EL USO DE ROBOTS EN LA INDUSTRIA: UN PANORAMA GENERAL

Cristian de Jesús Hernández- Morquecho1
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: cristian.hernandez@upa.edu.mx

José Luis Gallegos-Ramírez 2
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: jose.gallegos@upa.edu.mx

Araceli Gárate-García3
Universidad Politécnica de Aguascalientes
Email: araceli.garate@upa.edu.mx

 

Resumen

En este artículo se presentan algunas características generales del uso de los robots en la industria, las cuales han motivado que este tipo de dispositivos sean ampliamente utilizados en diversas aplicaciones. Se muestra una visión general de la demanda de estos equipos a nivel mundial, así como los principales sectores que los utilizan y algunos otros factores que deben de tomarse en cuenta en su implementación. También se describe el avance reportado en la literatura con respecto a su monitoreo y las medidas de seguridad que se emplean para asegurar su operación. La lista de referencias presentadas son una pequeña porción de las numerosas publicaciones en este campo.

Palabras Clave: Los robots industriales - Producción industrial - Manipuladores - Aplicación Industrial - Automatización Programable Controlador - Algoritmo Genético.

Abstract

A brief overview of some general characteristics that motivate the use of robots in the industry are shown in this paper, as well as a general vision of the demand of this equipment in the world, the main sectors that use them and other key factors to consider in their implementation. Lastly, some pieces of work on the literature talk about the robot’s monitoring and the security measures to guarantee safety operations in the installation area in the industry. The reference list presents a small portion of the large number of publications in this field.

Keywords: Industrial robots - Industrial production - Manipulators - Industrial application - Programmable Automation Controller - Genetic Algorithm.

 

1 MOTIVACIÓN PARA EL USO DE LOS ROBOTS.

Los robots industriales son manipuladores programables, los cuales pueden mover partes o herramientas en una secuencia de movimientos pre-especificada. Sus acciones pueden ser modificadas cambiando las especificaciones de control, sin realizar cambios de hardware y pueden repetir la misma tarea por periodos prolongados de tiempo con gran precisión (Ayres y Miller, 1981).

Desde los años 80’s existen investigaciones en las que se han comparado las habilidades entre el ser humano y los robots en la industria (véanse Nof et al, 1980, Ebel 1986, y referencias incluidas, por mencionar algunos), y a través de los años los autores coinciden en que el uso de estos equipos en aplicaciones industriales presenta menor cantidad de errores comparados con el trabajo humano y esto ha generado resultados favorables en el sector industrial, esta es una de las razones por las cuales la demanda de robots se ha incrementado de manera considerable. Se estima que para el 2017 su crecimiento será de manera exponencial (World Robotics, 2014).Actualmente ésta tecnología cuenta con gran diversidad de elementos externos, los cuales pueden ser añadidos para realizar el control de diversas tareas y de esta manera simplificar procesos y generar alternativas de solución.

Otro aspecto a considerar es que las compañías de manufactura de hoy en día, deben realizar muchos cambios significativos para poder competir a escala global, las exigencias de alta calidad y de tiempos de envío cada vez más cortos y el constante incremento en la producción requieren del uso de arquitecturas de manufactura distribuida con sistemas de control y monitoreo que tengan inteligencia, robustez, adaptación a los cambios del ambiente y a perturbaciones, lo cual implica el uso de robots industriales (Żabiński, 2010).

La estructura del artículo es la siguiente, primero abordaremos las principales áreas de aplicación de los robots industriales, enseguida se dará una revisión del estado del arte del monitoreo y control de estos dispositivos para finalizar con las conclusiones y algunas perspectivas en el área.

2 PRINCIPALES ÁREAS DE APLICACIÓN DE ROBOTS INDUSTRIALES

La venta y uso de robots va dirigida a diversas áreas dentro de la industria y a diferentes aplicaciones, estos aspectos influyen de manera directa en el aumento o decremento en ventas de estos equipos: otro factor que interviene es el nivel de desarrollo tecnológico, esto debido a que el desarrollo industrial se ha generado de manera desigual a nivel mundial. Algunos países han ido desarrollando su capacidad de producción en el sector manufacturero, algunos otros han incrementado su población de fabricación, como Japón y Alemania, quienes tienen la mayor densidad de robots, es decir, el mayor número de robots industriales por cada 10.000 trabajadores (Guizzo, IEEE Spectrum, 2011).

