Mejorando la eficiencia de producción: Cómo robots y equipos humanos colaboran para seguridad y sinergia

La fabricación eficiente requiere sistemas coordinados de personal de planta, equipos y software. Estos sistemas incluyen cada vez más tecnología robótica, ya que los fabricantes reconocen la fiabilidad, repetibilidad y flexibilidad que los robots proporcionan. Según la Federación Internacional de Robótica, el número de robots industriales en uso en todo el mundo aumentará a alrededor de 2,6 millones para 2019, aproximadamente un millón más que en 2015. Aproximadamente el 70% de los robots industriales se usan en las industrias automotriz, eléctrica/electrónica y de metales y maquinaria.

La seguridad es la primera consideración en cualquier operación de fabricación; el uso seguro de robots industriales tradicionalmente ha requerido mantener distancias establecidas entre personal de planta y robots, y colocar guardas y jaulas alrededor de los robots para prevenir lesiones de trabajadores. Una creciente variedad de robots, software y estrategias de implementación apunta a una interacción más cercana y productiva entre humanos y robots.

El control de esta relación varía desde interrupción gobernada por sensores del movimiento de un robot cuando los trabajadores se mueven a áreas potencialmente peligrosas, hasta la aplicación de robots totalmente «colaborativos», también llamados cobots, diseñados para operar de forma segura codo a codo con trabajadores humanos. Diferentes modos de colaboración permiten a los fabricantes aprovechar las capacidades completas de sistemas robóticos y personal de planta.

Lo aburrido, peligroso y sucio

La actual escasez de trabajadores calificados en EE. UU. impulsa gran parte de la demanda de robots colaborativos. La jubilación de personal veterano de planta y no suficientes trabajadores jóvenes entrando a la fuerza laboral de fabricación ha dejado a propietarios de talleres con déficits de personal.

Para abordar esta brecha de habilidades, los fabricantes están usando robots para operaciones repetitivas y/o peligrosas y moviendo trabajadores a trabajos que requieren más pensamiento y habilidad. «Estamos viendo que la gente se reasigna», dijo Craig Tomita, gerente de ventas, región oeste, para Universal Robots USA Inc. (Ann Arbor, MI), un fabricante de robots totalmente colaborativos.

Tomita dijo que la implementación de robots colaborativos es relativamente simple porque trabajan en un envoltorio a escala humana y no requieren la protección necesaria con robots industriales tradicionales. No hay necesidad de reorganizar la planta y la utilización del espacio no cambia. «Solo pones robots colaborativos donde los operadores humanos están haciendo el trabajo actualmente», dijo, añadiendo que aunque los robots colaborativos son seguros, la evaluación de riesgos —determinar todos los peligros potenciales en un sistema y encontrar formas de mitigarlos— es vital.

La facilidad de uso es un atributo clave de robots totalmente colaborativos. Aunque las capacidades de robots colaborativos pequeños están a la par con las de robots tradicionales pequeños, los requisitos de entrenamiento y programación colaborativos son mínimos. «La facilidad de programación en el sistema UR es un cambio de juego», dijo Tomita. «Cuando, por ejemplo, un robot necesita integrarse en un sistema de fabricación más grande, las unidades de Universal pueden programarse y ejecutarse usando una pantalla táctil de mano. Si se necesita, usuarios de nivel superior también pueden programar el robot usando su lenguaje de scripting tipo Python».

Los robots colaborativos pueden usarse fácilmente por talleres más pequeños, donde los costos de integración han sido una barrera de entrada. «Si lo miras como un iceberg, la parte del robot asoma sobre el agua», dijo Tomita. «El proceso de integración es lo que está abajo. Tomas ese iceberg como un todo y se vuelve realmente caro. Un robot colaborativo cuesta aproximadamente lo mismo que un robot industrial estándar, pero el costo de integración es mucho menor», dijo.

La utilización de robots también puede ayudar a reducir costos laborales, dijo Tomita: «Compañías que usan robots colaborativos a menudo pueden cotizar trabajos que no podían antes porque sus costos laborales estaban fuera de juego».

