Los programas de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Mecatrónica del ITESO se centran en un enfoque de aplicación al integrar teoría, práctica y experiencias reales. Además, los estudiantes participan en proyectos donde se les desafía a innovar en procesos mecánicos y a desarrollar tecnología inteligente con un enfoque social y sustentable, utilizando tecnologías avanzadas como la robótica y los sistemas automatizados. Esto les permite adquirir conocimientos, habilidades y actitudes necesarias para resolver problemas reales, y enfrentar con éxito los retos actuales.
El objetivo de este proyecto fue desarrollar una celda de trabajo que funcione como una extensión de la celda de salida del CP Lab 400, con el fin de evitar cuellos de botella y aumentar la capacidad de salida de productos completos. El período de ejecución fue el semestre de primavera de 2023 hasta el de primavera de 2024.
Este proyecto se desarrolló empleando la metodología de Pensamiento de Diseño, la cual se aplicó en todas las etapas del proceso, desde la elaboración del informe del cliente hasta la entrega final. Esta metodología ayuda a generar diferentes soluciones para cualquier problema, las cuales pueden variar en creatividad, practicidad y presupuesto (Ambrose et al., 2010).
Las etapas de la aplicación de la metodología se explican a continuación:
- Empatizar: Esta etapa es fundamental para conocer la perspectiva del usuario y obtener información valiosa para el desarrollo del proyecto. Se identificó un cuello de botella en la celda de trabajo de salida, ya que esta celda solo puede albergar dos productos finales completos.
- Definir: En esta etapa se establecen los requerimientos que guiarán el proceso de ideación. Para este proyecto se decidió no alterar la configuración actual del FMS, ya que el equipo debe permanecer siempre funcional para las materias de ingeniería en mecatrónica y las demostraciones. Por lo tanto, se optó por una unidad externa CP Lab que no interfiera con las funciones de la unidad principal y que, al mismo tiempo, resuelva el problema identificado.
- Idear: Se aplican diversas técnicas para generar ideas, como lluvia de ideas, pensar en opuestos, búsqueda de analogías, entre otras. Estas técnicas son proporcionadas tanto por los estudiantes como por los asesores, con el objetivo de lograr un diseño funcional que también pueda ser manufacturado en las instalaciones del ITESO.
- Prototipar: Se diseña y fabrica el gabinete, seguido del robot electroneumático tipo RRRPP, utilizando diversas técnicas de prototipado como impresión 3D, corte láser, mecanizado CNC, torno y fresadora. Después, se realiza la interconexión de los circuitos electroneumáticos que involucran la unidad de mantenimiento, electroválvulas biestables, y relevadores, con una tarjeta electrónica. Finalmente, se implementa una interfaz gráfica de usuario en Matlab, que permite controlar el robot en lazo abierto, tanto de manera manual como secuencial.
- Testear: Finalmente, se llevan a diversas pruebas funcionales de la extensión de la celda de trabajo de salida. Estas pruebas tienen el objetivo de evaluar su funcionamiento en diferentes escenarios.
Durante el desarrollo del proyecto, participaron 40 estudiantes de Ingeniería Mecánica y de Ingeniería Mecatrónica. Los estudiantes de Mecánica trabajaron en diversas asignaturas de diseño y manufactura durante los periodos de primavera y otoño de 2023, así como en la primavera de 2024. Por su parte, los estudiantes de Ingeniería Mecatrónica estuvieron involucrados en el curso de Análisis y Modelación de Sistemas Mecatrónicos en el otoño de 2023. Todos ellos participaron en la presentación de sus proyectos en el Congreso de Ingeniería SUJ 2024.
El proyecto fue guiado por un equipo de profesores y mentores especializados en diseño, manufactura, control y neumática.
Resultados y logros
El proceso de aplicación de pensamiento de diseño produjo los siguientes resultados:
- Diseño mecánico y fabricación del gabinete y del robot.
- Integración del gabinete y del robot.
- Interfaz gráfico de usuario en Matlab para el control manual y secuencial del manipulador.
Resultado final de la celda de trabajo de salida para el sistema de manufactura flexible CP Lab 400 basada en un manipulador robótico electroneumático:
El funcionamiento del control manual y el control secuencial del manipulador robótico se muestra a continuación:
Control Manual de Celda de trabajo IM-IMEC ITESO:
Control Secuencial de Celda de trabajo IM-IMEC ITESO:
Impacto del proyecto en la formación de los estudiantes
Este proyecto surgió con el objetivo de crear sinergia entre los estudiantes de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Mecatrónica, y por el interés de impulsar el desarrollo de tecnología itesiana generada por los estudiantes y ponerla al servicio de la comunidad estudiantil. Esta experiencia fomenta tanto el trabajo autónomo como el colaborativo, desarrollando habilidades y conocimientos transversales en diferentes dimensiones como la social e intelectual.
