Los intentos de construir sistemas mecánicos automáticos tienen una historia interesante. De hecho el termino “automatización” no se hizo popular hasta los 40s cuando fue acuñado por la Ford Motor Company para denominar al proceso por el cual una máquina transfería una parte parcialmente ensamblada de una estación a otra y luego la posicionaba de forma precisa para continuar con las operaciones de ensamble. Pero antes de eso, el desarrollo exitoso de sistemas mecánicos autónomos ya había sucedido. Por ejemplo, en Grecia entre el 300 al 1 A.C. ya habían aparecido aplicaciones primitivas de control automático, como el desarrollo de mecanismos de regulación con flotador.
Dos ejemplos importantes incluyen el reloj de agua de Ctesbios que usaba un regulador de flotador y la lampara de aceite ingeniada por Philon, que también usaba un flotador regulador de nivel para mantener constante el nivel de aceite combustible. Posteriormente en el siglo primero, Heron de Alejandría publicó un libro titulado Pneumática que describía los diferentes tipos de mecanismos de nivel de agua que usaban reguladores de flotador.
En Europa y Rusia, durante los siglos diecisiete y diecinueve, se inventaron muchos dispositivos importantes que eventualmente contribuyeron a la mecatrónica. Cornelis Drebbel (1572-1633) de Holanda diseño un regulador de temperatura, lo que representó uno de los primeros sistemas con retroalimentación de la era. Subsecuentemente, Dennis Papin (1647-1712) inventó un regulador de presión de seguridad para calderas de vapor en 1681, similar a las válvulas de las ollas a presión de hoy en día. La primera máquina calculadora fue inventada por pascal en 1642.
Posteriores avances en la automatización fueron posibles gracias a avances en teoría de control que se remontan al regulador centrífugo de Watt en 1769. Este regulador centrífugo, que se muestra en la siguiente figura se usaba para controlar la velocidad de un motor de vapor que empleaba una medida de la velocidad del eje de salida y usaba el movimiento de las esferas volantes para controlar una válvula de tal forma que la cantidad de vapor que entra al motor está regulada. Este es un ejemplo de sistema de control con retroalimentación en el que la señal de medida y la actuación de control están completamente acopladas con hardware mecánico.
Estos desarrollos automatizados tempranos fueron logrados gracias a la intuición, la aplicación de habilidades prácticas y persistencia, pero el siguiente paso en la evolución de la automatización requirió de una teoría de control automático. El precursor de las máquinas de control numérico (CNC) para manufactura automatizada (que se desarrollarían en los 50s y 60s en el MIT) aparecieron a principios de los 1800s con la invención del control feed-forward (o proalimentación) de telares de tejido por parte de Joseph Jaquard de Francia. A finales de los 1800s, la materia, ahora conocida como teoría de control, fué iniciada por J.C. Maxwell por medio del análisis del conjunto de ecuaciones diferenciales que describen las esferas volantes del regulador centrífugo, con el ánimo de investigar el efecto que los varios parámetros del sistema tenían en el funcionamiento del mismo.
Aproximadamente al mismo tiempo, Vyshnegradskii formuló una teoría matemática de los controladores. En los 1830s Michael Faraday describió la ley de la inducción que se convertiría en la base del motor eléctrico y el dínamo eléctrico. Posteriormente, a finales de los 1880s, Nikola Tesla inventó el motor de inducción de corriente alterna. Las idea básica de controlar automáticamente un sistema mecánico se estableció firmemente para finales del siglo XIX y la evolución de la automatización se aceleró significativamente durante el siglo XX.
El desarrollo de elementos de control neumático en los años 30s evolucionó a un punto en el que se le encontraron aplicaciones en los procesos industriales. Sin embargo antes de 1940 el diseño de sistemas de control continuó siendo un arte caracterizado por métodos de prueba y error. Durante los 40s continuaron los avances en métodos matemáticos y analíticos hicieron que la ingeniería de control se estableciera como una disciplina independiente de la ingeniería. En los Estados Unidos, el desarrollo del teléfono y de amplificadores electrónicos retroalimentados incentivaron el uso de la retrolaimentación por Bode, Nyquist y Black de los laboratorios Bell. La operación de los amplificadores de realimentación se describió en el dominio de la frecuencia y las técnicas de análisis y diseño se conocen ahora como “control clásico”. Durante el mismo periodo, la teoría de control se iba desarrollando en Rusia y Europa del Este, en donde matemáticos y mecánicos aplicados de la ex-Union Soviética dominaron el campo de los controladores y se concentraron en formulaciones en el dominio del tiempo y modelos en ecuaciones diferenciales de los sistémas. En los 60s como continuación del desarrollo de las representaciones basadas en el dominio del tiempo, apareció la formulación en variables de estado conduciendo a las prácticas de análisis que hoy se conocen generalmente como “control moderno”.
Los esfuerzos que se dieron en la Segunda Guerra Mundial condujeron al desarrollo de más avances en la teoría y práctica del control automático y pusieron en marcha proyectos de pilotos automáticos, sistemas de posicionamiento, sistemas de control de antenas de radar y otros sistemas militares. La complejidad y el rendimiento esperado de estos sistemas militares requirieron una extensión de las técnicas de control disponibles y fomentaron el interés en los sistemas de control y en el desarrollo de nuevas ideas y métodos. Con el uso en aumento de la transformada de Laplace y el uso de los métodos en el plano, así como el diseño de sistemas de control usando Root Locus, las técnicas en el dominio de la frecuencia continuaron dominando el campo tras la Segunda Guerra Mundial.
