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Instrumentación y Control de Sistemas Mecatrónicos
Por Manuel Olivares S., Profesor Departamento de Electrónica Universidad Técnica Federico Santa María.
La tecnología actual permite integrar sistemas de diferentes áreas de conocimiento, poniendo la innovación al alcance de las nuevas generaciones de ingenieros y técnicos con competencias de trabajo en equipos multidisciplinarios.
Manuel Olivares S.

En los últimos años, las comunidades educativas del ámbito tecnológico han mostrado interés creciente por incluir la Mecatrónica dentro de sus procesos de enseñanza y aprendizaje para el diseño, construcción y explotación de sistemas mecatrónicos. Para esto es necesario estudiar y aplicar conocimientos de múltiples disciplinas, destacando principalmente mecánica, electrónica, control y computadores (Figura 1), con una componente transversal de informática industrial. Uno de sus atractivos es que su proceso de enseñanza permite contextualizar las etapas de desarrollo de proyectos complejos donde se requiere la participación de equipos de trabajo de distintas especialidades.

de trabajo de distintas especialidades. La Robótica, tanto industrial como de servicio, se puede considerar un caso específico de sistema mecatrónico aplicado al diseño, construcción y explotación de dispositivos genéricos orientados a potenciar el trabajo humano, y en algunos casos sustituirlo para evitar riesgos laborales en tareas repetitivas de manufactura y automatización de procesos industriales. La Mecatrónica, como disciplina, va más allá pues abarca desde el diseño de componentes mecánicos básicos hasta su integración funcional mediante sistemas de control “embebidos” de diversa índole, diseñados para complementar y/o extender las capacidades de los sistemas robóticos genéricos o, simplemente, para crear mecanismos inteligentes que satisfacen necesidades específicas en diversas áreas de aplicación como la industria minera, automotriz, aeroespacial, transporte, astronomía, agronomía, domótica y electrodomésticos, entre otras.

Más recientemente, la combinación de los últimos avances en la tecnología de las comunicaciones y su integración a los sistemas mecatrónicos están dando paso al surgimiento de los denominados sistemas ciber-físicos, posibilitando formas de interacción remota y de tele-presencia que abren nuevos paradigmas en la explotación de máquinas inteligentes al no requerir la presencia física del operador como, por ejemplo, los “drones” en aplicaciones de defensa, prospección y otras.


La realidad universitaria

A nivel universitario las disciplinas requeridas para el diseño, construcción y explotación de sistemas mecatrónicos siguen manteniendo su identidad y solo algunas universidades imparten Mecatrónica como carrera profesional a nivel de ingeniería civil, lo cual tiene su explicación en la empleabilidad y el desarrollo tecnológico del país, condición requerida para justificar la formación de profesionales de este nivel. Distinto es el caso de la formación de técnicos universitarios, donde esta universidad y otras ya cuentan con una titulación de técnicos universitarios en esta área [1], quienes aportan con este conjunto de competencias combinadas a la operación y mantención de sistemas mecatrónicos industriales, integrando por ejemplo electroneumática con automatización basada en controladores lógicos programables PLC’s e interfaces HMI, entre otros.

En países desarrollados, y más recientemente en Chile, lo usual es encontrar asignaturas como Mecatrónica [2] y Robótica [3] dentro de la malla curricular de carreras de Ingeniería Mecánica y de Ingeniería Eléctrica, además de cursos a nivel de postgrado, por lo que es posible desarrollar innovación en sistemas mecatrónicos con el aporte conjunto de especialistas en sus respectivas áreas. La construcción de dispositivos mecánicos se ha visto enriquecida con la aparición de impresoras 3D que facilitan y aceleran el desarrollo de prototipos, al trasladar gran parte del desarrollo a un problema de ensamble virtual y pruebas funcionales en la pantalla de un computador con sistemas CAD, combinadas con un proceso de fabricación CAM/CIM, lo que junto con la selección de materiales y estructuras adecuadas, son aportes de especialistas en mecánica y diseño.


El siguiente paso

En paralelo y/o una vez construido el prototipo, los requerimientos funcionales necesarios para otorgar algún grado de automatización, autonomía o inteligencia son abordados por especialistas en computadores, instrumentación y sistemas de control, desde la integración de sensores on-off hasta sensores de rango láser, encoders, acelerómetros, giróscopos, GPS/LPS y sistemas de procesamiento de imágenes, entre otros sensores. A su vez, su implementación se realiza mediante alguna de la gran cantidad de opciones tecnológicas disponibles en la actualidad: sistemas embebidos basados en microcontroladores de dos o más núcleos, arreglos de compuertas programables FPGA’s, PLC’s, controladores de automatización programable PAC, procesadores de señales digitales DSP, entre otros, mientras que el desarrollo de aplicaciones en tiempo real se realiza utilizando software especializado para el desarrollo rápido de prototipos, de sistemas de control basado en modelos cinemáticos y dinámicos, y de algoritmos de inteligencia computacional. De forma más reciente, el trabajo conjunto con especialistas en telemática permite abordar el desarrollo de interfaces de operación remota HMI, y de diseñar y hacer uso efectivo de sistemas informáticos en combinación con sistemas y dispositivos conectados en redes de comunicación industrial. Todo esto permite afirmar que la capacidad de innovación está latente en la formación de equipos y en el trabajo multidisciplinario, junto con la exposición a desafíos que les permitan a los estudiantes desarrollar estas habilidades de manera temprana en su formación.


Experiencia

A menor escala, y como parte del proceso de formación profesional, mi experiencia de trabajo con estudiantes de electrónica como profesor guía de más de 20 memorias de titulación en control de sistemas mecatrónicos [4], me ha permitido poner en práctica tanto conocimientos de electrónica, computadores, instrumentación y control (en especial el diseño y sintonización de lazos de control basado en modelos), y también desarrollar competencias en temas de diseño mecánico y adquirir el lenguaje propio de otras especialidades necesario para la especificación y seguimiento de órdenes de trabajo a terceros. Los resultados obtenidos al implementar soluciones mediante la integración de tecnologías actuales como software y hardware para control y procesamiento de imágenes en tiempo real, y para el diseño de interfaces de supervisión, entre otras, revela que las competencias desarrolladas por los estudiantes al abordar estos desafíos les permitirá enfrentar con éxito problemas de mayor complejidad e innovar en su desempeño profesional.

Figura 1: Disciplinas que conforman la Mecatrónica.


[1] http://psu.elmercurio.com/mecatronica-yrobotica-crear-maquinas-inteligentes/
[2] http://ocw.mit.edu/courses/mechanical-engineering/2-737-mechatronicsspring-1999/
[3] http://www.ece.vt.edu/ugrad/viewcourse.php?number=4704-67
[4] http://profesores.elo.utfsm.cl/~manuel/Opciones/mecatronica.htm


Mayor información solicitar al e-mail manuel.olivares@usm.cl
Octubre 2014
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