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Canales Sectoriales
Automatización en la industria 4.0
El modelo industrial, basado en los sistemas cyberfísicos, combina nuevos actuadores con sistemas cibernéticos para formar el núcleo de esta 4ª Revolución

El nuevo pensamiento robótico

J. Manuel Pedrero, Mikel Sánchez, Tecnalia Research & Innovation. División Industria y Transporte. infodit@tecnalia.com16/07/2015
La característica clave del futuro es que se aproxima rápidamente a medida que vamos gestionando, mejor o peor, el presente. En el apartado de fabricación, y en el de la tecnología, esto se aplica al 100%.

Desde hace no mucho, la palabra Industria 4.0, relacionada con la denominada 4ª Revolución industrial ha acampado entre nuestros papeles, planes y pensamientos. En este proceso, se ha diseñado un nuevo modelo industrial basado en los sistemas cyberfísicos, la combinación de nuevos actuadores y de los sistemas cibernéticos (programas y algoritmos que controlan y gobiernan un entorno) para formar el núcleo de esta 4ª Revolución, los denominados ‘Cyber-Physical Systems’. El nuevo modelo, orientado a conseguir un nuevo impulso local de la industria de mayor valor añadido y no basado en los costes de la mano de obra, plantea industrias locales, inteligentes, con nuevos modelos de negocios derivados y la aplicación masiva de conceptos y tecnologías que ya se encontraban entre nosotros, como las comunicaciones industriales avanzadas (ahora en 4G, y muy pronto en su quinta generación, el 5G), Internet de las Cosas, IoT, o la gestión de grandes cantidades de datos, el Big Data. En esta situación, todos los aspectos relacionados con la generación de conocimiento, el diseño de los nuevos modelos de negocio o la reorganización y coordinación del tejido productivo adquieren una gran importancia.

También parece claro que si queremos empresas viables, con voluntad de crecimiento en el futuro, situadas localmente en países desarrollados con costes de M.O. muy altos, y con el deseo de que estas empresas sean competitivas, el apartado de automatización de procesos, principalmente a partir de la robótica, va a ser muy importante.

Robótica

En 1942, Isaac Asimov enunció por primera vez las 3 leyes de la robótica que estos sistemas debían cumplir, al menos en la ciencia ficción de sus libros.

  1. Un robot no hará daño a un ser humano o, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño.
  2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto si estas órdenes entrasen en conflicto con la 1ª Ley.
  3. Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la 1ª o la 2ª Ley.1

Dejando aparte la hoy exótica 3ª Ley, las dos primeras leyes podrían aplicarse perfectamente a un entorno industrial productivo. La verdad es que los robots actuales no las cumplen.

Un sistema robótico actual utilizado en la industria no es capaz de discriminar si va o no a dañar a un ser humano. Ni dispone de información, ni herramientas, ni criterios para hacerlo. Actualmente un robot obedece ciegamente las instrucciones de un código programado independientemente de las consecuencias que esto pueda tener para las personas, para el entorno o para la calidad del producto que está manipulando. Por ello, la respuesta que se ha dado al problema es el aislamiento en células de trabajo en donde cualquier error tenga las menores consecuencias que sea posible.

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Robot antropomórfico con herramienta avanzada Maaximus.

Si estamos de acuerdo en que el fondo de estas leyes podría ser bueno para conseguir una mejora productiva, y que la automatización robótica encaja perfectamente con los planteamientos de la fábrica del futuro y con la estrategia Industria 4.0, está claro que es necesario hacer algo.

Robótica dentro de la Fábrica del Futuro

La robótica tradicional sirve para las necesidades tradicionales. Desde el comienzo de los actuales robots antropomórficos, los más conocidos industrialmente, su efectividad, precisión y repetitividad han superado con mucho las posibles limitaciones y riesgos. Se han colocado en espacios confinados, bajo el control de personal experto en su operación y programación.

