Modelos de Robots y sus Características.

Desarrollo por Tipo de Robots:

Robot de Brazo Articulado (6 Ejes):

Articulado 6 ejes

Los robots articulados de 6 ejes son una de las configuraciones más comunes y versátiles en la robótica industrial. Su diseño se inspira en la estructura del brazo humano, lo que les permite un alto grado de libertad de movimiento y la capacidad de realizar tareas complejas en espacios tridimensionales.

Estructura y Funcionamiento:

Un robot articulado de 6 ejes está compuesto por un brazo robótico con seis articulaciones rotativas, también conocidas como ejes. Cada eje representa un grado de libertad (GDL). Los primeros tres ejes se encargan de posicionar la muñeca del robot en el espacio, mientras que los últimos tres ejes controlan la orientación de la herramienta o el efector final.

 

  • Eje 1 (Base): Gira la base del robot sobre un pedestal, permitiendo el movimiento de izquierda a derecha.
  • Eje 2 (Hombro): Mueve el brazo principal hacia adelante y hacia atrás.
  • Eje 3 (Codo): Mueve el antebrazo hacia arriba y hacia abajo, similar a la articulación del codo.
  • Eje 4 (Muñeca): Rota la muñeca.
  • Eje 5 (Muñeca): Flexiona la muñeca.
  • Eje 6 (Muñeca): Rota el efector final.

Esta configuración permite al robot alcanzar un punto en el espacio y orientar su herramienta en cualquier dirección, lo que es crucial para tareas como soldadura, pintura y ensamblaje.

Ventajas y Aplicaciones:

La versatilidad de los robots de 6 ejes los hace indispensables en numerosas industrias.

Ventajas:

  • Alta flexibilidad: La capacidad de operar en 3D les permite imitar los movimientos de un brazo humano.
  • Amplio rango de trabajo: Pueden acceder a puntos difíciles de alcanzar dentro de una celda de trabajo.
  • Precisión y repetibilidad: Realizan movimientos exactos de manera consistente, lo que es vital para el control de calidad.

Aplicaciones:

  • Soldadura: Se utilizan para soldadura por arco y por puntos, ya que pueden seguir trayectorias complejas con gran precisión.
  • Pintura y Recubrimientos: Su capacidad para orientar el pulverizador de pintura en cualquier ángulo asegura una cobertura uniforme.
  • Manipulación de materiales: Mueven y colocan piezas pesadas o de formas irregulares en líneas de producción.
  • Ensamblaje: Realizan tareas de ensamblaje complejas, como la inserción de componentes electrónicos o el atornillado de piezas.
  • Paletizado: Apilan cajas o productos de manera organizada y eficiente.

Desafíos y Consideraciones:

A pesar de sus ventajas, los robots de 6 ejes también presentan desafíos.

  • Programación: La programación de las trayectorias puede ser compleja debido a la gran cantidad de variables de posición y orientación.
  • Colisiones: Se requiere una planificación cuidadosa de la trayectoria para evitar colisiones con el entorno o con el robot mismo (singularidades).
  • Coste: Suelen ser más caros que los robots con menos ejes debido a la mayor complejidad mecánica y de control.

Los robots de 6 ejes son una tecnología clave en la automatización moderna. Su diseño y versatilidad continúan impulsando la productividad y la seguridad en la fabricación en todo el mundo.

Robot SCARA (4 Ejes):

Un robot SCARA (del inglés, Selective Compliance Assembly Robot Arm) de 4 ejes es un tipo de robot industrial diseñado para realizar tareas de ensamblaje que requieren una alta velocidad y precisión en un plano horizontal, mientras que ofrecen una rigidez controlada en el eje vertical. A diferencia de los robots articulados de 6 ejes, su diseño cinemático es más simple, lo que los hace ideales para operaciones "pick and place" y otras aplicaciones similares.

SCARA

Estructura y Funcionamiento:

La configuración de un robot SCARA se asemeja a la de un brazo humano, pero con movimientos limitados.

Posee cuatro ejes de movimiento (grados de libertad):

 

  • Eje 1 y 2 (X e Y): Dos ejes rotacionales que permiten al brazo moverse y posicionarse en un plano horizontal.
  • Eje 3 (Z): Un eje lineal que permite al brazo subir y bajar verticalmente.
  • Eje 4 (Rotación en Z): Un eje rotacional en el extremo del brazo que permite girar la herramienta o el efector final.

