Cómo funciona la Robótica Industrial

La robótica industrial es una gran industria y evoluciona a una gran velocidad. La tecnología ha cambiado notablemente en las últimas décadas, así como el volumen y la variedad de los usos.

No hace mucho tiempo, los robots estaban presentes únicamente en nuestras pantallas de televisión, en las salas de cine y en juguetes para niños. Casi no tenían ningún papel en nuestra sociedad.

Sin embargo, las cosas han cambiado mucho en los últimos años. Hoy en día, los robots se encargan de numerosas tareas que antes realizaban los humanos, como ensamblar cosas (coches, electrodomésticos, aparatos), realizar cirugías, pintar piezas etc.

Existe una gran variedad de aplicaciones en la automatización industrial que la robótica industrial está preparada para realizar.

Por lo general, los robots se diseñan o integran con una tarea específica en mente y se adaptan para satisfacer las necesidades únicas de esa tarea. En este artículo describiremos todo lo que debes conocer sobre la robótica industrial

Qué es la Robótica Industrial

La robótica en la industria es una rama de la ingeniería que incorpora múltiples disciplinas para diseñar, construir, programar y utilizar los equipos robóticos. Así mismo, se refiere al uso de sistemas de control, computadoras y tecnología de la información para el manejo de diversos procesos y maquinaria en una industria.

El objetivo final es reemplazar el trabajo manual y aumentar la eficiencia, la velocidad y el rendimiento general.

El término «robot» viene de la palabra checa «robota», generalmente traducida como «trabajo artificial». Esto describe bastante bien a la mayoría de los robots, diseñados para trabajos de fabricación pesados y repetitivos. De igual manera, manejan tareas que son difíciles, peligrosas o aburridas para los seres humanos.

¿Cuál fue el primer robot industrial?

Desde que el primer robot industrial, Unimate, se instaló en una planta de General Motors en los años 50, la automatización industrial se ha asociado con grandes empresas que realizan operaciones enormes que implican líneas de producción masivas.

El tamaño, la forma y la dinámica de los robots industriales reflejaron durante mucho tiempo esta realidad. Los primeros robots eran grandes, ruidosos, peligrosos, y requerían sus propias jaulas para mantenerlos bien alejados de las cargas de trabajo en las empresas.

En la última década se ha producido una transformación radical de la automatización industrial, que es tanto un cambio tecnológico como una consecuencia del cambio de la economía, que depende cada vez más de las tiradas pequeñas, el transporte rápido y las operaciones ágiles.

Una nueva generación de robots refleja estos cambios. Son rápidamente desplegables, hábiles para las tareas, más pequeños que sus torpes antepasados, y pueden trabajar junto a los operarios fuera de las jaulas.

Componentes de un robot industrial

Un robot industrial está diseñado con tres componentes principales:

• La mecánica, que representa lo que realmente se ve del robot. Esta parte es importante para la precisión, la velocidad y la carga útil del robot.
• La electrónica permite que el sistema de control dirija todos los motores y obtenga información del entorno a partir de los sensores.
• La informática que hace al robot «inteligente» a través de la colaboración con el entorno del robot y el usuario

Hasta ahora los robots han sido utilizados para tareas muy específicas. Con mejores ordenadores e inteligencia artificial, podrán evolucionar hacia un nuevo tipo de inteligencia. Los robots pronto serán capaces de interactuar plenamente con su entorno.

Cómo funciona un robot industrial

El robot de fabricación más común es el brazo robótico industrial. Un brazo robótico típico está compuesto por siete segmentos de metal, unidos por seis articulaciones. El sistema informático controla el robot a través de motores rotatorios individuales conectados a cada articulación (algunos brazos más grandes utilizan la hidráulica o la neumática).

A diferencia de los motores normales, los motores paso a paso se mueven en incrementos exactos. Esto permite al software mover el brazo con mucha precisión, repitiendo exactamente el mismo movimiento una y otra vez. El robot utiliza sensores de movimiento para asegurarse de que se mueve en la cantidad justa.

El trabajo de tu brazo es mover tu mano de un lugar a otro. De manera similar, el trabajo del brazo robótico es mover un extremo efector de un lugar a otro. Puedes equipar los brazos robóticos con todo tipo de efectores finales, que se adaptan a una aplicación particular. Un efector final común es una versión simplificada de la mano, que puede agarrar y transportar diferentes objetos.

