Laboratorios virtuales de automatización, robótica y optomecatrónica del CIO

Fecha: 30 de Junio de 2023

Edición: Junio 2023 No. 35

Fernando Martell · | Hacemos ciencia para ti | Visto 340 veces

Introducción

La contingencia sanitaria debida al COVID-19 dio lugar al cierre masivo de actividades presenciales en las instituciones educativas para evitar la propagación del virus. Ante esta contingencia, nueve Centros Públicos Investigación del CONACYT, (CIDETEQ, CIA¬TEJ, CIATEQ, CIESAS, CIMAV, CIO, CIQA, COMIMSA y ECOSUR) realizaron un proyecto para establecer un conjunto de Laboratorios Virtuales que les posibilitó adecuar parte de su infraestructura tecnológica para la educación a distancia. El objetivo de la Red de Laboratorios Virtuales del CONAHCYT ( https://labora-toriosvirtuales.mx/) es crear un espacio virtual que permita desarrollar actividades experimentales y no experimentales, con fines de docencia e investigación, de manera remota, aprovechando de manera eficaz y eficiente las nuevas tecnologías de la información y la infraestructura especializada disponible en cada uno de los centros pertenecientes a esta red, cubriendo también actividades de simulación y optimización computacionales, demostración de tecnologías, investigación transmedia y difusión de complementos audiovisuales docentes para la apropiación social del conocimiento.

La experimentación que se desarrolla en un laboratorio juega un papel esencial en la educación científica y tecnológica. Los laboratorios virtuales y remotos están emergiendo como una alternativa práctica a los laboratorios convencionales o presenciales. El CIO, como parte de la Red de Laboratorios Virtuales del CONAHCYT, implementó los Laboratorios Virtuales Remotos dedicados a la enseñanza de la automatización industrial, robótica y optomecatrónica. Los laboratorios implementados cuentan con estaciones de trabajo con modelos virtuales de sistemas físicos como robots, sistemas mecatrónicos y procesos de manufactura; que son utilizados en los cursos del Programa de Maestría en Optomecatrónica y del Programa Interinstitucional en Ciencia y Tecnología (PICYT). El principal reto fue el desarrollar estaciones didácticas de acceso remoto para apoyar la educación a distancia en su aspecto práctico, y así dar continuidad a algunos cursos y laboratorios de posgrado. Como parte del proyecto se realizaron varios desarrollos tecnológicos: sistemas ciber físicos de un robot articulado de seis grados de libertad, de un robot SCARA y de un router CNC, y un robot móvil virtual de tracción diferencial. A continuación, se describe el Sistema de Laboratorios Virtuales del CIO:

1. Laboratorio Virtual de Automatización I4.0

Las Máquinas de Realidad Virtual (MRV) se refieren a modelos 3D computacionales que simulan el comportamiento dinámico de un sistema físico y que pueden ser controlados por dispositivos de control electrónico como microcontroladores o controladores programables (PLCS) en configuraciones “Hardware in the Loop” y “Software in the Loop”. Los Sistemas Ciber - Físicos (SCF) integran una máquina física y una máquina de realidad virtual equivalente, a la cual se le denomina “gemelo digital”. El Laboratorio de Automatización Industria 4.0 consiste en una plataforma avanzada de capacitación y entrenamiento en automatización industrial. Este sistema consta de estaciones de trabajo con máquinas de realidad virtual de procesos de manufactura interconectados a equipo de control industrial.

A cada una de las estaciones se les habilitó el acceso remoto mediante el software RADMIN®. Este Laboratorio ha sido utilizado en los cursos de posgrado de Introducción a la Mecatrónica y el de Automatización Industrial. Adicionalmente, se ha utilizado como estación demostrativa en cursos a la industria, en tecnologías de la Industria 4.0.

2. Laboratorio Virtual de Robótica

Las tecnologías robóticas potencializan las aplicaciones de visión artificial y metrología óptica. El Laboratorio Ciberfísico de Robótica cuenta con estaciones con “gemelos digitales” conectados a sistemas de control, y robots físicos SCARA y articulados de seis grados de libertad. En este laboratorio se implementaron estaciones de Sistemas Ciberfísicos de robots manipuladores industriales tipo SCARA y robot TechMan® con videocámara integrada.