Esta configuración permite una gran velocidad en los movimientos horizontales y una rigidez excepcional en el movimiento vertical, lo que es crucial para insertar piezas o componentes con precisión.

Ventajas y Aplicaciones:

Los robots SCARA se han convertido en una opción popular en la automatización de la industria debido a sus beneficios.

Ventajas:

  • Alta velocidad y precisión: Su diseño les permite realizar movimientos horizontales a gran velocidad con una alta repetibilidad.
  • Diseño compacto: Ocupan poco espacio en el suelo de la fábrica, lo que facilita su integración en líneas de producción.
  • Costo-efectividad: Son generalmente más económicos que los robots articulados de 6 ejes.
  • Programación sencilla: La programación de las trayectorias es menos compleja que en robots con más grados de libertad.

Aplicaciones:

Los robots SCARA son una solución ideal en sectores donde se requiere manipulación de piezas pequeñas y repetitivas.

  • Ensamblaje electrónico: Colocación de chips, conectores y otros componentes delicados en placas de circuito impreso.
  • Operaciones de "Pick and Place": Recogida y colocación de productos a alta velocidad, como en el empaquetado de alimentos y productos farmacéuticos.
  • Dosificación y dispensación: Aplicación de adhesivos, lubricantes y selladores con gran precisión.
  • Inspección de calidad: Realizan tareas de inspección visual cuando se integran con sistemas de visión artificial.

Limitaciones:

A pesar de sus beneficios, los robots SCARA tienen algunas limitaciones importantes. Su principal desventaja es la limitación de su movimiento a un plano horizontal. No pueden realizar tareas que requieran una orientación compleja de la herramienta, como las que realizan los robots articulados de 6 ejes. Su área de trabajo es un cilindro, lo que limita su flexibilidad en comparación con otros tipos de robots.

Este video es relevante porque ofrece una explicación visual de cómo funciona un robot SCARA.

https://www.youtube.com/watch?v=7x5JsqQqqb8

Robot Delta (Paralelo):

Los robots Delta son un tipo de robot industrial con una arquitectura única y paralela, lo que los hace ideales para aplicaciones que demandan una velocidad y precisión extremas. A menudo se les llama "robots araña" debido a su apariencia.

Delta

Estructura y Funcionamiento:

A diferencia de los robots articulados o SCARA que tienen una cinemática en serie (una articulación sigue a la otra), los robots Delta tienen una arquitectura paralela. Su diseño se compone de:

 

  • Una base superior fija: Generalmente se monta en el techo de la celda de trabajo.
  • Tres o más brazos: Estos brazos, ligeros y rígidos, se extienden desde la base. Están conectados a un solo punto en la plataforma móvil inferior.
  • Una plataforma móvil: Es la base donde se monta el efector final (pinza, ventosa, etc.). Esta plataforma se mueve en las direcciones X, Y y Z.
  • Motores estacionarios: Los motores que controlan el movimiento de los brazos están fijos en la base superior, lo que minimiza la masa en movimiento.

 Esta estructura permite que la plataforma móvil se mueva a velocidades increíblemente altas, ya que los motores no tienen que ser arrastrados. El movimiento de la plataforma es el resultado de la coordinación simultánea de los tres brazos, lo que genera una alta precisión.

Ventajas y Aplicaciones:

La cinemática paralela de los robots Delta les confiere una serie de ventajas que los hacen perfectos para tareas específicas.

Ventajas:

  • Velocidad superior: Son los robots industriales más rápidos, superando incluso a los robots SCARA en aplicaciones de "pick and place". Pueden realizar cientos de movimientos por minuto.
  • Alta precisión y repetibilidad: Su diseño paralelo y la menor masa en movimiento reducen la inercia, permitiendo una precisión excepcional, vital en industrias como la electrónica.
  • Diseño compacto: Son relativamente pequeños y a menudo se montan en el techo, lo que ahorra espacio valioso en la planta.
  • Mantenimiento simplificado: Al tener los motores fijos, el mantenimiento y la reparación son más sencillos.

