Resumen
¿Qué sería de la producción masiva sin robots? Por supuesto que la industria podría vivir sin ellos, pero a cambio de una enorme cantidad de operarios para alcanzar los niveles de fabricación oportunos. Eso sin entrar a valorar la reducción de la siniestralidad laboral, la flexibilidad y la altísima calidad que posibilita la robotización.
Este documento trata de dar un enfoque más claro sobre el tema de la robótica industrial y su amplio desarrollo con el pasar del tiempo.
Se presenta además las previsibles líneas futuras del desarrollo de la robótica, en el mundo, con dos objetivos principales: conocer la utilización del robot en operaciones de manufactura y de servicios; y analizar las tendencias sobre la arquitectura de los robots, el comportamiento dinámico, la integración sensorial y la programación.
Es indiscutible que si en algún lugar los robots son prácticamente indispensables, es en el sector de la industria manufacturera en serie, y es por ello que este artículo está destinado a estudiar los robots en la industria.
Palabras Clave: Producción en serie, robot, automatización, programación.
Abstract
What would be of the massive production without robots? Certainly through that the industry might live without them, but in exchange for an immense insole of operatives to reach the opportune levels of manufacture. It without beginning to value the reduction of the work accident rate, the flexibility and the highest quality that the robotization makes possible. This document tries to give a clearer approach on the topic of the industrial robotics and his wide development across the time.
One presents in addition the predictable future lines of the development of the robotics, in the world, with two principal aims: to know the utilization of the robot in operations of manufacture and of services; and to analyze the trends on the architecture of the robots, the dynamic behavior, the sensory integration and the programming.
It is indisputable that if in some place the robots are practically indispensable, it is in the sector of the manufacturing industry in series, and is for it that this article is destined to study the robots in the industry.
Keywords: Serial production, robot, automation, programming
Introducción
"El campo de la robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de robots para la ejecución de procesos industriales.
La primera compañía en producir un robot fue Unimation (Universal Automation), fundada por Devol y Joseph F. Engelberger en 1956, y se basa en las patentes originales de Devol.
Los robots de Unimation también fueron llamados máquinas de transferencia programables, ya que su principal uso en un principio era para transferir objetos de un punto a otro, a menos de tres metros o menos de distancia. Ellos utilizan actuadores hidráulicos y fueron programados en conjuntos de coordenadas, es decir, los ángulos de las distintas articulaciones se almacenaron durante una fase de enseñanza y reproducidos en funcionamiento." [1] [2] [3]
"Entre los robots considerados de más utilidad en la actualidad se encuentran los robots industriales o manipuladores. Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial.
La definición más aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias de Robótica (RIA, Robotic Industry Association), según la cual:
"Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar diversos trabajos".
Una definición más formal puede ser la siguiente, enunciada por (IFR, International Federation of Robotics):
"Por robot industrial de manipulación se entiende una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento"." [4] [5] [6] [7]
Los puntos fuertes de los robots para el ámbito industrial y sus empresas son múltiples.
Se destacan cuatro características acerca de los robots industriales.
Productividad.
La utilización de robots en operaciones de soldadura, manipulación de productos, pintura, ensamblado, almacenaje, control de calidad, etc. reduce significativamente el tiempo necesario para completar unitariamente cualquiera de estas tareas. Las consecuencias, lógicamente, son un aumento de la productividad y una disminución de los costes.
Flexibilidad.
Los sistemas robotizados actuales son flexibles, es decir, se adaptan a la fabricación de una familia de productos sin la necesidad de modificar o parar la cadena de producción.
Calidad.
Por un lado, la repetitividad de las tareas que llevan a cabo los robots industriales y el control de la productividad aseguran un alto nivel de calidad del producto final. Y por otro, existen robots que se utilizan para medir la calidad de dicho artículo terminado a través de sistemas mecánicos (palpadores) u ópticos (láser).
Seguridad Laboral.