Las manos robóticas, normalmente, tienen sensores de presión incorporados que le dicen al ordenador cómo de fuerte está el robot agarrando un objeto en particular. Esto evita que el robot se le caiga o se le rompa lo que esté llevando. Otros efectos finales incluyen sopletes, taladros y aerosoles de pintura.

Los robots industriales están diseñados para hacer exactamente lo mismo, en un ambiente controlado, una y otra vez.

Para enseñar a un robot a hacer su trabajo, el programador guía el brazo a través de los movimientos usando un controlador de mano. El robot almacena la secuencia exacta de movimientos en su memoria, y lo hace una y otra vez cada vez que una nueva unidad baja por la línea de montaje.

La mayoría de los brazos robóticos trabajan en líneas de ensamblaje de automóviles, ensamblando coches. Los robots pueden hacer mucho de este trabajo más eficientemente que los seres humanos porque son muy precisos.

Siempre perforan en el mismo lugar y siempre aprietan los tornillos con la misma fuerza, sin importar cuántas horas hayan trabajado. Los robots de fabricación también son muy importantes en la industria informática. Se necesita una mano increíblemente precisa para armar un microchip diminuto.

Cómo se programa en la robótica industrial

En este artículo, destacaremos dos de las formas más populares de programar robots industriales y colaborativos para una mayor comprensión.

La programación de la robótica moderna ha avanzado mucho desde sus inicios. Pero, al final, cada instrucción en robótica termina en forma de 1 y 0 dentro de una electrónica básica. Hoy en día, hay muchas maneras diferentes de introducir esos bits binarios en el robot. Algunas de ellas ni siquiera requieren un conocimiento formal de programación.

La programación de los robots se ha alejado en gran medida de la codificación básica a métodos más intuitivos. Este cambio ha sido impulsado en parte por el deseo de facilitar la programación a los operarios.

Cada método de programación tiene ventajas y desventajas. He aquí dos métodos populares de programación de robots industriales:

Interfaz Teach Pendant

El método más usado en la programación de robots es probablemente el realizado a través de la interfaz de usuario Teach Pendant. Según la Asociación Británica de Automatización y Robots, más del 90% de los robots están programados con este método. esta consola ha cambiado mucho a lo largo de los años, pero su morfología es similar a una calculadora de mano gigante.

Los Teach Pendant eran grandes cajas grises con almacenamiento de cinta magnética. Los modernos son más como una tableta con pantalla táctil, ya que la tecnología se ha desarrollado para adaptarse a los usuarios en constante evolución.

Para programar el robot, el operario lo mueve de un punto a otro, usando los botones de la interfaz para su movimiento y así, guardar cada posición individualmente. Cuando se ha memorizado todo el programa, el robot puede reproducir los puntos a toda velocidad.

Simulación/Programación offline

La programación offline, o simulación, se utiliza más a menudo en la investigación de la robótica para asegurar que los algoritmos de control avanzado funcionan correctamente antes de pasarlos a un robot real.

Sin embargo, también se utiliza en la industria para reducir el tiempo de inactividad y mejorar la eficiencia.

Puede ser un método particularmente útil para las PYMES, ya que es más probable que los robots se configuren varias veces que en los entornos de producción a gran escala.

Programar offline significa que esto no interfiere demasiado con la producción. La programación offline permite programar el robot usando una maqueta virtual del robot y en la tarea.

Si el software de simulación es de uso intuitivo, puede ser una forma rápida de probar una idea antes de trasladarla al robot.

Algunos paquetes de simulación modernos son bastante sencillos de usar. La simulación se puede configurar en cuestión de minutos, una vez que se esté familiarizado con el software, utilizando una biblioteca de robots.

Lenguajes de programación para robots industriales

La mayoría de los robots industriales se programan guiando un robot de un punto a otro a través de las fases de una operación, con cada punto almacenado en el sistema de control del robot.

La mayoría de los lenguajes de programación están escritos en texto normal, lo que es fácil de entender para los humanos. Los programas se compilan en código fuente para que un procesador los ejecute (o código de bytes, para que una máquina virtual los ejecute).

Hay numerosos lenguajes de programación disponibles, por ejemplo, C/C++, Java, Fortran, Python, etc. El lenguaje más popular en robótica es probablemente C/C++ (C++ es un sucesor del lenguaje C orientado a objetos).

Python también es muy popular debido a su uso en el periodo de pruebas de las máquinas y también porque puede ser usado para desarrollar paquetes ROS (explicado a continuación).