Las aplicaciones potenciales están abiertas. «El número y tipos de aplicaciones para nuestros robots colaborativos aún no se han pensado», dijo Tomita. «La gente está tan acostumbrada a pensar que el robot está detrás de una jaula allá, la gente está aquí, y los dos nunca se encontrarán. Eso está cambiando».

Universal Robots ofrece tres modelos de robots colaborativos de seis ejes, desde unidades UR3 que manejan cargas útiles hasta 3,3 kg (7,26 lb) y tienen un radio de trabajo de 500 mm (19,7"), hasta robots UR10 con carga útil de 10 kg (22 lb) y radio de trabajo de 1300 mm (51,2").

Un cliente típico de robots Universal es CleanLogix LLC (Santa Clarita, CA), que desarrolla productos que usan CO2 en limpieza, enfriamiento y otras aplicaciones. El presidente de CleanLogix, David Jackson, dijo: «Podemos rociar en una zona de corte y proporcionar un medio muy limpio y ecológico para enfriar una herramienta de corte en un proceso». Notó que un solo robot puede realizar diferentes tareas; por ejemplo, colocar una pieza en un centro de mecanizado y luego cambiar el utensilio final para proporcionar refrigerante. «Así que tienes un robot multitarea y una solución totalmente verde, esbelta. Estamos muy emocionados sobre estos robots de factor de forma pequeño».

La capacidad de los robots colaborativos para trabajar seguros con humanos permite organizar operaciones para maximizar la sinergia; por ejemplo, un robot puede ensamblar una serie de componentes mientras un trabajador humano realiza inserción de alambres diminutos que requieren destreza y percepción cognitiva. Los robots son ideales para operaciones que requieren repetición, fiabilidad y precisión, incluyendo empaquetado, paletizado, ensamblaje y operaciones pick-and-place.

La repetibilidad y la precisión son mediciones separadas pero relacionadas del rendimiento del robot. La repetibilidad es una medida de la capacidad de un robot para volver a una posición dada vez tras vez. La repetibilidad reclamada de varios robots colaborativos está en el rango de aproximadamente ±0,02 a ±0,1 mm (0,0008 a 0,004") o menor.

La precisión, por otro lado, mide qué tan cerca de una posición o trayectoria deseada puede mover un robot, y puede categorizarse como precisión posicional y de trayectoria. Tareas como taladrado, donde el robot se mueve a una posición y se detiene mientras se taladra el agujero, requieren precisión posicional. La precisión de trayectoria se requiere para procesos como corte láser o pintura donde el proceso ocurre mientras el robot se mueve entre puntos.

La aplicación determina la colaboración

En general, la actividad codo a codo de personal de planta y robots se logra con robots colaborativos que manejan cargas útiles pequeñas a velocidades lentas —típicamente en las cercanías de 1 m/seg (39,4 ips). Sin embargo, dijo Nicolas De Keijser, gerente de línea de negocio de ensamblaje y prueba para la División de Robótica y Movimiento de ABB Inc. (Cary, NC), la carga que un robot lleva o la velocidad a la que viaja no garantizan por sí solas una operación colaborativa segura. Una carga útil muy ligera pero peligrosa podría ser una navaja o una aguja hipodérmica. Una carga pesada moviéndose lentamente podría representar un peligro de aplastamiento para el personal de planta. Similarmente, fallo del gripper al mover una carga media a velocidad moderada podría enviar la carga volando a través de la planta.

Un sistema robot solo es colaborativo relativo a su aplicación. «Si la operación es peligrosa, no quieres estar cerca del robot, sin importar qué tan colaborativo sea el robot», dijo De Keijser, añadiendo que una evaluación completa de seguridad de la solución es requerida en cualquier aplicación. «Si lees los estándares, siempre dictan que estamos hablando de operación colaborativa, no un robot colaborativo».