Del lado comercial, la automatización de los procesos de producción fue una prioridad a comienzos de la década de los 40 debido a que se quería una reducción de los costos de manufactura por medio de la producción en masa. Durante los 50s, la invención de la leva, los mecanismos de eslabón y la transmisión de potencia por cadenas fueron las principales tecnologías que permitieron la invención de nuevos productos y de manufactura y ensamble de alta precisión a alta velocidad; como ejemplos podemos encontrar máquinas para textiles, máquinas de impresión, máquinas de conversión de papel y maquinaria de costura, automáticas y sustancialmente mas complejas que sus predecesoras.
El desarrollo del microprocesador a finales de los 60s condujo a formas primitivas de control por computador en procesos y diseño de productos, como ejemplos se pueden encontrar las máquinas de control numérico (CNC) y sistemas de control aeronáutico. A pesar de eso los procesos de manufactura seguían siendo enteramente mecánicos en su naturaleza y los sistemas de control y automatización fueron implementados a posteriori. El lanzamiento de Sputink y la llegada de la era espacial produjo otro ímpetu al desarrollo continuado de sistemas mecánicos controlados. Los misiles y las exploraciones espaciales requirieron el desarrollo de sistemas de control complejos y altamente precisos. Adicionalmente la necesidad de disminuir la masa de los satélites (esto significa minimizar la cantidad de combustible necesario para la misión) a la vez que se facilitaba un control exacto, fomentó avances en importante campo del control optimo. Métodos de dominio en el tiempo desarrollados por Liapunov, Minorsky y otros, así como las teorías de control óptimo desarrollados por L.S. Pontryagin en la ex-Unién Soviética y R. Bellman en los Estados Unidos, hicieron buena pareja con la creciente disponibilidad de computadores de alta velocidad y nuevos lenguajes de programación para el uso científico.
Avances en semiconductores y manufactura de circuitos integrados condujeron al desarrollo de una nueva clase de productos que incorporaba mecánica y electrónica en el sistema y requería de ambos para su funcionamiento. El término mecatrónica fue introducido por Yasakawa Electric en 1969 para representar a esos sistemas. Yasakawa se reservó los derechos del nombre en 1972, pero tras su amplia generalización liberó sus derechos en 1982. Inicialmente la mecatrónica se refería a sistemas con únicamente componentes mecánicos y electrónicos – no había computación involucrada. Ejemplos de esos sistemas incluyen a las puertas eléctricas, las máquinas expendedoras y las puertas automáticas de garaje.
A finales de los 70s, la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Industria de Maquinaria (JSPMI) clasificó los productos mecatrónicos en 4 categorías:
- Clase I: Primariamente productos mecánicos con electrónica incorporada para mejorar la funcionalidad. Ejemplos incluyen las máquinas de control numérico (CNC) y motores de velocidad variable en máquinas de manufactura
- Clase II: Sistemas mecánicos tradicionales con una cantidad significativa de dispositivos que incorporan electrónica. Las interfaces de usuario externas permanecen inalteradas. Ejemplos incluyen las máquinas de coser modernas y los sistemas de manufactura automática.
- Clase III: Sistemas que mantienen la funcionalidad de los sistemas mecánicos tradicionales, pero los mecanismos internos son remplazados por electrónica. Un ejemplo es el reloj de pulsera digital.
- Clase IV: Productos diseñados con tecnologías mecánicas y electrónicas por medio de la integración sinergica. Ejemplos incluyen las fotocopiadoras, las lavadoras y secadoras inteligentes, las arroceras y los hornos automáticos.
Las tecnologías que hacen posible cada producto mecatrónico ilustra el progreso a pasos agigantados de los productos electromecánicos con los desarrollos de las teorías de control, las tecnologías de la computación y los microprocesadores. Los productos de la Clase I fueron posibles gracias a los servomecanismos, la electrónica de potencia y la teoría de control. Los productos Clase II fueron posibles gracias a la disponibilidad temprana de dispositivos computacionales y de memoria y a la capacidad de diseño de circuitos a la medida. Los productos Clase III se basaron fuertemente en el microprocesador y los circuitos integrados para remplazar a los sistemas mecánicos. Finalmente, los productos Clase IV marcaron el comienzo de los verdaderos productos mecatrónicos por medio de la integración de los sistemas mecánicos y electrónicos; no fue sino hasta los 70s con el desarrollo del microprocesador por Intel Corporation que la integración de los sistemas computacionales con los sistémas mecánicos se hizo práctica.
La división entre el control clásico y el control moderno se redujo significativamente en los 80s con la llegada de la teoría de “control robusto”. Ahora se acepta con generalidad que la ingeniería de control debe considerar tanto los enfoques de dominio en el tiempo como de dominio en la frecuencia simultaneamente en el análisis y diseño de sistemas de control. También fue en los 80s en los que el uso de los computadores como componentes integrales de los sistemas de control se convirtió en rutina; literalmente cientos de miles de computadores de control instalados en el mundo entero.
Cualquiera que sea la definición de mecatrónica que uno escoja o adopte, es evidente que la mecatrónica moderna involucra la computación como elemento central. De hecho, la incorporación del microprocesador para modular la potencia mecánica de forma precisa y para adaptarse a los cambios del ambiente, es la esencia de los productos mecatrónicos modernos.
Texto basado en la traducción de What is Mechatronics? de Mechatronics Handbook de Robert Bishop y M. K. Ramasubramanian
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Esta muy interesante ojala sigan publicando articulos como este
Enhorabuena por esta introducción tan interesante.
Querría aprovechar para proponer un sitio de mecatrónica en español con contenidos propios sobre Robótica, electrónica, control, mecánica, DIY, microcontroladores, sensores: blog de El Hombre Mecatrónico (http://hombremecatronico.es).
¿Podríamos incluirnos en la lista de webs amigas o algo asi?
Un abrazo.
Jesús Gómez.