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Tendencias de la robótica colaborativa en la Industrie 4.0


En la Industrie 4.0, los robots colaborativos, esos compañeros mecatrónicos e inteligentes que colaboran mano a mano con humanos, son un pilar fundamental.

Tendencias de la robótica colaborativa en la Industrie 4.0

Desde que en abril de 2011 apareciera el primer artículo utilizando el término Industrie 4.0 [1], abogando por la cuarta revolución industrial y los cambios que comportaría, ha habido un progresivo calado de estas ideas, no solo ya a nivel nacional en Alemania, sino más tarde con iniciativas similares en Estados Unidos, Japón, China, India y España, entre muchos otros. No obstante, ha sido el impulso e interés último de la industria lo que ha llevado a su propagación casi universal, más allá de círculos industriales e incluso tecnológicos. Dentro de esta ‘Industrie’ 4.0, los robots colaborativos, esos compañeros mecatrónicos e inteligentes que colaboran mano a mano con humanos en tareas hasta ahora poco automatizadas, son un pilar fundamental.

En esta robótica colaborativa creemos que hay tres campos tecnológicos de interés que actualmente se encuentran en distinto grado de maduración y penetración en la industria:

- En primer lugar, los robots en sí mismos, soluciones principalmente mecatrónicas pero también acompañadas de soluciones de software que, ante todo, garanticen la seguridad de las personas que trabajan junto a ellos y que permitan, por tanto, las tareas colaborativas.

- En segundo lugar, dado el objetivo de una Industrie 4.0 flexible, con producciones cortas y cambiantes que se puedan implementar de forma casi inmediata, los robots colaborativos necesitan nuevos paradigmas de programación para hacerlos más fáciles e intuitivos tanto de programar como de usar.

- Por otro lado, una vez tenemos robots colaborativos (que actualmente son básicamente brazos robóticos) queremos ver también una extensión hacia robots manipuladores móviles, que sean capaces de moverse autónomamente de un lugar a otro, por ejemplo, para el transporte de material. En contraste a lo que pueda verse hoy en día en soluciones similares en la intralogística, aquí se tiene que lidiar con entornos dinámicos en los que se pueden encontrar otros robots y personas, sin rutas o carriles definidos o separados.

Adicionalmente, hay dos campos que son también claves para una futura robótica colaborativa, pero, no obstante, no son exclusivos de la robótica, sino que son también piezas fundamentales en la Industrie 4.0. Estos dos campos son, por un lado, los sistemas de computación y de sensorización embebida, que permitan sistemas autónomos con gran capacidad de computación (es decir, decisión) y de procesado de ingentes cantidades de datos en tiempo real (principalmente de gran variedad de sensores). Por otro lado, el otro campo disruptivo y clave en la nueva robótica que va incluso más allá de la Industrie 4.0 es el del aprendizaje automático (machine – deep - learning), que posibilite una nueva generación de sistemas robóticos con capazidad de aprendizaje y, con ello, de autonomía a largo plazo (meses, años..), una vez las tecnologías anteriores alcancen un grado de maduración que así lo permita. A continuación se destacan algunos ejemplos disponibles en los dos primeros campos tecnológicos anteriormente citados.

Robots y soluciones de software que garanticen la seguridad de los robots

Aunque porcentualmente la mayoría de robots industriales siguen encontrándose recluidos detrás de vallas de protección, la nueva generación de robots colaborativos ha llegado para quedarse, compartiendo tareas hasta ahora realizadas manualmente, o bien poco automatizadas, donde el robot y el humano comparten (al menos temporalmente) el mismo espacio físico, incluso llegando a tener contacto físico. Estos robots colaborativos se diseñan primordialmente para tareas repetitivas, mientras la persona se dedica, en la cercanía del robot, a tareas que requieren de mayor carga cognitiva.