Además, es importante destacar que esto representa solo el inicio de nuevas experiencias para los estudiantes. La visión del proyecto es convertir la celda de trabajo del manipulador robótico electroneumático en una herramienta educativa tecnológica para diversas asignaturas de los programas educativos, como Ingeniería Mecánica, Ingeniería en Mecatrónica, Ingeniería Industrial, entre otros. Lo anterior a través de la metodología de la Mecatrónica Educativa.
Importancia del aprendizaje práctico en la ingeniería
Es fundamental destacar que el desarrollo de esta celda de trabajo ha permitido a todos los estudiantes involucrados construir conocimientos, habilidades y actitudes a través de un aprendizaje práctico. Estamos convencidos de que este enfoque es valioso para todos los profesores que trabajan con asignaturas relacionadas con prácticas y proyectos, principalmente en aquellas que utilizan diversos métodos de aprendizaje, como el aprendizaje basado en problemas, el aprendizaje basado en proyectos, el aprendizaje basado en la investigación, entre otros.
En particular, se propone explorar el “Marco Conceptual de la Mecatrónica Educativa” para realizar el diseño instruccional de la herramienta tecnológica desarrollada. Este marco conceptual se estructura en cuatro perspectivas de referencia: proceso, aplicación, escenario y artefacto. Además, se desarrolla en diferentes niveles de aprendizaje: concreto, gráfico y abstracto. El nivel concreto se centra en la experiencia del alumno a través de situaciones reales u objetos específicos. El nivel gráfico representa los elementos de la realidad (nivel concreto) mediante elementos gráficos o símbolos, lo que permite a los estudiantes integrar este conocimiento como una habilidad. Finalmente, el nivel abstracto se enfoca en conceptos alejados de la realidad inmediata; como su nombre lo indica, es el nivel de mayor abstracción (Luque-Vega et al., 2022).
¿Cómo la participación en proyectos prácticos complementa la educación teórica?
La participación en proyectos prácticos genera experiencias de aprendizaje significativas con las que los estudiantes pueden manipular la celda de trabajo para conocer sus características, funciones y modos de operación, y así familiarizarse con la tecnología. Después, al realizar gráficas de espacio-fase y espacio-tiempo, los estudiantes experimentan la representación de los movimientos del robot. Finalmente, abstraen estos movimientos para construir el diagrama de conexión electroneumático de la celda de trabajo. Este proceso facilita una transición fluida de la práctica hacia la teoría, con el que se valida y se verifica cómo ambos aspectos se integran para completar la experiencia de aprendizaje.
El desarrollo de habilidades técnicas y blandas es crucial para todos los estudiantes de ingeniería, ya que estas competencias complementarias contribuyen a formar un perfil profesional integral y altamente calificado, sin perder de vista la importancia del enfoque humanista en cada desarrollo. En particular, este proyecto abona al objetivo 4 de desarrollo sostenible de la ONU: Garantizar una educación inclusiva, equitativa y de calidad, y promover oportunidades de aprendizaje durante toda la vida para todos.
Impacto y futuro de los proyectos
El desarrollo de este proyecto destaca la importancia de emplear una metodología de diseño para generar soluciones que atiendan problemáticas reales en nuestro entorno estudiantil. Además, la reutilización de la celda de trabajo del manipulador robótico será fundamental para ofrecer experiencias de aprendizaje significativas a los estudiantes, y que involucren áreas como el diseño, la manufactura, el control, la puesta en marcha y las pruebas de funcionamiento de celdas de trabajo, las cuales forman parte de un sistema de manufactura flexible orientado a la automatización de procesos industriales.
Este proyecto también demuestra la relevancia de la colaboración entre distintos programas de ingeniería; en este caso, Ingeniería Mecánica e Ingeniería en Mecatrónica. La sinergia entre estos campos propicia el desarrollo de productos que contribuyen al equipamiento y mejora de los espacios educativos del ITESO, en particular, el Laboratorio de Mecatrónica.
Referencias:
- Ambrose, G. y Harris, P. (2010). Metodología del diseño. Parramon.
- Luque-Vega, L. F., Lopez-Neri, E., Arellano-Muro, C. A., González-Jiménez, L. E., Ghommam, J., Saad, M., Carrasco-Navarro, R., Ruíz-Cruz, R., y Guerrero-Osuna, H. A. (2022). UAV-based smart educational mechatronics system using a MoCap laboratory and hardware-in-the-loop. Sensors, 22(15), 5707. https://doi.org/10.3390/s22155707