Se prevé que la demanda de programadores de robots crecerá en gran medida durante el resto de la década.

Los programadores de robots deben tener conocimientos sobre diferentes tipos de lenguajes de programación, ya que pasar de las CPU a los robots no es la operación de transición fácil que muchos desarrolladores/programadores pueden pensar.

Tipos de lenguajes de programación para la robótica industrial

Los lenguajes de programación están teniendo un impacto profundo en la integración de los robots en las máquinas industriales.

El software robótico juega un papel clave en la realización de operaciones complejas y funcionalidades precisas. Para empezar a programar en robótica, hay que empezar a aprender varios tipos de lenguajes para hacer que un robot funcione.

Aunque la robótica es un tema complicado, el aprendizaje de estos lenguajes de programación te ayudará a diseñar un proyecto para crear una interfaz fácil de usar.

Existen más de 1500 lenguajes de programación en el mundo, que se utilizan para aprender e implementar. Aquí están los principales y más populares lenguajes de programación en la robótica:

1) C/C++

Aprender C y C++ es el mejor comienzo para un aspirante a robótico ya que es un lenguaje de programación de uso general que contiene características de programación imperativas, orientadas a objetos y genéricas.

¿Por qué C++ es el lenguaje de programación número 1 en robótica industrial?

• C++ permite la interacción con el hardware, y también el rendimiento en tiempo real.
• C y C++ son lenguajes de programación muy desarrollados.
• Para asegurar el mejor rendimiento de un robot, será mejor usar C++.

Como la robótica depende del rendimiento en tiempo real, C y C++ son las mejores opciones para los robots.

2) Python

Python es un lenguaje de programación de alto nivel y juega un papel clave en la construcción y en las pruebas de los robots. A su vez, este lenguaje de programación es una buena plataforma para automatizar y procesar programas de robots.

Mucha gente elige este lenguaje de programación ya que podemos escribir un script que calcula, registra y simula un programa de robot completo en lugar de enseñar manualmente cada instrucción a un robot. Esto ayuda a probar y visualizar rápidamente la solución en la simulación, así como a perfeccionar el programa y su lógica.

¿Por qué Python es el lenguaje de programación más utilizado en la robótica industrial?

• Cuando se compara con C, C++ y Java, se pueden escribir menos líneas de código en Python.
• Aprender Python es una guía esencial para crear un robot móvil autónomo usando los marcos de software robótico más populares.
• Este lenguaje se utiliza en el diseño de sistemas integrales y es una parte esencial del sistema operativo del robot.
• El enfoque principal de Python es la facilidad de uso y se requiere menos tiempo para programar, como definir y moldear tipos de variables.
• Cuando se requiere implementar alguna funcionalidad básica, hay un gran número de librerías gratuitas para ello.

3) Java

Para realizar tareas similares a las humanas, los sistemas robóticos deben ser incluidos con funciones a través de lenguajes de programación. Para habilitar a los robots con estas funciones, se puede utilizar el lenguaje Java, ya que ofrece una serie de diferentes API que se adaptan a las necesidades del ámbito de la robótica.

Se pueden construir sistemas de detección de comandos y controles, sistemas de control de dictado y sintetizadores de voz utilizando la API de voz de Java y se puede utilizar el marco de medios de comunicación de Java para recibir y procesar imágenes visuales.

¿Por qué Java es de los lenguajes de programación más utilizados en la robótica industrial?

• Java contiene todas las características de alto nivel necesarias en la industria de la robótica, especialmente cuando se trata de la inteligencia artificial.
• Usando Java, se pueden crear algoritmos altamente eficientes para el aprendizaje de la máquina, algoritmos de búsqueda y neuronales, procesamiento de lenguaje, etc.
• La máquina virtual de Java interpreta las instrucciones en tiempo de ejecución
• Java permite a los usuarios utilizar el mismo código en muchas máquinas diferentes, gracias a la Máquina Virtual de Java.
• Proporciona todas las características de alto nivel necesarias para tratar con varios aspectos de la robótica.

4) C#/.NET

C#/.NET es un lenguaje creado por Microsoft que se usa para desarrollar aplicaciones en Visual Studio. Ejemplos de ello son Netduino, FEZ Rhino y otros).

Proporciona a los futuros programadores una sólida base sobre la que pueden ramificarse en diferentes campos. C#/.NET se utiliza generalmente en la programación de puertos y sockets.