Aplicaciones:

Los robots Delta son la solución de elección en industrias donde el tiempo de ciclo es crítico y se manipulan objetos pequeños y ligeros.

Limitaciones:

A pesar de sus ventajas, los robots Delta tienen limitaciones importantes que restringen su uso a aplicaciones específicas.

  • Alcance de trabajo limitado: Tienen un volumen de trabajo mucho menor que los robots articulados.
  • Carga útil baja: No están diseñados para manipular objetos pesados.
  • Movimiento restringido: Su diseño no les permite realizar orientaciones de herramienta complejas, ya que se centran en movimientos rápidos en los ejes X, Y y Z.

Los robots Delta son una maravilla de la ingeniería robótica, optimizados para la velocidad y precisión en un nicho muy específico de la automatización. Su estructura paralela los distingue y los convierte en la herramienta indispensable para cualquier tarea de "pick and place" de alto rendimiento.

Robots Cartesianos:

Los robots cartesianos son un tipo de robot industrial con una arquitectura simple y modular que se mueven a lo largo de los tres ejes principales de un sistema de coordenadas cartesianas: X, Y y Z. Su estructura se basa en actuadores lineales que permiten un movimiento preciso y rectilíneo, lo que los diferencia de los robots articulados y SCARA que utilizan principalmente movimientos rotacionales.

Carteciano

Estructura y Funcionamiento:

La estructura de un robot cartesiano, a menudo llamado "robot de pórtico" o "gantry robot", consiste en un sistema de guías lineales interconectadas que forman un marco rectangular. Cada guía representa un eje de movimiento (X, Y o Z) y el movimiento a lo largo de cada eje es independiente de los demás. Esta independencia de los ejes simplifica enormemente la programación, ya que la posición y orientación de la herramienta se pueden controlar directamente con coordenadas cartesianas.

  • Eje X: Mueve el brazo de izquierda a derecha.
  • Eje Y: Mueve el brazo hacia adelante y hacia atrás.
  • Eje Z: Mueve el brazo hacia arriba y hacia abajo.

Esta configuración es ideal para aplicaciones que requieren movimientos en línea recta y trayectorias definidas con precisión.

Ventajas y Aplicaciones:

La simplicidad de su diseño cartesiano les otorga una serie de ventajas que los hacen muy valiosos en la industria.

Ventajas:

  • Alta precisión y repetibilidad: Su diseño de movimiento lineal minimiza los errores de posicionamiento.
  • Gran capacidad de carga: Su estructura robusta y rígida les permite manejar cargas pesadas con facilidad.
  • Área de trabajo grande y escalable: Se pueden configurar con ejes de casi cualquier longitud para cubrir áreas de trabajo extensas.
  • Programación sencilla: Los movimientos se controlan directamente con coordenadas cartesianas, lo que facilita la programación y la integración.
  • Costo-efectividad: Son generalmente más económicos que otros tipos de robots con capacidades de carga y área de trabajo similares.

Aplicaciones:

Los robots cartesianos son la solución ideal para tareas que requieren precisión en un entorno 3D y una gran área de trabajo.

  • Ensamblaje y manipulación de materiales: Mueven y colocan componentes pesados o voluminosos en líneas de producción.
  • Corte por láser y soldadura: Su precisión lineal los hace perfectos para seguir trayectorias de corte o soldadura.
  • Dosificación y dispensación: Aplican adhesivos, selladores o recubrimientos de manera uniforme.
  • Paletizado y empaquetado: Apilan y organizan productos en grandes áreas.
  • Automatización de laboratorios: Realizan tareas repetitivas de manipulación de muestras con gran precisión.

Limitaciones:

A pesar de sus muchas ventajas, los robots cartesianos tienen ciertas limitaciones. La principal es su falta de flexibilidad en la orientación, ya que sus movimientos se limitan a los tres ejes principales. No son adecuados para tareas que requieran maniobras complejas alrededor de obstáculos o una orientación variable de la herramienta, como la que ofrecen los robots articulados.

