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ASIGNATURA: Integración de Sistemas Mecatrónicos. 
DOCENTE: Dr. Ernesto Castellanos Velasco. 
Examen de conocimiento: Primer reporte. 
CUATRIMESTRE: Enero – Abril de 2017. 
 
Evaluación conocimiento. 
 
1. Actividades de la referencia: H. Hashimoto, “Intelli gent mechatronics”, IEEE 
Proceedings of the Industrial Electronics, Control and Instrumentation 
(IECON-93), 1993. 
 
a) Traducir y hacer discusión de la Figura 2 con respecto a la definición de 
sistema mecatrónico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
La figura muestra la integración de la mecánica y la información tecnológica que conduce a sistemas 
Mecatrónico, el sistema recoge las señales y las procesa y emite una respuesta por medio de 
actuadores los cuales generan movimientos o acciones sobre el sistema mecatrónico en el que se va 
actuar. Los sensores son los encargados de captar, recolectar y reconocer los mecanismos o variables, 
los cuales se usan para determinar la posición y la orientación de un sistema mecatrónico. Todo 
sistema mecatrónico requiere de una fuente de poder para operar. 
 
 
 
 
C
O
M
P
U
T
A
D
O
R
A 
D/A 
A/D 
ACTUADORES 
SENSORES 
MECANISMO PROCESO 
INGENIERIA EN SISTEMAS 
COMPUTACIONALES 
INGENIERIA 
ELECTRONICA 
INGENIERIA 
MECANICA 
INGENIERIA MECATRONICA 
REDES 
b) Traducir por completo el apartado “4. Motion Control” y hacer discusión de la 
Figura 4. 
 
 
CONTROL DE MOVIMIENTO 
 
El control de movimiento se dirige tanto a procesos lineales como no lineales, que se 
controlan con más frecuencia utilizando motores electromotores como actuadores y una 
variedad de sensores para la medición de variables de estado. El bucle de control de 
realimentación general se muestra en la Figura 4. Las características y requerimientos típicos 
de los controladores de movimiento son 
 
 
 
 
 
 
 
 
. 
 Figura 4.control general de retroalimentación de lazo cerrado. 
  Los procesos son más a menudo naturalmente estables.  El error de seguimiento de los estados de proceso sujetos a trayectorias de 
referencia debe ser lo más pequeño posible.  La detección del conjunto completo de variables de estado es a menudo 
difícil (introducción de ruido de sensor grande debido a la velocidad o 
aceleración de detección por diferenciación de la posición o señales de 
velocidad).  Muchos procesos de movimiento pueden ser aproximados como sistemas 
lineales de segundo / tercer orden con mucho conocimiento a priori sobre 
parámetros de especificaciones de diseño de sistemas eléctricos y 
mecánicos.  Características no lineales tales como fricción, stiction, viscosidad, carga 
de inercia, saturación del actuador, etc.  Comportamiento dinámico rápido. 
 
 
A continuación se resumen brevemente las estrategias de control de movimiento 
bien conocidas y frecuentemente aplicadas. 
 
Control óptimo: A partir de la década de 1960 el estado de control de 
retroalimentación ha sido investigado y desarrollado en el problema de la 
formulación de control óptimo utilizando funciones de coste cuadrático 
rendimiento una ganancia de retroalimentación óptima como la solución de un 
Ricatti Ecuación [3]. 
 
Control Robusto H ,: LQG teoría de control óptimo evolucionado en H, -
control utilizando criterios de diseño cuadrático en el dominio de la frecuencia. 
Cumpliendo con la condición 
 
 
FF C P 
REF 
n 
Y d 
u 
El lazo de control se puede diseñar a especificaciones nominales mediante la 
elección de filtros de peso adecuados W1 y Wz en el dominio de la frecuencia 
(loop-shaping), donde T representa el rendimiento de seguimiento robusto y S 
para la estabilidad robusta [8] [9] [10]. 
 
