Etimológicamente encontramos que la palabra Robot se encuentra emparentada con la palabra góticaArbaiths, que significa trabajo, faena, apuro. Una palabra alemana análoga es Arbeit, que significa trabajo, y la palabra equivalente en eslavo antiguo es Rabota. En checo y en polaco, Robota quiere decir servidumbre o trabajo forzado. Los robots generalmente son fabricados para hacer aquellas tareas que resultan complicadas o peligrosas para el ser humano y en quellas áreas en las que la velocidad y la precisión de los mecanismos automatizados superen a las habilidades del hombre, pero:
¿En dónde surgió la idea de los robots?
En la antigüedad existió, en varias culturas, la idea de poseer aparatos mecánicos parecidos a los hombres o a los animales que fueran los encargados de hacer las tareas de la vida cotidiana. En la mitología griega, por ejemplo, se pueden encontrar sirvientes mecánicos que hacían los deberes en las casas de los dioses y cabezas que hablaban para pronunciar sentencias oraculares. En la India se hablaba de la existencia de hombres de madera que caminaban cantaban y danzaban, para entretener a la población y en Egipto, lo mismo que en China, se creía que los hombres sabios poseían los conocimientos necesarios para infundir vida a las estatuas
y utilizarlas como esclavos.
Más tarde, durante la Edad Media, los investigadores prestaron especial interés por los autómatas; así hombres como Roger Bacon, Ramón Lull y el Papa Silvestre II lograron algunos avances en las ciencias formales que hoy en día son la base para el diseño y construcción de mecanismos automatizados.
Jacquard en 1801 en la época en que se inventaron los telares automáticos, se inspiró en el mecanismo de las cajas musicales (que daban la facilidad de intercambiar sus carretes logrando con esto que las cajas produjeran diferentes melodías), para lograr por medio de tarjetas perforadas intercambiables controlar la secuencia de operación de los telares y obtener diferentes diseños. Esta misma idea fue utilizada por Herman Hollerith en 1886 para construir una máquina perforadora electromecánica con la que tabularon el censo de los EE.UU. de 1890.
La principal contribución de Jacquard fue separar la parte mecánica (en computación esto correspondería al hardware) de la parte de la realización de un programa de control (que correspondería al software).
Posteriormente Charles Babbage, quien es considerado como el padre de las computadoras, intentó aplicar los mismos conceptos de manera más general y John Von Neumann, en 1947, apoyado en las ideas de Babbage, estableció una forma de diseño en la cual se basan las computadoras modernas. Estas últimas juegan un papel muy importante en el control de muchos de los robots actuales.
Los robots hoy en día pueden ser vistos como un conjunto de mecanismos automatizados que son capaces de realizar el tipo de tarea para la cual han sido creados; es por lo anterior que una disciplina que ha tenido un gran éxito en los últimos años es la robótica industrial, cuya atención está centrada en el diseño y la construcción de robots que eleven la velocidad de los diversos procesos de producción y aumenten la calidad de los productos.
La ingeniería mecánica ha aportado una serie de avances importantes en la construcción de motores, de sistemas de transmisión y de sistemas hidráulicos que aunados al desarrollo de la tecnología de las computadoras han podido contribuir a la construcción de los robots que son utilizados actualmente.
Definición de robot
Dar una definición concreta de robot no es sencillo. Resulta tan complicado como intentar definir por ejemplo, la diversión o el aburrimiento; se conoce si algo es divertido o aburrido, pero es largo explicarlo con palabras.Un Robot es un dispositivo generalmente mecánico, que desempeña tareas automáticamente, ya sea de acuerdo a supervisión humana directa, a través de un programa predefinido o siguiendo un conjunto de reglas generales, utilizando técnicas de inteligencia artificial. Generalmente estas tareas reemplazan, asemejan o extienden el trabajo humano, como ensamble en líneas de manufactura, manipulación de objetos pesados o peligrosos, trabajo en el espacio, etc.