Para obtener más información sobre el modelo cinemático de los robots industriales, puedes ver este video:

Cinemática directa usando matrices de transformación homogéneas.

https://www.youtube.com/watch?v=wICl-b9JcHc 

Robots Colaborativos o Cobots:

Los Robots Colaborativos o Cobots son robots industriales diseñados para trabajar de forma segura y directa con humanos en un espacio de trabajo compartido. A diferencia de los robots industriales tradicionales que operan en jaulas de seguridad, los cobots se centran en la interacción y la colaboración, asumiendo tareas repetitivas o peligrosas para liberar a los trabajadores.

Cabot

Características Técnicas y Funciones Básicas:

 

  • Seguridad Inherente: Esta es la característica más importante. Están equipados con sensores de fuerza-par en sus articulaciones que les permiten detectar colisiones y detenerse o revertir su movimiento al contacto con una fuerza inusual, previniendo lesiones.
  • Fácil Programación: Suelen programarse de forma intuitiva mediante interfaces gráficas en tabletas o mediante el "aprendizaje por arrastre" (hand guiding), donde un operario mueve manualmente el brazo robótico a través de los puntos de la tarea, y el robot memoriza la trayectoria.
  • Ligereza y Flexibilidad: Son más livianos y compactos que los robots industriales, lo que facilita su reubicación y su despliegue en diferentes puntos de la línea de producción sin necesidad de grandes modificaciones.
  • Velocidad Limitada: Su velocidad de operación está controlada para garantizar la seguridad. Al detectar la proximidad de un humano, pueden reducir la velocidad o detenerse por completo.

Tecnologías Más Usadas:


  1. Sensores de Fuerza-Par: Integrados en las articulaciones, miden la fuerza y el par aplicados, permitiendo una detección de colisión instantánea. Esta es la base de la seguridad del cobot.
  2. Sistemas de Visión Artificial: Cámaras 2D y 3D, a menudo integradas en el cobot, permiten el reconocimiento de objetos, la inspección de calidad y el guiado del robot para tomar piezas de un contenedor desordenado (bin picking).
  3. Algoritmos de Control Avanzado: Permiten la programación de trayectorias complejas y la ejecución de movimientos suaves y precisos, esenciales para tareas de ensamblaje o manipulación delicada.

Tipos y Variedad de Modelos:

Los cobots se clasifican principalmente por su carga útil (payload) y alcance. Modelos de carga útil baja (ej. 3-5 kg) son ideales para tareas de ensamblaje o manejo de piezas pequeñas, mientras que modelos más robustos (ej. 10-16 kg) se usan para paletizado o manipulación de materiales más pesados. La mayoría son de brazo robótico articulado, con 6 o 7 grados de libertad para una gran flexibilidad de movimiento.

 

Aplicaciones Comunes:

Los cobots son versátiles y se aplican en una variedad de industrias, como la manufactura, la automoción, la electrónica y la logística.

  • Manipulación de Materiales: Tareas de "pick and place" (recoger y colocar), embalaje y paletizado.
  • Ensamblaje: Atornillado, pegado o inserción de componentes en una línea de montaje.
  • Inspección de Calidad: Usan cámaras para verificar defectos o la correcta colocación de piezas.
  • Alimentación de Máquinas: Carga y descarga de piezas en máquinas de control numérico (CNC) o de moldeo por inyección.

Ventajas y Desventajas:

Ventajas

Desventajas

Seguridad: Pueden trabajar sin barreras de seguridad, reduciendo el riesgo de accidentes.

Velocidad Limitada: Su velocidad es menor que la de los robots industriales para garantizar la seguridad, lo que puede no ser ideal para producciones de gran volumen.

Bajo Costo de Implementación: No requieren grandes infraestructuras ni vallas de seguridad, lo que reduce los costos iniciales.

Menor Capacidad de Carga y Alcance: Generalmente no pueden manejar cargas tan pesadas ni alcanzar distancias tan grandes como los robots industriales.

Flexibilidad y Reubicación: Se adaptan fácilmente a diferentes tareas y pueden ser movidos rápidamente en la planta.

Riesgo por Colisión del Objeto: Aunque el cobot está diseñado para detenerse, si la pieza que manipula tiene un borde afilado o es peligrosa, aún puede causar un accidente.

Facilidad de Uso: La programación intuitiva permite a operarios sin conocimientos técnicos operarlos y adaptarlos a nuevas tareas.

