Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!

En el imaginario popular, los robots son máquinas grandes y tontas que realizan tareas aburridas, musculares y repetitivas con precisión y exactitud. Pero esto es tan sólo una parte del mundo de la robótica de hoy en día.

Los robots vienen ahora en muchos tamaños y configuraciones, con dos a siete ejes. Pueden realizar trabajos simples o complicados, incluso cirugías. Tanto en automatización de fábrica como de procesos, hay un robot que se adapta a casi cualquier aplicación o presupuesto, o sea se lo puede utilizar en cualquier lugar donde sea posible mejorar la productividad automatizando el movimiento de herramientas o cargas, o realizando tareas de producción mejor o más rápidamente. Las cargas pueden ser cualquier cosa, desde chips de computadora que pesan un gramo hasta juegos de ruedas de locomotoras que pesan más de una tonelada.

Hay una gran variedad de herramientas EOA (End-of-Arm) para realizar tareas simples o complejas, desde pinzas hasta efectores finales con múltiples herramientas. Los robots son más fáciles que nunca a la hora de integrarlos en cualquier entorno de manufactura o procesamiento, incluyendo zonas de alimentos, salas higiénicas y almacenes.

En consecuencia, dada esta multitud de opciones, es más importante que nunca saber qué tipo de robot se adapta mejor a las necesidades de una empresa, tanto desde el punto de vista de capacidad como de costo. Los principales tipos de robots (articulados, cartesianos, SCARA, delta y cobot) tienen cada uno sus ventajas y limitaciones. Comprenderlas es un punto de partida más que necesario a la hora de invertir en robótica.

 

 Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
Estos sistemas de manipulación, conocidos como robots de uno, dos y tres ejes, son capaces de realizar tareas repetitivas de alta velocidad con una gran exactitud.

 

Robótica: 50 años de evolución

Desde hace 50 años, los robots han sido la pieza central de Industria 3.0, que normalmente se la define como era de la automatización pre-digital. Y seguirán siendo tan importantes, si no más, a medida que el mundo vaya ingresando a Industria 4.0, que es la era de la automatización digital.

Los robots han ido modificando el panorama industrial desde su introducción en los años ’70, aportando grandes avances en productividad, flexibilidad y confiabilidad. Casi cualquier movimiento repetitivo que implique mover un objeto puede ser realizado más rápido y con mayor precisión y repetibilidad por medio de un robot.

Al comienzo, lo que había era la imagen de un gran robot articulado de seis ejes soldando carrocerías de automóviles y camiones. Los robots articulados se han extendido por toda la industria pesada y más allá, con muchas mejoras en el propio robot y también con el desarrollo de más efectores finales (herramientas de final de brazo) para abordar así la necesidad de una automatización flexible. Los robots articulados se utilizan en sectores tan diversos como salud, alimentos y bebidas, siderurgia, almacenamiento ó dondequiera que existan tareas repetitivas o exigentes a nivel medioambiental o ergonómico que se deben realizar de manera más rápida, más confiable y/o más rentable. Los robots incluso pueden ensamblar nuevos robots.

 

Nuevos conceptos en robótica

En sus comienzos, esta revolución robótica estaba destinada a economías de gran escala, pero no ofrecía nada a la mayoría de las pequeñas y medianas empresas. Pero los más recientes desarrollos en robótica, tales como robots cartesianos (lineales), SCARA y delta, para nombrar sólo los más utilizados, y también los robots colaborativos, han conseguido que la automatización sea accesible a empresas de casi cualquier tamaño.

Este artículo técnico se centra en los robots eléctricos, pero la neumática suele estar integrada en los robots para realizar tareas específicas. Por ejemplo, BionicCobot es un proyecto de Bionic Learning Network de Festo que investiga que puede aprender de la naturaleza la producción del futuro.

Cada tipo de robot tiene sus ventajas y limitaciones, por lo que es importante comprender esas posibilidades e inconvenientes.

Los robots vienen con 1 a 7 ejes, donde cada eje provee un grado de libertad. Un pórtico cartesiano de dos ejes normalmente sigue los ejes X-Y o Y-Z. Un robot de tres ejes tiene tres grados de libertad y realiza sus funciones a través de los ejes X-Y-Z. Estos pequeños robots tienen una forma rígida y no pueden inclinarse ni rotar por sí mismos, aunque pueden tener adosadas herramientas que pueden girar o rotar o adaptarse a la forma de una pequeña carga.

