Estado del arte de la Mecatrónica
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I. Introducción y definición 1. En los últimos 15 años, el término de mecatrónica mecatrónica suena constantemente en la sociedad y principalmente en el ámbito académico. La existencia de ésta palabra aparece en 1969 en Japón, donde principalmente resultó de la combinación de sistemas eléctricos y mecánicos. Un consenso común es describir a la mecatrónica como una disciplina integradora de las áreas de mecánica, eléctrica e informática con algunas disciplinas comprendidas dentro de estas tres, como son la electrónica, instrumentación y control y cuyo objetivo es proporcionar mejores productos, procesos y sistemas. La mecatrónica no es, por tanto, una nueva rama de la ingeniería, sino un concepto recientemente desarrollado que enfatiza la necesidad de integración y de una interacción intensiva entre diferentes áreas de la ingeniería que tiene por resultado un producto o sistema con mejores atributos. Según J.A. Rietdijk [1]: la mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingeniería mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos. Existen, claro está, otras versiones de esta definición, pero ésta claramente enfatiza que la mecatrónica está dirigida a las aplicaciones y al diseño. A continuación se describen una serie de definiciones que se pueden encontrar en la literatura. La mecatrónica es una disciplina emergente que integra de manera sinérgica la ingeniería mecánica, la electrónica, los sistemas computacionales y la automatización para proveer productos, procesos y sistemas inteligentes con cualidades y desempeño mejores respecto a los demás, haciéndolos más eficientes fiables y seguros. La palabra Mecatrónica se compone de Mecánica, Electrónica e Informática, siendo ya su uso en el nivel internacional (MECAnica + elecTRÓN + informátICA ). La figura 1 hace referencia.
Figura 1. Generación de la mecatrónica 1
Las palabras mecatrónica y mecatrónicos, actualmente no han sido aceptadas por la real academia de la lengua española.
La mecatrónica (acrónimo de mecánica y electrónica) es la combinación sinérgica de las ingenierías mecánica, electrónica, informática y de control. Ésta última con frecuencia se omite pues es considerada dentro de alguna de las dos anteriores, sin embargo es importante destacarla por el importante papel que el control juega en la mecatrónica. La sinergia consiste en que la integración de las partes sea superior a la simple unión de éstas. Basado en las definiciones enunciadas, se puede definir entonces a un sistema mecatrónico como un sistema físico al cual se han agregado elementos electrónicos, mecánicos e informáticos con el fin de mejorar su desempeño desde el punto de vista de eficiencia, productividad y de confiabilidad. En la figura 2 se muestra un esquema donde se puede apreciar un sistema mecatrónico
Sensores
Electrónica de potencia
CAD/CAM Electrónica
Sistema Físico
Protocolos
(Mecánico, Eléctrico, Químico Hidráulico, Neumático, etc.)
Informática Control automático
Actuadores
Figura 2. Esquema de un sistema mecatrónico Otros autores consideran que los sistemas mecatrónicos se dividen en dos niveles: nivel lógico y nivel físico [2]. En la figura 3 se muestra un esquema. Se consideran de nivel físico el sistema propiamente, una parte de los actuadores y de los sensores. Esto es debido a que una parte de ellos puede ser configurada para interactuar entre los niveles físico y lógico. En el nivel lógico se encuentra la parte central encargada de proveer un medio de cálculo reflejado en un algoritmo o esquema diseñado mediante un lenguaje de programación. Desde luego que en este esquema existen otros elementos no mostrados que intervienen en un sistema mecatrónico, pero ciertamente en forma general se podría decir que son los elementos básicos que conforman el sistema. Se compone de dos flujos el de información y el de energía. El flujo
de energía ocurre principalmente en la parte del nivel físico, en tanto que el flujo de información ocurre en el nivel lógico. Nivel físico Sistema mecánico principal
Actuadores
Sensores
Informática Nivel lógico
Flujo de energía
Flujo de información
Figura 3. Esquema general de un sistema mecatrónico 2. Clasificación de los sistemas mecatrónicos [3] De manera muy general, se menciona una clasificación de los sistemas mecatrónicos, citando algunos ejemplos con el fin de hacer una ilustración. 2.1.
