta en tiempo real la intención de movimiento para el control de un prototipo de prótesis de mano robótica. El trabajo muestra que usando características temporales de cálculo simple es posible obtener un agrupamiento de vectores lo suficientemente discriminante como para que se puedan usar clasificadores de patrones muy simples. Así, en este trabajo se propone un clasificador basado en la mínima distancia al centroide de los grupos que caracterizan los movimientos que se van a identificar, modificando el conocido algoritmo k vecinos más próximos para sacar mayor provecho de la fase de entrenamiento del clasificador en la fase de clasificación y obtener respuesta en tiempo real. Se presentan resultados de clasificación de intención de movimiento, obtenidos usando el porcentaje de éxito como medida de efectividad, al realizar pruebas sobre tres sujetos con músculos sanos. Los resultados experimentales muestran que el sistema puede ser efectivo para el control de ejecución de cuatro primitivas motoras de un prototipo de prótesis de mano robótica.

This paper presents an embedded system that detects in real time the movement intention to control a prosthetic hand. This work shows that using temporal characteristics of simple calculation can provide subsets of feature vectors discernible enough as to use simple pattern classifiers. Thus, this paper proposes a classifier, which is based on the minimum distance from the centroid of the groups characterizing the movements to identify, by modifying the known algorithm K-nearest neighbors. Movement intention classification results obtained from the developed system are shown: using the percentage of success as an effectiveness measurement, by conducting tests over three persons with healthy muscles. The experimental results show that this system can be used effectively for the control of execution of four motor primitives on a prosthetic robotic hand.

Knee Functional State Classification Using Surface Electromyographic and Goniometric Signals by Means of Artificial Neural Networks

In this article a methodology for a medical diagnostic decision support system to assess knee injuries is proposed. Such methodology takes into account that these types of injuries are common and arise due to different causes. Therefore, the physician's diagnosis and treatment may lead to expensive and invasive tests depending on his medical criteria. This system uses a surface Electromyographic (sEMG) and goniometric signals that are processed with signal analysis methods in time-frequency space through a spectrogram and a wavelet transform. Artificial neural networks are used as a learning technique by having a multilayer perceptron. EMG signals were measured in four external and internal muscles associated to the joint through flexion and extension assessments. These tests also registered the goniometric measures of the sagittal plane. This system shows above 80% of effectiveness as a performance measure that makes it an objective measure leading to help the physician in his diagnosis.

En este artículo se propone una metodología para el diagnóstico de lesión de rodilla, patología común y de múltiples causas. El diagnóstico y el tratamiento de las lesiones de rodilla se realizan por medio de valoraciones por parte de un profesional en el área, quien según su criterio puede solicitar exámenes invasivos y/o de alto costo. El sistema propuesto emplea señales electromiográficas de superficie (EMGS) y señales de goniometría, evaluadas con métodos de análisis de señales en el dominio del tiempo-frecuencia como el espectrograma y la transformada wavelet. Como técnica de aprendizaje de máquina se emplean redes neuronales artificiales, por medio de un perceptrón multicapa. Las señales EMGS fueron tomadas en cuatro músculos internos-externos asociados a la articulación, por medio de exámenes físicos de flexión y extensión, en los cuales se registró, además, la goniometría en el plano sagital. Con este sistema se obtuvieron rendimientos superiores al 80% en la efectividad como medida de desempeño, por lo cual esta propuesta se constituye en una solución objetiva que puede darle más elementos de juicio al profesional para el diagnóstico.

Biomass: Technical and Environmental Alternative in the Thermoelectric Generation Process

This paper presents a technical (based on the exergy amount) and environmental analysis concerning an existing 50 MWe steam power plant located in the south of the Santa Catarina state - Brazil, designed to operate with pulverized coal and modified to operate in co-firing process with coal-biomass. In addition to the power plant, the study considered an extended boundary that involves the processes related to the obtaining, transportation, and handling of both coal and biomass. The exergy analysis was focused in the second law of thermodynamics, while the environmental analysis followed the Life Cycle Assessment (LCA) methodology, taking into account 1 MWh as functional unit and the global warming impact category, following the IPCC GWP index, over 100 years. For both cases (only coal and co-firing), the exergetic analysis indicated that the power plant is responsible for over 95 % of the exergy consumption. Results indicated that for the case of operating only with coal, 1,230 kg of CO2 e per MWh are emitted, whereas for operation in co-firing, with a share of 10% of biomass on energy basis, this amount changes to 1,103 kg CO2 per MWh.