Con independencia respecto a la definición de "robot":
"La Robótica es la conexión inteligente de la percepción a la acción"... [Michael Brady and Richard Paul, editors. Robotics Research: The First International Symposium. The MIT Press, Cambridge MA, 1984]
En base a su objetivo:
"La Robótica consiste en el diseño de sistemas. Actuadores de locomoción, manipuladores, sistemas de control, sensores, fuentes de energía, software de calidad--todos estos subsistemas tienen que ser diseñados para trabajar conjuntamente en la consecución de la tarea del robot"...[Joseph L. Jones and Anita M. Flynn. Mobile robots: Inspirations to implementation. A K Peters Ltd, 1993]
Supeditada a la propia definición del término robot:
"La Robótica describe todas las tecnologías asociadas con los robots"
Un Robot también se puede definir como una entidad hecha por el hombre con un cuerpo y una conexión de retroalimentación inteligente entre el sentido y la acción (no bajo la acción directa del control humano). Usualmente, la inteligencia es una computadora o un microcontrolador ejecutando un programa. Sin embargo, se ha avanzado mucho en el campo de los Robots con inteligencia alámbrica. Las acciones de este tipo de Robots son generalmente llevadas a cabo por motores o actuadores que mueven extremidades o impulsan al Robot.
La RIA (Robot Industries Association) lo define así: un robot es un manipulador reprogramable y multifuncional, diseñado para mover cargas, piezas, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variadas y programadas. En resumen se puede decir:
* Su característica fundamental es poder manejar objetos (o sea, manipulador). Un robot se diseña con este fin, teniendo en cuenta que ha de ser muy versátil a la hora de utilizar herramientas y manejarlas.
* La segunda peculiaridad que a diferencia de otras máquinas automáticas es su capacidad para realizar trabajos completamente diferentes adaptándose al medio, e incluso pudiendo tomar decisiones. A eso es a lo que se refiere lo de multifuncional y reprogramable.
Reseña histórica
Elektro fue el robot humanoide presentado de 136 kilogramos por la firma Westinghouse:
Desde hace poco, Elektro se puede ver en el museo Mansfield Memorial en Ohio, EEUU.
El siguiente link muestra el video acerca de la presentación del robot electro.
http://www.youtube.com/watch?v=T35A3g_GvSg
1942. Isaac Asimov crea el concepto las tres leyes de la robótica:
1. Un robot no debe lastimar a un ser humano o, por falta de acción, permitir que un ser humano se lastime.
2. Un robot debe obedecer las ordenes dadas por un ser humano, con excepción de las ordenes que contradigan a la primera ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia mientras dicha protección no esté en conflicto con la primera y segunda ley.
En la década de 1890 el científico Nikola Tesla, inventor, entre muchos otros dispositivos, de los motores de inducción, ya construía vehículos controlados a distancia por radio. Tesla fue un visionario que escribió sobre mecanismos inteligentes tan capaces como los humanos.
Las máquinas más próximas a lo que hoy en día se entiende como robots fueron los "teleoperadores", utilizados en la industria nuclear para la manipulación de sustancias radiactivas. Básicamente se trataba de servomecanismos que, mediante sistemas mecánicos, repetían las operaciones que simultáneamente estaba realizando un operador.
Inmediatamente después de la Segunda Guerra Mundial comienzan los primeros trabajos que llevan a los robots industriales. A finales de los 40 se inician programas de investigación en los laboratorios de Oak Ridge y Argonne National Laboratories para desarrollar manipuladores mecánicos para elementos radiactivos. Estos manipuladores eran del tipo "maestro-esclavo", diseñados para que reprodujeran fielmente los movimientos de brazos y manos realizados por un operario.
En 1958, Devol se unió a Joseph F. Engelberger y, en el garaje de este último, construyeron un robot al que llamaron Unimate. Era un dispositivo que utilizaba un computador junto con un manipulador que conformaban una "máquina" que podía ser "enseñada" para la realización de tareas variadas de forma automática. En 1962, el primer Unimate fue instalado a modo de prueba en una planta de la General Motors para funciones de manipulación de piezas y ensamblaje, con lo que pasó a convertirse en el primer robot industrial. Devol y Engelberger fundarían más tarde la primera compañía dedicada expresamente a fabricar robots, Unimation, Inc., abreviación de Universal Automation.
