Técnicas de Diseño Concurrente para la

1. Diseño Mecatrónico aplicado a la
Robótica
Andrés Felipe Navas
Ingeniero Mecatrónico
afnavas@uao.edu.co
anavas@robotekltda.com

2. Introducción
La ingeniería mecatrónica se ha desarrollado
mediante la aplicación de técnicas de diseño
modernas para la creación de dispositivos
inteligentes que poseen gran nivel de integración
de tecnologías. La robótica entonces puede ser
analizada desde el punto de vista mecatrónico y
desarrollada bajo la perspectiva multidisciplinaria
que ésta requiere.

3. Electrónica
Circuitería de Electromecánica
Control
Control Mecatrónica Mecánica
Control Digital
CAD
Informática

4. Mecánica
Electrónica Física
Robótica
Informática Matemática
Automática
De esta manera la robótica como tal se apoya en la
Mecatrónica como metodología de diseño a la hora de
la construcción de éstas máquinas

5. Diseño Mecatrónico
Dentro del concepto de diseño mecatrónico se pretende un
enfoque organizativo de todos los elementos que intervienen
tanto en el desarrollo del producto como en el proceso
productivo desde la idea inicial hasta el desarrollo final, de
manera simultánea, asegurando condiciones funcionales,
estructurales, de fabricación, mantenimiento, entre otras; esta
definición de diseño también conocida como concurrente
implica:
• La integración de equipos de trabajo multidisciplinarios.
• El uso de herramientas computacionales para el desarrollo,
cooperación e integración de las actividades.

6. Desarrollo del Proyecto
A continuación se presentará una metodología para el diseño
de robots basada en técnicas concurrentes y bajo una
perspectiva mecatrónica, con el fin de desarrollar robots
autónomos siguiendo las diferentes etapas necesarias para la
elaboración de proyectos.

7. Concurrencia
Durante el desarrollo del proyecto es posible volver a
etapas anteriores si el diseño lo requiere; por ejemplo,
durante la etapa de prueba y refinamiento puede llegar a
surgir la necesidad de cambiar algún concepto, volviendo a
la etapa de desarrollo conceptual o de diseño a nivel de
sistema. Sin embargo como éste es un proyecto
multidisciplinario puede darse el caso de cambiar conceptos
de partes que no afecten directamente otros subsistemas.
Por lo tanto las etapas del proyecto no son una línea
continua; existe la posibilidad de volver a etapas anteriores
para ajustar el diseño a las especificaciones y
características deseadas.

8. Dentro de la etapa de planificación se realiza una
descripción y un análisis QFD (Quality Function Deployment:
Despliegue de la Función de Calidad.) del problema de diseño, así
como sus especificaciones; aquí se debe tener en cuenta
un análisis de mercado donde los posibles clientes o
usuarios manifiestan sus necesidades y/o requerimientos
de ingeniería para el robot. Es de mencionar que en este
punto deben identificarse las restricciones de producción
así como el establecimiento de algunas cadenas de
suministros.

9. Requerimientos y
definiciones de un cliente
tipo usuario
También existen otro tipo de clientes
que generan sus propios
requerimientos como el
re p re s e nta nte d e m a nufa c tura o e l
inve rs io nis ta ; donde los
requerimientos pueden ser técnicos
o pueden limitar el proyecto y el
diseño, en tiempo y dinero.

11. En el desarrollo conceptual se realiza el análisis
funcional del producto identificando sus funciones y
subfunciones principales, se generan, seleccionan y
prueban conceptos y ha de aplicarse una evaluación a
dichos conceptos seleccionados; y adicionalmente se
realizan algunos cálculos de ingeniería necesarios
para el desarrollo y prueba de éstos conceptos.
Deben analizarse otro tipo de robots existentes que
cumplen tareas similares a las especificadas.
(Benchmarking)

12. Descomposición Funcional
Los conceptos generados nacen de subfunciones que describen el
funcionamiento del robot; sin embargo estos conceptos pueden ser muy
variados pues existen muchos elementos físicos que cumplan con
determinada función (Función: Locomoción – Conceptos: motor DC, motor
AC, motor PaP, actuador hidráulico, etc.).

13. Selección de Conceptos
Cada concepto que se obtiene debe ser ponderado dentro de una matriz de
tamizaje, luego debe ser evaluado y probado; desarrollando finalmente el
conjunto de conceptos apropiado y su interacción entre ellos; en este punto se
deben realizar los cálculos de ingeniería con el fin de seleccionar materiales y
partes según las especificaciones obtenidas luego del QFD.

14. Selección de Conceptos
Conceptos para la pata
de un robot de
exploración.
Matriz de tamizaje en la
selección de conceptos.

15. Para la etapa de diseño a nivel de sistema se ha de
establecer la arquitectura del producto y se hace una
descomposición de los sistemas que hacen parte del
proyecto; se desarrolla y refina el robot desde el punto
de vista del diseño industrial y se estiman algunos
distribuidores y canales de compra de elementos
necesarios, tales como sensores, actuadores,
controladores, entre otros.

16. Interacción entre elementos
Para definir la
arquitectura del robot se
deben revisar las
interacciones entre
elementos, de modo
que sea claro cuáles
elementos se deben
agrupar conformando
diferentes módulos.

18. Interacciones Incidentales

19. Durante el d is e ño d e ta lla d o se debe definir la distribución
geométrica para los sistemas mecánicos, electrónicos y
de control que tendrá el robot, además hay que brindar
una explicación detallada de los mismos desarrollando
sus respectivos prototipos. Se deben definir los procesos
de producción de las piezas y circuitos, su diseño para
mecanizado y los procesos de aseguramiento de la
calidad. Se debe realizar un análisis de co-diseño
Hardware-Software

20. Distribución Geométrica
La distribución geométrica nace luego de analizar la forma de los
elementos que conforman cada conjunto y sus interacciones.