2.1 Sistema ciberfísico de robot SCARA

El sistema ciberfísico del robot SCARA permite la capacitación y entrenamiento en robótica a través de un sistema computacional que ejecuta un modelo virtual del robot para el aprendizaje a distancia y con el robot físico el aprendizaje de manera presencial. Con este esquema el alumno, además de aprender a utilizar y programar un robot industrial, aprende también a diseñar el robot y su sistema de control.



2.2 Sistema ciberfísico de robot articulado de seis grados de libertad

El sistema ciberfísico del robot articulado TechMan® al igual que el del robto SCARA permite la capacitación y entrenamiento tanto para programar el robot como para aprender a programar el control cinemático del robot. El sistema ciberfísico tiene los siguientes componentes: robot TechMan®, computadora que ejecuta el modelo virtual del robot y para programación del robot físico, PLC Siemens S7-1200 e Interfaz de usuario Siemens HMI KTP700.



3. Laboratorio Virtual de Optomecatrónica

Este laboratorio consiste en estaciones de trabajo con máquinas de realidad virtual en configuraciones que permiten realizar simulaciones del tipo “Hardware in the Loop” con minicomputadoras Raspberry Pi® con el software CoDeSys® y microcontroladores Arduino UNO®. En este laboratorio se cuenta con un router de control numérico computarizado (CNC) y un robot móvil de tracción diferencial. Como parte del Laboratorio Virtual de Optomecatrónica se desarrollaron los siguientes sistemas:



3.1 Sistema ciberfísico de router CNC

El modelo CNC3 3018 PRO es un ruteadro comercial de tres grados de libertad del cual se cuenta con su representación virtual o modelo 3D, respetando todas sus características y dimensiones de las piezas que lo integran. Este sistema sirve de apoyo para la enseñanza de diversas aplicaciones optomecatrónicas como, por ejemplo, marcado y corte con láser, perfilómetros y escáneres digitales de piezas pequeñas.



3.2 Robot móvil virtual de tracción diferencial

Esta aplicación es un simulador virtual de un robot con tracción diferencial, el cual es controlado por un microcontrolador Arduino UNO® mediante el protocolo de comunicación Modbus RTU. La actividad principal que debe realizar el usuario con esta aplicación es desarrollar un código de programación adecuado para que el robot logre dirigirse hacia un lugar en específico en un espacio virtual en forma de laberinto. Este Sistema ha sido utilizado en la impartición de talleres para alumnos de pregrado como parte de la promoción de los programas de posgrado del CIO.



Equipo de trabajo

El proyecto fue desarrollado con el apoyo económico del CONACYT y fue liderado por el CIDETEQ. En la habilitación del acceso remoto, el desarrollo del sitio WEB y el desarrollo de algunos sistemas virtuales participó el Dr. Carlos Paredes Orta. En la instalación y puesta en marcha del Laboratorio de Automatización Industrial 4.0 participó el Mtro. Adrián W. Coronel, coordinador del laboratorio de Optomecatrónica. También se contó con la colaboración de la Dra. Irma Yolanda Sánchez Chávez de la Universidad Politécnica de Aguascalientes (UPA) quien coordinó el desarrollo del Ruteador CNC. En el proyecto participaron alumnos de posgrado del CIO: Filemón Arenas Rosales, Jessica Alejandra Villalobos, Alan Fernando Santacruz Rodríguez y Miguel Martin Cárdenas López; también participaron el alumno de maestría de la UPA, Heber Hernández Vázquez y el alumno de pregrado de la Universidad Autónoma de Aguascalientes (UAA) Miguel Ángel García Martínez. El Dr. Fernando Martell fue el responsable técnico del proyecto por parte del CIO y colaboró en el desarrollo de los sistemas virtuales y en la instalación del Laboratorio de Automatización, Robótica y Optomecatrónica de la Unidad Aguascalientes.

