INSTITUTO TECNOLOGICO DE PIEDRAS NEGRAS
ROBOTICA INDUSTRIAL LIBRO DE TEXTO
CONTENIDO
1 Introducción. 1.1 Antecedentes históricos 1.2 Definición de robot Industrial. 1.3 Tipos y aplicación de los robots. 1.4 Automatización y robótica. 1.5 Mercado y tendencias. 2 Estructura del Robot 2.1 Estructura mecánica. 2.2 Elementos y articulaciones. 2.3 Configuraciones cinemáticas. 2.4 Grados de libertad 2.5 Espacio de Trabajo 2.6 Velocidad y precisión de movimientos 2.7 Capacidad de carga. 3 Introducción a la cinemática del robot 3.1 Representación de posición 3.1.1 Coordenadas cartesianas, cilíndricas y Polares. 3.1.2 Posición y orientación. 3.1.3 Ejes de referencia. 3.2 Representación de orientación. 3.2.1 Matriz de rotación respecto de un eje. 3.2.2 Ángulos de Euler. 3.3 Matrices de transformación homogéneas. 3.3.1 Matriz de rotación y traslación. 3.3.2 Aplicación de las matrices 3.3.3 Interpretación geométrica de las matrices de transformación. 3.4 Cinemática de robots 3,4.1 Análisis síntesis 3.4.2 Grados de libertad 3.4.1 Calculo de la región accesible 3.4.2 Orientación y posición de la mano 3.4.3 Problema cinemática directo 3.4.4 Problema cinemática inverso 4 Transductores y Actuadores. 4.1 Transductor de posición y Velocidad. 4.1.1 Rotatorios 4.1.2 Lineales 4.1.3 Absolutos e incrementales 4.2 Actuadores 4.2.1 Eléctricos. 4.2.2 Neumáticos. 4.2.3 Hidráulicos.
4.3 Transmisiones, reductores y Frenos. 4.4 Sistema de Visión 4.4.1 Adquisición de datos 4.4.2 Procesamiento 5 Elemento Terminal. 5.1 Herramienta de sujeción. 5.2 Herramientas de pintura. 5.3 Herramientas de embalaje. 5.4 Herramientas de soldadura. 5.5 Herramientas de corte. 6 Programación. 6.1 Programación de Robots. 6.2 Métodos de programación de Robots. 6.2.1 Método directo 6.2.2 Método textual 6.3 Aprendizaje y planeación de trayectoria 6.3 Lenguajes de programación. 7 Aplicaciones 7.1 Consideraciones de diseño de una celda de Manufactura. 7.1.1 Disposición del robot en la celda. 7.1.2 El sistema de control de la celda. 7.1.3 Medidas de seguridad. 7.2 Características en la selección de un Robot. 7.2.1 Área de trabajo. 7.2.2 Grados de libertad. 7.2.3 Capacidad de carga. 7.2.4 Velocidad. 7.2.5 Repetividad. 7.3 Justificación económica. 7.4 Aplicaciones no industriales. 7.4.1 Robots de servicio. 7.4.2 Robots en Medicina. 7.5 El mercado de robots
CAPITULO 1 INTRODUCCIÓN.