Los robots de cuatro y cinco ejes suman flexibilidad adicional para rotar e inclinar. Un robot articulado de seis ejes tiene seis grados de libertad, con flexibilidad para mover objetos en cualquier dirección o rotarlos en cualquier orientación. Este último tipo se elige generalmente cuando una aplicación requiere una manipulación compleja de un objeto de gran tamaño o pesado.

Los robots de siete ejes parecen totalmente libres; el séptimo eje permite tener orientaciones adicionales para maniobrar herramientas en espacios reducidos. Por ejemplo, un robot de este tipo puede soldar el bastidor de una carrocería de automóvil desde el interior de la cabina insertando el efector final a través de la abertura de la ventana y rotándolo hacia atrás 180 grados. Los robots de siete ejes pueden operar más cerca de la pieza de trabajo que otros robots articulados, ahorrando espacio.

 

Robots articulados

Los robots articulados son robots cuyo brazo tiene alguna articulación rotatoria. Se los acciona por distintos medios, tales como motores eléctricos o sistemas neumáticos.

La popularidad de los robots articulados de seis y siete ejes es consecuencia de la gran flexibilidad que permiten sus grados de libertad. Son fáciles de programar, vienen con su propio controlador y las secuencias de movimiento y la activación de E/Ss se pueden programar por medio de una teach pendant amigable con el usuario. En la mayoría de las aplicaciones, sólo se requiere un conocimiento básico de programación para activar el robot.

En cuanto al hardware, los robots articulados industriales pueden ser relativamente pequeños o enormes. Pueden tener un alcance considerable, con más de tres metros en ciertos modelos. Esta gama de tamaños hace que los robots articulados sean adecuados para un gran número de industrias y aplicaciones que involucran fabricar o mover materiales o bienes terminados.

Sin embargo, el robot articulado también tiene sus problemas que pueden restringir su utilidad o aumentar su perfil de costos.

Un robot articulado de pequeño tamaño es fácil de instalar: basta con atornillar su base a un marco o al piso. Pero sólo puede elevarse o llegar hasta cierto punto. Si el trabajo requiere un robot de mayor tamaño, se necesita ingeniería civil para garantizar que la estructura sea capaz de soportar el peso y el torque causado por la compensación de carga.

Un robot articulado crece en alcance y carga simultáneamente. Cuanto más largo sea el alcance, mayor será la carga que pueda manejar, pero requerirá más espacio e ingeniería y también mayores serán los costos. Cuando una aplicación implica manipular una pequeña carga a lo largo de un gran alcance o una carga pesada en distancias cortas, un robot articulado quizás no sea la solución más rentable.

Por diseño, el robot articulado ocupa un espacio y un lugar que no podrán ser utilizados para otros fines. También tiene singularidades, o sea ubicaciones y orientaciones en el espacio circundante a las que no puede acceder. Estas limitaciones espaciales requieren precauciones de seguridad más complejas, ya que el robot suele operar en zonas con presencia de trabajadores, aunque sea de vez en cuando. Su implementación en estos casos requiere dispositivos costosos, por ejemplo escáneres de zona o alfombras de seguridad, y, por lo tanto, funcionalidades más avanzadas, tales como SLS (Safety-Limited Speed) y SSM (Safe Speed Monitor).

El hecho de que necesite su propio controlador para manejar la cinemática inversa (conversión de las múltiples posiciones rotativas del motor a coordenadas cartesianas  y orientación en el espacio) también puede ser complicado desde la perspectiva de hardware, ya que, en ciertos casos, el controlador del robot tendrá que comunicarse con un PLC de mayor nivel en la línea de producción.

Y hay un problema más. Allí donde no se requiere la plena flexibilidad de un robot de seis ejes, por ejemplo en muchas aplicaciones de empaque, hay otros tipos de robots que pueden hacer el trabajo igual de bien, si no mejor, y a un menor costo.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
Robot cartesiano de 2 ejes.