 
Identificación del parámetro: El proceso temprano identifica los métodos de 
la inducción basados en el método de los mínimos cuadrados o los derivados 
utilizan modelos paramétricos para la identificación [23] [24]. Esfuerzos 
recientes Apuntar a los métodos de identificación de parámetros para H, diseño 
del controlador en un marco teórico unificado [13] [17]. 
 
 
Control Adaptativo: La idea del control adaptativo es combinar la 
identificación de parámetros y el diseño del controlador en una ley de control 
que sintoniza la matriz de ganancia del controlador en línea dependiendo del 
cambio de los estados y parámetros del proceso. Un marco para el control 
adaptativo de los sistemas dinámicos lineales está bien desarrollado [4] [25] y el 
interés se está desplazando a la adaptación no lineal [2]. También los primeros 
esfuerzos para ver el control adaptativo en el dominio de la frecuencia se puede 
ver publicado [22]. 
 
Vista previa, control predictivo: El requisito más importante en el control de 
movimiento es el rendimiento de seguimiento a las señales de referencia, que a 
menudo se conocen también para los futuros puntos de muestreo. Tomizuka 
ofrece una excelente visión general sobre el diseño de controladores digitales de 
seguimiento [29]. 
 
Control de Estructura Variable: Los controladores de estructura variable han 
demostrado una mayor robustez frente a las perturbaciones de los parámetros y 
las no linealidades en el control de movimiento (321. La dinámica deseada 
puede ser fácilmente diseñada usando la colocación de los polos del 
deslizamiento Hiperplano o un enfoque de LQG [31]. Furuta propuso 
recientemente un auto-ajuste VSS-controlador [12]. Konno y Hashimoto han 
mostrado un método para el diseño de la dinámica de modo deslizante en el 
dominio de la frecuencia [21] [33]. 
 
Otras estrategias como el control de la aceleración que da un diseño de 
controlador de 2 grados de libertad, la linealización de retroalimentación de no 
linealidades bien conocidas del proceso y otras estrategias también han 
demostrado ser muy eficientes en el campo del control de movimiento de 
sistemas mecánicos [1]. 
 
 
 
Los resultados teóricos de las estrategias de control anteriores son bastante 
antiguos, sin embargo, sólo recientemente se han aplicado en sistemas 
experimentales implementados (debido a su complejidad computacional 
relativa) utilizando procesadores de señales digitales rápidos. 
 
 
 
 
 
 
Discusión 
 
En un sistema de control en lazo cerrado, se alimenta al controlador la señal de error de actuación, 
que es la diferencia entre la señal de entrada y la salida de realimentación (que puede ser la señal de 
salida misma o una función de la señal de salida y sus derivadas o/y integrales) a fin de reducir el 
error y llevar la salida del sistema a un valor conveniente. El término control en lazo cerrado siempre 
implica el uso de una acción de control realimentando para reducir el error del sistema. 
 
 
 
2. Actividades de la referencia: B.Xing, N.Tlale, G.Bright, “Mechatronic Design of a 
reconfigurable machining machine”, IEEE/ASME International Conference on 
Mechatronic and Embedded Systems and Applications (MESA-2008), 2008. 
 
a) Hacer un mapa conceptual con el apartado “A. RMM design approach”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RMM Design Approach 
El diseño clásico de la máquina 
herramienta consta de dos aspectos 
secuenciales de la optimización: 
Estructura mecánica Control 
CAD: solidworks Sistema de control 
experimental 
Aclaración de requisitos de máquina y plan de operación de 
mecanizado 
Movimiento del punto de la 
herramienta 
Mecanizado de 
herramientas 
 
 
b) Traducir las Figuras 2 y 3. 
 
Figura 2. Traducción. 
 
Comparación entre el enfoque convencional y el enfoque mecatrónico 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Diseño conceptual 
de la herramienta 
mecánica 
Modelo 
cinemático 
Construcción de 
prototipo de máquina 
herramienta 
Diseño e implementación 
de sistemas de control 
experimental 
Análisis 
dinámico 
Fabricación optimizada de 
componentes de máquinas 
herramienta y construcción de 
máquinas herramienta 
Integración optimizada del 
sistema de control 
Producto acabadode la 
máquina herramienta 
NO 
NO 
SI 
SI 
Figura 3. Traducción. 
 