1.1
Antecedentes históricos
Una fantasía que se encuentra, bajo diversas formas, en todas las épocas, consiste en poseer una máquina capaz de reproducir los movimientos y hasta cierto punto, el comportamiento, de los seres humanos o de los animales. Sin entrar en su estudio psicológico, parece correcto pensar que, en el fondo, se esconde una vieja aspiración del género humano: la de verse liberado de tareas no deseadas, por tediosas o peligrosas, mediante el uso de siervos o esclavos privados de libertad propia. Esta idea de "máquina-siervo" está, precisamente, en consonancia con el nombre que, en la actualidad, reciben: "robot", palabra derivada del checo (robotnik : siervo o trabajador forzado), utilizada, inicialmente, por el escritor Karel Capek en 1923, en su comedia R.U.R. ("Rossum's Universal Robots"), en la que presenta al obrero moderno como un esclavo mecánico y que ha estado asociada, durante muchos años, a determinados ingenios, casi siempre destructivos, que aparecen en las obras de ciencia ficción [2]. Más tarde esta visión fue reforzada por Fritz Lang en su película "Metrópolis", de 1926. y bastante después, una versión más humanizada es la que presenta Isaac Asimov en su archiconocida serie de relatos, escritos a partir de 1942 (en los que, por cierto, se introduce por primera vez el término Robótica con el sentido de disciplina científica encargada de construir y programar robots)[9]. Entre los escritores de ciencia ficción, Isaac Asimov ha contribuido con varias narraciones relativas a robots. La imagen de un robot que aparece en su obra es el de una maquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que actúa de acuerdo con tres principios. Estos principios fueron denominados por Asimov las Tres Leyes de la Robótica, y son: 1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, permitir que un ser humano sufra daños. 2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humano, salvo que estén en conflicto con 1ª Primera Ley. 3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos primeras leyes.[6]
Figura 1.Película "Metrópolis", de 1926
Entre los últimos ejemplos de esta forma de ver los robots se encuentran los androides R2D2 y C3PO de la serie de películas de George Lucas "La Guerra de las Galaxias", Terminator, RoboCOP, Jonny5 y otras más.[10]
Figura 2 Androides R2D2 y C3PO, Terminator y RoboCOP
A lo largo de toda la historia, el hombre se ha sentido fascinado por máquinas y dispositivos capaces de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos. Los griegos tenían una palabra específica para denominar a estas máquinas: automatos. De esta palabra deriva la actual autómata: máquina que imita la figura y movimientos de un ser animado. Los mecanismos animados de Herón de Alejandría (85 d.C.) se movían a través de dispositivos hidráulicos, poleas y palancas y tenían fines eminentemente lúdicos. La cultura árabe (siglos VIII a xv) heredó y difundió los conocimientos griegos, utilizándolos no sólo para realizar mecanismos destinados a la diversión, sino que les dio una aplicación práctica, introduciéndolos en la vida cotidiana de la realeza. Ejemplo de estos son diversos sistemas dispensadores automáticos de agua para beber o lavarse. También de ese período son otros autómatas, de los que hasta la actualidad no han llegado más que referencias no suficientemente documentadas, como el Hombre de hierro de Alberto Magno (1204-.1282) o la Cabeza parlante de Roger Bacon (1214 -
1294). Otro ejemplo relevante de aquella época fue el Gallo de Estrasburgo (1352). Éste, que es el autómata más antiguo que se conserva en la actualidad, formaba parte del reloj de la torre de la catedral de Estrasburgo y al dar las horas movía las alas y el pico.
Figura 3. Hombre de hierro de Alberto Magno, Gallo de Estrasburgo
Durante los siglos xv y XVI alguno de los más relevantes representantes del renacimiento se interesan también por los ingenios descritos y desarrollados por los griegos. Es conocido el León mecánico construido por Leonardo Da Vinci (1452 -1519) para el rey Luis XI1 de Francia, que se abría el pecho con su garra y mostraba el escudo de armas del rey. En España es conocido el Hombre de palo, construido por Juanelo Turriano en siglo XVI para el emperador Carlos V. Este autómata con forma de monje, andaba y movía la cabeza, ojos, boca y brazos. Durante los siglos XVII y XVIII se crearon ingenios mecánicos que tenían alguna de las características de los robots actuales. Estos dispositivos fueron creados en su mayoría por artesanos del gremio de la relojería. Su misión principal era la de entretener a las gente de la corte y servir de atracción en las ferias. Estos autómatas representaban figuras humanas, animales o pueblos enteros. Son destacables entre otros el pato de Vaucanson y los muñecos de la familia Droz y de Mailladert. Jacques Vaucanson (1709-1782), autor del primer telar mecánico, construyó varios muñecos animados, entre los que destaca un flautista capaz de tocar varias melodías y un pato (1738) capaz de graznar, beber, comer, digerir y evacuar la comida. El relojero suizo Pierre Jaquet Droz (1721-1790) y sus hijos Henri-Louis y Jaquet construyeron diversos muñecos capaces de escribir (1770), dibujar (1772) y tocar diversas melodías en un órgano (1773). Estos aun se conservan en el museo de Arte e Historia de Neuchastel, Suiza. Contemporáneo de los relojeros franceses y suizos fue Henry Maillardet, quien construyo, entre otros, una muñeca capaz de dibujar y que aún se conserva en Filadelfia.