 

Robots cartesianos

Un robot de coordenadas cartesianas (también denominado robot cartesiano) tiene tres ejes principales de control lineales (se mueve en línea recta en lugar de rotar), formando ángulos rectos entre sí. Su diseño consiste de un conjunto de actuadores lineales y, algunas veces, un actuador rotativo en el extremo del brazo para aplicaciones de 3D. Es fácil de instalar y mantener.

El robot cartesiano es totalmente adaptable; las carreras y los tamaños de cada eje pueden ser personalizados para la aplicación. Su alcance y carga son independientes entre sí.

El eje lineal puede tener distintos diseños que se adaptan a la función que realiza. Por ejemplo, los actuadores de correa dentada permiten altas velocidades, mientras los actuadores a tornillo de bolillas ofrecen una elevada precisión y una importante fuerza de alimentación, con tasas de recoger de hasta 100/min, algo bastante normal en estas aplicaciones.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!

 

La adaptabilidad de estos sistemas de manipulación permite optimizar su precio en una amplia gama de aplicaciones simples donde no se requiere la destreza de un robot articulado. Como ejemplos se pueden mencionar la colocación de piezas desde muy livianas a muy pesadas, clasificación o carga de cajas, inspección de dispositivos y mucho más.

Otra gran ventaja y diferenciador del robot cartesiano es su excelente economía de espacio. Permite un acceso completo al lugar que ocupa. No hay espacios muertos ni singularidades. Los requerimientos de seguridad son menos estrictos y, por lo tanto, menos costosos, ya que el alcance del robot se limita a su pequeña zona de trabajo. Es suficiente con un vallado, interruptores de puertas o cortinas de luz para garantizar la seguridad adecuada. Se desperdicia poco espacio alrededor del robot.

Normalmente, la programación del robot cartesiano no requiere un controlador de movimiento específico. Puesto que los actuadores se mueven a lo largo del eje del sistema de coordenadas del espacio de trabajo, no se necesita interpolación de la posición del motor para determinar la posición del final de brazo del robot en el espacio. En otras palabras, no se requiere ningún cálculo de cinemática inversa.

El PLC del sistema se puede usar muchas veces para controlar cada eje directamente, sin agregar un segundo controlador. Asimismo, los diseños de los robots cartesianos son fácilmente escalables y, en la mayoría de los casos, contienen componentes estándar, desde servoaccionamientos/motores y controladores hasta guías deslizantes y pinzas.

La principal limitación del robot cartesiano es su inflexibilidad relativa. Acepta fácilmente un movimiento lineal en tres ejes y la rotación alrededor de un cuarto eje, pero necesita el agregado de un controlador de movimiento para rotar alrededor de más de un eje.

Los robots cartesianos se usan rara vez en aplicaciones de lavado, ya que no disponen de suficiente protección contra el ingreso de agua.

Se requiere precisión y minuciosidad en la instalación. Cada eje debe estar cuidadosamente alineado y tener una superficie plana adecuada, especialmente en sistemas de mayor tamaño.

Los robots cartesianos también pueden ser configurados individualmente para cada aplicación. Si bien los cambios de formato de producto o empaque se pueden realizar rápidamente a través del PLC, es posible que se requiera una reprogramación adicional de la unidad en caso de cambios más amplios en la aplicación.

Por último, los robots cartesianos, si se los usa sin un controlador de movimiento separado, pueden requerir más tiempo de programación que otros tipos de robots. Los teach pendants no son comunes, de modo que la programación de secuencias debe hacerse en el PLC, con cada eje direccionado y comisionado individualmente.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
Robot SCARA.

 

Robots SCARA

Los robots SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) son una versión simplificada de los robots articulados. Tienen libertad total de movimiento en los ejes X e Y pero desplazamiento estrictamente limitado en el eje Z. Es decir, se comportan de forma parecida al brazo humano, permitiendo ubicar el final de la mano en cualquier ubicación pero siempre sobre el plano. Su simplicidad y pequeño tamaño facilitan su integración en líneas de montaje donde pueden alcanzar tiempos de ciclo bastante sorprendentes con una elevada exactitud.

Se adaptan muy bien a funciones como insertar componentes en espacios con tolerancias estrictas mientras conservan su rigidez en tales movimientos, lo que los convierte en una opción rentable en muchas aplicaciones de tipo ‘recoger y colocar’, como así también en el manejo de piezas de pequeño tamaño.