No Sustituyen a los Robots Industriales: No son adecuados para tareas que requieren alta velocidad, cargas muy pesadas o entornos peligrosos que un humano no puede ingresar.

 Robots humanoides:

Los robots humanoides son máquinas diseñadas para imitar la forma y los movimientos del cuerpo humano. Se caracterizan por tener un torso, dos brazos, dos piernas, una cabeza y un sistema de locomoción bípeda.

Humanoide

Características Técnicas:

Las características técnicas de los robots humanoides incluyen:

 

  • Sistemas de Actuación: Usan servomotores para los movimientos precisos en articulaciones, como rodillas y codos. También incorporan actuadores lineales y músculos neumáticos para movimientos de mayor fuerza y flexibilidad.
  • Sensores: Cuentan con una variedad de sensores que les permiten interactuar con su entorno. Estos incluyen:
    • Sensores de visión: Cámaras 2D y 3D (LiDAR y RGB-D) que les permiten percibir su entorno y objetos.
    • Sensores de fuerza y presión: Ubicados en manos y pies para manipular objetos con delicadeza y mantener el equilibrio.
    • Sensores de equilibrio: Acelerómetros y giróscopos que les ayudan a mantenerse erguidos y estables.
  • Sistemas de Procesamiento: Poseen CPU y GPU de alto rendimiento para procesar la información de los sensores en tiempo real.

Aplicaciones en el Ámbito Industrial:

Si bien los robots industriales tradicionales son más comunes, los humanoides tienen aplicaciones específicas debido a su forma y movilidad:

  • Manipulación de tareas: Pueden manejar herramientas y equipos diseñados para humanos, como martillos, destornilladores y llaves.
  • Tareas de inspección y mantenimiento: Acceden a áreas de difícil acceso para los humanos o robots tradicionales, como tuberías, plataformas elevadas o espacios confinados.
  • Colaboración con humanos (Cobots): Trabajan de manera segura al lado de los trabajadores, ayudando en tareas como el ensamblaje de piezas, el empaquetado y la clasificación de productos.

Ventajas y Desventajas: 

Ventajas:

 

  • Flexibilidad: Pueden adaptarse a diferentes tareas y entornos de trabajo sin necesidad de rediseño.
  • Compatibilidad: Usan infraestructura y herramientas diseñadas para humanos.
  • Capacidad de colaboración: Su forma humanoide facilita la interacción con los trabajadores.

Desventajas:


  • Costo: Son mucho más caros de fabricar y mantener que los robots industriales tradicionales.
  • Velocidad y eficiencia: Son más lentos y menos eficientes para tareas repetitivas de gran volumen.
  • Vulnerabilidad: Son más propensos a fallos y daños debido a la complejidad de sus sistemas.

Interrelación con el Operador Humano:

La interrelación entre robots humanoides y operadores humanos es un área de constante desarrollo. Los humanoides pueden interactuar con humanos a través de:

  • Interfaz de voz: Reconocimiento de voz y síntesis de voz para entender y responder a comandos.
  • Gestos: Sistemas de visión que les permiten entender gestos como señas con las manos o movimientos de cabeza.
  • Pantallas y luces: Interfaces visuales en sus cuerpos que muestran su estado y acciones.

Esta interacción permite una comunicación natural, lo que mejora la colaboración y reduce la curva de aprendizaje para los trabajadores.

Capacidad de Toma de Decisiones y Transmisión de Órdenes 

La inteligencia artificial (IA) y el aprendizaje automático (ML) han permitido a los robots humanoides adquirir la capacidad de tomar decisiones.

 

  • Nivel de trabajo: Pueden analizar su entorno, como la posición de una herramienta o la condición de un producto, y ajustar sus acciones en consecuencia.
  • Nivel jerárquico: Con los avances en IA, los humanoides podrían en el futuro tener la capacidad de supervisar y transmitir órdenes a otros robots o incluso a los operadores humanos. Esto implicaría que el robot no solo ejecuta tareas, sino que también las coordina. Por ejemplo, un robot supervisor podría identificar una falla en la línea de producción y enviar instrucciones a un operador humano para que la corrija. Esto es aún una tecnología incipiente y plantea desafíos éticos y de seguridad.