Productos mecánicos con electrónica incorporada
La finalidad es aumentar la eficiencia y funcionalidad y principalmente se citan como ejemplos las máquinas herramientas, específicamente tornos. 2.2. Sistemas tradicionales con dispositivos internos visiblemente actualizados ejemplos de estos sistemas son las máquinas de coser y los sistemas industriales automatizados. 2.3. Sistemas tradicionales que retienen su funcionalidad de manera externa
2.4. Estos casos contemplan sistemas tradicionales a los cuales se les han hecho cambios internos por dispositivos electrónicos. Ejemplos de estos casos son los relojes digitales y los semáforos 2.5. Productos diseñados de manera mecánica y electrónica. Son sistemas que han sido diseñados desde el inicio de manera mecánica y electrónica, como ejemplos se pueden apuntar fotocopiadoras, faxes, hornos automáticos e impresoras de fotos entre otros. II. Tendencias de la mecatrónica 1. Ámbito internacional En la actualidad, la mecatrónica es un concepto nuevo en torno a las tecnologías, que concita los productos específicos en esas dos revoluciones: la integración de las máquinas a los computadores digitales, para crear un nuevo ambiente en el tercer milenio. En este ámbito, los países industrializados han dedicado sus desarrollos e investigaciones a la conversión y creación de los sistemas existentes y los nuevos sistemas en el logro de sistemas más productivos de mayor calidad y más confiabilidad. Entre las áreas consideradas, están las de generación de energía alterna como la eólica, la energía generada por el mar y dentro de los combustibles, sistemas mecatrónicos desarrollados para la producción de etanol. La industria de los automóviles es otra área prioritaria. 2. Ámbito nacional La educación en la mecatrónica ha seguido diferentes direcciones de acuerdo con las necesidades de desarrollo del país que la considera, pero se pueden destacar tres orientaciones fundamentales: desarrollo de software y hardware para computadores digitales, desarrollo de máquinas y sistemas inteligentes, y desarrollo de la automatización industrial. A nivel nacional, se ha incursionado en estos tres enfoques dado que el sector industrial requiere del desarrollo de los mismos. A continuación se presenta un resumen sobre diferentes apartados donde la mecatrónica esta presente a nivel mundial y que en la misma o en menor proporción están presentes e nuestro país [4]. 2.1. Computadoras digitales El control de sistemas mecánicos está sufriendo un cambio sin precedentes, porque el determinante primario para la función del sistema está a cargo del software de control. Este cambio ocurre por la influencia del desarrollo de la tecnología electrónica y ciencia computarizada sobre los sistemas mecánicos. El software en tiempo real es componente esencial de los sistemas mecatrónicos.
Los desarrollos en electrónica hacen posible aislar o identificar cuatro componentes para el desarrollo de los sistemas de control: El sistema mecánico objeto, el sistema de medición (sensores), el sistema de control (parte de informática) y el sistema de actuación, como se aprecia en la figura 2. Una vez aislados la instrumentación de los motores, el sistema de computación se puede implementar para hacer efectivo el sistema de control del sistema mecánico. Los controladores digitales se basan en la configuración de circuitos electrónicos integrados en microprocesadores y/o microcontroladores; que son el alma del computador digital. En sentido estricto, mecatrónica es el control automático de productos y sistemas electromecánicos. 2.2. Máquinas inteligentes La Inteligencia Artificial y los Sistemas Expertos son dos tipos de tecnologías blandas que integradas a los computadores digitales, juegan un papel muy importante en el diseño, fabricación y uso de productos cada vez más sofisticados como los aviones modernos, barcos modernos, robots industriales, vehículos automotrices, el telescopio espacial Hubble o la automatización de los sistemas de manufactura. El control computarizado es la característica que distingue a estos productos. Se dice que una máquina es inteligente cuando su operación y control son auxiliados por un computador digital con software inteligente. En México se pueden mencionar los renglones de robots industriales y vehículos automotrices como las áreas donde se incursiona fuertemente. Otras áreas son las de adaptación de nuevas tecnologías en equipos instalados. El desarrollo de los Sistemas de Manufactura Inteligentes apunta hacia la implementación de la Manufactura Integrada por Computador, CIM, como una modalidad de las fábricas del futuro, en la cual las funciones de fabricación y administración se encuentran integradas para el mejoramiento de la calidad de los productos, mejoramiento de la productividad y mejoramiento de la competitividad. 