Figura 4 Escriba de Jacques Droz
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se desarrollaron algunas ingeniosas invenciones mecánicas, utilizadas fundamentalmente en la industria textil, entre las que destacan la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785) y el telar de Jacquard (1801). Este último utilizaba una cinta de papel perforada como un programa para las acciones de la máquina. Es a partir de este momento cuando se empiezan a utilizar dispositivos automáticos en la producción, dando paso a la automatización industrial. [7] Tabla 1. Autómatas Famosos
Año 135 2 149 9 152 5 173 8
Autor
Autómata
Desconocido
Gallo de la catedral de Estrasburgo
L. Da Vinci
León mecánico
J. Turriano
Hombre de palo
J de Vaucanson
Flautista, tamborilero, pato, muñecas mecánicas de tamaño humano
176 9 177 0 180 5
W. Von Kempelen
Jugador de ajedrez
Familia Droz
Escriba, organista, dibujante
H. Maillardet
Muñeca mecánica capaz de dibujar
1.2 Definición de robot Industrial. Buena parte de las definiciones y clasificaciones de robots existentes responde al robot ampliamente utilizado hasta la fecha, destinado a la fabricación flexible y que se conoce como robot industrial o robot de producción. Por otra parte existen, los robots especiales, también denominados robots de servicio. Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el euro-americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así,
mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación (Ver figura 1), el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control [7].
Figure 1. Estación mecanizada
Figure 2. Robot Manipulador industrial
En segundo lugar, y centrándose en el concepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición (ver Figura 2). La definición más comúnmente aceptada posiblemente sea la de Robotics Industries Association (RIA), Al ser la industria la que adquirió la mayoría de ellos, y proponer una de las primeras denticiones del término robot y vino a decir: •
Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable diseñado para desplazar materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos programados variables para la ejecución de una diversidad de tareas.
Esta definición, ligeramente modificada, ha sido adoptada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como: •
Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.
Se incluye en esta definición la necesidad de que el robot tenga varios grados de libertad. Una definición más completa es la establecida por la Asociación Francesa de Normalización (AFNOR) que define primero el manipulador y, basándose en dicha definición, el robot: •
Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos. Es
multifuncional y puede ser gobernado directamente por un operador humano o mediante dispositivo 1ogico. •
Robot: manipulador automático servo controlado, reprogramable, polivalente, capaz de posicionar y orientar piezas, útiles o dispositivos especiales, siguiendo trayectorias variables reprogramables, para la ejecución de tareas variadas. Normalmente tiene la forma de uno o varios brazos terminados en una muñeca. Su unidad de control incluye un dispositivo de memoria y ocasionalmente de percepción del entorno. Normalmente su uso es el de realizar una tarea de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.
Por parte de Robot Institute of América: ➢ Un Robot industrial es: “un manipulador multifuncional y reprogramable, diseñado para mover materiales piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos programables y variables que permitan llevar a cabo diversas tareas”[2]. Por parte de Oxford English dictionary: ➢ “un aparato mecánico que se parece y hace el trabajo de un ser humano”[4]. Por último, la Federación Internacional de Robótica (IFR) en su informe técnico ISOJTR 83737 (septiembre 1988) distingue entre robot industrial de manipulación y otros robots: ➢ Por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación
automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, 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. En esta definición se debe entender que la reprogramabilidad y multifunción se consigue sin modificaciones físicas del robot. Común a todas las definiciones anteriores es la aceptación del robot industrial como un brazo mecánico con capacidad de manipulación y que incorpora un control más o menos complejo. Un sistema robotizado, en cambio, es un concepto más amplio. Engloba todos aquellos dispositivos que realizan tareas de forma automática en sustitución de un ser humano y que pueden incorporar o no a uno varios robots, siendo esto último lo más frecuente.
1.1
Tipos y aplicación de los robots.
Las diferentes asociaciones de robótica han definido la clasificación de los robots basado en criterios como: etapas de desarrollo, generaciones y propiedades que han caracterizado a los robots a través de su evolución histórica, existen diversas clases de robots, tanto por sus aplicaciones como por su forma de trabajo.