Diseño gráfico de máquinas herramientas 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
0
20
40
60
80
100
1er
trim.
2do
trim.
3er
trim.
4to
trim.
Este
Oeste
Norte
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Maquina 3D CAD 
Diseño del modelo 
Solidworks, UG,CARTIA etc. 
Diseño de sistemas integrados y de 
control 
LabVIEW,MATLAB,etc. 
Simulador por 
computadora 
COSMOSMotion,ANSYS,
etc. 
NO 
SI 
 
3. Actividades de la referencia: J.T.Belter, A.M.Dollar, “Novel differential mechanism 
enabling two DOF from a single actuator: Application to a prosthetic hand”, IEEE 
International Conference on Rehabili tation Robotics (ICORR-2013), 2013. 
 
a) Hacer un mapa conceptual del apartado “III . Novel thumb actuation method”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
NUEVO MÉTODO DE ACTUACIÓN DE PULGAR 
Diseño conceptual Implementación en mano robótica 
El sistema de actuación de los 
pulgares propuesto se basa en el 
uso de un movimiento en sentido 
horario del motor para afectar a 
una salida mientras que un 
movimiento en sentido contrario a 
las agujas del reloj afecta a otra 
salida. 
El sistema consta de dos salidas que 
se pueden controlar con una sola 
posición de entrada del motor. 
Cuando el motor está en la posición 
cero, los tendones de 
accionamiento a las dos salidas 
están apretados. 
Dado que el trinquete de trinquete 
es sostenido por el muelle en dos 
posiciones estables, se denomina 
trinquete biestable. 
Esta es la característica clave que 
permite controlar ambas salidas con 
el mismo motor. 
Para implementar el esquema de 
actuación en una mano, primero 
necesitamos hacer las dos salidas 
del sistema 
Cierre de los dedos y el cambio en el 
ángulo de abducción / aducción del 
pulgar. 
El movimiento descrito como Salida 
2, se sustituye por los tendones de 
accionamiento que controlan la 
flexión de todos los dedos. 
El índice, el medio, el anillo y los 
dedos pequeños están conectados a 
través de un árbol de polea flotante 
underactuated. 
El acoplamiento underactuated 
permite que los dedos se adapten 
pasivamente a la forma de objetos 
en el asimiento. El tendón de 
flexión del pulgar está acoplado 
directamente al primer tendón 
impulsor del árbol de la polea y, 
por lo tanto, no está incluido en el 
diferencial. 
 
b) Hacer un mapa conceptual del apartado “IV. Evaluation prototype hand”. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EVALUACIÓN DEL PROTOTIPO 
Construcción general Secuencia de movimiento y retardo de tiempo 
La palma de la mano era la base del tamaño 
en la mano derecha masculina del 50%. 
Consiste en dos placas de acrílico que 
componen el frente y la parte posterior de la 
palma 
Todos los componentes de accionamiento 
están alojados en la palma de la mano. El 
único motor de CC, se monta verticalmente 
a lo largo del interior de la palma. Se 
conecta a través de un conjunto de 
engranajes de tornillo sin fin a la polea de 
accionamiento del motor. 
Los dedos de la mano se hacen a través de 
la fabricación de la forma de deposición de 
tres tipos de resina de poliuretano. Cada 
dedo tiene una articulación de flexión 
proximal y distal con un solo tendón de 
accionamiento que abarca ambas 
articulaciones. 
Las poleas del árbol de la polea subactuada 
(que impulsa el índice, el centro, el anillo y 
los dedos pequeños) se mecanizan en 
aluminio y tienen suficiente recorrido para 
permitir que los dedos se adapten a 
diversas formas de objetos. 
Debe tenerse en cuenta que debido a las 
limitaciones del método de accionamiento 
existe un pequeño retardo de tiempo 
asociado con la conmutación entre tipos de 
sujeción. Este retardo de tiempo está 
presente incluso si se cambia la longitud de 
la pretensión, ya que la mano debe abrirse 
completamente antes de cambiar los tipos 
de sujeción. 
Control de usuario del tipo de sujeción y cierre 
El control del prototipo de mano utiliza el 
control de posición simple cuando se realiza 
una selección de la posición del pulgar, y 
puede utilizar el control de posición y / o 
fuerza al sujetar un objeto. 
Controlamos tanto la transición de un agarre 
al siguiente y la apertura \ de la mano a 
través de una sola señal EMG. 
 
