Diseño de sistemas mecatrónicos

En la actualidad, podemos encontrar una amplia gama de productos mecatrónicos en diversos sectores de producción. En la industria, por ejemplo, se utilizan máquinas herramientas y robots, así como máquinas de envasado y embalado. Además, los automóviles y las aeronaves desempeñan un papel fundamental en el servicio a la sociedad. Todo esto es posible gracias a la Ingeniería Mecatrónica, una disciplina que combina diferentes áreas de la ingeniería, como la mecánica, la electrónica, el control y los sistemas informáticos, con el objetivo de diseñar y fabricar productos electromecánicos inteligentes.

 

Introducción

Para alcanzar un óptimo rendimiento en los productos mecatrónicos, es fundamental lograr una perfecta integración entre el sistema mecánico y el sistema de control. De esta manera, se pueden obtener productos eficientes que satisfagan plenamente su función específica. Para lograr este objetivo, el proceso de diseño se apoya principalmente en el empleo de software especializado para el diseño y análisis, haciendo uso de prototipos virtuales. Esto permite simular y evaluar el desempeño de los productos antes de su fabricación física, lo que resulta en un enfoque más eficiente y preciso en el desarrollo de productos mecatrónicos.

En un entorno competitivo, es necesario que el desarrollo de productos sea cada vez más eficiente y veloz. Con el fin de lograr este objetivo, los ingenieros se enfrentan al desafío de diseñar productos superiores en términos de rendimiento, reducir los tiempos de desarrollo y optimizar los costos involucrados (McHugh, 2008). Este enfoque se traduce en la búsqueda constante de mejoras y avances en la ingeniería, con el propósito de satisfacer las demandas cambiantes del mercado de manera más ágil y rentable.

Existen diferentes enfoques y procesos de diseño que se han propuesto para el desarrollo de productos. Algunos ejemplos incluyen el proceso de diseño de 4 etapas, el proceso de diseño de French, M. J., y el proceso de diseño de Archer, L. B., entre otros (Cross, 2005). Uno de los procesos de diseño ampliamente aceptado a nivel mundial para productos mecatrónicos es el conocido como VDI2206. Este proceso fue desarrollado por la Sociedad de Ingenieros Alemanes (Gausemeier, 2003) y ha ganado reconocimiento debido a su eficacia y aplicabilidad en el campo de la ingeniería mecatrónica.

Durante las diferentes fases del proceso de diseño, como el diseño conceptual, análisis, síntesis y desarrollo, entre otras, el uso de prototipos virtuales desempeña un papel fundamental al permitir abordar estas etapas de manera integral mediante el uso de software de simulación. El término "multi-física" se refiere al estudio de las diversas propiedades físicas que interactúan y los fenómenos físicos acoplados en la simulación por computadora.

Existen varios softwares que permiten la simulación de modelos y fenómenos físicos múltiples, como ALTAIR®, COMSOL®, DYMOLA®, MODELICA®, MSC ADAMS®, SimMechanics® y Universal Mechanism, entre otros. Estas herramientas ofrecen la posibilidad de simular y analizar sistemas complejos que involucran diferentes aspectos físicos, lo que permite a los ingenieros evaluar el desempeño y la interacción de los componentes mecatrónicos.

El concepto de prototipado virtual se define como la integración del diseño asistido por computadora, la programación de software embebido y el software de simulación para visualizar un dispositivo mecatrónico inteligente en una computadora (McHugh, 2008). Esta metodología de diseño permite a los ingenieros evaluar y optimizar el funcionamiento del producto antes de la fabricación física, lo que reduce costos y tiempos de desarrollo al tiempo que se mejora la eficiencia y calidad del diseño final.

Métodos

Actualmente, el diseño en ingeniería ha evolucionado hacia un enfoque concurrente en el desarrollo de productos en lugar de seguir una serie de pasos secuenciales. Este proceso implica la aplicación de ciencias básicas y ciencias de la ingeniería para transformar recursos de manera óptima, con el objetivo de satisfacer necesidades específicas mediante la creación de sistemas, componentes o procesos. Además, se hace hincapié en el análisis del diseño desde una perspectiva multidisciplinaria.

A partir de la fase de concepción, que involucra el diseño del sistema mecánico, se derivan tanto el modelo matemático dinámico como el modelo cinemático. Utilizando estos modelos, se desarrolla una estrategia de control que permita al sistema generar los movimientos deseados. Se llevan a cabo simulaciones utilizando un prototipo virtual para validar el modelo matemático y poner en práctica la estrategia de control diseñada. Por último, se verifica que los movimientos obtenidos coincidan con los esperados.

Durante esta etapa, se brinda la oportunidad de realizar modificaciones tanto en el diseño mecánico como en el sistema de control, con el objetivo de lograr un esfuerzo de control mínimo y obtener los movimientos deseados en el sistema. En este sentido, el empleo de un prototipo virtual adquiere una gran importancia, ya que permite analizar aspectos cinemáticos y dinámicos, implementar estrategias de control y optimizar el diseño mecánico considerando una variedad de parámetros y variables.

La ingeniería concurrente (IC) se caracteriza como un enfoque sistemático que busca el diseño simultáneo e integrado de productos y los procesos relacionados, abarcando manufactura y servicios de apoyo. Su objetivo es que los desarrolladores consideren, desde las etapas iniciales del proyecto, todos los aspectos del ciclo de vida del producto, desde su concepción hasta su eliminación y reciclaje, incluyendo la calidad, el costo y los requisitos del usuario.

Gracias a la implementación de la IC, empresas destacadas han logrado mantenerse, expandirse y mantener su competitividad en los mercados globales. Durante el proceso de diseño para alcanzar una ingeniería concurrente, es necesario aplicar diversas metodologías para desarrollar productos de alta calidad que cumplan con las especificaciones de diseño establecidas.

Diseño de sistemas de rehabilitación

Una vez se ha identificado el problema o la necesidad, en las etapas iniciales del proceso de diseño, se procede a establecer las especificaciones de ingeniería requeridas para el producto. En el ámbito de la rehabilitación, una de las especificaciones más críticas en el diseño de un sistema de rehabilitación es el rango de movimiento de cada articulación, La investigación de sistemas propuestos y similares resulta de gran utilidad para generar ideas y conceptos. Plantear un nuevo mecanismo que supere a los existentes representa un desafío significativo, y en este sentido, el empleo de la metodología TRIZ resulta sumamente valioso.

Después de haber identificado un concepto, se procede a elaborar un diagrama esquemático que represente los parámetros, variables y mecanismos que componen el sistema. Estos diagramas son de gran utilidad para determinar los modelos cinemáticos y dinámicos del sistema.

Las ecuaciones de movimiento de un sistema pueden expresarse en diferentes sistemas de coordenadas. Para describir el movimiento de un sistema con n grados de libertad (GDL), se necesitan n coordenadas independientes o generalizadas.