El pasado año finalmente se publicó la tan largamente anunciada normativa ISO-TS 15066. Esta especifica por primera vez los requirimientos de seguridad para aplicaciones de robótica colaborativa. La idea primordial es que el contacto entre humanos y robots se puede permitir, pero en este caso, se tiene que garantizar que ese contacto no resulte en heridas o cause dolor. Un factor clave es el análisis de riesgo de la aplicación, y esta normativa proporciona una guía para aquellos que deben realizar dichos análisis. La principal novedad son las tablas de máximas fuerzas y presiones permitidas dependiendo de la parte del cuerpo humano con las que los robots pudieran entrar en contacto. Asimismo, se establecen máximas potencias y velocidades para el caso de robots colaboradores en los llamados escenarios de potencia y fuerza limitada.

La lista de robots colaborativos ha ido incrementandose en los últimos años. Básicamente se diferencian dos grupos de empresas: las empresas que se han creado para comercializar exclusivamente este tipo de robots y las empresas de robots industriales que ofrecen en su portfolio un nuevo robot colaborativo o han modificado diseños actuales para adecuarlos a tareas colaborativas. Este último caso serían los robots recubiertos de material que puedan absorber posibles colisiones así como soluciones de software y nuevos sensores que detecten posibles colisiones y lleven al robot a una parada segura. De entre estos últimos podríamos destacar el Fanuc CR-35iA [2], el Motoman HC10 [3] y el nuevo COMAU AURA [4]. De entre los robots colaborativos del primer grupo podríamos destacar:

- El robot Sawyer [8]. Rethink Robotics entró en el mercado de los robots colaborativos en 2012 con el robot Baxter, un robot de dos brazos primordialmente para centros de investigación y universidades. Tras las experiencias con Baxter, Sawyer es un robot manipulador para uso industrial en tareas colaborativas que está encontrando su nicho de mercado.

- Los robots desarrollados por Universal Robots [9] son los primeros robots colaborativos diseñados para tal fin, de los cuales se vendieron los primeros ejemplares en 2009. En los últimos años han incorporado en su porfolio no solo un nuevo miembro a la familia (con capacidad de carga de 3 kg, complementando los ya existentes de 5 y 10 kg), sino también toda una constelación de componentes adicionales (garras, cámaras, software, etc.).

- El robot Franka [10] fue presentado en 2016 y las primeras unidades serán entregadas durante el año 2017. Es un robot creado por ex-investigadores del centro de robótica del DLR (Agencia Espacial Alemana), que ya dio origen a los robots ligeros de KUKA (siendo la última versión la de los KUKA iiwa [11] ). En este caso, se trata de un robot más ligero, de menor capacidad de carga (3 kg), pero con un precio muy ajustado, más similar a los de Universal Robots que a los de KUKA iiwa; no obstante, dado el uso de sensores de par en cada articulación se asemejan más a los KUKA iiwa que a los Universal Robots.

- Los robots de F&P Personal Robotics [12] son también una solución asequible, basada en un brazo de bajo peso recubierto con material que pueda absorber posibles colisiones.

Una característica importante de todos estos robots colaborativos es su limitada capacidad de carga, causada por la necesidad de reducir el peso del robot y, de esa forma, conseguir reducir las fuerzas / presiones máximas en caso de contacto o colisión con humanos. Todos ellos tienen un peso que en ningún caso sobrepasa los 30 kg (KUKA iiwa), con una capacidad de carga desde los 0.5kg (ABB Yumi [13]) hasta los 14kg (KUKA iiwa). Un robot industrial clásico, por el contrario, tiene un peso de más de 100kg para una capacidad de carga de 5 o 6kg.

Asimismo, se puede trazar una interesante gráfica que muestra los métodos utilizados para asegurar la seguridad de los robots, así como el grado de contacto con humanos que estos permiten. El eje horizontal de la figura adjunta muestra robots desde baja hasta alta capacidad de carga. El eje vertical va desde contacto human-robot nulo (robot aislado detrás de vallas de protección) y un contacto human-robot pleno (personas y robots compartiendo el mismo espacio sin ninguna restricción). En esta figura se pueden mostrar los métodos que actualmente se utilizan para garantizar tareas colaborativas seguras. Empezando por el cuadrante inferior derecho, robots con alta capacidad de carga y poco o ningún contacto permitido, encontramos los robots industriales clásicos. Estos, aun no siendo “seguros”, pueden también utilizarse en tareas colaborativas, pero sin llegar a permitir el contacto físico. En este caso, los métodos utilizados para garantizar la seguridad estarán basados en sensores externos (cámaras, escáneres / barreras láser) o cualquier otro dispositivo que monitorice el área de trabajo y asegure que en ningún momento se sobrepasa una distancia mínima entre el robot y el humano. Algunos ejemplos de estos sistemas son:

- los escáneres laser (por ejemplo, de SICK [5]), los que más frecuentemente se utilizan, y que tipicamente se instalan de forma que se monitorice el área 2D alrededor del robot y con los cuales se pueden definir áreas de seguridad en las que, tras detectarse una intrusión, se lleve el robot a una parada segura.

