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]
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". [3]
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.
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. [5]
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). [11] [12]
Figura 6. Grados de libertad de un robot.
2.2 Control del Robot Industrial.
Para describir y controlar el estado de un brazo de robot es preciso determinar:
La posición del punto terminal (o de cualquier otro punto) respecto de un sistema de coordenadas externo y fijo, denominado el sistema mundo.
El movimiento del brazo cuando los elementos actuadores aplican sus fuerzas y momentos.
El análisis desde el punto de vista mecánico de un robot se puede efectuar atendiendo exclusivamente a sus movimientos (estudio cinemático) o atendiendo además a las fuerzas y momentos que actúan sobre sus partes (estudio dinámico) debidas a los elementos actuadores y a la carga transportada por el elemento terminal. [15] [16]
2.3 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. [18][19][20]
Figura 7. Robot Industrial
2.4 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.
2.4.1 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.
2.4.2 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.
2.3.3 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.
2.4.4 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.
2.4.5 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.
2.4.6 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.
2.4.7 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. [4]
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] "Tipos de robots Industriales". Available: http://jenniymily.wordpress.com
[5] International Conference on Robotics and Automation. 1997. Proceedings.USA. 3 876 pp.
[6] International Conference on Robotics and Automation. 1998. Proceedings.USA. 4 008 pp.
[7] International Symposium on Industrial Robots (ISIR).1997. 28 th ISIR. Detroit. USA.
[8] International Symposium on Industrial Robots (ISIR).1998. Proceedings. Birmingham. England.
[9] United Nations and International Federation of Robotics (IFR). 1998. World Robotics. New York and Geneva, 299 pp.
[10] 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].
[11] 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
[12] 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.
[13] Control y Robótica. Tema: Fundamentos de robótica. Curso provincial. CFIE Valladolid II. Víctor R. González. Asesoría de Tecnología y FP.
[14] Gamboa Meléndez J., "Robots Industriales", Universidad de Guadalajara, Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías.
[15] Laurent S., "Robots Manipuladores", Universidad San Francisco de Quito, Dpto. de Ingeniería Mecánica del Colegio de Ciencias e Ingeniería.
[16] Arias M. "Robótica Industrial", Ingeniería Mecatrónica, Escuela de Ingeniería de Antioquia.
[17] 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.
[18] 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.
[19] San Juan T,. "Robots Manipuladores y su Importancia en la Industria", Escuela de Ingeniería, Universidad del Valle de México, Mayo 2011.
[20] Rojas I,. "Introducción a la Robótica", Escuela de Ingeniería Industrial, Universidad del Mar, Chile.
[21] Romeo A., "Introducción a la Robótica Industrial", Escuela de Ingeniería y Arquitectura de la Universidad de Zaragoza.
[22] Barea R., "Introducción a la Robótica", Universidad de Alcala. Departamento de Electrónica.
[23] Yebra Pérez J., Lagos Fernández N., "Mini proyecto de Robótica", Universidad Politécnica de Cataluña, Diciembre 2012.
Autor:
Pedro Contreras Ortiz
Estudiante del Quinto ciclo de la carrera de Ingeniería Eléctrica. Universidad Politécnica Salesiana. Sede Cuenca.