Conclusiones

El sistema de Laboratorio Virtuales del CIO cuenta con estaciones de trabajo con modelos virtuales de sistemas físicos como robots, procesos de manufactura y sistemas mecatrónicos que apoyan los cursos de posgrado del Programa de Maestría en Optomocatrónica y del Posgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnología (PICYT) a nivel maestría y doctorado. Tanto las máquinas de realidad virtual como los sistemas ciberfísicos son tecnologías de la Industria 4.0 y resultan muy útiles en la educación. Los sistemas ciberfísicos posibilitan iniciar el proceso de enseñanza - aprendizaje en un entorno virtual y a distancia, y una vez que se aprende a operar el gemelo digital, se completa el proceso de aprendizaje en su dimensión práctica cuando se interacciona con el sistema físico. Los Laboratorios Virtuales de Automatización, Robótica y Optomecatrónica y el acceso remoto a equipos especializados implementados en el CIO, representan una valiosa infraestructura alineada a las nuevas tendencias tecnológicas y educativas. Los laboratorios virtuales demuestran la capacidad del CIO en la adopción de nuevas tecnologías, así como reafirman su liderazgo en la educación de posgrado y sirven también para ofrecer capacitación especializada a la industria.



Publicaciones derivadas del proyecto:
Arenas-Rosales, F.; Martell-Chavez, F.; Sanchez-Chavez, I.Y.; Paredes-Orta, C.A. Virtual UR5 Robot for Online Learning of Inverse Kinematics and Independent Joint Control Validated with FSM Position Control. Robotics 2023, 12, 23. ht¬tps://doi.org/10.3390/robotics12010023
F. Martell-Chavez, J. M. López-Téllez, C. A. Paredes-Orta and R. Espinosa-Luna, “Virtual laboratories for teaching automation, robotics, and optomechatronics,” 2023 IEEE World Engineering Education Conference (EDUNINE), Bogota, Colom¬bia, 2023, pp. 1-4, https://doi.org/10.1109/EDUNINE57531.2023.10102906
F. Santacruz, J. Villalobos, I. Y. Sanchez, C. A. Paredes and F. Martell, “Virtual SCARA Robot with Reduced Dynamics in a Real-Time Simulation Scheme for Ro¬botics and Control Engineering Education,” 2021 International Conference on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), 2021, pp. 1-6, https://doi.org/10.1109/ICECET52533.2021.9698437
F. Arenas-Rosales, F. Martell-Chavez, I. Y. Sanchez-Chavez and C. A. Paredes-Orta, “Virtual laboratory for online learning of UR5 robotic arm inverse kinematic and joint motion control,” 2021 International Conference on Electrical, Compu¬ter and Energy Technologies (ICECET), 2021, pp. 1-6, https://doi.org/10.1109/ICECET52533.2021.9698490
M. A. García-Martínez, I. Y. Sanchez and F. Martell-Chávez, “Development of Automated Virtual CNC Router for Application in a Remote Mechatronics La¬boratory,” 2021 International Conference on Electrical, Computer, Communi¬cations and Mechatronics Engineering (ICECCME), 2021, pp. 1-6, https://doi.org/10.1109/ICECCME52200.2021.9590986
M. M. Cardenas, J. Villalobos, A. F. Santacruz, C. A. Paredes, I. Y. Sanchez and F. Martell, “Mobile Robot with Modbus RTU Connectivity to Arduino Microcontro¬ller for Remote-Online Education in Control Systems,” 2021 International Confe¬rence on Electrical, Computer and Energy Technologies (ICECET), 2021, pp. 1-6, https://doi.org/10.1109/ICECET52533.2021.9698696
Hernández-Vázquez H., Sanchez I.Y., Martell F., Guzman J.E., Ortiz R.A. (2022) Development of Virtual Router Machine for Modbus Open Connection. In: Flo¬res Rodríguez K.L., Ramos Alvarado R., Barati M., Segovia Tagle V., Velázquez González R.S. (eds) Recent Trends in Sustainable Engineering. ICASAT 2021. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 297. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-82064-0_1