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.