El número de robots vendidos en el año 2013 tuvo una alza del 12% respecto al año 2012 llegando a una cifra de 178,132 unidades, lo que le permite colocarse como la mejor venta de estos equipos en un solo año, antecedida por la de 2011 la cual se acerca casi a las 170,000 unidades. En la figura 1 se puede observar la gráfica de ventas, donde las anteriores al año 2010 no exceden las 120,000 unidades, así también se puede observar que entre el año 2010 y 2011 existe un incremento de más del 30% en el número de unidades vendidas (World Robotics, 2014).

Los robots industriales pueden ser aplicados en gran diversidad de áreas, como pueden ser: eléctrica/electrónica, automotriz, metalurgia, medicina, plásticos, cauchos y alimentos, entre otras más. Es conocido que dentro de cada una de estas existe una ramificación de procesos donde los robots pueden realizar una tarea específica, por ejemplo: entrega de materiales, trabajos de soldadura, montaje, desmontaje, remoción de rebabas, y pintura por mencionar solo algunas de las más importantes (véanse Pires et al, 2002, Brogårdh, 2007, y referencias incluidas). En cuanto a aplicaciones se refiere, uno de los procesos de mayor demanda es el manejo de material con un 35.4%, seguido por la aplicación de soldadura con un 28.9% como en observa en la figura 2.

En la figura 3 se pueden observar los procesos o aplicaciones dadas a los robots industriales, véase Guizzo, 2008

No todas las áreas del sector industrial requieren de la misma demanda de robots, mientras en algunas disminuye, en otras continúan incrementando de manera considerable. La aplicación de robots ha ido creciendo en la industria automotriz, la cual se considera como el mejor cliente en la industria de la robótica, teniendo instalados casi 69,400 unidades. La venta incrementó en un 10% en 2013 en casi todos los sectores excepto la eléctrica/electrónica y la industria del automóvil (World Robotics, 2014).

Se estima que la venta de robots continúe incrementando entre 2015 y 2017 en un promedio de 12% por año, sin embargo es importante mencionar que la demanda variará dependiendo la región y los sectores de aplicación ya que algunos continuarán incrementando el uso de robots para nuevos procesos y otros podrán disminuir ligeramente. Es importante destacar que la compra-venta puede variar por zonas e incluso por país, ya que hay países que se están desarrollando rápidamente con la instalación de nuevas empresas de diversas índoles (World Robotics, 2014).

Sin importar la aplicación de que se trate, una pieza clave para que el uso de un robot sea exitoso es el desarrollo del controlador a utilizar y también el equipo de monitoreo instalado.

3 MONITOREO Y CONTROL

Para el control y monitoreo de aplicaciones robóticas se puede hacer uso de elementos externos, los cuales permitan aprovechar aún más los recursos con los que se cuenta y de ser posible optimizar una o más variables que intervengan dentro de un proceso, esto al hacer uso de dispositivos de control como son los controladores automáticos programables (PAC’s), controladores lógicos programables (PLC’s) y las computadoras personales (PC’s).

En cuanto al uso de las PC’s como controladores externos se reporta en la literatura que su arquitectura no es ideal para todas las aplicaciones industriales, debido a diversos factores como: tamaño, fiabilidad, calidad, además de requerir compatibilidad de hardware, software, dispositivos periféricos y herramientas de desarrollo. Es por ello que según Lehrbaum, 1993, los diseños normales de PC de escritorio no son lo suficientemente confiables para la ejecución de aplicaciones avanzadas.

Otra opción es el uso de computadoras industriales con hardware robusto, sin embargo, se reporta en Bell, 2005, que pueden presentar problemas de confiabilidad, además de que los dispositivos de automatización con lo que cuentan pueden tener diferentes entornos de desarrollo como es el entorno de automatización industrial, control, TIC’s, entre otras. Se han trabajado sistemas con PLC’s en conjunto con PC’s los cuales han sido difícil de construir, solucionar problemas y mantener trabajando adecuadamente, debido a la tarea de incorporar hardware y software de múltiples proveedores lo cual implica un desafío debido a la compatibilidad del equipo y a que estos no están diseñado para trabajar en conjunto.

Al no tener una clara solución con la implementación de una PC y PLC’s se ha trabajado en el desarrollo de nuevos productos que tuvieran la capacidad de software de la PC y la confiabilidad de los PLC’s, los cuales fueron llamados controladores automáticos programables por analistas industriales de la Asociación de Robótica de Coslada. Aunque los PAC’s representan lo último en sistemas de automatización, el futuro de estos depende de la incorporación de tecnología integrada como son las FPGA, los cuales cuentan con dispositivos como bloques lógicos configurables que pueden realizar una variedad de funciones, interconexiones programables, bloques de E/S que pasan datos dentro y fuera del chip, actualmente se asevera que son el futuro del control para aplicaciones avanzadas (Bell, 2005).