2.3. Automatización industrial En Alemania el término mecatrónica es poco usado en el campo de la educación, la ciencia y la investigación, a diferencia de los demás países industrializados de Europa. Pero en los Sistemas de Automatización alemanes se emplean el mismo contenido técnico y de procedimiento que, con el término mecatrónica, se emplea en el resto del mundo. Los Sistemas Modulares de Producción MPS se han diseñado en Alemania para la instrucción en mecatrónica porque integran los fundamentos de las tecnologías mecánicas y electrónicas en una nueva unidad. La modularidad de los MPS está estructurada para permitir total flexibilidad en el nivel de entrenamiento de complejidad, procesamiento de los módulos, estaciones para instalaciones y procesos. Los usuarios pueden desarrollar desde un simple circuito de flujo de información, hasta supervisión y control total de una planta industrial. La integración computarizada de los
diferentes módulos, permite el entrenamiento en mecatrónica o automatización industrial, porque el MPS puede modelar a escala una fábrica, simular y programar en tiempo real las diferentes funciones como: manejo de materiales, almacenamiento, transporte, maquinado, ensamblaje, control y calidad. En cuanto a aplicaciones, los rubros mas importantes son robótica, sistemas de transporte, sistemas de manufactura, máquinas de control numérico, nanomáquinas y biomecatrónica. La robótica es la parte de la técnica de diseño y construcción de autómatas reprogramables, capaces de realizar diversas funciones. Es el nivel de automatización más flexible y en mucho indica las tendencias futuras del resto de la mecatrónica. Las líneas de investigación más desarrolladas son: síntesis de manipuladores y herramientas, manipuladores de cadena cinemática cerradas, robots autónomos, robots cooperativos, control y teleoperación asincrónicas (por medio de conexiones TCP/IP), estimación del ambiente, comportamiento inteligente, interfaces hápticas, navegación y locomoción. La aplicación de la Mecatrónica en el transporte se desarrolla en el diseño de mecanismos activos (ejemplo: suspensiones activas), control de vibraciones, estabilización de mecanismos y navegación autónoma. En la manufactura, la Mecatrónica se ha servido de los modelos de sistemas a eventos discretos, y los ha aplicado para el diseño óptimo de líneas de producción así como la optimización de procesos ya existente. Tambien ha ayudado a automatizar las líneas de producción y generar el concepto de manufactura flexible. Antecedentes de la Mecatrónica son las máquinas de control numérico. En este tema los desarrollos mas recientes son: análisis, detección y control de vibraciones, y temperatura, en las herramientas de corte, diagnóstico de las herramientas de corte y prototipaje rápido, electroerosionado y síntesis por laser. Las nanomáquinas son un área que se han beneficiado de los desarrollos de la Mecatrónica. Un ejemplo muy evidente es el desarrollo del disco duro. Las líneas de investigación más manejadas son: micromanejo, microactuadores y micromaquinado. La biomecatrónica es la aplicación de la mecatrónica para resolver problemas de sistemas biológicos, en particular el desarrollo de nuevos tipos de prótesis, simuladores quirúrgicos, control de posición de instrumental médico (por ejemplo catéteres), sillas de ruedas y teleoperación quirúrgica. 2.4. Mecatrónica y educación Desde su inicio, la mecatrónica ha estado presente en la educación contemporánea a todos los niveles. En Japón es usual que los estudiantes de nivel elemental elaboren proyectos de creación de nuevos juguetes basados en la integración de diferentes disciplinas. En Alemania, Estados Unidos y Brasil, los estudiantes de secundaria y universidad realizan concursos para presentar innovaciones tecnológicas de diferentes productos de uso popular e industrial. Desde hace tiempo en nuestro sistema, se llevan a cabo concursos de