Robots Móviles y Flexibles (AMR):

Los Robots Móviles y Flexibles (AMR) a diferencia de sus predecesores, los AGV (Vehículos Guiados Automáticamente) que siguen rutas fijas (como cables o cintas magnéticas), los AMR son autónomos. Utilizan una combinación de sensores, cámaras y software de navegación inteligente para entender su entorno y moverse libremente por él, sorteando obstáculos como personas, carretillas elevadoras o cajas que puedan estar en su camino.

 

AMR

Sus características técnicas principales incluyen:

 

  • Sistemas de navegación: Utilizan tecnologías como LiDAR (detección y medición por luz), cámaras 3D, y mapas digitales del entorno para crear una representación de su espacio de trabajo y planificar sus movimientos en tiempo real.
  • Sensores de seguridad: Tienen escáneres de seguridad que detectan personas y objetos, y detienen o desvían su movimiento para evitar colisiones.
  • Batería inteligente: Cuentan con sistemas que les permiten monitorear su nivel de energía y, si es necesario, ir por sí mismos a una estación de carga para recargarse.

Funciones y Aplicaciones 

Los AMR se usan principalmente para el transporte de materiales. Sus funciones son variadas y útiles en muchos sectores:

 

  • Logística: Mueven palets, cajas o estanterías enteras en almacenes, desde la zona de recepción hasta el área de empaquetado o envío.
  • Fabricación: Llevan piezas de un punto a otro en una línea de montaje, asegurando que la producción no se detenga.
  • Hospitales: Transportan medicamentos, muestras de laboratorio o ropa de cama, liberando al personal médico para que se concentre en los pacientes.

Un ejemplo muy claro es el de los AMR en los almacenes de Amazon. Estos robots se mueven bajo las estanterías, las levantan y las transportan hasta la estación del operario. Esto permite que el trabajador se quede en un solo lugar y las estanterías con los productos vengan a él, en lugar de tener que recorrer largos pasillos para recoger los productos.

Ahora que tenemos una idea de lo que son y lo que hacen, ¿qué crees que podrían ser algunas de sus ventajas en comparación con los AGV más antiguos o incluso con el trabajo manual?

Ventajas de los AMR:

 

  • Mayor Flexibilidad: A diferencia de los AGV que siguen rutas fijas, los AMR pueden re-planificar su camino en tiempo real. Esto significa que si el diseño de una fábrica o almacén cambia, no hay necesidad de instalar una nueva infraestructura.
  • Seguridad Mejorada: Los AMR están diseñados para trabajar junto a las personas. Sus sensores les permiten detectar y evitar obstáculos, lo que crea un entorno de trabajo más seguro para todos.
  • Fácil Implementación: Requieren menos inversión en infraestructura (no hay que instalar cables o cintas en el suelo), por lo que pueden integrarse de manera más rápida y sencilla en los procesos de una empresa.
  • Aumento de Productividad: Al encargarse de las tareas de transporte repetitivas, los AMR permiten a los trabajadores humanos concentrarse en tareas que aportan más valor y que requieren pensamiento crítico y creatividad.

Desventajas de los AMR:


  • Costo Inicial: Aunque su implementación es más flexible, la tecnología avanzada de los AMR (sensores, software de navegación, etc.) puede hacer que su costo inicial sea más elevado que el de los AGV tradicionales.
  • Complejidad del Software: La programación y gestión de las flotas de AMR pueden ser complejas, especialmente en entornos dinámicos con muchos robots operando a la vez.

Relación con el operador Humano 

Tradicionalmente, la robótica se veía como una amenaza para los empleos. Sin embargo, en el caso de los AMR, la visión es diferente:

  • Creación de nuevos roles: En lugar de eliminar empleos, los AMR crean nuevas oportunidades. Por ejemplo, se necesitan operadores para supervisar la flota, programar nuevas tareas y darles mantenimiento.
  • Colaboración en lugar de reemplazo: Los AMR no están diseñados para reemplazar a los trabajadores, sino para ser herramientas de colaboración que asuman las tareas más tediosas, pesadas o peligrosas, liberando a las personas para realizar trabajos más complejos y gratificantes.

La llegada de los AMR no influye en reemplazar a los trabajadores, sino sobre potenciar sus capacidades y crear un entorno laboral más seguro y eficiente.

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