Los robots pasan a encargarse de actividades que pueden suponer un peligro para los operarios, tales como soldadura, pintura, manipulado de sustancias peligrosas o de materiales a altas temperaturas, etc., lo que disminuye los accidentes laborales. [8] [9] [10]
Estudio de los Robots Industriales
2.1 Estructura.
Un manipulador robótico consta de una secuencia de elementos estructurales rígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediante juntas o articulaciones, que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones consecutivos. [11]
Figura 1. Estructura de un Robot Industrial
Una articulación puede ser:
Lineal (deslizante, traslacional o prismática), si un eslabón desliza sobre un eje solidario al eslabón anterior.
Figura 2. Articulación lineal
Rotacional, en caso de que un eslabón gire en torno a un eje solidario al eslabón anterior.
Figura 3. Articulación Rotacional
El conjunto de eslabones y articulaciones se denomina cadena cinemática. Se dice que una cadena cinemática es abierta si cada eslabón se conecta mediante articulaciones exclusivamente al anterior y al siguiente, exceptuando el primero, que se suele fijar a un soporte, y el último, cuyo extremo final queda libre. A éste se puede conectar un elemento terminal o actuador final: una herramienta especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular, que debe diseñarse específicamente para dicha aplicación: una herramienta de sujeción, de soldadura, de pintura, etc. El punto más significativo del elemento terminal se denomina punto terminal (PT). En el caso de una pinza, el punto terminal vendría a ser el centro de sujeción de la misma.
Figura 4. Punto terminal de un robot
A los manipuladores robóticos se les suele denominar también brazos de robot por la analogía que se puede establecer, en muchos casos, con las extremidades superiores del cuerpo humano.
Figura 5. Analogía entre manipuladores robóticos con las extremidades superiores del cuerpo humano.
El robot posee los denominados grados de libertad, que se los denomina a cada una de las coordenadas independientes que son necesarias para describir el estado del sistema mecánico del robot (posición y orientación en el espacio de sus elementos). [12] [13]
Figura 6. Grados de libertad de un robot.
2.2 Sistemas de Potencia
Los subsistemas de poder tienen como misión proveer del poder necesario para mover el manipulador. Las posibilidades para proveer esta fuerza son los sistemas eléctricos, neumáticos e hidráulicos.
Dentro de estos tres, los más importantes son los eléctricos, debido a su confiabilidad, limpieza y el grado de conocimiento que se tiene de ellos. La relación entre capacidad de carga y velocidad es de un orden aceptable, con ventajas económicas comparativas. Con algunos accesorios de seguridad pueden ser operados sin riesgo en ambientes inflamables. Uno de los inconvenientes que presentan es que en general los sistemas de transmisión de potencia de alta precisión son caros y están sujetos a inexactitudes cuando se desgastan.
Los sistemas hidráulicos se usan en robots grandes que deben manejar cargas útiles pesadas, además pueden ser usados en medios hostiles o inflamables con seguridad.
Las aplicaciones de los sistemas neumáticos son más limitadas, ya que, al trabajar con un gas compresible (aire) la exactitud se restringe a los extremos del recorrido. En general son usados por los robots tipo pick-and-place, o de secuencia fija con notorias ventajas económicas en relación a los otros sistemas disponibles. [14] [15] [16]
2.3 Subsistemas de Control
El subsistema de control tiene tres funciones, en primer lugar dirige al sistema de potencia para que mueva al manipulador en una forma predeterminada. En segundo lugar, el sistema de control almacena uno varios programas, así como la información recogida durante el proceso mismo del programa. En tercer lugar cuenta con diversos sistemas que permiten la comunicación, ingreso y egreso de datos, en forma de teclados, pantallas, medios magnéticos.
2.3.1 Sistemas de control de lazo abierto
Estos sistemas están restringidos a unas pocas aplicaciones, como en los robots pick-and-place neumáticos, o los que son impulsados por motores de paso. El costo de implementación de estos robots es más bajo, pero sus accesorios son caros. Además de esto sus principales inconvenientes son la falta del punto de referencia y la mala repetibilidad. Esto se debe a que si un eje pierde un paso, el error no será detectado y será arrastrado por todo el sistema.