creatividad en todas las áreas mismos que propician el inicio de nuevos prototipos y tecnologías. En las instituciones de educación superior, se llevan a cabo programas de emprendedores que también son una fuente de motivación. Muchos de los prototipos implementados tienden hacia la automatización y sistemas inteligentes. Los principales centros educativos del mundo han aproximado e integrado las diferentes áreas de las tecnologías para crear nuevas áreas interdisciplinarias y multidisciplinarias. Es así, como la educación de la mecatrónica ha explorado diferentes tendencias para crear nuevos perfiles en la formación cultural y profesional de la juventud que ha de desempeñarse en el tercer milenio, en los que las tecnologías computarizadas están al orden del día. El aprendizaje de la mecatrónica principia en la escuela cuando el educando comienza a distinguir los fundamentos de la mecánica, de la electricidad y de la electrónica; el proceso sigue su curso cuando aprende a operar el computador digital y a utilizarlo para el accionamiento de sistemas electromecánicos. El estudiante desarrolla mecatrónica en el aula o en el laboratorio, cuando realiza proyectos en los cuales necesariamente debe integrar un grupo de personas con diferentes habilidades, y diferentes disciplinas del aprendizaje. La mecatrónica establece un nuevo paradigma del trabajo en grupo. Los fundamentos de las ciencias básicas que debe manejar un futuro ingeniero o tecnólogo de la mecatrónica, se basan en el conocimiento de las tres leyes de Newton de la mecánica clásica y de la ley de la gravitación universal; el conocimiento del campo magnético y de la ley de inducción de Faraday que permite crear una fuerza electromotriz inducida; y el conocimiento de la ley de Ampere para generar una fuerza magnetomotriz en un conductor; además de la habilidad para diseñar circuitos eléctricos y electrónicos basados en la lógica digital, y la de programar y operar microcomputadores. Pero, principalmente, debe ser capaz de aportar creatividad e innovación en el desarrollo de los productos. La mecatrónica es el paradigma establecido por el desarrollo de las tecnologías computarizadas aplicadas en la supervisión, programación y control de sistemas y productos electromecánicos. Su influencia en la educación, consolida la necesidad de integrar grupos de personas con habilidades y técnicas diferentes, para interactuar con mentalidad flexible hacia una nueva unidad, en una sociedad cada vez más cambiante por la influencia de los computadores. 3. Tendencias de áreas metropolitanas en México Recientemente fue creado en el área metropolitana de Monterrey el proyecto Monterrey ciudad internacional del conocimiento [5] que contempla
Rediseñar la agenda del sistema educativo de N. L.
Atraer centros de investigación y empresas de innovación y desarrollo tecnológico, además de fomentar los centros existentes. Promover la innovación en las empresas existentes. Crear nuevas empresas de innovación. Equipamiento Urbano y Cultural que propicie los Parques del Conocimiento y fomente la creatividad. Difundir la nueva cultura
El Objetivo del Parque es concentrar y fomentar un esfuerzo de innovación y desarrollo tecnológico y facilitar la transferencia tecnológica al sector productivo donde se destaca la Mecatrónica ya que dentro de las líneas de investigación contempladas en cuanto al desarrollo tecnológico se cuentan las áreas de Biotecnología, Nanotecnología, Mecatrónica, Tecnologías de la información y comunicaciones y Salud. III. Aportaciones de las diferentes disciplinas a la mecatrónica 1. Electrónica de potencia La electrónica de potencia [6] es un área de la ingeniería eléctrica altamente interdisciplinar, pues en ella se aplican los conocimientos y tecnologías relacionadas con las disciplinas de: Teoría de circuitos, electromagnetismo, teoría de sistemas y control, control con microcontroladores, electrónica analógica y digital entre otras. Todas estas materias forman la electrónica de la mecatrónica. El progreso actual de la electrónica de potencia ha sido gracias a a los avances en los dispositivos semiconductores que representan los interruptores estáticos en alta potencia como los GTO o tiristor conmutado por la puerta, el IGBT, transistor bipolar de puerta aislada que opera en alta tensión y entre 20 y 40 KHz de frecuencia de conmutación. El IGCT o tiristor controlado por puerta aislada puede manejar altas corrientes. Todos estos dispositivos semiconductores componen la gama de interruptores estáticos que han impulsado el avance y el desarrollo de la electrónica de potencia. 2. Diseño de componentes mecánicos En el área de mecanismos, los principales problemas son reducción de complejidad, eliminación de mecanismos y síntesis de mecanismos mecatrónicos. La reducción de la complejidad se refiere a reducir el número de elementos del mecanismo, lo cual es posible gracias al uso de control inteligente. La eliminación del mecanismo implica el uso directo del actuador, y con ello el uso de controles mas sofisticados; el objetivo es a alcanzar el manejo sin contacto. La síntesis de mecanismos mecatrónicos consiste en utilizar actuadores directamente en el mecanismo para mejorar su movimiento; un ejemplo de esta síntesis es el desarrollo de rodamientos con actuación magnética para eliminar la fricción. Se