Este artículo presenta los resultados del análisis técnico (basado en la cantidad de exergía) y ambiental de una planta termoeléctrica de 50 MWe nominales, localizada al sur del estado de Santa Catarina (Brasil), diseñada para operar con carbón pulverizado y adaptada para operar en proceso co-firing carbón-biomasa residual. Además de la planta termoeléctrica, el estudio consideró una frontera extendida que involucró los procesos relacionados con la obtención, transporte y manipulación tanto del carbón como de la biomasa. El análisis exergético siguió lineamentos de la segunda ley de la termodinámica, mientras que el análisis ambiental se realizó siguiendo la metodología de análisis de ciclo de vida (ACV), considerando 1 MWh como unidad funcional y la categoría de impacto en el calentamiento global, mediante el método IPCC 2007 GWP 100 años. Para ambos casos (operación solo con carbón y en co-firing), el análisis exergético indicó que la planta termoeléctrica responde por más del 95 % del total de la exergía consumida. Para el análisis ambiental, los resultados indicaron que para la operación solo con carbón se emiten 1230 kg de CO2-eq por MWh, mientras que para la operación en co-firing, con una participación de hasta 10 % de biomasa en base energética, el valor efectivo de la emisión fue de 1103 kg de CO2-eq por MWh.

A Home Health Care Districting Problem in a Rapid-Growing City

The districting problem in home health care (HHC) is part of the logistics decisions that healthcare providers face when designing service networks to deliver coordinated medical care to patients' homes. In this paper we study such problem in the context of a rapid-growing city, phenomenon that refers to the increment of the population in urban areas, and which results in problems such as the proliferation of marginal neighborhoods, increment of epidemic diseases, absence of governmental control and security, and lack of basic health services. Consequently, three factors derived from this phenomenon are integrally studied: geographical disposition of the population, security conditions to access basic units, and trends on demand for HHC services. We propose a bi-objective mathematical model and identify trade-offs, allowing finding better compromised solutions. We evaluate the model with real data instances from a HHC institution which delivers services in the largest cities in Colombia. Results show that better districting configurations can be obtained and deteriorations of less than 10% in Travel Workload can produce improvements of more than 80% in Workload Deviations.

El problema de zonificación en servicios de hospitalización domiciliaria (HHC, por sus iniciales en inglés) hace parte de las decisiones logísticas que los proveedores de salud deben enfrentar en el diseño de redes para llevar cuidado médico coordinado a los hogares de los pacientes. En este trabajo se estudia dicho problema en el contexto de una ciudad con rápido crecimiento, fenómeno que se refiere al incremento de la población en áreas urbanas y que da lugar a problemas como la proliferación de barrios marginales, el incremento de enfermedades y epidemias, la ausencia de control y seguridad por parte del gobierno y la carencia de servicios básicos de salud. Consecuentemente, tres factores derivados de este fenómeno se consideran de manera integral: la disposición geográfica de la población, las condiciones de seguridad para acceder a las unidades básicas y las tendencias de la demanda de servicios de HHC. Se propone un modelo matemático biobjetivo y se identifican las compensaciones entre los objetivos, lo cual permite encontrar soluciones mejor balanceadas. El modelo es evaluado con instancias de datos reales de una institución de HHC que ofrece los servicios en las ciudades más grandes de Colombia. Los resultados muestran que es posible obtener mejores configuraciones de zonificación y que deterioros de menos del 10 % en la carga de trabajo de viaje producen mejoramientos de más del 80 % en las desviaciones de cargas de trabajo.

