Mecatrónica: Del Laboratorio al Diseño de Estudiantes y a la Investigación

Visión General

El Módulo de Control NI ELVIS RIO lleva la arquitectura de E/S Reconfigurable (RIO), estándar en la industria, a la estación de laboratorio de enseñanza NI ELVIS. Esto permite a los estudiantes aprender y aplicar los conceptos en los cursos de laboratorio de mecatrónica usando las mismas herramientas de descubrimiento que utilizan ingenieros de investigación y la industria en general para diseñar sistemas de mecatrónica. Al combinar la programación gráfica de LabVIEW, la arquitectura NI RIO y la instrumentación del NI ELVIS en una sola estación de laboratorio, los estudiantes pueden simular, probar y diseñar rápidamente los conceptos de mecatrónica aprendidos en las aulas. Ya que el hardware y el software académicos de NI están basados en las mismas arquitecturas que el hardware y el software industriales de NI, los estudiantes obtendrán simultáneamente habilidades valiosas para sus carreras de ingeniería.

Contenido

La Arquitectura NI RIO

El Módulo de Control NI ELVIS RIO es un producto de una familia de productos basados en la arquitectura NI RIO.  Esta arquitectura permite el diseño en mecatrónica a través de E/S de alto rendimiento, una flexibilidad sin precedentes en control de temporización del sistema y la habilidad de crear rápidamente circuitos personalizados de hardware.  Se compone de cuatro componentes: un procesador, un FPGA reconfigurable, entradas y salidas y software de desarrollo gráfico.   

Al utilizar programación gráfica de LabVIEW, los diseñadores de sistemas de mecatrónica pueden tener una visibilidad inmediata del estado de su sistema en tiempo real, que rápidamente acelera el proceso de diseño repetitivo.   Esta solución para el diseño de mecatrónica ha sido adoptada por la academia, la investigación y la industria por igual como una solución de clase mundial para el desarrollo rápido de sistemas complejos y potentes de mecatrónica y control.

La Continuidad de NI RIO

Cada producto de NI basado en la arquitectura RIO está optimizado para usos específicos.   Varían en formato, características, especificaciones de rendimiento, complementos de hardware y software basados en aplicación y materiales de apoyo.   

Módulo de Control NI ELVIS RIO para el laboratorio de mecatrónica

Además de los beneficios de la arquitectura NI RIO, el NI ELVIS ofrece una base estructural para sistemas mecatrónicos limitados.   Ofrece instrumentación integrada para visualizar medidas de los conceptos de mecatrónica, así como probar y depurar rápidamente cuando más se necesita.   Los estudiantes pueden usar el modo de inicio rápido con los Express VIs de LabVIEW y plantillas de software integradas para aprender y usar rápidamente la tecnología.   

Las experiencias de laboratorio de Mecatrónica pueden basarse en tarjetas complejas y de alta fidelidad con manuales de laboratorio y software listos para usarse de Quanser, Inc.   NI también ofrece cursos modulares y flexibles para aprender los fundamentos de mecatrónica y aplicarlos en sus proyectos.

El Éxito de Georgia Tech

Dr. David MacNair de Georgia Tech eligió el Módulo de Control NI ELVIS RIO porque le brindó la mayor flexibilidad y el control de los niveles de abstracción de hardware y software a los que expone a sus estudiantes de mecatrónica.   Permitió a los estudiantes aprender sobre diagnósticos de circuitos y acondicionamiento de señales de manera práctica, usando la instrumentación NI ELVIS, aprovechando altas velocidades de muestreo y rangos de voltaje.   Una vez que los estudiantes comenzaron a diseñar sistemas mecatrónicos complejos, utilizaron la abstracción de alto nivel que ofreció el Módulo de Control NI ELVIS RIO.   Los estudiantes de mecatrónica fueron capaces de aprender y experimentar rápidamente el diseño tanto de bajo nivel como de alto nivel - exponiendo el hardware y el software de bajo nivel cuando fue necesario, pero luego abstrayéndolo para que los estudiantes también pudieran aprender sobre el diseño de sistemas de mecatrónica en un solo semestre.