caracteriza por una mejor caracterización del mecanismo y el diseño por computadora. 3. Instrumentación El diseño y la disponibilidad comercial de los diferentes sensores que obedecen a diferentes variables físicas que existen, ha permitido la integración de los sistemas mecánicos y eléctricos con elementos que aumentan y mejoran su desempeño dando como resultado un sistema mecatrónico. Los dispositivos sensores van desde sensores de fuerza, sensores ópticos, de proximidad, de variables de proceso hasta sensores de PH y concentración bajo principios eléctricos, magnético y piezoeléctrico. 4. Electrónica digital La contribución de esta disciplina en la mecatrónica es clave ya que es una de las partes fundamentales de la misma. El avance en la electrónica digital permite poner a disposición de la mecatrónica un gran número de elementos esenciales en la parte del control y la programación del sistema. Elementos como convertidores de A/D, D/A, dispositivos digitales como microcontroladores, DSP son la base para construir un sistema controlado. La implementación de controladores digitales resulta de manera compacta y económica mediante el uso de microcontroladores y DSP. 5. Robótica En un sistema robotizado, la aportación de la robótica es clave, pues mediante ella se obtiene el estudio cinemático del sistema mecánico, igualmente la obtención de la descripción espacial en 3D es producto de la aplicación de ésta disciplina. En la parte de la dinámica, se contribuye con la parte de la obtención de las ecuaciones generales de un robot de n grados de libertad, así como el estudio de esquemas de algoritmos de control y el diseño de trayectorias. 6. Control Automático Esta disciplina aporta la teoría de control, garantizando la estabilidad de los sistemas. Los diferentes esquemas de control desde el más simple como un control proporcional hasta uno de control robusto son diseñados siguiendo los principios de la teoría de control. La aplicación de sistemas de lazo cerrado es clave en la concepción de un sistema mecatrónico. 7. Ciencias computacionales Dentro del área ciencias computacionales la tendencia es hacia la programación en C++, java, lenguaje ensamblador, .net, asp, matlab o el equivalente de software libre, lenguajes de simulación como el arena, sistemas operativos (de
microsoft y de software libre) software de tercera dimensión, las matemáticas discretas, simuladores de todas las áreas, buscadores de información. Existe actualmente una gran tendencia a establecer un nuevo campo de la computación que integraría los diferentes métodos de resolución de problemas que no pueden ser descritos fácilmente mediante un enfoque algorítmico tradicional. Estos métodos tienen su origen en la emulación de sistemas biológicos. Se trata de una nueva forma de computación que es capaz de manejar las imprecisiones e incertidumbres de problemas relacionados con el mundo real (reconocimiento de formas, toma de decisiones, etc.). Para ello se dispone de un conjunto de metodologías como la Lógica Borrosa, el Razonamiento Aproximado, la Teoría del Caos y las Redes Neuronales. Redes Neuronales Las redes neuronales artificiales (RNA) son modelos que intentan reproducir el comportamiento del cerebro. Como tal modelo, realiza una simplificación, averiguando cuáles son los elementos relevantes del sistema, bien bien porque la cantidad de información de que se dispone es excesiva o bien porque es redundante. Una elección adecuada de sus características, más una estructura conveniente, es el procedimiento convencional utilizado para construir redes capaces de realizar determinada tarea. Sistemas expertos Los sistemas expertos o especializados constituyen la instrumentación de la inteligencia Artificial apasionante y muy útil. Son sistemas que acumulan saber perfectamente estructurado, de tal manera que sea posible obtenerlo gradualmente según las situaciones. Aquí desaparece el concepto de información en favor del de saber. Un sistema experto no es una biblioteca que aporta información, sino un consejero o especialista en una materia de ahí que aporte saber, consejo experimentado. Un sistema experto es un sofisticado programa de computadora. Posee en su memoria y en su estructura una amplia cantidad de saber y, sobre todo, de estrategias para depurarlo y ofrecerlo según los requerimientos. Ello convierte al sistema (software-hardware) en un especialista en la materia para lo que está programado; se utiliza como apoyo o elemento de consulta para investigadores, médicos, abogados, geólogos, y otros profesionales. En la actualidad existe un gran número de sistemas expertos repartidos entre los campos más activos de la investigación y de la profesionalidad. Esta descripción corresponde en general a un sistema mecatrónico.
