Evolución de la mecatrónica

La mecatrónica ha evolucionado en la medida que se han podido integrar los avances logrados por sus diversos componentes. A pesar de que no se puede hablar de fechas exactas, el crecimiento de la mecatrónica ha sido evidente. Históricamente el proceso se divide en tres etapas básicas que son:

• Primera etapa: Finales de 1978 – comienzo de 1980. Fue el periodo en el cual se introdujo el término en el medio industrial, y se buscó su aceptación. En esta etapa, cada una de las ingenierías que ahora abarca la mecatrónica se desarrollaba independientemente.

• Segunda etapa: Década de 1980.
Inicia la integración sinérgica de
los componentes actuales (mecánica,electrónica, informática), se consolida la interdisciplinariedad de la nueva ciencia y se acuña el término a partir de la experiencia inicial en Japón.

• Tercera etapa: Finales de la década de 1980 – Década 1990. Dicho periodo puede considerarse como el que inicia la era de la mecatrónica, y se basa en el desarrollo de la inteligencia computacional y los sistemas de información. Una característica importante de esta última etapa es la miniaturización de los componentes en forma de micro procesadores y microsensores, integrados en sistemas micro electromecánicos o en micro mecatrónica. Actualmente la era digital dirige el rumbo de la mecatrónica, aplicada al desarrollo de software y hardware para computadores, de máquinas y sistemas inteligentes, y de automatizaciones industriales.

Historia de la mecatrónica

Aunque no existe una fecha exacta a la que se pueda adjudicar el nacimiento de la mecatrónica, expertos y conocedores del tema aseguran, que esta ingeniería nació en la década de
1980, sin embargo, el libro Informática i “un enfoque constructivista”, afirma que el concepto ‘mecatrónica’, fue desarrollado hace 15 años, por una firma japonesa fabricante de robots, y aunque en un principio hacia referencia solamente a la integración de la mecánica y la electrónica en un producto, paulatinamente se fue consolidando como una especialidad de ingeniería, en la que además de las dos áreas mencionadas, también se incorporaron elementos importantes
como los sistemas informáticos, microelectrónica, inteligencia artificial y teoría de control.

Para el Ingeniero Luis Llano, director del programa de mecatrónica de la Universidad Militar Nueva Granada, la mecatrónica nace para suplir tres necesidades latentes; la primera, encaminada a automatizar la maquinaría y lograr así procesos productivos ágiles y confiables; la segunda crear productos inteligentes, que respondan a las necesidades del mundo moderno; y la tercera, por cierto muy importante, armonizar entre los componentes mecánicos y electrónicos de las máquinas, ya que en muchas ocasiones, era casi imposible lograr que tanto mecánica
como electrónica manejaran los mismos términos y procesos para hacer o reparar equipos.

Según Llano, en el pasado, cada vez que un problema afectaba cualquier tipo de maquinaria con componentes mecánicos y electrónicos, había que recurrir por separado a profesionales especialistas en cada una de las áreas, y era muy difícil ponerlos de acuerdo sobre la solución del inconveniente, ya que cada profesional manejaba te rminología y conceptos diferentes.

En este punto, la mecatrónica empezó a ser de gran utilidad, ya que integró de manera armoniosa los conceptos que cada ciencia manejaba por separado, para lograr de esta forma, convertirse en una ingeniería capaz de aportar lo mejor de cada área.

Competencias

El WorldSkills enfocado en Mecatrónica es en la actualidad una de las competencias de mayor importancia en este tema, donde solo las mejores instituciones educativas llevan a sus estudiantes a competir en aplicaciones Mecatrónica.

Aplicaciones

En cuanto a aplicaciones, los rubros más 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 flexibles y 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. También 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 más 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 láser.

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.

Análisis y modelado

Por análisis se entiende la obtención de una descripción o modelo de los sistemas por métodos matemáticos y gráficos. El principal problema radica en que muchos sistemas de control no se describen con modelos continuos, ya sea en el estado o en el tiempo; mientras los sistemas mecánicos son modelos continuos. Este problema ha provocado el uso de nuevas técnicas de modelado, tales como: redes neuronales, redes de Petri, lógica difusa, onduletas, memorias asociativas, agentes cooperativos, modelos algorítmicos y modelos lingüísticos.

Los modelos son necesarios para poder realizar síntesis de dispositivos mecatrónicos y optimización de procesos.

Componentes

Mecanismos
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, mediante el uso de control inteligente. La eliminación del mecanismo implica el uso directo de actuadores y de controles más sofisticados. La síntesis de mecanismos mecatrónicos consiste en utilizar actuadores directamente en el mecanismo para mejorar su movimiento; un ejemplo de 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.