21. Diseño detallado
Ahora es importante hacer una revisión del diseño desde el punto
de vista industrial y de manufactura.
La mejor forma de lograr una valoración de diseño industrial
consiste en realizar un análisis de las necesidades ergonómicas
(todos los aspectos que tienen que ver con el contacto del producto
con las personas), así como también de las necesidades estéticas
(relacionadas con el impacto visual del producto).
Estas consideraciones son de gran importancia pues resaltan
aspectos como la facilidad de uso, la calidad de las interfaces con el
usuario, la seguridad y la apariencia física, características de suma
importancia para un usuario final y que brindan un valor agregado al
producto.

22. Diseño para manufactura
Dentro del análisis de diseño para manufactura debe tomarse en
cuenta la distribución geométrica propuesta y verificar si realmente
es posible ubicar los elementos donde se ha propuesto (revisión de
bridas, soportes, conectores, etc.). Es muy importante tener en
cuenta la facilidad de ensamble de cada elemento, así como su
acceso para mantenimiento.
Si el robot ha de ser producido en masa deben analizarse los
tiempos de ensamble y su facilidad para armado y desarmado,
buscando así una reducción del costo de producción.

23. Diseño detallado
Es importante concebir todos los
planos, ensambles y subensambles en
programas CAD como el AutoCad,
SolidWorks, SolidEdge, etc; éstos son
de gran ayuda para realizar prototipos
virtuales, útiles para la mejora del
diseño y de la distribución geométrica
de los elementos; incluso en algunos
casos existe la posibilidad de corroborar
cálculos de resistencia mecánica de las
partes y de su comportamiento
dinámico apoyándose en paquetes
CAE.

24. En la etapa de p rue ba y re fina m ie nto se realizan las
pruebas de fiabilidad, tiempo de vida y desempeño;
además se implementan cambios en el diseño necesarios
para la mejora del robot; es importante refinar el proceso
de aseguramiento de la calidad en este punto.

25. Prototipado virtual
En este momento al modelar todas las
piezas y partes que componen el robot
es posible realizar los subensambles
para verificar el ensamble general del
robot. Es importante modelar
espacialmente dónde y cómo se
ubicarán los componentes
electrónicos que irán montados en la
estructura mecánica del robot.
Cabe anotar que todas las etapas de diseño mencionadas se han de realizar
en conjunto para el desarrollo de los elementos mecánicos y electrónicos del
robot pues de eso depende que la sinergia del sistema sea exitosa.

26. Prototipado físico
Cuando todas las partes y piezas han sido modeladas y evaluadas se procede a
construir el prototipo físico y completo (producto final) donde interactuán los sistemas
mecánicos y electrónicos.
En ésta etapa también se corrigen problemas por algunas interacciones incidentales
que no fueron analizadas previamente, al probar todos los subsistemas funcionando en
conjunto.

27. En esta etapa se analiza el proceso de producción masiva
del robot, se organizan líneas de producción utilzando los
recursos existentes en planta u organizando un proyecto
de actualización de planta y equipos para la fabricación
del producto.

28. Desarrollo de Software
El desarrollo del software de control se realiza sobre el robot partiendo
de muchas premisas del diseño como su geometría y estructura física.
Generalmente es necesario desarrollar un software embebido
(firmware) que se encontrará residente en la memoria interna del
dispositivo y se encargará del control de sus actuadores, leer sensores
y tomar decisiones que le confieran cierto nivel de “inteligencia” al robot.
También se desarrolla un software para monitoreo y programación del
robot a través de un computador personal, permitiéndole al robot una
interfaz directa con el usuario. En robots móviles es muy usual
encontrar conexiones inalámbricas para que el robot se comunique con
el usuario (PC), informe su estado y solicite alguna acción.

29. Conclusiones
Se presenta a la robótica como una disciplina que
colecciona y utiliza diversas herramientas de la ingeniería
como la mecánica, electrónica, el control y la informática,
por esto la ingeniería mecatrónica puede dar un soporte
efectivo y óptimo al desarrollo de éstos dispositivos.
Aprovechando el enfoque de diseño concurrente para el
desarrollo de dispositivos mecatrónicos se propone una
metodología de diseño para robots tanto fijos como
móviles.
El diseño industrial y para manufactura da un balance entre
lo estético y lo económico para hacer al robot llamativo y
funcional.

30. Referencias
• Galvis, N. Rojas, E. Navas, A. (2002). Robot manipulador de tipo semindustrial, proyecto
de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico. Corporación Universitaria
Autónoma de Occidente, Cali.
• Méndez, A. (2003). Curso de Diseño Mecatrónico I y II, notas de clase para curso de
pregrado en Ingeniería Mecatrónica. Corporación Universitaria Autónoma de Occidente,
Cali.
• Pava, H-Y. (2009). Sistema robótico de entretenimiento e interacción entre humano y
hámster “RoboCUY”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico.
Universidad Autónoma de Occidente, Cali.
• Rojas, A. Salazar, F. (2003). Robot de exploración Bioinspirado con sistema de visión
artificial “CICLOPE”, proyecto de grado para optar al título de ingeniero mecatrónico.
Corporación Universitaria Autónoma de Occidente, Cali.
• Ulrich, K. Eppinger, S. (2000). Product Design and Development, Second Edition.
McGraw Hill. Boston.
• Berkeley U. “Mechatronics and robotics”. http://www.me.berkeley.edu/
Grad/Areas/ME_Main_Frame_Mechatronics.htm

31. Gracias por su atención!
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