Durante la década de los 60, un nuevo concepto surge en relación con los anteriores avances. En vistas a una mayor flexibilidad, se hace necesaria la realimentación sensorial. En 1962, H. A. Ernst publica el desarrollo de una mano mecánica controlada por computador con sensores táctiles llamada MH-1. Este modelo evolucionó adaptándole una cámara de televisión dentro del proyecto MAC. También en 1962, Tomovic y Boni desarrollan una mano con un sensor de presión para la detección del objeto que proporcionaba una señal de realimentación al motor.
En 1963 se introduce el robot comercial VERSATRAN por la American Machine and Foundry Company (AMF). En el mismo año se desarrollan otros brazos manipuladores como el Roehampton y el Edinburgh.
En 1968 se publica el desarrollo de un computador con "manos", "ojos" y "oídos" (manipuladores, cámaras de TV y micrófonos) por parte de McCarthy en el Stanford Artificial Intelligence Laboratory. En el mismo año, Pieper estudia el problema cinemático de un manipulador controlado por un computador. También este año, la compañía japonesa Kawasaki Heavy Industries negocia con Unimation la licencia de sus robots. Este momento marca el inicio de la investigación y difusión de los robots industriales en Japón.
por la aplicación a la que están destinados.
I.- CLASIFICACIÓN POR ESTRUCTURA MECÁNICA
CLASIFICACIÓN POR EL TIPO DE CONTROLAtendiendo al tipo de control, la clasificación más elemental que suele realizarse es la siguiente:
Servo-controlados. Los robots servo-controlados se gobiernan utilizando la información procedente de sensores que monitorizan continuamente la velocidad y posición de los ejes del robot y componentes asociados. La realimentación que supone esta información, se compara con la información con la que el robot ha sido pre-adiestrado, y que se encuentra programada en los dispositivos de memoria del robot.
No servo-controlados. Los robots no servo-controlados carecen de realimentación y sus ejes se controlan mediante un sistema de topes mecánicos y finales de carrera.
CLASIFICACIÓN POR EL TIPO DE TRAYECTORIA
Los robots industriales pueden ser programados desde para recorrer simplemente una distancia, hasta para desempeñar sus operaciones preprogramadas con diferentes tipos de trayectorias generadas a través de diferentes técnicas de control.
Existen tres tipos diferentes de trayectoria posibles:
trayectoria Punto-a-Punto
trayectoria controlada
trayectoria continua
Robot de trayectoria Punto-a-Punto
Los robots controlados de esta manera son programados para moverse desde un punto discreto hasta otro, dentro del entorno de trabajo del robot. En el modo de operación automática, la trayectoria real recorrida por el robot variará ligeramente, debido a variaciones en la velocidad, geometría de las articulaciones localizaciones espaciales de los puntos.
Esta diferencia entre las trayectorias es difícil de predecir y por consiguiente pude ocasionar un peligro potencial en la seguridad de las personas y los equipos.
* **Robot de trayectoria controlada
La trayectoria o el modo de movimiento asegura que el final del brazo del robot seguirá una trayectoria y orientación predecible (controlada) ya que el robot viaja de punto a punto. Las transformaciones entre coordenadas requeridas para el manejo de este hardware, son calculadas por el ordenador que dirige el sistema de control del robot.
Este tipo de programación es menos probable que presente peligros en la seguridad de las personas o en los equipos.
***Robot de trayectoria continua
Un robot de trayectoria continua controlada es aquel cuya trayectoria se controla mediante el almacenamiento de una gran sucesión de puntos espaciales en memoria durante una secuencia de aprendizaje. Durante este tiempo, y mientras el robot se mueve, las coordenadas de los puntos de cada eje en el espacio son monitoreadas de manera continua en una base de tiempo fija (por ejemplo 60 veces por segundo o más) y almacenadas en la memoria del ordenador del sistema de control. Cuando el robot opera en modo de automático, se carga el programa de la memoria y se genera una trayectoria duplicada.
CLASIFICACIÓN POR APLICACIÓN
ente a las aplicaciones, se pueden destacar los siguientes grandes grupos de robots:
Robots de soldadura.
Robots de ensamblado.
Robots de manipulado.
Robots de pintura.
APLICACIONES DE LA ROBOTICA
En este apartado se proporciona un una visión general de las aplicaciones más importantes de los robots en el mundo actual.
I.- APLICACIONES TRADICIONALES
Dentro de las aplicaciones tradicionales de los robots en los sectores manufactureros caben destacar las siguientes, entre las más representativas hasta el momento actual.