Uno de los PAC’s más utilizados es el de NI Compact Rio. En Wilczynski et al, 2009 se desarrolló un sistema de comunicación, donde el Compact RIO fue utilizado como controlador y cerca de 2,000 equipos implementaron dicho sistema, lo cual nos habla de la enorme capacidad para generar nuevas propuestas de solución a diferentes tipos de problemas.

Si además se combina el uso de PAC’s como dispositivo de control con alguna técnica de control inteligente, como son los Algoritmos Genéticos (AG’s) entonces incluso puede reducirse el consumo de recursos como son: energía, tiempo de ejecución, optimización de trayectorias mediante la variable distancia, entre algunas otras (Lugo-González, Ramírez-Gordillo, & Veláz, 2009). Los resultados obtenidos mediante la combinación de AG’s y PAC’s o incluso AG’s y PC’s han sido eficientes y confiables, esto se logra debido a que los genéticos trabajan basados en un mecanismo de selección o genética, el cual imita algunas de las características de la evolución natural, por lo que han demostrado tener gran efectividad para generar soluciones como algoritmos de búsqueda y se han utilizado como métodos de optimización (Genetic Algorithms for Optimal Dynamic Control of Robot Arms, 1993). Según Araka & Fukuda (1996), además éstos presentan ventajas sobre otras técnicas como son: la optimización global, buena robustez, mecánica simple, amplio grupo de búsqueda, multi-objetivo, lo que hace que la técnica de optimización basado en AG’s genere buenos resultados, los cuales siguen mejorando cada iteración. En Huafang (2007) y Larzabal et al (2013) pueden verse diversas aplicaciones que combinan genéticos y PAC’s, las cuales incluyen otras áreas además de los robots industriales.

4 SEGURIDAD EN LA IMPLEMENTACIÓN DE ROBOTS INDUSTRIALES

Un aspecto fundamental en el uso de robots industriales es la seguridad tanto del robot como de los operadores o personas que realizan alguna labor en la industria cerca. En 1993 un grupo de investigadores de Estados Unidos realizó un trabajo de sondeo en 55 compañías, de las cuales, 19 utilizaban cerca de 580 robots industriales, obteniendo que sólo el 20% de los robots se encontraban físicamente encerrados en barreras perimetrales, mientras que 60% tenía una barrera limitada o no tenía barreras. Además sólo 5% de los robots tenían censado redundante y el personal de las compañías entraba en el área de robots 38% de las 8 horas al día (véanse Aghazadeh et al 1993, Hirschfeld et al 1993).

Existen autores que indican que es importante la introducción de espacios de trabajo colaborativos, donde humanos y robots pueden trabajar simultáneamente, en dichos espacios no existen vallas físicas que separen a los robots de las personas en las celdas de trabajo, esta forma de realizar los procesos ha modificado la manera de pensar en la integración de robots en la industria (véase Pedrocchi et al 2013 y referencias incluidas). Incluso, en Goodrich y Schultz 2007 indica que ha surgido una nueva área de investigación en la última década, llamada Interacción Humano-Robot, todo con la finalidad de monitorear de forma segura la posición de usuarios dentro de espacios colaborativos para asegurar estrategias que eviten colisiones.

5 CONCLUSIONES

Existe diversidad de aplicaciones para los robots industriales, así como áreas de implementación las cuales han permitido que la venta de este tipo de equipos incremente de manera considerable con el transcurso del tiempo. Sin embargo, la compatibilidad de estos equipos para trabajar con controladores externos como son los PAC’s, PLC’s y PC’s e incluso la aplicación de técnicas          de control y optimización como son los AG’s, permiten que se haga uso óptimo de recursos o variables dentro del sistema implementado lo que genera enormes beneficios para las empresas, sin embargo, también es una responsabilidad pues es de las maquinarias más peligrosas en la industria. Es por ello que el contar con un sistema de monitoreo y control adecuado es de suma importancia, contar con sensores que paren el movimiento, estrategias que permitan parar las colisiones con los operadores, controladores que respondan en tiempo real si el proceso así lo requiere, todo debido a que los robots con suficiente potencia y velocidad pueden llegar a causar gran daño.

Todo esto ha generado áreas de investigación emergentes, como la Interacción Humano-Robot, el estudio de estrategias de control en tiempo real, la comparación de dispositivos adecuados entre los controladores automáticos programables y otros nichos de oportunidad para los investigadores del área.

REFERENCIAS

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