 

 

NI myRIO para estudiantes y proyectos de diseño de mecatrónica.

 

Después de aprender los fundamentos de mecatrónica en el laboratorio, los estudiantes pueden aplicar sus habilidades en proyectos complejos de mecatrónica con myRIO, otro producto académico basado en la arquitectura NI RIO.   

NI myRIO ofrece E/S adicionales y dispositivos internos e integrados como LEDs programables, un acelerómetro y un radio WiFi.   El tamaño de myRIO es ideal para proyectos autónomos o móviles ya que puede ser montado y desconectado de dispositivos maestros de manera simple.   NI myRIO ofrece la misma experiencia de software y E/S que el Módulo de Control NI ELVIS RIO, permitiendo una perfecta transición para los estudiantes.   NI ofrece recursos como la Guía de Elementos Esenciales del Proyecto myRIO y la Guía de Elementos Básicos de Visión que permiten a los estudiantes conectar myRIO rápidamente a interfaces, sensores y actuadores de mecatrónica comunes.   

NI myRIO también cuenta con un ecosistema completo de accesorios para la expansión de diseños de mecatrónica, muchos de los cuales pueden ser configurados para el Módulo de Control NI ELVIS RIO del cual puede aprender más aquí

ETH Zurich

Cuando los estudiantes de diseño en ETH Zurich aceptaron el audaz reto de diseñar una silla de ruedas que puede mantener el equilibrio sobre dos ruedas y subir escaleras en cualquier ángulo de inclinación, eligieron myRIO como el sistema de control de la silla de ruedas y LabVIEW como el lenguaje de programación.   La naturaleza gráfica de LabVIEW fue una gran ventaja para el equipo de ingenieros mecánicos que antes no habían programado mucho.   El equipo utilizó myRIO para leer datos desde el IMU del sistema y desde los codificadores del motor, para ejecutar algoritmos de control y dirigir los motores.   El tamaño compacto de myRIO, las habilidades de montaje y la vasta cantidad de E/S lo hicieron un dispositivo perfecto para controlar su silla de ruedas para subir escaleras, permitiendo a los estudiantes mejorar la calidad de vida de personas con discapacidad.   Lea más aquí.

 

 

Productos NI RIO para la Investigación – para una gama completa de necesidades de embebidos, monitoreo y control

Después de usar el Módulo de Control NI ELVIS RIO y myRIO, los estudiantes pueden rápidamente realizar una transición a los productos basados en NI RIO que están presentes tanto en la investigación como en la industria.   NI ofrece múltiples líneas de productos industriales RIO que varían en formato, tamaño, rendimiento y opciones de E/S.   NI CompactRIO(cRIO) es ideal para condiciones ambientales extremas y E/S especializadas debido a su formato robusto y puertos E/S modular.   NI Single-Board RIO (sbRIO) es ideal para sistemas embebidos y OEM debido a su formato pequeño y menor costo.   Otros ejemplos de productos industriales NI RIO incluyen tarjetas PXI y PCI de la Serie RFlexRIO y el Módulo NI System-on-Module (SOM).

Hyundai 

El Central Advanced Research and Engineering Institute de la compañía Hyundai Motor estandarizó la arquitectura NI RIO para generar prototipos e implementar su dispositivo portátil de robótica para asistencia para caminar.  Al seleccionar el controlador principal de sus robots portátiles, necesitaban procesamiento de datos de alta velocidad desde varios sensores, visualización de datos en tiempo real para desarrollar algoritmos de control y conectividad con otros dispositivos inteligentes, LabVIEW y NI RIO la opción más obvia.  Al generar prototipos, utilizaron cRIO por su diseño de E/S modulares y aprovecharon la flexibilidad del FPGA que se adapta a los cambios de arquitectura de su sistema.   Una vez que necesitaron integrar el controlador en su diseño mecánico, cambiaron a un NI System-on-Module (SOM) por su tamaño pequeño, peso ligero y eficiencia de potencia.  La misma arquitectura RIO que permitió a los estudiantes aprender conceptos de mecatrónica y diseño del sistema con el Módulo de Control ELVIS RIO y myRIO se utilizó para este diseño complejo.  Permitió a los ingenieros iterar rápidamente, conectar con una variedad de sensores y realizar algoritmos de control complejos, al igual que los estudiantes en los cursos de mecatrónica.  Aprenda más aquí.