Industria de automoción
El sector automovilístico es el primer consumidor de robots y de sistemas de automatización. La automatización en este sector está orientada a maximizar la productividad, la calidad y la seguridad. La carga de herramientas pesadas y la permanencia en entornos peligrosos han sido sustituidas por trabajos de supervisión y mantenimiento. De hecho, es uno de los sectores con menor grado de siniestralidad.
Uno de los sectores en los que más se han volcado tradicionalmente los fabricantes de robots y automatismos ha sido en el proceso de fabricación de automóviles (ver video de robot de aplicación automatizada de etiquetas en carrocerías, Robot Kuka). Alrededor del 25% de todos los robots instalados en el sector de automoción se dedica a la soldadura de carrocerías y diversas piezas, bien sea por puntos o por arco. Otra aplicación importante es el ensamblado de subconjuntos, tales como motores, lunas, depósitos, ruedas, embellecedores externos, etc. Se estima que al menos el 20% de todas las aplicaciones de ensamblado está robotizado en la industria del automóvil. La pintura de las carrocerías está totalmente robotizada en la mayoría de las factorías. Esta aplicación es muy similar a otras: sellado de juntas y uniones, aplicación del pegamento para las lunas, corte de piezas de plástico y metálicas, bien sea por láser o por chorro de agua. Por otro lado, las aplicaciones de transporte y manipulado también están robotizadas casi en su totalidad. Las aplicaciones más típicas son paletización de producto en almacenes y buffers (almacenes intermedios), y la alimentación de máquinas (prensas de chapa, máquinas-herramientas, autoclaves, etc.). La actual tendencia en producción es sustituir las máquinas especializadas por sistemas de propósito general, siendo en algunos casos robots industriales.
Industria química
La industria química es la parte más representativa de la industria de control de procesos, cuyas variables físicas son casi todas continuas. Los sectores que abarca van desde el petroquímico hasta el cementero, pasando por la agroquímica, polímeros, farmaquímica y desalinización. No obstante, sea cual sea el sector, el proceso básicamente consiste en la manipulación de materias primas, la reacción química propiamente dicha, la separación primaria de los productos, la separación posterior de productos líquidos o sólidos y la purificación del producto final. Debido al número elevado de variables físicas que hay que controlar y supervisar en un proceso químico, los sistemas de control son de arquitectura distribuida. Esto implica una arquitectura hardware en la que cada ordenador se encargue de adquirir, a través de sensores, la información necesaria para cerrar el bucle de control local y de comunicarse con otros ordenadores.
Uno de los aspectos más importantes en las instalaciones químicas es la seguridad, siendo los parámetros fundamentales que intervienen los siguientes: uso de hardware fiable con autochequeos periódicos, posibilidad de exclusión de los sistemas de control de los elementos degradados, la reconfiguración automática de los sistemas y la redundancia en el control. Una buena instrumentación de las plantas químicas es la base del buen funcionamiento de la misma. Entre los múltiples sensores que intervienen en el control de una planta química destacan los sensores de temperatura (termopares, termorresistencias, termistores, pirómetros), de presión (con membranas, galgas, piezoeléctricos), de nivel (ultrasonidos, capacitivos), de caudal (de presión diferencial, de impacto, caudalímetros electromagnéticos, medidores volumétricos, caudal másico) y lumínicos (fotodiodos, CCD).
Industria química
La industria química es la parte más representativa de la industria de control de procesos, cuyas variables físicas son casi todas continuas. Los sectores que abarca van desde el petroquímico hasta el cementero, pasando por la agroquímica, polímeros, farmaquímica y desalinización. No obstante, sea cual sea el sector, el proceso básicamente consiste en la manipulación de materias primas, la reacción química propiamente dicha, la separación primaria de los productos, la separación posterior de productos líquidos o sólidos y la purificación del producto final. Debido al número elevado de variables físicas que hay que controlar y supervisar en un proceso químico, los sistemas de control son de arquitectura distribuida. Esto implica una arquitectura hardware en la que cada ordenador se encargue de adquirir, a través de sensores, la información necesaria para cerrar el bucle de control local y de comunicarse con otros ordenadores.