2.3.2 Sistemas de control de lazo cerrado
La mayoría de los robots son máquinas de lazo cerrado, ya que llegan a niveles de exactitud y repetibilidad inalcanzables para las máquinas de lazo abierto. Los sistemas de control de estas máquinas usan un microprocesador para generar la servoseñal para un eje dado y un servoamplificador para amplificar la señal y enviarla al mecanismo actuador (motor eléctrico, válvula o cilindro). [17][18][19]
2.3.3 Programación
La programación de un robot se puede hacer de dos maneras, on line y off line. Una práctica común ha sido la programación on line usando un puntero de aprendizaje, con el que se indican al computador del robot los distintos puntos que necesita conocer para llevar a cabo sus tareas. Para esta operación es de especial importancia el conocimiento práctico de los trabajadores directamente relacionados con la tarea que es programada.
En general la programación on-line es apropiada cuando los programas no se cambian frecuentemente, cuando se pueden aprovechar las horas en que no se produce para programar el robot o se pueda programar rápidamente durante la producción.
Para la programación off-line se requiere de una inversión mayor y de conocimientos de los sistemas de coordenadas usados. Éstos pueden ser sistemas de coordenadas absolutos, basados en las articulaciones o en la herramienta. Usándolos, se debe establecer un mapa de posiciones de la celda completa, con todas sus estaciones. [19][20][21]
2.4 Parámetros característicos de los robots industriales.
Número de grados de libertad. Es el número total de grados de libertad de un robot, dado por la suma de g.d.l. de las articulaciones que lo componen. Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 g.d.l., como las de soldadura, mecanizado y almacenamiento, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso de las labores de montaje.
Espacio de accesibilidad o espacio (volumen) de trabajo. Es el conjunto de puntos del espacio accesibles al punto terminal, que depende de la configuración geométrica del manipulador. Un punto del espacio se dice totalmente accesible si el PT puede situarse en él en todas las orientaciones que permita la constitución del manipulador y se dice parcialmente accesible si es accesible por el punto terminal pero no en todas las orientaciones posibles. En la figura inferior se aprecia el volumen de trabajo de robots de distintas configuraciones.
Capacidad de posicionamiento del punto terminal. Se concreta en tres magnitudes fundamentales: resolución espacial, precisión y repetitividad, que miden el grado de exactitud en la realización de los movimientos de un manipulador al realizar una tarea programada.
Capacidad de carga. Es el peso que puede transportar el elemento terminal del manipulador. Es una de las características que más se tienen en cuenta en la selección de un robot dependiendo de la tarea a la que se destine.
Velocidad. Es la máxima velocidad que alcanzan el punto terminal y las articulaciones. [22] [23][24]
2.5 Clasificación de los Robots Industriales.
Los robots industriales componen una gran gama de tamaños y configuraciones. La configuración hace referencia a la forma física que le ha sido dada a los brazos. Podemos encontrar las siguientes configuraciones.
2.5.1 Robot Cartesiano
Este tipo de robot utiliza tres dispositivos deslizantes perpendiculares entre sí, para generar movimientos de acuerdo a los tres ejes cartesianos X, Y y Z.
2.5.2 Robot Cilíndrico
Se basa en una columna vertical que gira sobre la base. También tiene dos dispositivos deslizantes que pueden generar movimientos sobre los ejes Z e Y.
2.5.3 Robot esférico o polar
Utiliza un brazo telescópico que puede bascular en torno a un eje horizontal. Este eje telescópico está montado sobre una base giratoria. Las articulaciones proporcionan al robot la capacidad de desplazar el brazo en una zona esférica.
2.5.4 Robot de brazo articulado.
Se trata de una columna que gira sobre la base. El brazo contiene una articulación, pero sólo puede realizar movimientos en un plano. En el extremo del brazo contiene un eje deslizante que se desplaza en el eje Z.
2.5.5 Robot antropomórfico
Está constituido por dos componentes rectos que simulan el brazo o antebrazo humano, sobre una columna giratoria. Estos antebrazos están conectados mediante articulaciones que se asemejan al hombro y al codo.
2.5.6 Robots Poli articulados
Son robots sedentarios, es decir, que no se pueden desplazar, están diseñados para mover sus brazos y herramientas en un determinado espacio de trabajo. En este grupo se encuentran los manipuladores y algunos robots industriales.