ABB toma dos enfoques para asegurar la coexistencia segura de trabajadores y robots. Aplicaciones verdaderamente colaborativas, como ensamblaje de piezas pequeñas, generalmente pueden ser cumplidas por el robot de mesa de doble brazo YuMi de la compañía. El robot de 38 kg (84 lb) tiene un alcance de 599 mm (24") y carga útil de 500 kg (1,1 lb) por brazo. Ocupa un área a escala humana mientras opera seguramente junto a personal de planta.

Por otro lado, ABB facilita la operación segura de robots industriales grandes y estándar vía sistemas redundantes que combinan programación cuidadosa y software de monitoreo de seguridad. Después de que un robot es programado para un rango seguro de operación, el software de monitoreo de seguridad certificado SafeMove2 de ABB proporciona protección de seguridad redundante monitoreando la actividad del robot, incluyendo límites de velocidad segura, monitoreo de parada y rangos de ejes, así como supervisión de posición y orientación. El software se integra en el controlador del robot, y puede ahorrar tiempo de configuración y facilitar mayor productividad mientras reduce el costo total de inversión, según De Keijser.

El sistema Kinetiq Teach de Yaskawa Motoman es un ejemplo de modo de guiado manual de interacción humano/robot descrito en normas ISO 10218-1 y 10218-2.

Control adaptativo integrado

Otra forma de colaboración robótica combina las habilidades y experiencia de un artesano con la capacidad de un robot para operar en áreas peligrosas. La soldadura generalmente no es una operación amigable para el usuario. Según Zane Michael, director de desarrollo de negocio térmico para Yaskawa America Inc., División de Robótica Motoman (Miamisburg, OH), «En el mercado actual, la palabra colaborativo significa que tienes una zona de robot y operador que se solapan. Están trabajando cercanamente juntos. No he visto la palabra colaborativo en ese sentido siendo aplicada al entorno de soldadura».

Aunque la soldadura robótica no puede llamarse estrictamente colaborativa, una forma de colaboración entre un soldador experto y un robot soporta rendimiento consistente. No es que operar un robot de soldadura sea demasiado difícil. «Programar y operar el robot es fácil», dijo Michael. «En Motoman, tenemos un sistema llamado Kinetiq Teach, donde puedes agarrar la antorcha y mover el robot a través del camino que quieres que siga, grabar ese camino, y estás listo para ir». Sin embargo, añadió, operar un robot de soldadura sin conocimiento de soldadura es «una batalla cuesta arriba» si ocurren defectos de soldadura episódicos como mordeduras o quemaduras.

En esos casos, un soldador experimentado puede ajustar las acciones del robot para superar los problemas. Sistemas de control adaptativo usando láser u otros sensores están disponibles para seguimiento básico de costura, pero la mayoría de sistemas de soldadura se envían sin tales sistemas. «El soldador humano tiene lo que llamo control adaptativo integrado», dijo Michael.

Dependiendo de la complejidad operativa y capacidades de volumen, las celdas de robot poseen diferentes formas de automatización y sistemas de seguridad. La celda de estación única ArcWorld C30 de Motoman es para procesamiento de bajo volumen, pieza única, de partes más pequeñas. Cuando la puerta de la celda se abre para permitir a un operador cargar una soldadura en el posicionador en la celda, el robot está en modo de parada de emergencia. Después de que el operador sale de la celda, la puerta desciende y la soldadura tiene lugar. Por otro lado, las máquinas de la serie 6000 de alto volumen, piezas grandes de Motoman presentan un posicionador que indexa fijaciones de piezas como una noria y puede cargarse desde fuera de la celda mientras múltiples robots sueldan un ensamblaje dentro.

Las empresas de soldadura enfrentan escasez de mano de obra similar a otros segmentos de fabricación. Basado en estadísticas de la Oficina de Estadísticas Laborales de EE. UU., la Sociedad Americana de Soldadura estima una escasez de soldadores de 290.000 en EE. UU. para 2020. Michael dijo que proveedores de soldadura visionarios están trabajando con escuelas técnicas y centros de carrera para crear currículo para soldadores. Por ejemplo, Motoman ha creado un programa STEM de soldadura y currículo correspondiente para formación de soldadura tanto de secundaria como de adultos.