¿Por qué C#/.Net es uno de los lenguajes de programación más utilizados en la robótica industrial?

•  C#/.NET permite usar múltiples lenguajes y tiene escalabilidad horizontal.
• .NET crea un entorno unificado que permite a los desarrolladores de robótica crear programas en C++, Java o Virtual Basic
• Todas las herramientas y los IDE han sido probados previamente y están fácilmente disponibles en la Red de Desarrolladores de Microsoft.
• La integración de los lenguajes es perfecta, ya que se pueden utilizar distintos tipos, desde C# hasta VB.NET.

5) MATLAB

Técnicamente hablando, MATLAB no es un lenguaje de programación pero es una herramienta con la que se pueden encontrar soluciones de ingeniería basadas en las matemáticas.

Los desarrolladores de robótica necesitan aprender MATLAB si quieren analizar datos, producir gráficos avanzados o implementar sistemas de control.

MATLAB y sus parientes de código abierto, como Octave, es muy popular entre algunos ingenieros robóticos para el análisis de datos y el desarrollo de sistemas de control.

La programación de un robot requiere diseñar el controlador que gobierna el comportamiento del robot. El modelado y la simulación se volvieron vitales para entender cómo el controlador interactúa con la percepción del entorno, la movilidad y la interacción del robot.

¿Por qué MATLAB se utiliza en la robótica industrial?

• MATLAB es muy útil para diseñar todo el sistema robótico industrial.
• Se utiliza con frecuencia en la industria de la robótica, ya que está profundamente arraigado en la creación y el desarrollo de los robots.
• Es una herramienta de simulación mediante la cual puede proporcionar su algoritmo o diseño y simular el resultado.
• Por otro lado, la simulación ayuda a los ingenieros a perfeccionar el diseño del sistema y a eliminar los errores antes de desarrollar los prototipos de hardware.

6) ROS

El Sistema Operativo de Robots (ROS) no es propiamente un lenguaje de programación. Se trata de un sistema flexible para programar el software de los robots. Es una colección de herramientas, bibliotecas y protocolos que tienen como objetivo simplificar la tarea de crear un comportamiento robótico complejo y robusto en una amplia variedad de plataformas robóticas.

ROS es más bien un middleware, algo así como un «framework» de menor nivel basado en un sistema operativo existente. El principal sistema operativo soportado por ROS es Ubuntu. Tienes que instalar ROS en tu sistema operativo para poder usarlo.

En consecuencia, ROS se diseñó desde cero para fomentar la colaboración en el desarrollo de software de robótica.

Los subprogramas que se escriben (nodos) pueden ser escritos en cualquier idioma. Así, una aplicación puede tener un nodo escrito en Python comunicándose con un nodo escrito en C++.

¿Por qué ROS se utiliza en la robótica industrial?

• ROS es uno de los sistemas de robótica más – si no el más – cuidado y desarrollado para los programadores de robots.
• Es de código abierto, puedes encontrar fácilmente el código y usarlo en tus programas.
• Es un estándar para el desarrollo de software de robótica.

Para qué sirve la robótica Industrial

Los robots son máquinas programables capaces de realizar una serie de acciones de forma autónoma o semiautónoma. Interactúan con el mundo físico a través de sensores y actuadores. Al ser reprogramables, son más flexibles que las máquinas de una sola función.

Dentro de la automatización industrial, los robots se utilizan como una forma flexible de automatizar una tarea o proceso físico. Los robots de colaboración están diseñados para llevar a cabo la tarea de la misma manera que lo haría un humano. Los robots industriales más tradicionales tienden a llevar a cabo la tarea más eficientemente que un humano.

Las aplicaciones de la robótica son infinitas. A menudo, los robots se diseñan o integran con una tarea específica en mente y se adaptan para satisfacer las necesidades únicas de esa tarea. Algunas formas comunes de automatización de la robótica industrial incluyen:

• Soldadura por arco (coches)
• Operaciones de montaje
• Pintura y pulverización
• Corte por láser
• Placas de circuito de energía
• Embalaje
• Inspección del producto
• Medición y verificación por láser del ensamblaje de las piezas
• Robots móviles (por ejemplo, en áreas sensibles)

Gracias a los robots, todas esas operaciones se procesan con gran resistencia, velocidad y precisión.

Ahora que sabemos mejor para qué usamos los robots, veamos qué categorías de robots podemos encontrar en el mercado.