2.5.7 Móviles
Son robots con gran capacidad de desplazamiento, acoplados a carros o plataformas. Estos robots aseguran el transporte de un sitio a otro de piezas. Están dotados de un cierto grado de inteligencia, lo que les permite sortear obstáculos. [25] [26] [27] [28]
2.6 Funciones
Los robots son diseñados para tareas específicas, si se toma uno y se le reprograma, se le cambia el set de herramientas del extremo del brazo y se instala para ejecutar otra tarea, probablemente lo hará, pero con menor eficiencia que un robot diseñado específicamente para ella. [29]
A modo de resumen se describen las distintas funciones que pueden ser ejecutadas por un robot industrial:
Manejo de materiales: Movimiento de materiales, paletizado, ordenamiento de materiales.
Ensamblaje: Ensamblaje mecánico, ensamblaje electrónico.
Inspección: Inspección de contacto, inspección sin contacto.
Soldado: Soldadura al arco, soldado por puntos.
Corte: Oxicorte, corte por láser.
Acabado: Soplado de aire, soplado de acabados sin aire.
Dispensador de adhesivos y selladores.
Fundición: Preparación del molde, desmoldado, limpieza.
Maquinado.
Conclusiones
Los robots industriales ocupan un lugar destacado dentro de la automatización de la producción y su papel se ha ido consolidando en los últimos años. Después de un descenso en las ventas, el mercado de robots ha seguido una evolución creciente. No obstante, la industria automotriz continúa siendo el sector mayoritario en cuanto a utilización de robots industriales. Si bien la soldadura en sus diversos tipos sigue siendo un campo muy importante de aplicación, el número de robots dedicados al montaje en el conjunto del mundo es mayoritario.
Aunque resulta difícil hacer previsiones de futuro en el desarrollo de la robótica, algunos temas destacan de manera clara: las exigencias crecientes de fiabilidad y eficiencia, la interfase hombre-máquina a través de sistemas gráficos y programación fuera de línea, la importancia creciente de los sensores y de la integración sensorial, la interconexión entre máquinas, la coordinación entre robots y otras máquinas. Igualmente, es importante mencionar los nuevos campos en expansión de aplicación de la robótica como la exploración, la agricultura, la industria alimentaria y la medicina, que complementarán en el futuro la tradicional robótica industrial.
Referencias
[1] A. Barrientos, L. Peñin, et. Al, "Coordenadas" en Fundamentos de Robótica, 2da ed., vol. 2, Ed. McGraw-Hill, España, 2007, pp. 217–29.
[2] G. O. Young, "Synthetic structure of industrial plastics" in Plastics, 2nd ed., vol. 3, J. Peters, Ed. New York: McGraw-Hill, 1964, pp. 15-64.
[3] Vázquez, Rolando, Presentación curso "Robótica Industrial". Colombia, 2009.
[4] International Conference on Robotics and Automation. 1997. Proceedings.USA. 3 876 pp.
[5] International Conference on Robotics and Automation. 1998. Proceedings.USA. 4 008 pp.
[6] International Symposium on Industrial Robots (ISIR).1997. 28 th ISIR. Detroit. USA.
[7] International Symposium on Industrial Robots (ISIR).1998. Proceedings. Birmingham. England.
[8] United Nations and International Federation of Robotics (IFR). 1998. World Robotics. New York and Geneva, 299 pp.
[9] J. Yang, E. Pena Pitarch, K. Abdel Malek, A. Patrick, and L. Lindkvist, "A multifinge-red industrial robots," Mechanism and Machine Theory, pp. 555–581, Enero 2004. [Online].
[10] L. Carvajal, "Diseño de un método para capturar señales" Florencia-Caquetá, p. 10. [Online].Available: http://uametodologia.files.wordpress.com/2011/05/articulo-metodologia2.pdf
[11] Tecnologías de la Información y de la Comunicación. Capítulo 6, Programación y control de procesos. Juan A. Alonso, Santiago Blanco A., Santiago Blanco S., Roberto escribano, Víctor R. González, Santiago Pascual, Amor Rodríguez. Editorial Ra-Ma 2004.
[12] Control y Robótica. Tema: Fundamentos de robótica. Curso provincial. CFIE Valladolid II. Víctor R. González. Asesoría de Tecnología y FP.
[13] Gamboa Meléndez J., "Robots Industriales", Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías.