Robots, el IoT

La computación en la nube y el Internet de las Cosas facilitan la colaboración entre robots, usuarios y fabricantes de robots. Los fabricantes rutinariamente monitorean tiempo de actividad de robots para documentar productividad, dijo Mark Scherler, gerente general, segmento de unión de materiales, para proveedor de robots FANUC America Corp. (Rochester Hills, MI), «Pero hay más que eso. Estamos usando Internet para recolectar datos de los robots y ayudar a fabricantes a mejorar tiempo de actividad».

FANUC proporciona robots colaborativos así como robots industriales estándar. Para explotar fully los datos que los robots recolectan, la compañía ha desarrollado una aplicación de diagnóstico de cero tiempo de inactividad (ZDT) que detecta y analiza información crítica sobre la operación mecánica y estado de mantenimiento de un robot. Por ejemplo, ZDT instalado en robots en una instalación de un fabricante puede detectar un robot experimentando niveles de par crecientes que pueden indicar un problema con un eje particular. Vía tecnología en la nube, la aplicación ZDT envía la información operacional al centro de datos de FANUC para análisis. Problemas críticos disparan transmisión de avisos a dispositivos inteligentes designados en el usuario del robot.

Al mismo tiempo, FANUC confirma disponibilidad de partes que pueden ser requeridas para resolver el problema. Los datos también pueden usarse para optimizar sistemas robóticos en términos de mejorar tiempo de ciclo, reducir consumo de energía, y extender vida del robot vía mejor mantenimiento.

Flexibilidad de automatización

Jeff Estes, gerente de ventas regional este para la división Morris-South del Grupo Morris (Charlotte, NC) y ex director, socios en THINC para Okuma America Corp., dijo que la industria automotriz de alto volumen ha liderado adopción de automatización por décadas. Hoy, fabricantes de menor volumen buscan la fiabilidad y predecibilidad proporcionada por automatización, pero también quieren la flexibilidad para permitir cambios rápidos de un lote de producción a otro. Para ese fin, la tecnología robótica permite a un taller cambiar rápidamente detalles de programación y efectores finales.

Estes señaló que automatizar robóticamente una máquina herramienta no simplemente involucra cargar y descargar piezas. «La clave es cómo lograr operación de baja o nula atención», dijo. En una celda totalmente automatizada, numerosos elementos, incluyendo una máquina herramienta, robot, galga, sistema de visión, y equipo de manipulación de materiales, se unen para crear una «operación de bucle cerrado que puede continuar corriendo y tomar decisiones básicas sin interacción humana», dijo Estes. Los múltiples elementos de una celda generan información sobre operaciones individuales pero, «hasta que empiezan a trabajar entre sí esos son solo pedazos de información». Un integrador elige y arregla elementos de celda y coordina sus funciones.

Algunos proveedores de máquinas herramienta mantienen capacidades de integración internas para proporcionar sistemas llave en mano. Methods Machine Tools Inc. (Sudbury, MA) tiene más de 30 ingenieros de automatización en EE. UU., así como personal de diseño, control, eléctrico/mecánico, integración de sistemas e instalación/servicio de campo. Complementando sus actividades como proveedor de máquinas herramienta e integrador de sistemas, Methods agregó recientemente un centro de automatización e integración a su instalación en Charlotte, NC. Especialistas de automatización e ingenieros de integración de sistemas proporcionan consulta al cliente sobre equipos y capacidades que van desde definir y construir celdas hasta realizar puestas en marcha. El enfoque de la nueva instalación de 10.000 pies² (929 m²) «está en proporcionar una solución integral a medida para nuestros clientes», dijo John Lucier, Gerente de Automatización de Methods.

Automatización holística

Tecnologías como robots colaborativos están cambiando la forma en que los fabricantes piensan sobre automatización. Estes anima a fabricantes a aprovechar el poder de los datos generados y recolectados por un sistema de automatización.