 

Tabla de Comparación de Productos NI RIO

Consulte la siguiente tabla para más información sobre dispositivos NI RIO académicos e industriales:

 

Complete Estaciones de Laboratorio de Mecatrónica con el Módulo de Control NI ELVIS RIO

Las experiencias prácticas de laboratorio son fundamentales para que los estudiantes aprendan conceptos de mecatrónica a través de la simulación, la experimentación y el diseño.  NI colaboró con otros líderes en la enseñanza de ingeniería para ofrecer soluciones completas.  Cada solución incluye hardware, software y materiales de enseñanza que permiten a los profesores proporcionar experiencias prácticas desde fundamentales hasta complejas. 

Tarjeta Adicional Quanser Mechatronics Systems y Recursos de Laboratorio

 

La tarjeta adicional Quanser Mechatronics Systems es la cuarta tarjeta de una serie de soluciones para la enseñanza de mecatrónica con NI ELVIS de Quanser, Inc.  Las tres primeras tarjetas adicionales para mecatrónica se utilizan con ELVIS directamente e introducen a los estudiantes a los fundamentos de sensores, actuadores e interfaces de mecatrónica.  La tarjeta adicional Mechatronics Systems integra todos estos conceptos, así como los principios de mecánica y programación, para proporcionar una experiencia al nivel del sistema con mecatrónica. 

El sistema está listo para usarse e incluye un sistema de conexión de cuatro barras, motores DC, codificadores y una cámara.  Los laboratorios para estudiantes varían en complejidad y actividades.  Los laboratorios de procesos se enfocan en la funcionalidad y pruebas de procesos individuales. Los laboratorios al nivel del sistema desafían a los estudiantes a utilizar la combinación de procesos individuales para completar tareas.   Cada laboratorio incluye recursos de software en LabVIEW, manuales de laboratorio para estudiantes y manual de respuestas para el instructor.   Los estudiantes aprenden y aplican habilidades de procesamiento de imágenes, control de movimiento, control de tareas y más.  

Al trabajar con hardware de alta fidelidad implementado en un sistema fijo, y a la vez flexible, los estudiantes pueden aprender rápidamente conceptos de diseño de sistemas complejos de mecatrónica sin la tardada variable de resolver problemas de circuitos inadecuados, hardware con especificaciones deficientes o mecanismos gastados.   Los conceptos aprendidos y aplicados con el Complemento Quanser Mechatronics Systems se pueden aplicar de forma simultánea o secuencial con proyectos abiertos de diseño de mecatrónica como se describe a continuación o con myRIO.

Conclusión

Al aprender conceptos de mecatrónica y diseño, los estudiantes deben tener las herramientas y plataformas de aprendizaje adecuadas para simular, generar prototipos y diseñar sistemas de mecatrónica.   También necesitan desarrollar habilidades que sean transferibles al usar la misma tecnología que encontrarán en la investigación y en la industria.   Al estandarizar el Módulo de Control NI ELVIS RIO en el laboratorio de mecatrónica, los estudiantes pueden tener acceso inmediatamente a la instrumentación, E/S rápidas y flexibles y programación gráfica, todo en una sola estación de laboratorio.   Esto les permite aprender sobre los distintos elementos de mecatrónica, así como los sistemas de mecatrónica al utilizar múltiples capas de abstracción de hardware y software para un aprendizaje rápido y práctico.   Al usar un producto que es parte de la familia NI RIO, los estudiantes también adquirirán habilidades que pueden aplicar en proyectos de diseño con LabVIEW y myRIO, y luego implementar esas mismas habilidades en sus carreras de ingeniería.