➢ Clasificación del robot industrial •
Manipuladores
•
Robots de repetición y aprendizaje
•
Robots con control por computador
•
Robots inteligentes
Manipuladores: Son sistemas mecánicos multifuncionales, con un sencillo sistema de control, que permite gobernar el movimiento de sus elementos, de los siguientes modos: •
Manual: Cuando el operario controla directamente la tarea del manipulador.
•
De secuencia fija: cuando se repite, de forma invariable, el proceso de trabajo preparado previamente.
•
De secuencia variable: Se pueden alterar algunas características de los ciclos de trabajo.
Existen muchas operaciones básicas que pueden ser realizadas óptimamente mediante manipuladores, por lo que se debe considerar seriamente el empleo de estos dispositivos, cuando las funciones de trabajo sean sencillas y repetitivas. Robots de repetición o aprendizaje Son manipuladores que se limitan a repetir una secuencia de movimientos, previamente ejecutada por un operador humano, haciendo uso de un controlador manual o un dispositivo auxiliar. En este tipo de robots, el operario en la fase de enseñanza, se vale de una pistola de programación con diversos pulsadores o teclas, o bien, de joystics, o bien utiliza un maniquí, o a veces, desplaza directamente la mano del robot. Los robots de aprendizaje son los más conocidos, hoy día, en los ambientes industriales y el tipo de programación que incorporan, recibe el nombre de "gestual". Robots con control por computador Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales, controlados por un computador, que habitualmente suele ser un microordenador. En este tipo de robots, el programador no necesita mover realmente el elemento de la maquina, (Ver fig. 5) cuando la prepara para realizar un trabajo. El control por computador dispone de un lenguaje específico, compuesto por varias instrucciones adaptadas al robot, con las que se puede confeccionar un programa de aplicación utilizando solo el terminal del computador, no el brazo. A esta programación se le denomina textual y se crea sin la intervención del manipulador. Las grandes ventajas que ofrecen este tipo de robots, hacen que se vayan imponiendo en el mercado rápidamente, lo que exige la preparación urgente de personal cualificado, capaz de desarrollar programas similares a los de tipo informático. Robots inteligentes: Son similares a los del grupo anterior, pero, además, son capaces de relacionarse con el mundo que les rodea a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real (auto programable). De momento, son muy poco conocidos en el mercado y se encuentran en fase experimental, en la que se esfuerzan los grupos investigadores por potenciarles y
hacerles más efectivos, al mismo tiempo que más asequibles. La visión artificial, el sonido de máquina y la inteligencia artificial, son las ciencias que más están estudiando para su aplicación en los robots inteligentes.[2]
Figura 5 Robot con control por computador
➢
La IFR distingue entre cuatro tipos de robots industriales:
• • • •
Robot secuencial. Robot de trayectoria controlable. Robot adaptativo. Robot telemanipulado.
Esta clasificación coincide en gran medida con la establecida por la Asociación Francesa de Robótica Industrial (AFRI)(Tabla 2). (Más simple y específica, es la clasificación de los robots según la generación. (Ver Tabla. 3)
Clasificación de los robots según la AFRI. Tipo A
Manipulador con control manual o telemando. Manipulador automático con ciclos preajustados; regulación mediante fines de carrera o topes; control por PLC; accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico. Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento sobre su entorno. Robot capaz de adquirir datos de su entorno, readaptando su tarea en función de estos.
Tipo B Tipo C Tipo D
Tabla 2. Clasificación de los robots según la AFRI
Clasificación de los robots industriales en generaciones. 1° Generación. 2° Generación. 3° Generación.
Repite la tarea programada secuencialmente. No toma en cuenta las posibles alteraciones de su entorno. Adquiere información limitada de su entorno y actúa en consecuencia. Puede localizar, clasificar (visión) y detectar esfuerzos y adaptar sus movimientos en consecuencia. Su programación se realiza mediante el empleo de un lenguaje natural. Posee la capacidad para la planificación automática de sus tareas.
Tabla 3. Clasificación de los robots industriales en generaciones
➢
Robots de servicio y teleoperados.
