Mecatrónica
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La mecatrónica surge de la combinación sinérgica de distintas ramas de la ingenierÃa, entre las que destacan: la mecánica de precisión, la electrónica, la informática y los sistemas de control. Su principal propósito es el análisis y diseño de productos y de procesos de manufactura automatizados.
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[editar] Descripción
El término "Mecatrónica" fue introducido por primera vez en 1969 por el ingeniero Tetsuro Mori, trabajador de la empresa japonesa Yaskawa. En un principio se definió como la integración de la mecánica y la electrónica en una máquina o producto, pero luego se consolidó como una especialidad de la ingenierÃa e incorporó otros elementos como los sistemas de computación, los desarrollos de la microelectrónica, la inteligencia artificial, la teorÃa 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.
La definición de mecatrónica propuesta por J.A. Rietdijk: "Mecatrónica es la combinación sinérgica de la ingenierÃa mecánica de precisión, de la electrónica, del control automático y de los sistemas para el diseño de productos y procesos para una producción con mayor plusvalÃa y calidad".
[editar] 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, 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 ingenierÃa 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.
[editar] 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 con sensores, microprocesadores y controladores. Los robots, las máquinas controladas digitalmente, los vehÃculos guiados automáticamente,etc. se deben considerar como sistemas mecatrónicos.
[editar] LÃneas de investigación
La investigación en el área de Mecatrónica es muy variada y una división que se propone es: componentes, análisis, aplicaciones y educación.
[editar] Componentes
En el área de mecanismos, los principales problemas son reducción de complejidad, eliminación de mecanismos y sÃntesis de mecanismos mecatrónicos. La reducción de la complejidad se refiere a reducir el número de elementos del mecanismos, 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 fÃn a alcanzar el manejo sin contacto. La sÃntesis de mecanismos mecatrónicos consiste en utilizar actuadores directamente en el mecanismo para mejorar su movimiento; un ejemplo de sÃntesis 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.
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. 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.
Un área muy desarrollada en la Mecatrónica es el control. Se tienen dos tendencias importantes: el uso de las técnicas mas modernas de la teorÃa de control automático y el desarrollo de controles inteligentes. La teorÃa de control automático ha desarrollado en los últimos 50 años técnicas de gran sofisticación que no habÃan sido explotadas plenamente, tales como: redes neuronales, modos deslizantes, control de sistemas a eventos discretos, control adaptable, lógica difusa y control robusto. En cuanto al control inteligente, éste se refiere a la capacidad de cierta autonomÃa y percepción del medio ambiente.
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).
[editar] 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 algorÃtmicos y modelos lingüÃsticos.
Otros dos problemas a resolver son la reducción de modelos y la obtención automática de modelos; ambos problemas estan relacionados teóricamente y se han enfocado recientemente a resolver este problema para sistemas multivariables.
Los modelos son necesarios para poder realizar sÃntesis de dispositivos mecatrónicos y optimización de procesos.
[editar] Aplicaciones
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 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 lÃneas de investigación más desarrolladas son: sÃntesis 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 lÃneas de producción asà como la optimización de procesos ya existente. También ha ayudado a automatizar las lÃneas 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 sÃntesis 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 lÃneas 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.
[editar] Educación
Al volverse una gran cantidad de productos de uso cotidiano en sistemas mecatrónicos, ha habido interés en cómo se puede desarrollar el currÃculo para formar profesionales en la Mecatrónica, dando diferentes estilos de acuerdo a cada paÃs. Además se estudia cómo generar ayudas didácticas en la enseñanza de la Mecatrónica, y el uso de la Mecatrónica en el currÃculo de enseñanza media.
Informacion obtenida de http://www.upiita.ipn.mx/~acinme/index.php/Fuentes:Estado_del_Arte_de_la_Mecatr%F3nica
[editar] Véase también
Portal:IngenierÃa Contenido relacionado con IngenierÃa.- Mecánica de Precisión.
- Cibernética.