Los robots SCARA tienden a ser duraderos y requieren poco mantenimiento. La programación y el comisionamiento son relativamente fáciles y rápidos, utilizando la teach pendant provista por el fabricante.

Pero ocurre que, con el bajo costo, vienen también las limitaciones. El robot SCARA requiere un controlador de robot dedicado y está limitado a superficies planas. Por lo general está restringido a tres ejes.

Puede ser la solución óptima cuando se usa toda su capacidad (tres o cuatro grados de libertad), pero si el trabajo sólo requiere dos grados de libertad (movimiento horizontal y vertical, por ejemplo), el robot SCARA no se puede reducir a un sistema de dos ejes. En consecuencia, es menos atractivo que un robot cartesiano de pórtico desde el punto de vista de costo y desempeño.

Al igual que el robot articulado, el lugar ocupado por un robot SCARA también se extiende más allá de la zona de trabajo, lo que se traduce en una pérdida de espacio funcional dentro y alrededor de la unidad.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
Robot delta.

 

Robots delta

Es un robot paralelo con tres grados de libertad conformado por dos bases unidas por tres cadenas cinemáticas basadas en el uso de paralelogramos. La base superior se encuentra fija mientras la base inferior, donde se ubica el efector final, es móvil y siempre está paralela a la base fija. Para su construcción se pueden utilizar actuadores rotativos o lineales según la aplicación.

El robot delta es conocido principalmente por su velocidad, con tasas de recoger de hasta 300/min. Su tipo de montaje lo coloca por encima de su zona de trabajo, lo que limita la pérdida de lugar ocupado. Muchas veces se lo combina con un sistema de visión para recoger piezas colocadas al azar en aplicaciones de clasificación y empaque más complejas.

Al igual que el robot articulado y SCARA, por lo general cuenta con un teach pendant que facilita su programación.

Los robots delta se usan en la producción de alimentos, pero, al igual que los robots cartesianos, en las zonas de alimentos podrían requerir un blindaje adicional o separación del entorno ambiental.

Por otro lado, la capacidad de carga del robot delta por lo general es mucho más baja que en las tecnologías alternativas. Su diseño de trípode inverso lo hace menos robusto que los demás robots, lo que implica un menor peso máximo de carga. Esa limitación en el desempeño es el precio a pagar para llegar a una capacidad dinámica tan elevada.

El robot delta tiene una envolvente de trabajo bastante limitada. Su diseño no permite grandes alcances. Al igual que los robots cartesianos y SCARA, los robots delta suelen estar limitados a cuatro ejes y no ofrecen la flexibilidad de un robot articulado. Su montaje complejo dificulta su mantenimiento y reparación. En una máquina de gran tamaño, puede ser necesario reforzar el marco de la máquina para soportar el peso adicional.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
BionicCobot es un desarrollo neumático de Bionic Learning Network de Festo. Es el resultado de un proyecto que investiga qué puede aprender la producción del futuro de la naturaleza.

 

Robots colaborativos

El robot colaborativo, o cobot, es un desarrollo relativamente reciente con un futuro que promete una interacción segura entre humanos y máquinas. Al permitir una colaboración directa entre el trabajador y un robot, se agrega una nueva dimensión a nuestra comprensión de cómo integrar automatización en la industria.

Un cobot puede ser un robot articulado, cartesiano, SCARA o delta, aunque hasta la fecha, a la mayoría se los puede considerar como articulados. Suelen tener una capacidad de carga útil de 4-35 kg, con el correspondiente aumento en tamaño y alcance (también precio). Hay modelos con hasta siete ejes; este último puede realizar tareas particularmente exigentes desde el punto de vista ergonómico; incluso se los puede utilizar como robots  independientes en líneas de producción.

La diferencia entre cobots y otros robots está en sus características de seguridad incorporadas que permiten la interacción directa con humanos, sin necesidad de blindaje protector, cortinas de seguridad u otras características de seguridad. Al no necesitar barreras de seguridad externas fijas, algunos cobots se pueden montar sobre plataformas móviles para ir donde se los necesite. Es importante señalar que se debe realizar una evaluación de seguridad de la aplicación y, si bien el cobot en sí podría ser seguro, con una herramienta afilada en el final del brazo, probablemente sea necesario instalar una barrera de seguridad externa.