Air Fraction and EGR Proportion Control for Dual Loop EGR Diesel Engines

This paper describes a novel technique to control the air fraction in the intake of dual-loop exhaust gas recirculation (EGR) Diesel engines. This control strategy enables to efficiently regulate the air fraction while satisfying a desired EGR proportion (between low-pressure EGR and high-pressure EGR). Based on a modified physical model of the air fraction dynamics along the engine air-path, a linear parameter varying (LPV) linear quadratic regulator (LQR) control is designed to ensure the stability of the air fraction while minimizing a quadratic performance index. The controllability of the system, necessary for the LPV-LQR control design, is verified by defining a convex parameter set using a polytopic approach. The controller is evaluated under strong transient conditions using an engine model that has been experimentally validated as a reference.

Este artículo describe una nueva técnica para controlar la fracción de aire fresco en el colector de admisión de motores Diesel con doble circuito de recirculación de gases de escape (RGE). Esta estrategia de control permite regular eficientemente la fracción de aire, satisfaciendo al mismo tiempo una proporción deseada entre las RGE de alta y baja presión. Basado en un modelo físico de la dinámica de la fracción de aire a lo largo del sistema de aire del motor, se diseña un regulador lineal cuadrático a parámetros variables (LPV-LQR) para asegurar la estabilidad de la fracción de aire y minimizar un índice de desempeño cuadrático. La controlabilidad del sistema, necesaria para garantizar la existencia del controlador LPV-LQR, se verifica mediante la definición de un subespacio convexo de parámetros utilizando un enfoque politópico. El controlador es evaluado bajo fuertes condiciones transitorias utilizando como referencia un modelo del motor validado experimentalmente.

Reusing a Residue of the Oil Industry (FCC) in the Production of Building Elements

Este trabajo analiza la viabilidad de utilizar un residuo de catalizador gastado (FCC) del proceso de craqueo catalítico, procedente de una empresa petrolera colombiana, en la producción de elementos constructivos, tipo bloques y adoquines. Para definir la mezcla óptima de cemento/FCC, se preparan morteros de cemento Portland con proporciones de FCC entre 0 y 70%, como reemplazo del cemento, y se evalúa su resistencia a compresión a edades hasta de 28 días de curado. Mediante un procesamiento estadístico, aplicando la metodología de respuesta, se optimizan las proporciones de cada componente en la mezcla, para su posterior implementación en la producción de bloques y adoquines vibrocompactados. Complementariamente, se realiza el estudio del proceso de hidratación mediante técnicas de difracción de rayos X (DRX) y análisis térmico diferencial (TG/DTG). Los resultados indican que es posible incorporar FCC al concreto, sustituyendo el cemento hasta en 45%, para obtener un elemento con características mecánicas comparables a los disponibles comercialmente. En la norma colombiana actual, los bloques desarrollados se clasifican como bloques no estructurales, y los adoquines, como adoquines de piso. Se plantea este proceso como una alternativa de utilización del subproducto y un aporte a la sostenibilidad ambiental.

This paper analyzes the feasibility of using a residue of spent catalyst (FCC) of the cracking process, from a Colombian oil company, in the production of building elements such as blocks and pavers. To define the optimal mix of Portland cement / FCC, Portland cement mortars with FCC ratios between 0 and 70% as replacement of cement were prepared and its compressive strength is evaluated at ages up to 28 days of curing. Using a statistical processing, applying the methodology of response, the proportions of each component in the mixture are optimized. Subsequently, blocks and pavers were developed using a vibro-compaction machine. In addition the study of the process of hydration is performed by techniques of X-ray diffraction (XRD) and differential thermal analysis (TG / DTG). The results indicate that it is possible to incorporate FCC into the concrete as replacement of cement up to 45% and obtain a building element with mechanical properties comparable to those commercially available elements. According to the Colombian standard, the elements developed in this research are classified as non-structural blocks and floor pavers. The developed process represents an alternative for the use of residue and contributes to enviromental sustainability.