En cuanto a los robots de servicio, se pueden definir como: Dispositivos electromecánicos móviles o estacionarios, dotados normalmente de uno o varios brazos mecánicos independientes, controlados por un programa de computadora y que realizan tareas no industriales de servicio. En esta definición entrarían entre otros los robots dedicados a cuidados médicos, educación, domésticos, (Ver fig. 6) uso en oficinas, intervención en ambientes peligrosos, aplicaciones espaciales, aplicaciones submarinas y agricultura. Sin embargo, esta definición de robots de servicio excluye los telemanipuladores, pues estos no se mueven mediante el control de un programa de computadora, sino que están controlados directamente por el operador humano.
Figura 6. Aspiradora
Los robots teleoperados son definidos por la NASA (1978) como: Dispositivos robóticos con brazos manipuladores y sensores y cierto grado de movilidad, controlados remotamente por un operador humano de manera directa o a través de una computadora.[7]
Figura 7. Explorador espacial teleoperado
La Tabla 4 muestra la clasificación propuesta por T.M. Knasel [KNASEL-8].
Clasificación de los robots según T.M.Knasel. Generación
Nombre
1 (1982)
Pick & place
2 (1984)
Servo
Tipo de Control
Grado de movilidad
Fines de carrera, aprendizaje
Ninguno
Servocontrol, Trayectoria
Desplazamiento por vía
Usos más frecuentes Manipulación, servicio de maquinas Soldadura, pintura
3 (1989)
Ensamblado
4 (2000)
Móvil
5 (2010)
Especiales
continua, progr. condicional Servos de precisión, Guiado por vía visión, tacto, Sensores Patas, Ruedas inteligentes Controlados con Andante, Saltarín técnicas de IA
Ensamblado, Desbardado Construcción, Mantenimiento Militar, Espacial
Tabla 4. Clasificación de los robots según T.M.Knasel.
1.1
Automatización y robótica.
Definicion: Automatizar: Aplicar la automática a un proceso, a un dispositivo Automatico: Dicho de un mecanismo: Que funciona en todo o en parte por sí solo ( derivado del griego antiguo: guiado por uno mismo) [12] Automatización:es el uso de sistemas o elementos computarizados para controlar maquinarias y/o procesos industriales substituyendo a operadores humanos.
La automatización y la robótica son dos tecnologías estrechamente relacionadas. En el campo industrial podemos definir la automatización como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en computadoras en la operación y control de la producción, Ejemplos de esta tecnología son: líneas de producción, máquinas de montaje mecanizado, sistemas de control de realimentación (aplicados a los procesos industriales), maquinas-herramienta con control numérico y robots. En consecuencia, la robótica es una forma de automatización industrial. Hay tres clases amplias de automatización industrial: • • •
Automatización fija Automatización programable Automatización flexible.
La automatización fija se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto es adecuada para diseñar equipos especializados para procesar el producto (o un componente de un producto) (Ver fig 8) con alto rendimiento y con elevadas tasas de producción. Un buen ejemplo de la automatización fija puede encontrarse en la industria del automóvil, en donde líneas de producción muy integradas constituidas por varias decenas de estaciones de trabajo se utilizan para operaciones de mecanizado en componentes de motores y transmisiones. [6]
Figura 8. Estación automatizada
La economía de la automatización fija es tal que el costo de los equipos especiales puede dividirse entre un gran número de unidades y los costos unitarios resultantes son bajos en relación con los métodos de producción alternativos. El riesgo encontrado con la automatización fija es que al ser el costo de inversión inicial elevado, si el volumen de producción resulta ser más bajo que el previsto, los costos unitarios se harán también mas grandes que los considerados en las previsiones. Otro problema con la automatización fija es que el equipo está especialmente diseñado para obtener el producto, y una vez que se haya acabado el ciclo de vida del producto es probable que el equipo quede obsoleto. Para productos con cortos ciclos de vida el empleo de la automatización fija representa un gran riesgo. La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el equipo de producción está diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto. Esta característica de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control de un programa, de instrucciones que se preparó especialmente para el producto dado. El programa se introduce por lectura en el equipo de producción y este ultimo realiza la secuencia particular de operaciones de procesamiento (o montaje) para obtener el producto. En términos de economía, el costo del equipo programable puede repartirse entre un gran número de productos, aun cuando sean diferentes. Gracias a la característica de programación y a la adaptabilidad resultante del equipo, muchos productos diferentes y únicos en su género pueden obtenerse económicamente en pequeños lotes.