En el contexto tecnológico y productivo en el que nos encontramos, surgen nuevas necesidades relacionadas con los robots:

  • Deben ser aún precisos.
  • La flexibilidad necesaria implica movilidad, autónoma o no.
  • Deben actuar sobre grandes espacios, y no siempre a nivel de suelo
  • Hay que adaptarlos a nuevos espacios de trabajo, en donde van a trabajar colaborativamente con personas.
  • Tienen que reconocer su entorno, mediante sensores y cámaras, y actuar en función de las circunstancias.

Esta ‘actuación según circunstancias’ seguramente es uno de los puntos más complejos por solucionar. Para quesea efectiva hay que considerar tres tipos de actores:

  • Sentidos: Sensores de todo tipo que captan en tiempo real la realidad del entorno, tanto el directamente relacionado con la producción (dimensiones de las piezas o conjuntos, colores, pesos…) como el no relacionado (presencia de personas u objetos).
  • Comunicaciones: Los sistemas están comunicados constantemente con los centros de control y con otros equipos, intercambiando información sobre su situación en cada instante, así como cuáles van a ser sus próximos movimientos.
  • Algoritmos y programación: La información recogida desde los sensores o recibida a través de las redes de comunicaciones se procesa en algoritmos ‘inteligentes’, programas complejos que siguiendo las pautas de la inteligencia artificial no producen respuestas únicas, sino adaptadas a cada caso y necesidad, puesto que incluyen en su interior criterios de actuación, más que órdenes. Además, la programación de operaciones debe ser mucho más sencilla que en el presente, ya que debemos centrarnos en dar instrucciones básicas y aproximadas. Es el propio robot con sus sentidos, el que ejecuta los últimos detalles de precisión (estos detalles que requieren mucho tiempo durante la puesta a punto).

La fábrica del futuro tenderá, por temas de eficiencia, a distribuirse en grandes espacios en superficie y/o en volumen, con muy poca intervención humana. La optimización de los equipos en grandes superficies se puede solucionar con los sistemas robotizados móviles. Ya existen hoy en día algunas soluciones en este sentido. El aprovechamiento de los grandes volúmenes espaciales con soluciones robóticas no ha sido solucionado hasta el momento. Solamente gracias a los nuevos conceptos, como la robótica de cables es posible abordarlo con la máxima garantía en todos los sentidos. Además, las personas se encargarán de los trabajos de mayor complejidad, trabajando codo a codo con “herramientas” activas, los robots, con quienes actuarán de forma cooperativa. A continuación podemos ver estos dos casos.

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Sistema robotizado móvil Mugiro.

El desafío de los grandes espacios

La automatización de las operaciones y manipulaciones en grandes espacios se sigue realizando a través de grúas gantry de operación manual y acceso vertical. Son equipos pesados, no muy rápidos, con una buena respuesta para el transporte en planta, especialmente los de mayor volumen y peso, que deben ser utilizados con mucho cuidado y por manos expertas, especialmente para las tareas de montaje.

El concepto de la robótica de cables, o la ‘Parallel cable-driven robotics’ soluciona los problemas de acceso, manipulación u operación a lo largo de espacios de trabajo muy grandes, de la forma más eficaz, económica y automática. Mediante el funcionamiento coordinado de 8 cables que por su naturaleza siempre funcionan a tracción, es posible manipular manualmente o de forma automática un dispositivo activo o pasivo sobre 6 o más grados de libertad. La combinación del robot con sensores y cámaras propios o externos, situados en el entorno de trabajo, ofrecen espacios precisos, conectados, seguros para personas y bienes y viables económicamente.

Los sistemas robóticos de cables son:

  • Altamente flexibles. Pueden gestionar 6 grados de libertad, o más si otros dispositivos robóticos se utilizan sobre la plataforma.
  • Fácilmente instalables, sin construcciones o modificaciones mayores en la intalación.
  • Altamente productivos, ya que pueden moverse a alta velocidad.
  • Versátiles, pudiendo incorporar un gran número de adaptaciones.
  • Ecológicos, tanto en la cantidad de material utilizado para su construcción como en sus necesidades energéticas.
  • No requieren mucho espacio sobre planta, utilizando principalmente las esquinas y zonas extremas.