Actuadores

Todo mecanismo requiere de una fuente de potencia para operar. Inicialmente esta fuente de potencia fue de origen animal, posteriormente se aprovechó la fuerza generada por el flujo de aire o agua, pasando luego a la generación de potencia con vapor, por combustión interna y actualmente con electricidad. Si esta fuente de potencia es modulable o controlable, se tiene un actuador. Los principales desarrollos de los actuadores en la Mecatrónica son: manejo directo, eliminando mecanismos, utilizando actuadores electromagnéticos, piezoeléctricos y ultrasónicos.También deben considerarse los actuadores neumáticos u oleo-hidráulicos. Un tipo de actuadores muy utilizados son los motores eléctricos; se han desarrollado investigaciones en nuevos modelos matemáticos, nuevos tipos de manejadores y en nuevos tipos de control. Un tipo de actuador que se ha utilizado mucho en nanomaquinaria son los actuadores electrostáticos.





Controles

Un área muy desarrollada en la Mecatrónica es el control. Se tienen dos tendencias importantes: el uso de las técnicas más modernas de la teoría de control automático y el desarrollo de controles inteligentes, que busca mejorar la percepción del medio ambiente y obtener una mejor autonomía. Algunos de los avances más importantes en la rama del control automático son: redes neuronales, modos deslizantes, control de sistemas a eventos discretos, control adaptable, lógica difusa y control robusto.




Sensores

Los sensores son dispositivos que permiten medir el estado del mecanismo o del medio ambiente. La incorporación de sensores a los mecanismos es el resultado de utilizar controles de lazo cerrado. Un ejemplo muy desarrollado es el uso de la visión artificial, la cual se usa para determinar la posición y la orientación del mecanismo, del ambiente o de las herramientas, sin embargo, no siempre es posible medir directamente alguna variable se estima su valor por medio de observadores del estado y filtros. Por otro lado, se tiene la fusión de sensores. Un problema que se ha manejado recientemente es el desarrollo de referenciales \emph{fijos} para determinar la posición y orientación en problemas de navegación, siendo resuelto por medio de sistemas de posicionamiento global (GPS, por sus siglas en inglés).

Líneas de investigación

La investigación en el área de Mecatrónica es muy variada y una división que se propone es: análisis, detectar los problemas de los componentes analógicos y digitales, encontrar una solución al mismo, comportamiento de los sistemas.

Sistema Mecatrónico

Un sistema mecatrónico es aquel sistema digital que recoge señales, las procesa y emite una respuesta por medio de actuadores, generando movimientos o acciones sobre el sistema en el que se va a actuar: Los sistemas mecánicos están integrados por sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehículos guiados automáticamente, etc. se deben considerar como sistemas mecatrónicos.

Antecedentes

La Mecatrónica tiene como antecedentes inmediatos a la investigación en el área de Cibernética realizada en 1936 por Turing y en 1948 por Wiener y Morthy, las máquinas de control numérico, desarrolladas inicialmente en 1946 por Devol, los manipuladores, ya sean teleoperados, en 1951 por Goertz, o robotizados, en 1954 por Devol, y los autómatas programables, desarrollados por Bedford Associates en 1968.

En 1969 la empresa japonesa Yaskawa Electric Co. acuña el término Mecatrónica, recibiendo en 1971 el derecho de marca. En 1982 Yaskawa permite el libre uso del término.

Actualmente existen diversas definiciones de Mecatrónica, dependiendo del área de interés del proponente. En particular, la UNESCO define a la Mecatrónica como:

"La integración sinérgica de la ingeniería mecánica con la electrónica y el control inteligente por computadora en el diseño y manufactura de productos y procesos".

Sin embargo, una manera más interesante de definir la Mecatrónica es posible por:

"Diseño y construcción de sistemas mecánicos inteligentes".

Un sistema mecatrónico se compone principalmente de mecanismos, actuadores, control (inteligente) y sensores. Tradicionalmente la Mecánica se ha ocupado solo de los mecanismos y los actuadores, y opcionalmente puede incorporar control. La Mecatrónica integra obligatoriamente el control en lazo cerrado y por lo tanto también a los sensores.

Principios

El término "Mecatrónica" en un principio se definió como la integración de la mecánica y también de la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingeniería e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teoría de control y otros relacionados con la informática, estabilidad y alcanzabilidad. Teniendo como objetivo la optimización de los elementos industriales a través de la optimización de cada uno de sus subprocesos con nuevas herramientas sinérgicas.