Tipos de Robots industriales

Los robots que operan en la industria pueden clasificarse según diferentes criterios como el tipo de movimiento (grados de libertad), la aplicación (proceso de fabricación), la arquitectura (en serie o en paralelo) y la marca. También existe un nuevo calificativo para los robots industriales que pueden ser colaborativos o no.

A continuación describo algunas de las formas industriales más comunes de automatización robótica.

Robot Cartesiano:

Un robot cartesiano se mueve a lo largo de 3 ejes (X, Y, Z) con una trayectoria lineal y la herramienta de efecto final siempre mantiene la misma orientación. Esta solución es una de las más fáciles y baratas.

Por ejemplo, los robots cartesianos están bien diseñados para la impresión en 3D. Sin embargo, debido a la falta de gestión de la orientación, los casos de uso son de alguna manera limitados.

Robots con múltiples grados de libertad:

Un robot multi-DOF tiene más articulaciones y más ejes. Una configuración bien conocida es un robot con 3 ejes para moverse y 3 ejes para orientar el efector final (6 grados de libertad). El robot puede alcanzar cualquier punto con cualquier orientación.

Esta solución es mejor para operaciones multitarea y complejas, aunque el precio es mayor. Las posibilidades de uso de los robots polares son infinitas.

Robot SCARA:

Un robot SCARA es una mezcla de los dos robots de arriba. Puede moverse a lo largo de 3 ejes (X, Y, Z) pero tiene un eje más para orientar el efector final en una dirección. Este tipo de robot es más específico y funciona bien para tareas de «recoger y colocar».

Robot Redundante

Los robots redundantes también pueden posicionar completamente su herramienta en una posición determinada. Pero mientras que los robots de 6 ejes sólo pueden tener una postura para una posición dada de la herramienta, los robots redundantes pueden acomodar una posición dada de la herramienta bajo diferentes posturas.

Es como el brazo humano que puede sostener un mango fijo mientras mueve las articulaciones del hombro y el codo.

Beneficios de la robótica industrial

La robótica industrial ha transformado la industria manufacturera por una razón: tienen muchos beneficios. Su primer y más importante beneficio es su eficiencia. Completan las tareas más rápidamente que las labores manuales, y su tiempo de funcionamiento es significativamente mayor.

La combinación de velocidad y tiempo de funcionamiento conduce a un mayor rendimiento con menores costes operativos.

Además, los robots , cuando se programan adecuadamente, son por naturaleza altamente replicables. Esto mejora la consistencia de la producción de forma drástica, aumentando la calidad general del producto y reduciendo los residuos.

Los brazos robóticos industriales suelen ofrecer un gran retorno de la inversión (ROI) a pesar de los altos costes iniciales. Los beneficios de productividad derivados de la eficiencia, la consistencia y la reducción de los costes operativos se suman rápidamente, lo cual forma parte de lo que ha hecho que los robots industriales sean tan populares entre los fabricantes durante la última década.

Los robots ofrecen muchos beneficios en el balance final, independientemente del tipo de robot industrial que se esté implementando. Mientras un robot esté programado adecuadamente y se adapte a las necesidades únicas de una determinada aplicación, es casi seguro que superará el trabajo manual.

El mercado de los robots de fabricación es grande y crece rápidamente. La tecnología utilizada cambia con la misma rapidez. Puede ser difícil mantenerse al ritmo de los rápidos cambios en la industria de la robótica, pero comprender los tipos de robots industriales y los beneficios que proporcionan es un gran comienzo.

Conclusiones

La automatización de los procesos de producción con robots permite a las empresas seguir siendo competitivas a nivel mundial, ofreciendo una alternativa eficiente y viable a la deslocalización y llenando el vacío de conocimientos en áreas donde puede ser difícil contratar a los empleados necesarios.

La robótica colaborativa permite a los técnicos centrarse en la innovación, la eficiencia y otros procesos más intrincados que, en última instancia, sientan las bases para el crecimiento y el éxito.

Con una solución dedicada a la automatización de procesos, se puede observar un aumento de la productividad, una mejora de la seguridad y la satisfacción de los trabajadores y un mejor resultado final.

La automatización de los procesos cambiará la forma de trabajar de algunos trabajadores. No hay que tener miedo al cambio, ya que aparecerán nuevas oportunidades laborales. Hay que estar preparado para estos cambios con formación técnica especifica que nos ayude a alcanzar nuestros objetivos profesionales. Las aplicaciones industriales de la robótica no tienen límites.