El prototipo a escala real CoGiRo, situado en las instalaciones de Tecnalia en Montpellier (Francia), es el robot paralelo conducido por cables más grande de Europa. Ha sido desarrollado conjuntamente por Tecnalia y por CNRS-LIRMM de Montpellier y puede realizar operaciones de logística, montaje de equipos o pintado de grandes superficies, tanto en modo automático como en modo manual. El espacio de la instalación es de 15x11x6 m3, con una carga máxima de 500 kg.

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Prototipo CoGiRo en Tecnalia Montpellier. (Videos accesibles en Youtube escribiendo en el buscador ‘COGIRO cable driven parallel robot’ o en el canal Euronews (es.euronews.com)con la palabra Cablebot).

Este concepto de sistema robotizado, muy diferente al tradicional antropomórfico, abre un camino nuevo para un concepto innovador y práctico de la automatización, de forma similar a lo que supuso la utilización de los sistemas de cinemática paralela en simulación, mecanizado, o manipulación a muy alta velocidad.

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Robot de cables en operaciones de pintado en grandes superficies.

La colaboración personas – robots

La relación entre personas y robots no siempre ha sido fácil. Los hemos visto amenazantes, sin sentimientos, generadores de paro al ocupar puestos de trabajo humanos… El aislamiento de personas y robots entre sí ha sido total. Por otra parte, pocos objetos de nuestro entorno han llegado hasta nuestras manos, sin la intervención de un robot en una u otra forma.

La nueva fábrica del futuro, dentro de la estrategia Industria 4.0, pretende cambiar este concepto. Los apartados de automatización, respeto a las personas y su dedicación a las tareas de mayor valor añadido, combinados con las nuevas tecnologías muestran cuáles van a ser los elementos básicos de esta colaboración.

Desde el punto de vista de la relación entre robots y personas:

  • Robots y personas van a poder trabajar codo a codo, sin que exista ningún riesgo de daño para personas o bienes.
  • Las personas podrán dar instrucciones directas a los robots, o realizar secuencias de programación in situ, de la forma más fácil.
  • El aspecto de los nuevos robots será más aproximado a una configuración ‘humana’, con elementos como cabeza y brazo o brazos.
  • Las arquitecturas bibrazo o multibrazo, lógicamente combinadas con la sensorización y los programas de control adecuados, implican un avance muy importante al proporcionar opciones de operación y manipulación muy diferentes a las actuales.
  • Las actividades de los equipos están totalmente monitorizadas mediante las cámaras de entorno y las comunicaciones que permiten intercambiar datos e información entre el robot, las personas y el propio producto que ya es activo y transporta su propia secuencia de trabajo e historial de fabricación y utlización.

Como ejemplo de esta nueva robótica colaborativa, podemos centrarnos en Hiro, robot japonés bibrazo al que Tecnalia integra en cada entorno de fabricación con la sensorización, programación y adaptación al entorno que sea necesaria. Las pruebas e instalaciones realizadas hasta el momento demuestran la capacidad de trabajo del robot en este nuevo entorno colaborativo junto con las personas.

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Programación de trabajo colaborativo para el robot Hiro.

Conclusiones

Tenemos nuevas necesidades y por lo tanto necesitamos una nueva robótica ajustada a los conceptos de la fábrica del futuro en cuanto a sostenibilidad, automatización, colaboración con las personas, inteligencia o flexibilidad. La conexión constante con centros de control, personas y objetos manipulados o en proceso, nos orienta hacia un nuevo tiempo de los recursos productivos.

En los grandes volúmenes espaciales, sea bajo cubierta, al aire libre o bajo agua, la robótica de cables es una alternativa viable tecnológicamente, rentable económicamente, flexible y muy precisa. Con conceptos como este o como los robots bibrazo, es posible valorar de nuevo la mejor solución para nuestros problemas, de forma segura y colaborativa, y a partir de la experiencia previa.

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