Production of Biodiesel from Waste Cooking Oil by Transesterification

La evaluación de diferentes aceites vegetales para la obtención de biocombustibles se ha convertido en una estrategia global en la producción de biodiesel, con miras a reducir costos de producción, aumentar el rendimiento de la reacción, evitar el uso de materias primas consideradas como alimentos y disminuir la contaminación ambiental. En el presente trabajo se evaluó la obtención de biodiesel a partir de aceite de cocina usado, empleando la catálisis con hidróxido de sodio y potasio. Se evaluaron tres relaciones molares de metanol: aceite, 6:1, 9:1 y 12:1, dos catalizadores KOH y NaOH y dos porcentajes de catalizador 1 % y 2 %; se realizó un diseño factorial por duplicado. La temperatura se mantuvo en 60 °C, y el tiempo de reacción, en 2 horas. Se determinó el contenido de metilésteres y de mono-, di- y triglicéridos mediante cromatografía de gases. Las mejores condiciones para NaOH y KOH como catalizadores se obtuvieron cuando el porcentaje de catalizador fue 1 % y la relación molar alcohol:aceite fue 12:1. En estas condiciones se obtuvo una conversión del 64,1 %, un rendimiento de 98 % y un porcentaje de metilésteres de 99,1 % cuando el catalizador fue NaOH. Con KOH la conversión fue 63,2 %; el rendimiento, 88 %, y el porcentaje de metilésteres, 98,4 %. Los resultados de este estudio muestran un alto rendimiento de la reacción al emplear aceite usado, por lo cual su implementación industrial dependerá de la evaluación económica.

Evaluating different vegetable oils in order to obtain biofuels, reducing production costs, increasing reaction yield, avoiding raw materials considered as foods and reducing environmental pollution has become a global strategy and trend for the production of biodiesel. In this study, the production of biodiesel from waste cooking oil (WCO) was analyzed using alkali catalyzer. We evaluated three molar ratios of methanol:oil, those are 6:1, 9:1 and 12:1; two catalysts KOH and NaOH; and two percentages of the catalysts, 1% and 2%. A factorial design of experiments was performed in duplicate. The temperature was fixed at 60°C and the reaction time was two hours. Gas chromatography was used to determine the content of methyl esters, mono, di and triglycerides. The best conditions for both NaOH and KOH as catalysts were obtained when the percentage of the catalyst was 1%, and when the alcohol: oil molar ratio was 12:1. Under these conditions, a conversion of 64.1%, a yield of 98% and a methyl ester of 99,1% were reached for the NaOH catalyst. For KOH, the conversion was 63.2%, the yield 88% and the percentage of methyl esters about 98.4%. The results of this study reveal high yield of the reaction for WCO as raw material. Consequently its implementation at industrial scale will be depended of the economic evaluation.

Mental Models Consensus Process Using Fuzzy Cognitive Maps and Computing with Words

Fuzzy Cognitive Maps (FCM) has proven to be useful for representing both individual and collective mental models. Their capacity to be aggregated from individual FCM makes them suitable as a technique to assist in group decision making. For problems such as the analysis of complex systems and decision making usually is necessary a consensus process, to enable the group to achieve a state of mutual agreement among its members. In this paper a model for consensus processes in mental models using FCM and linguistic 2-tuple model as a form of causal knowledge representation is presented. The model includes automatic search mechanisms for conflict areas and recommendations to the experts to bring closer their preferences. An illustrative example that corroborates the applicability of the model is described.

Los mapas cognitivos difusos (MCD) han resultado útiles para la representación de modelos mentales individuales y colectivos. Su capacidad para ser agregados y construir MCD grupales a partir de MCD individuales, los hace apropiados como técnica en la toma de decisiones en grupo. Para problemas como el análisis de sistemas complejos y la toma de decisiones, usualmente se hace necesario un proceso de consenso que permita lograr en el grupo un estado de acuerdo mutuo entre sus miembros. En el presente trabajo se desarrolla un modelo para procesos de consenso en modelos mentales usando MCD como forma de representación del conocimiento causal y las 2-tuplas lingüísticas para representar la incertidumbre. El modelo incluye mecanismos automáticos de búsqueda de las áreas en conflicto y de recomendación a los expertos para acercar sus valoraciones. Se describe un ejemplo ilustrativo que permite corroborar la aplicabilidad de la propuesta.