Figura 9 Relación de la automatización fija, automatización programable y automatización flexible como una función del volumen de producción y de la diversidad del producto.
La relación de los dos primeros tipos de automatización, como una función de la variedad del producto y del volumen de producción, se ilustra en la Figura 9. Existe una tercera categoría entre automatización fija y automatización programable que se denomina
. Otros términos utilizados para la automatización flexible incluyen los sistemas de fabricación flexibles (o FMS) y los sistemas de fabricación integrados por computadora. El concepto de automatización flexible solo se desarrollo en la práctica después de los años 80s. La experiencia adquirida hasta ahora con este tipo de automatización indica que es más adecuado para el rango de producción de volumen medio, como se ilustra en la figura 9. Tal como se indica por su posición relativa con los otros dos tipos, los sistemas flexibles tienen algunas de las características de la automatización fija y de la automatización programable. Debe programarse para diferentes configuraciones de productos, pero la diversidad de las configuraciones suele estar más limitada que para la automatización programable, lo que permite que se produzca un cierto grado de integración en el sistema. Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo que están interconectadas por un sistema de almacenamiento y manipulación de materiales. Una computadora central se utiliza para controlar las diversas actividades que se producen en el sistema, encaminando las diversas piezas a
las estaciones adecuadas y controlando las operaciones programadas en las diferentes estaciones. [6] Una de las características que distingue a la automatización programable de la automatización flexible es que con la automatización programable los productos se obtienen en lotes. Cuando se completa un lote, el equipo se reprograma para procesar el siguiente lote. Con la automatización flexible, diferentes productos pueden obtenerse al mismo tiempo en el mismo sistema de fabricación. Esta característica permite un nivel de versatilidad que no está disponible en la automatización programable pura, como se definió anteriormente. Esto significa que pueden obtenerse productos en un sistema flexible en lotes si ello fuera deseable, o varios estilos de productos diferentes pueden mezclarse en el sistema. La potencia de cálculo de la computadora de control es lo que posibilita esta versatilidad.
Figura 10 Línea de producción automatizada
De los tres tipos de automatización, la robótica coincide más estrechamente con la automatización programable (ver fig. 10). Un robot industrial es una maquina programable de uso general que tiene algunas características antropomórficas o humanoides. La característica humanoide mas típica de los robots es la de sus brazos móviles. El robot puede programarse para desplazar su brazo a través de una secuencia de movimientos con el fin de realizar alguna tarea de utilidad. Repetirá este modelo de movimientos una y otra vez hasta que se reprograme para ejecutar alguna otra tarea. Por consiguiente, la característica de programación permite que los robots se utilicen para una diversidad de operaciones industriales diferentes, muchas de las cuales implican el trabajo del robot junto con otros elementos de equipos automatizados o semiautomatizados. Estas operaciones incluyen la carga y descarga de máquina, la soldadura por puntos y la pintura por pulverización. (ver fig.11).