Uno de los aspectos más importantes en las instalaciones químicas es la seguridad, siendo los parámetros fundamentales que intervienen los siguientes: uso de hardware fiable con autochequeos periódicos, posibilidad de exclusión de los sistemas de control de los elementos degradados, la reconfiguración automática de los sistemas y la redundancia en el control. Una buena instrumentación de las plantas químicas es la base del buen funcionamiento de la misma. Entre los múltiples sensores que intervienen en el control de una planta química destacan los sensores de temperatura (termopares, termorresistencias, termistores, pirómetros), de presión (con membranas, galgas, piezoeléctricos), de nivel (ultrasonidos, capacitivos), de caudal (de presión diferencial, de impacto, caudalímetros electromagnéticos, medidores volumétricos, caudal másico) y lumínicos (fotodiodos, CCD).
Otras industrias
En la industria cerámica (muchas veces también asociada a la industria del vidrio), las principales aplicaciones de la automatización de la producción se centran en la automatización de máquinas y procesos. Una de las áreas de automatización prioritarias es el transporte y almacenamiento de piezas delicadas, para lo que se necesitan equipos de paletización termoventilados basados en robots de pórtico con ruedas, que permiten el llenado de las cajas, el etiquetado, la aplicación de flejes y el paletizado final. Para el control de calidad de la cerámica se emplea la visión artificial. (Ver video de robot de manipulación de tejas de barro, Robot Tipo KR 125/3, robot de seis ejes)
En la industria textil, la fabricación cuenta ya con un alto nivel de automatización pero la utilización de robots en esta industria está muy limitada, centrándose casi exclusivamente en aplicaciones de paletizado y manipulado. Una de las aplicaciones robóticas más novedosas es el manipulado de telas para su posterior cosido automático. La principal dificultad está en desarrollar pinzas capaces de manipular telas. Existen prototipos de pinzas que generan un chorro de aire en una dirección determinada, levantando la tela para posteriormente cogerla. Este problema de manipular y colocar la tela en posición correcta es sumamente complejo.
La automatización de la industria de plásticos pasa por mejorar sus numerosos equipos. Las modernas máquinas de fabricación de piezas plásticas se pueden dividir en: fabricación de moldes, granuladoras, secadoras, dosificadoras, máquinas de inyección de gran velocidad, moldeadoras de grandes piezas, manipuladores para carga y descarga de máquinas, etc.
La industria de transformaciones metálicas está estrechamente ligada al sector de máquina-herramienta, normalmente gobernada por controles CNC, donde la carga y descarga de estas máquinas se realiza por robots industriales sincronizados con éstas.
APLICACIONES INNOVADORAS
A continuación se presenta una visión general de las aplicaciones innovadoras de los robots en nuevos sectores.
Servicios
Según previsiones de la ONU, en las dos próximas décadas, en los países occidentales se duplicará el número de personas mayores de ochenta años y el número de pensionistas aumentará un 50%. Por ello serán muy importantes los robots de asistencia personal (Figura 3) en el hogar. Su aplicación principal es la de acompañar a las personas de avanzada edad o con ligeros problemas de movilidad, mejorando su condición de vida dentro de la casa. El robot ofrece una comunicación multimedia con el usuario, controla los electrodomésticos de la casa, lleva el plan de compras, lavados, reparaciones y visitas, y sirve de guía en la casa. En la actualidad existen pocos productos comerciales que puedan realizar estas operaciones, teniendo la mayoría de ellos un aspecto de un robot móvil con una consola embarcada. Respecto al cuidado de personas discapacitadas, ya sea por dificultades de movilidad o por problemas mentales, han sido realizados numerosos robots asistenciales. En entornos interiores más grandes, como por ejemplo hospitales, se necesitan robots móviles que transporten medicamentos, correspondencia, instrumental, etc.
(Ver video del robot humanoide de Honda llamado Asimo)
En la investigación se han desarrollado humanoides o brazos robóticos que pueden suplantar algunas de las tareas cotidianas ayudando al hombre. (Ver video de un robot de torso superior, robot Ludwing, del Imperial College of Science, Technology and Medicine de Londres)
Agricultura
La agricultura tiene en general un aceptable nivel de automatización, sobre todo en lo relacionado a los cultivos de grano. No obstante, el nivel de automatización es bajo en cultivos de frutas y verduras al aire libre o en invernaderos. En estas aplicaciones la mayoría de las operaciones necesitan el uso masivo de mano de obra.