 
4. Actividades de la referencia: V.Biagini, C.Simonidis, A.Delpozzo, P.Bolognesi, 
“Development and prototyping of a rotary linear actuation drive for vacuum 
contactors”, IEEE 42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics 
Society (IECON-2016), 2016. 
 
a) Hacer un mapa conceptual para cada uno de los incisos del apartado “III . 
Prototype system”. 
 
 
 
 
SISTEMA DE PROTOTIPOS 
 
Con el fin de probar de una manera más realista el funcionamiento y el potencial real de la solución 
mecatrónica seleccionada, se montó un primer prototipo del sistema de accionamiento lineal rotativo 
de acuerdo con la salida del procedimiento de diseño anterior. 
 
 
 
 
A) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prototipo del motor 
Prototipo del motor de reluctancia conmutado 
1. Los núcleos del estator y 
del rotor se obtuvieron 
usando laminaciones M250-
35A FeSi del lasercut 
embaladas usando tecnología 
backlack. 
Los núcleos fueron diseñados 
para ser fácilmente montados y 
conectados mecánicamente a la 
caja y al eje, que fue fabricado 
de acero estructural común. 
Las bobinas fueron 
enrolladas sobre 
soportes plásticos 
aislantes que fueron 
Fabricados a propósito con una 
impresora 3D, aunque en un 
escenario real de producción en 
masa podrían obtenerse 
fácilmente de moldeo por 
inyección. 
 
 
B) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
C) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Mecánica y disposición del prototipo 
Todas las piezas mecánicas de encargo 
requeridas para el sistema, incluyendo 
las levas del cigüeñal, 
Fueron fabricadas del acero estructural 
común por el mecanizado convencional. 
De acuerdo con el esquema general 
representado, el Prototipo convertidor utilizado 
para la prueba se compone de: 
Fuente de alimentación y convertidor estático 
• una se ión de salida suministrada 
por el bus de CC, incluyendo 3 
Hbridges basados en componentes 
de conmutación MosFet capaces de 
proporcionar 50 Apk Cada puente H 
está dedicado a suministrar y 
controlar una de las 3 fases del motor 
SR. Una vista interna del convertidor 
de prototipo montado se representa 
en la fig. 17, mostrando también 
varios componentes auxiliares. 
• una se ión de ent ada, ue in lu e una fuente de 
alimentación que proporciona un único bus de CC 
con una tensión nominal de 300 V soportada por un 
an o de ondensado es de 2 6.800 μF; 
 
 
D) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Hardware de control y adquisición de datos 
(National CompactDAQ® 9178) 
encargado de monitorear las 
cantidades más significativas. La 
tarjeta de control cuenta con un 
procesador de doble núcleo 667 MHz 
ARM Cortex A9 para realizar tareas de 
gama alta y un reconfigurable 4 
ranuras Artix-7 FPGA para gestionar 
tareas críticas de bajo coste, que 
incluyen en este caso: 
Los sistemas de control y adquisición 
de datos utilizados para pruebas 
experimentales se implementaron 
empleando potentes y caras 
herramientas de hardware / software 
de laboratorio dedicadas al desarrollo 
rápido y pruebas personalizadas. 
gestión del ciclo de los convertidores 
analógico-digital (ADC); 
Cálculos en tiempo real para los algoritmos 
de control seleccionados; 
 
 
E)Software de control y elaboración 
Control de corriente de histéresis 
Amplificador de poder 
Sensor de corriente 
Calculadora de secuencia apertura y 
cierre 
Asignatura: Integración de Sistemas Mecatrónicos