- El SafetyEye [6] de PILZ es una cámara para la monitorización del área de trabajo en tres dimensiones. Esta se monta encima del robot (hasta 4m de altura), obteniendo una visión cenital del robot. El sistema permite establecer diferentes zonas de aviso, detección o parada automática del robot en caso de intrusión.

- Sistema monitorización del área de trabajo basado en proyección del Fraunhoffer IFF [7]. En este caso, las regiones de seguridad se proyectan directamente sobre la zona de trabajo y un sistema de cámaras detecta interrupciones en estas áreas proyectadas. Asimismo, este sistema permite definir estas áreas de seguridad de forma dinámica dependiendo de la velocidad del robot o otras condiciones ambientales.

En el lado opuesto (cuadrante superior izquierdo) se encuentran los robots que han sido construidos con elementos de seguridad inherente: son los robots que limitan la potencia de sus motores (Kawada Hiro Nextage [14]), construidos con muy bajo peso (y, por tanto, inercia, como los ABB Yumi), o contienen actuadores elásticos que podrían amortiguar posibles colisiones (Sawyer / Baxter). Todo ellos tienen una característica común y es su bajo peso, que limita en algunos casos de forma extrema también su capacidad de carga pero que, por otro lado, los hacen aún menos peligrosos para los humanos y que no contuviesen otras medidas de seguridad. Por último, en el cuadrante inferior izquierdo nos encontramos con los robots que proporcionan seguridad utilizando software de control (basado en sensores internos y lazos internos de control muy rápidos). Son robots que incluyen sensores de par en sus articulaciones (Franka, KUKA iiwa), o que estiman esos pares del motor con las corrientes eléctricas para limitar así las fuerzas máximas (Universal Robots). En la misma figura, y para facilitar su comprensión, se han incluido algunos robots colaborativos y una estimación de su posible posición en esta gráfica, que no debe tomarse, no obstante, de forma muy estricta.

Conceptos de seguridad según la capacidad de carga del robot y su posible grado de contacto físico con humanos

 

Programación y uso intuitivo de los robots

Como se ha mencionado anteriormente, otro campo de interés es la programación intuitiva de esta nueva generación de robots. Con ello se pretende conseguir que sean más sencillos de programar para nuevas tareas, de forma que se consiga uno de los objetivos que con ellos se persigue: el de su uso para la fabricación de productos únicos, como a los que se encamina la Industria 4.0. No obstante, en general el objetivo es que sean sistemas flexibles, primordialmente para permitir producciones cortas y cambiantes, y de fácil y rápida programación. La totalidad de los robots colaborativos mencionados anteriormente (dentro del grupo de empresas que se han creado exclusivamente para este tipo de robots) ofrecen formas de programación intuitiva: los Universal Robots, los Baxter/Sawyer así como Franka y su concepto de “apps”, similar al concepto empleado en los teléfonos móviles.  

De forma similar a como ha pasado en el campo de la construcción de robots colaborativos, también han surgido, y siguen surgiendo, empresas que ofrecen software para la programación intuitiva y rápida de robots. A continuación, una lista no exhaustiva de tales empresas y soluciones software:

- Artiminds [15], que ofrece software para programar tareas complejas de forma visual, incluyendo tareas que utilizan sensores (fuerza, visión) para adaptar el movimiento.

- El software ROSVITA [16] de Xamla, un paquete que es compatible con ROS y que permite programar el robot directamente desde el navegador, también incluyendo la posibilidad de programar tareas complejas basadas en sensores.

- Octopuz [17] ofrece software de programación ‘offline’ de todo tipo brazos robóticos, especialmente industriales.