Algoritmos genéticos Se puede aplicar para optimizar sistemas mecatrónicos o robots o cualquier otro tipo de aspectos que sean susceptibles de ser optimizados como líneas de producción. En general cualquier algoritmo genético utilizado para resolver un problema, debe tener cinco componentes básicos enlistados a continuación: Se necesita una codificación o representación del problema, que resulte adecuada al mismo. Una manera de crear una población inicial de soluciones. Una función de ajuste ó adaptación al problema, también llamada función de evaluación, la cual asigna un número real a cada posible solución codificada. Durante la ejecución del algoritmo, los padres – dos individuos pertenecientes a la población inicial, que son soluciones factibles del problema- deben ser seleccionados para la reproducción; a continuación dichos padres seleccionados se cruzarán generando dos hijos, nuevas soluciones al problema, sobre cada uno de los cuales actuará un operador de mutación de acuerdo con una cierta probabilidad. El resultado de la combinación de las anteriores funciones será un conjunto de individuos (posibles soluciones al problema), los cuales en la evolución del Algoritmo Genético formarán parte de la siguiente población. Valores para los parámetros: tamaño de la población, probabilidad de aplicación de los operadores genéticos. •
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IV. Currículo actual de programas de estudio de la mecatrónica a nivel de postgrado. El currículo actual presente en algunos programas de postgrado es muy variada, sin embargo muchos programas coinciden en temas y tópicos de los cuales, sin detallar sus contenidos, se pueden enumerar los siguientes: Robótica Sistemas de control avanzado Diseño mecánico Control Inteligente Sistemas de control digital Sistemas mecatrónicos Sistemas avanzados de control de movimiento Tecnologías de fabricación avanzados Sistemas micromecatrónicos Sistemas embebidos Sistemas de tiempo real Instrumentación y sensores Estructura y propiedades de los materiales Modelado de sistemas mecatrónicos
V. Bibliografía [1] http://www.ittla.edu.mx/educacion/ing_mecatronica.htm [2] http://picasaweb.google.es/efcaguab/MecatrNicaHastaEnLaSopa/ [3] http://www.mitecnologico.com/mecatronica/Main/ClasificacionDeSistemas Mecatronicos [4] Revista internacional magisterio. Educación y pedagogía. Revista No. 18. [5] http://www.mtycic.com.mx/estrategias.html [6] Revista Automática e instrumentación. Pp. 53-61. Vol. No. 361. 2005. [7] Revista La Ventana Informática. Edición N0 9. Universidad de Manizales. Pág. 56 – 57. Mayo 2003. [8] Enciclopedia Informática y Computación. Ingeniería del Software e Inteligencia artificial. Julio 1992. [9] Revista Iberoamericana de Inteligencia Artificial. Aplicación de Inteligencia Artificial en Sistemas Automatizados de Producción. Llata, J.R , Sarabia, E.G., Fernández, D., Arce J., Oria, J.P.. Numero 10, páginas 100-110. Disponible en http://www.aepia.org/).