El análisis de datos puede contribuir a otros aspectos de producción, incluyendo calidad de producto, gestión de herramientas, flujo de materiales y logística. Al implementar tecnología robótica, los fabricantes deberían tomar «un enfoque más holístico», dijo Estes. «En lugar de solo salvar a una persona de cargar y descargar una máquina, un fabricante debería preguntar, "¿Puedo hacer algo más con este robot para hacerlo más relacionado con IoT o Industria 4.0 también?"». Los robots y sistemas de automatización tienen capacidades no apreciadas, dijo: «Incluso nosotros, como proveedores OEM, estamos aprendiendo cada día cuánto más capaces podemos hacerlos».

¿Qué hace a un robot colaborativo?

El término «robótica colaborativa» se usa frecuentemente para describir cualquier situación donde la acción del robot se controla para acomodar trabajadores humanos. En realidad, las posibles relaciones entre trabajadores y robots varían ampliamente por robot y por aplicación.

Las normas ISO 10218-1 y 10218-2, «Normas de Seguridad para Aplicaciones de Robots Industriales», se publicaron en 2011. Enlistan requisitos para diseño seguro, medidas de protección y aplicación de robots industriales. Los estándares definen cuatro modos diferentes de interacción relacionada con seguridad entre personal de planta y robots.

Un modo es la capacidad de realizar una parada monitorizada de seguridad. Sensores monitorizan un área predeterminada alrededor de un robot, y el movimiento del robot se detiene cuando un humano entra en esa área. Este nivel de monitoreo de seguridad es satisfactorio cuando la intervención humana es mínima, aunque interrupciones frecuentes pueden disminuir productividad. Un segundo modo involucra guiado manual, en el cual un operador enseña a un robot a seguir una trayectoria deseada agarrando el brazo del robot y moviéndolo a puntos deseados en la trayectoria mientras graba los puntos con un colgante de enseñanza. Un sensor de par de fuerza en el robot reconoce la guía manual del operador. El sensor no actúa como sistema de seguridad y, fuera del modo de enseñanza, el robot debe tener otros dispositivos o sistemas en lugar para asegurar interacción segura con humanos.

En el modo de monitoreo de velocidad y separación, un sistema de visión detecta humanos en una zona de seguridad designada alrededor del robot. A medida que la separación entre el robot y el humano disminuye, el robot se ralentiza gradualmente; a una cierta distancia, el movimiento del robot se detiene. Luego, a medida que el humano sale de la zona de seguridad, el robot reanuda el trabajo a velocidad normal. Este modo de seguridad graduado ayuda a mantener productividad incluso con intervenciones de trabajadores.

El cuarto modo de colaboración permite actividad codo a codo de robots y humanos y elimina la necesidad de guardas y jaulas protectoras. Los robots descritos se llaman robots de limitación de potencia y fuerza. Cuando sensores detectan fuerzas anormales en el robot, tales como las generadas al contactar un trabajador, el robot inmediatamente se ralentiza, se detiene o invierte. Estos robots generalmente son más pequeños y menos potentes que robots industriales tradicionales, y también tienen formas redondeadas y articulaciones cerradas para evitar lesiones por pellizco.

En 2016, ISO emitió la especificación técnica ISO/TS 15066 que añade detalle y clarificación a Normas ISO 10281-1 y 2. TS 15066 define robots colaborativos como aquellos diseñados para interacción directa con un humano en un espacio de trabajo colaborativo donde el humano y robot pueden realizar tareas simultáneamente. La especificación detalla la cantidad de fuerza que un robot puede infligir a un humano y causar ningún dolor o lesión. Los niveles de fuerza fueron determinados vía pruebas de impacto en áreas específicas del cuerpo humano. Aún así, es crítico realizar evaluaciones de riesgo de la operación siendo realizada y las partes y herramientas involucradas en una aplicación específica para asegurar seguridad absoluta.