Se han desarrollado aplicaciones para los procesos de sembrado, riego, abonado, fumigación y recolección donde las diferentes máquinas que intervienen están equipadas con sensores y sistemas GPS que les permitan generar amplios mapas de estado de las plantaciones durante todo el ciclo de la cosecha. La recolección de frutas, verduras y cereales es el segundo gran grupo de aplicaciones de la robótica.
Industria de alimentación
La industria de alimentación emplea una cantidad importante de mano de obra en operaciones bastante repetitivas. La introducción de sistemas automatizados con un alto grado de flexibilidad y una continua adaptación a la demanda (que actualmente se centra en productos frescos) son requisitos básicos para la actual industria de alimentación (Ver video de robot para manipular bananas, alimentos frescos). En la industria cárnica los sistemas automáticos de despiece más avanzados utilizan tecnología de visión 3D con iluminación estructurada.
El sector avícola es uno de los más automatizados en la parte de producción de huevos, pero en menor medida en la parte de control y selección de las aves, y de producción de carne avícola. Dada la disminución de los caladeros de pesca y el aumento de la demanda de pescado fresco, el sector piscícola tiene una imperiosa necesidad de automatización y aumento de su productividad. El sector de lácteos y bebidas cuenta con un alto nivel de automatización mediante sistemas rígidos (Ver video de robot para el apilado de cajas de bebida, Robot Kuka tipo KR180) Su productividad es muy alta, pero en los últimos años crece la necesidad de un mayor nivel de flexibilidad. Se desea utilizar al máximo las instalaciones, sin efectuar paradas innecesarias y producir más productos distintos en la misma factoría.
Medicina
La medicina y las infraestructuras médicas suelen tener un peso aproximado al 10% en el PIB de los países industrializados, lo que unido a que se trata de la salud, convierte la medicina en uno de los sectores estratégicos. La característica más destacada de la automatización de la medicina es la necesidad de una alta seguridad en las operaciones a realizar. Por esta razón, la mayoría de los nuevos sistemas son total o parcialmente teleoperados. En estos sistemas se requiere contar con una realimentación sensorial rápida y fiable, tanto visual como de tacto y fuerza en las manos del cirujano. Se pueden destacar cuatro grandes áreas de actuación:
La laparoscopia y la endoscopia son las áreas más activas de la robotización médica, pues permiten evitar la cirugía tradicional. La automatización de los movimientos con gran precisión y libertad es el objetivo principal de la robotización.
Otro campo de aplicación de los robots quirúrgicos es el de la traumatología. Dentro del área de rehabilitación existen actualmente dos grandes tendencias: la introducción de prótesis activas controladas por ordenador y la colocación de sensores internos para estimulación del paciente. La tercera área de aplicación corresponde a la automatización de la producción de prótesis personalizadas.
Industria aeroespacial
En la parte de fabricación de aeronaves, la tendencia más moderna es la utilización de piezas de materiales compuestos, sobre todo fibra de carbono. El proceso de fabricación de estas piezas es tradicionalmente manual. En algunas factorías estas operaciones están robotizadas. Para la inspección de las piezas de fibra de carbono se emplean robots industriales, para las cuales se expide un certificado de inspección por ultrasonidos según procedimientos muy estrictos. Otra aplicación de gran importancia y complejidad en el sector aeroespacial es el control del tráfico aéreo. Otra de las importantes actividades espaciales en tierra es el entrenamiento de los astronautas (cosmonautas). Una de las operaciones terrestres más ligadas a la robótica es la teleoperación y telepresencia tanto de naves como de robots espaciales. La robótica espacial tiene su máximo exponente en la exploración planetaria mediante robots móviles (rovers).
(Ver vídeo de un brazo robótico empleado en el sector espacial de la empresa Robotics Research, modelo k-1207i)
Bibliografia
International Federation of Robotics (IFR)http://www.ifr.org
Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation (IPA)http://www.ipa.fhg.de/english/index.php
Occupational Safety & Health Administration (OSHA)U.S. Department of Labor http://www.osha.gov
http://cfievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/intro.htm
http://anonymousspynet.googlepages.com/robotsporservicio
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