Thermal Degradation Kinetic of Polylactic Acid in Multiple Extrusions

Results of a thermal degradation kinetic study of polylactic acid (PLA), raw and reprocessed by extrusion are shown. The reprocessed samples were obtained after each one of five successive extrusions. The samples were tested for glass transition temperature, melt flow index, higher heating value, and dynamic thermogravimetry. Kinetic triplet was determined from the dynamic thermogravimetry data by Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Friedman, Gyulai, Kissinger-Akahira-Sunose (KAS), Kissinger, Differential and Integral Arrhenius, Briodo, Chang, Coats-Redfern, Flynn Wall, Horowitz-Metzger, MacCallum-Tanner, Madhusudanan, and Dynamic methods. It was found that activation energy (E) increases with the reprocessing, and that frequency factor (A) increases with the heating rate. It indicates that PLA experiences thermal degradation when is processed by continuous extrusion. It was also found that the average kinetic triplet obtained by isoconversional methods is E=147.14 kJ/mol, ln(A)= 26.94 (with A in min-1), and reaction order n = 0.86, and the triplet averaged from non-isoconversional methods is E = 225.30 kJ/mol, ln(A)= 45.07, and n = 0.91.

Este artículo presenta los resultados del estudio cinético de la degradación térmica del poliácido láctico (PLA, por sus iniciales en inglés), sin procesar y reprocesado por extrusión. Las muestras reprocesadas se obtuvieron después de cada uno de los cinco ciclos de extrusión y se analizaron para obtener la temperatura de transición vítrea, el índice de fluidez, el poder calorífico superior y la termogravime-tría dinámica. Se determinó el triplete cinético usando los datos de termogravimetría dinámica por medio de los métodos Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Friedman, Gyulai, Kissinger-Akahira-Sunose (KAS), Kissinger, Arrhenius Differential e Integral, Briodo, Chang, Coats-Redfern, Flynn-Wall, Horowitz-Metzger, MacCallum-Tanner, Madhusudanan y dinámico. Se encontró que la energía de activación (E) disminuye con el reprocesamiento y que el factor de frecuencia (A) aumenta con la velocidad de calentamiento. Esto indica que el PLA experimenta degradación térmica al ser sometido a procesos continuos de extrusión. También con métodos isoconversionales se obtuvo un triple-te cinético promedio de E = 147,14 kJ/mol, ln(A) = 26,94 (con A en min-1 ), y orden de reacción n = 0,86; el triplete promedio obtenido con métodos no isoconversionales es E=225,30 kJ/mol, ln(A)= 45,07, y n = 0,91.

Towards Detecting Crop Diseases and Pest by Supervised Learning

The climate change has caused threats to agricultural production; the extremes of temperature and humidity, and other abiotic stresses are contributing factors to the etiology of disease and pest on crops. About the matter, recent research efforts have focused on predicting disease and pest crops using computer science techniques such as supervised learning algorithms. Therefore in this paper, we present an overview of supervised learning algorithms commonly used in agriculture for the detection of pests and diseases in crops such as corn, rice, coffee, mango, peanut, and tomato, among others, with the aim of selecting the algorithms that give the best performance for the agricultural sector.

El cambio climático ha generado amenazas a la producción agrícola. Los cambios extremos de temperatura y humedad y otros factores abióticos de estrés contribuyen a la aparición de enfermedades y plagas en los cultivos. Por ello, recientes esfuerzos de investigación se han enfocado en la predicción de plagas y enfermedades en cultivos, haciendo uso de algoritmos de aprendizaje supervisado. En este artículo se presenta una revisión bibliográfica de los algoritmos de aprendizaje supervisado más utilizados para la detección de plagas y enfermedades en cultivos como maíz, arroz, café, mango, maní y tomate, con el objetivo de seleccionar los algoritmos con mejor rendimiento para el sector agrícola.