[14] Laurent S., "Robots Manipuladores", Universidad San Francisco de Quito, Dpto. de Ingeniería Mecánica del Colegio de Ciencias e Ingeniería.
[15] Arias M. "Robótica Industrial", Ingeniería Mecatrónica, Escuela de Ingeniería de Antioquia.
[16] Rojas J., Mahla I., Muñoz G., Castro D,. "Diseño de un Robot Cartesiano para Aplicaciones Industriales", Revista Facultad de Ingeniería, U.T.A Chile, Vol. 11 Nº 2, 2003, pp. 11-16.
[17] American National Standards Institute (ANSI) American National Safety Standard ANSI/ RIA R15.06-1992. Industrial Robots and Robot Systems – Safety Requirements. American National Standards Institute, Inc., 1430 Broadway, New York, New York 10018
[18] Occupational Safety and Health Administration Publication No. 3067. Concepts and Techniques of Machine Safeguarding. U.S. Department of Labor, 1980 (reprinted 1983). Superintendent of Documents, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C. 20210
[19] OSHA Instruction Publication No. 8-1.3. 1987. Guideline for Robotics Safety. Occupational Safety and Health Administration, Washington, D.C.
[20] Robotic Industries Association, 900 Victors Way, P.O. Box 3724, Ann Arbor, Michigan 48106.
[21] National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH) Technical Report Publication No. 880108. Safe Maintenance Guidelines for Robotic Workstations.
[22] Caparroso I, O,. Avilés O,. Hernández J,. "Una Introducción a la Robótica Industrial", Revista de la Facultad de Ingeniería de Mecánica de la Universidad Militar Nueva Granada, Bogotá, Colombia, 1999.
[23] San Juan T,. "Robots Manipuladores y su Importancia en la Industria", Escuela de Ingeniería, Universidad del Valle de México, Mayo 2011.
[24] Rojas I,. "Introducción a la Robótica", Escuela de Ingeniería Industrial, Universidad del Mar, Chile.
[25] Romeo A., "Introducción a la Robótica Industrial", Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza.
[26] Barea R., "Introducción a la Robótica", Universidad de Alcala. Departamento de Electrónica.
[27] Yebra Pérez J., Lagos Fernández N., "Mini proyecto de Robótica", Universidad Politécnica de Cataluña, Diciembre 2012.
[28] "Tipos de robots Industriales". Available: http://jenniymily.wordpress.com
[29] "Funciones de los robots industriales". Available: http://formacion.faico.org/Proyectos/ROBINDUSTRIA/RobotsIndustriales.htm
Índice de Figuras
[1] Figura 1. Tecnologías de la Información y de la Comunicación. Capítulo 6, Programación y control de procesos. Juan A. Alonso, Santiago Blanco A., Santiago Blanco S., Roberto escribano, Víctor R. González, Santiago Pascual, Amor Rodríguez. Editorial Ra-Ma 2004.
[2] Figura 2. Control y Robótica. Tema: Fundamentos de robótica. Curso provincial. CFIE Valladolid II. Víctor R. González. Asesoría de Tecnología y FP.
[3] Figura 3. L. Carvajal, "Diseño de un método para capturar señales" Florencia-Caquetá, p. 10. [Online].Available: http://uametodologia.files.wordpress.com/2011/05/artículo-metodologia2.pdf
[4] Figura 4. Tecnologías de la Información y de la Comunicación. Capítulo 6, Programación y control de procesos. Juan A. Alonso, Santiago Blanco A., Santiago Blanco S., Roberto escribano, Víctor R. González, Santiago Pascual, Amor Rodríguez. Editorial Ra-Ma 2004.
[5] Figura 5. Laurent S., "Robots Manipuladores", Universidad San Francisco de Quito, Dpto. de Ingeniería Mecánica del Colegio de Ciencias e Ingeniería.
[6] Figura 6. Arias M. "Robótica Industrial", Ingeniería Mecatrónica, Escuela de Ingeniería de Antioquia.
Autor:
Pedro Contreras Ortiz
Estudiante del Quinto ciclo de la carrera de Ingeniería Eléctrica. Universidad Politécnica Salesiana. Sede Cuenca.