Figura 11. Estación de soldadura robotizada
Dada la definición de un robot industrial proporciona por la Robotics Industries Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of America (RIA) (Ver tema 1.1). Esta definición refuerza encamina a la conclusión de que los robots industriales deben clasificarse como una forma de automatización programable. Aunque los propios robots son ejemplo de automatización programable, a veces se utilizan en la automatización flexible e incluso en sistemas de automatización fija. Estos sistemas están constituidos por varias maquinas y/o robots que trabajan juntos y se suelen controlar por una computadora o un controlador programable. Una línea de producción que realiza soldaduras por puntos en las carrocerías de los automóviles es un ejemplo de esta clase de sistema. La línea de soldadura podría estar constituida por una veintena de robots o mas y es capaz de realizar centenares de soldaduras por puntos separadas en dos o tres estilos de cuerpos diferentes. Los programas de robots están contenidos en la computadora o controlador programable y se cargan en cada robot para la carrocería de automóvil particular que ha de soldarse en cada estación de trabajo. Gracias a esta característica, dicha línea podría considerarse como un sistema de automatización flexible de alta producción
1.5 Mercado y tendencias. En los años 80s y 90s las ventas anuales para robots industriales había crecido en Estados Unidos a razón de un 25 % por año. En la Figura 12, se representan las estadísticas y las previsiones para las ventas anuales de robots industriales, y el número resultante de instalaciones robóticas. Las previsiones de ventas presentó una tasa de crecimiento anual medio de 25% a través de 1987 [6]. En 1987 era previsible un incremento de la tasa de crecimiento en Estados Unidos debido a varios factores. En primer lugar, había más personas en la industria que tenían conocimiento de la tecnología y de su potencial para aplicaciones de utilidad. En segundo lugar, la tecnología de la robótica mejoraría en los próximos años de manera que hará a los robots mas amistosos con el usuario, más fáciles de interconectar con otro hardware y más sencillos de instalar. En tercer lugar, a medida que crece el mercado, son previsibles economías de escala en la producción de robots para proporcionar una reducción en el precio unitario, lo que hará a los proyectos de aplicaciones de robots más fáciles de justificar. En cuarto lugar, se esperaba que el mercado de la robótica sufra una expansión mas allá de las grandes empresas, que ha sido el cliente tradicional para esta tecnología, y llegue a las empresas de tamaño mediano y pequeño. Esta circunstancia dará lugar a un notable incremento en la base de clientes para los robots industriales. Aunque estos factores no garantizarían un incremento en la tasa de crecimiento de las ventas de robots.
Figura 12. Ventas anuales reales y previstas y el número resultante de instalaciones de robots industriales en Estados unidos en los primeros años 90.
En la figura 12, también se representa la acumulación de estas ventas anuales, ajustada teniendo en cuenta los robots obsoletos que se desecharían. Es razonable suponer que los robots instalados se degradaran y/o quedaran tecnológicamente obsoletos después de una vida de servicio media de siete años. Los avances en la tecnología y las reducciones en 1os precios harán a las nuevas unidades relativamente atractivas en comparación con las antiguas unidades en servicio [6].
En el reporte de, World Robot Market 2008 de la IFR (International Federation of Robotics) se presenta una serie de graficas que muestran las condiciones del mercado en la actualidad. En la fig.13, se muestra el estimado anual de instalaciones de robots industriales hasta el 2007. Aunque en los 80 y 90s se vio un crecimiento exponencial, se puede observar que esta tendencia es muy variable.
Figura 13. Estimado anual de instalaciones de robots industriales
Después del pico en 2005, el mercado mundial cayó por el 12% de 2006, a 111.052 robots industriales nuevos suministradas. En 2007, un aumento de 3% a 114.365 unidades fue observado. En los últimos años, los resultados en las regiones principales fueron diferentes: disminución en Asia, recuperación en América, y crecimiento en Europa. En 2007, las ventas mundiales a la industria del automóvil aumentaron en el 2% comparado a 2006 incluyendo la industria eléctrica/electrónica (oficina, material y equipo de cálculo, radio, TV y los dispositivos y equipo de comunicación, médico, y los instrumentos ópticos). Éste era el segundo año en aumentos enormes en instalaciones de robots en estas industrias. Así, no es de extrañar que en 2006, la inversión se retrasada. En 2007, el retraso continúa[. En 2007, cerca de 59.300 robots fueron suministrados a los países asiáticos (Australia incluyendo y Nueva Zelandia), cerca de 4% menos que en 2006. Los mercados principales, Japón y la República de Corea, consideraron una baja en inversiones de robots, al igual que Taiwán. Por una parte, los mercados emergentes, tales como China, los países asiáticos surorientales e India, presentan aumentos significativos. El mercado mundial alcanzó un pico en 2005 cerca de 126,700 nuevos robots instalados, esto es 30% más que en 2004. En 2005, más de 76.000 robots fueron suministradas a los países asiáticos (Australia incluyendo y Nueva Zelandia), cerca de 45% más que en 2004, como resultado de la inversión fuerte dentro de la industria del automóvil y de la industria eléctrica/electrónica.