- Franka Desk [18], el software de programación de los robots Franka, es un entorno de programación visual basado en ‘apps’, que se pueden combinar para conseguir realizar tareas complejas.

Finalmente, destacar que en esta nueva robótica colaborativa, no solo la programación del robot, sino también su uso, debe ser intuitivo. El robot tiene que ser capaz de comunicarse con humanos de forma natural (utilizando gestos o voz, por ejemplo) y, también, en un futuro, ser capaz de interpretar el contexto en el que se encuentra y así adaptar su comportamiento adecuadamente.  En el proyecto iMRK [19], un proyecto de colaboración entre el DFKI Robotics Innovation Center y Volkswagen AG, se construyó un demostrador donde se integraron no solo sistemas de prevención de colisiones, sino también la posibilidad de interactuar con el sistema robótico a través de gestos. Asimismo, el sistema predice la intención del humano de entrar en el área de trabajo (su velocidad y dirección) para adecuar automáticamente la velocidad del robot a tales efectos. En el futuro, tales sistemas tienen que ir más allá, y ser capaces de reconocer y predecir las intenciones de las personas así como sus movimientos, igual que hacemos los humanos cuando colaboramos en una tarea común.

Referencias

[1] “Industrie 4.0: Mit dem Internet der Dinge auf dem Weg zur 4. Industriellen Revolution“, Prof. Wolfgang Wahlster (DFKI), Prof. Henning Kagermann (acatech), Prof. Wolf-Dieter Lukas (BMBF), VDI Nachrichten, 1. April 2011

[2] Fanuc CR-35iA, http://www.fanuc.eu/pt/en/robots/robot-filter-page/collaborative-cr35ia  (visitada el 27.03.2017)

[3] Motoman HC10, https://www.yaskawa.eu.com/en/news-events/news/article/news/motoman-hc10-collaborative-robot-safe-and-flexible-interaction/  (visitada el 27.03.2017)

[4] COMAU AURA, http://www.comau.com/EN/media/news/2016/06/aura (visitada el 27.03.2017)

[5] SICK, https://www.sick.com/de/en/product-portfolio/opto-electronic-protective-devices/safety-laser-scanners/c/g187225  (visita 27.03.2017)

[6] PILZ SafetyEye, http://brochures.pilz.nl/bro_pdf/SafetyEYE_2014.pdf  (visitada el 27.03.2017)

[7] Christian Vogel, Christoph Walter, and Norbert Elkmann. “A projection-based sensor system for safe physical human-robot collaboration. In IEEE IROS, 2013.

[8] Rethink Robotics Sawyer, http://www.rethinkrobotics.com/sawyer/ (visitada el 27.03.2017)

[9] Universal Robots, http://www.universal-robots.com (visitada el 27.03.2017)

[10] Franka, https://www.franka.de/  (visitada el 27.03.2017)

[11] KUKA iiwa, https://www.kuka.com/en-de/products/robot-systems/industrial-robots/lbr-iiwa  (visitada el 27.03.2017)

[12] F&P Personal Robotics, http://www.fp-robotics.com/en/ (visitada el 27.03.2017)

[13] ABB Yumi, http://new.abb.com/products/robotics/industrial-robots/yumi  (visitada el 27.03.2017)

[14] Nextage, http://nextage.kawada.jp/en/  (visitada el 27.03.2017)

[15] Artiminds, https://www.artiminds.com/  (visitada el 27.03.2017)

[16] Xamla, ROSVITA, http://xamla.com/en/rosvita/  (visitada el 27.03.2017)

[17] Octopuz, http://octopuz.com/  (visitada el 27.03.2017)

[18] Franka Desk, https://www.franka.de/#chapter2  (visitada el 27.03.2017)

[19] Proyecto iMRK, DFKI RIC - Volkswagen AG, http://robotik.dfki-bremen.de/en/research/projects/imrk.html  (visitada el 27.03.2017)

 (El Dr. José de Gea Fernández es Jefe del Grupo “Robot Control” en DFKI (Centro Alemán de Investigación en Inteligencia Artificial) Robotics Innovation Center http://robotik.dfki-bremen.de/en/ Bremen, Alemania)