Los cobots están limitados en velocidad y carga útil, lo que decepciona a algunos usuarios que buscan un robot convencional que no requiera una protección de seguridad costosa ni que ocupe mucho espacio. El mayor valor de los cobots está en que pueden liberar a un operador de las tareas sencillas de su trabajo para concentrarse exclusivamente en los aspectos de alto valor.

 

Un robot para cada tarea: ¡El secreto está en cómo elegirlo!
Las últimas innovaciones en tecnología de pinzas adaptativas están ampliando las aplicaciones de pequeños robots en la manipulación de objetos flexibles, frágiles o de forma irregular mientras efectores finales complejos y con múltiples herramientas están sumando nuevos roles en los grandes robots articulados.

 

Aspectos a tener en cuenta en la selección de un robot

A la hora de invertir en robótica, es necesario tener en cuenta todos los aspectos de una aplicación antes de decidir la selección final. A continuación se describen algunos factores a considerar:

 

Alcance y carga

El alcance y la carga deben ser los primeros criterios, ya que podrían acortar inmediatamente la lista de posibles opciones. Tan sólo por motivos técnicos, una gran carga pesada descartaría cualquier tecnología de manipulación de una carga liviana. Por otro lado, si el alcance es largo pero el peso de la carga es bajo, podría ser suficiente con un robot cartesiano de menor costo.

 

Flexibilidad

En una aplicación que requiere cinco o seis grados de libertad, un robot articulado quizás sea la única solución viable. En caso de aplicaciones más simples, tales como posicionamiento y carga de pequeñas piezas, inserción de piezas electrónicas y carga de cajas, o sea una aplicación donde dos o tres ejes son suficientes, ¿por qué pagar por más ejes de los que necesita la aplicación?

 

Velocidad

¿La aplicación requiere una tasa de recoger elevada, como la de un robot delta (hasta 300/min es bastante común), o es suficiente con una tasa de recoger menor, como la que ofrece un pórtico cartesiano o un robot SCARA?

 

Espacio y lugar ocupado

Cada vez más, el lugar ocupado por máquinas y líneas de producción es un aspecto clave en la planificación. El espacio en el piso de planta es costoso y las empresas buscan optimizar la disposición del mismo. Los robots cartesianos y delta ofrecen una clara ventaja sobre las demás tecnologías, ya que sólo se pierde espacio vertical, que por lo general es menos crítico.

 

Ingeniería y desarrollo del proyecto

El tiempo y los gastos de diseño, montaje, instalación y comisionamiento son factores a tener en cuenta en el presupuesto, especialmente a la hora de incorporar un robot en una máquina o sistema de mayor tamaño. Las demoras en la recepción y ensamblado de un robot podrían retrasar todo el proyecto.

Se dispone de herramientas online y de software que pueden minimizar los riesgos de ingeniería y adquisición.

 

Mantenibilidad, reparabilidad y disponibilidad

Una parada no programada  es la pesadilla de todos los gerentes de producción. Los robots deben ser relativamente fáciles de mantener y reparar, y este es un tema particularmente importante en empresas que no cuentan con una gran flota robótica y conocimientos técnicos a nivel local. ¿Quién va a reparar el robot? ¿Cuánto tardará? ¿Cuál es el plazo de entrega de repuestos críticos, tales como motores y controladores? Durante las etapas de planificación, se suele pasar por alto estos problemas con el correspondiente riesgo a futuro.

 

Estandarización

La estandarización en una empresa o industria es una consideración válida por motivos de negocio, aun cuando el robot seleccionado no sea el más adecuado ni tampoco el más barato pero sí es capaz de realizar el trabajo.

 

Conclusiones

La proliferación de tecnologías robóticas ha permitido que empresas de todos los tamaños puedan acceder a los beneficios de la automatización. ¿Cuál es ‘el mejor robot’? Por lo general, es el que mejor se adapta, no sólo para lograr ganancias de productividad y satisfacer los requerimientos técnicos de una aplicación, sino también desde el punto de vista de cuestiones relacionadas con seguridad de planta, utilización de espacio y, por supuesto, costo inicial y soporte postventa.

 

Preparado en base a un documento técnico elaborado por Kevin Tardif, de Festo Inc.

© 2018 Editorial Control. Desarrollado por Estudio Pionero.