Figura 14. Robots industriales en los diferentes tipos industrias en 2006 y 2007
En la fig.14., presenta el estimado de robots industriales al final del año en las principales industrias. El mercado mundial para los robots industriales se proyecta aumentar en el 4% a partir de 114.365 unidades en 2007, a 118.900 en 2008. A partir de 2009, se elevará en un promedio anual de 4.1% con 134.100 para el 2011, y en la fig. 15 y 16 se puede observar la cantidad de robots de servicio de uso profesional y domestico respectivamente para el año 2007.
Figura 15. Robots de servicio para uso profesional, en uso 2007 y nuevas instalaciones de 2008 a 2011
Figura 16. Robots de servicio para uso personal y domestico, en uso 2007 y nuevas instalaciones de 2008 a 2011
Figura 17. Robots a nivel mundial
De manera acumulativa la cantidad de robots por año, en operación, está en incremento, lo que significa que en cada año es mayor el número de robots en la mundo (ver fig. 17)[13 ]. La robótica es una tecnología con un futuro y también es una tecnología para el futuro. Si continúan las tendencias actuales, y si algunos de los estudios de investigación en laboratorio actualmente en curso se convierten finalmente en una tecnología factible, los robots del futuro serán unidades móviles con uno o más brazos, capacidades de sensores múltiples y con la misma potencia de procesamiento de datos y de calculo que las grandes computadoras actuales. Serán capaces de responder a órdenes dadas con voz humana. Asimismo serán capaces de recibir instrucciones generales y traducirlas, utilizando inteligencia artificial, en un conjunto especifico de acciones requeridas para llevarlas a cabo. Podrán ver, oír, palpar, aplicar una fuerza media con precisión a un objeto y desplazarse por sus propios medios. En resumen, los futuros robots tendrán muchos de los atributos de los seres humanos. Es difícil imaginar que los robots llegaran a sustituir a los seres humanos en el sentido de la obra de Karel Capek Robots Universales de Rossum. Por el contrario, la robótica es una tecnología que solo puede destinarse al beneficio de la humanidad. Sin embargo, como otras tecnologías, hay
peligros potenciales implicados y deben establecerse reglamentos para impedir su uso pernicioso [6]. El paso del presente al futuro exigirá mucho trabajo de ingeniería mecánica, ingeniería electrónica, informática, ingeniería industrial, tecnología de materiales, ingeniería de sistemas de fabricación y ciencias sociales.
1. Fu K. S., González R. C., Lee C. S. G. Robótica: Control, detección, Visión e Inteligencia. Ed. Mc. Graw Hill. 1988. 2. J.Ma. Angulo. Rafael Avilés. Curso de ROBOTICA Ed Paraninfo. 3. John J. Craig. Introducction to Robotics Mechanics and Control Ed. Addison Wesley Publishing Company, 2nd Edition, 1986 4. P.Coiffet / M. Chirouze Elementos de Robótica Ed. Colección Ciencia y Electrónica 5. Wolfram Stadler. Analitical Robotics and Mechatronics Ed. Mc. Graw Hill., 1995. 6. Groover Mikell P., Weiss Mitchel, Ángel Roger N., Odrey Nicholas G. Robótica Industrial: Tecnología, programación y aplicaciones. Ed. Mc Graw Hill, México., 1995. 7. Barrientos Antonio, Peñin Luis Felipe, Balaguer Carlos, Aracil Rafael. Fundamentos de Robótica. Ed. Mc. Graw Hill, Madrid., 1997. 8. Jose Ma Angulo. Robotica Practica. Tecnologías y aplicación. Ed Paraninfo.
9.Apuntes de Robótica. Ingeniería Electrónica de Universidad de Valencia Burjasot (Valencia) a 3 de Febrero de 2001 10.
www.robothalloffame.org
11 http://www.jara.jp/e/index.html Asociación japonesa de robots, Antes JIRA Asociación japonesa de robots industriales 12 www.rae.es Diccionario Real academia de la lengua 13 Reporte, World Robot Market 2008 IFR. International Federation of Robotics www.ifr.org 14 Salvador Cardona Foix Daniel Clos Costa Teoría de Máquinas y mecanismos Edicions UPC
