¿Cuáles son los factores clave para clasificar los robots industriales?

Millones de robots industriales están activos en las fábricas de Industria 4.0 de todo el mundo. Se utilizan para aumentar los índices de producción, mejorar la calidad, reducir costos y apoyar operaciones más flexibles y sostenibles. Debido a la importancia de los robots industriales, la Organización Internacional de Normalización (ISO) desarrolló la norma 8373:2021, Vocabulario de robótica, para definir los términos utilizados en robótica y proporcionar un lenguaje común para hablar de los muchos tipos de robots y sus aplicaciones.

La Federación Internacional de Robots (IFR) utilizó los términos clave definidos en la norma ISO 8373:2021 para identificar seis clasificaciones de robots basadas en su estructura mecánica, entre ellas:

• Articulado
• Cartesiano
• Cilíndrico
• Paralelo/Delta
• Polar
• SCARA

Este artículo revisa la norma ISO 8373:2021 y examina los cuatro términos clave que definen un robot, centrándose en la necesidad de reprogramabilidad y en los tipos y números de articulaciones robóticas que utiliza la IFR para desarrollar clasificaciones de robots. A continuación, profundiza en los detalles y matices de cada clasificación de robots y presenta robots ejemplares de varios fabricantes. Por el camino, también examina sistemas llamados robots que no cumplen todos los requisitos de la ISO.

La norma ISO 8373:2021 define un robot industrial como un "manipulador polivalente, reprogramable y controlado automáticamente, programable en tres o más ejes, que puede estar fijo en el lugar o fijado a una plataforma móvil para su uso en aplicaciones de automatización en un entorno industrial".

La reprogramabilidad es un factor diferenciador crucial. Algunas máquinas industriales pueden tener manipuladores y moverse en varios ejes para realizar tareas específicas, como recoger botellas en una línea de llenado de bebidas y colocarlas en una caja. Pero no es un robot si se dedica a ese único fin y no es reprogramable. "Reprogramable" se define en la norma ISO 8373 como "diseñado de forma que los movimientos programados o las funciones auxiliares puedan modificarse sin alteraciones físicas."

Tipos y número de articulaciones del robot

La norma ISO 8373 define dos tipos de articulaciones robóticas:

• La articulación prismática, o articulación deslizante, es un ensamblaje entre dos eslabones que permite que uno tenga un movimiento lineal con respecto al otro.
• La junta rotativa, o junta revoluta, es un ensamble que conecta dos eslabones y permite que uno gire con respecto al otro alrededor de un eje fijo.

La IFR ha utilizado estas y otras definiciones de la norma ISO 8373 para identificar seis clasificaciones de robots industriales basadas en su estructura mecánica o topología. Además, las diferentes topologías de robots tienen diferentes números de ejes y, por tanto, diferentes números de articulaciones.

El número de ejes es una característica clave de los robots industriales. El número de ejes y sus tipos determinan la amplitud de movimiento del robot. Cada eje representa un movimiento independiente o grado de libertad. Más grados de libertad hacen que un robot pueda moverse por espacios más amplios y complejos. Algunos tipos de robots tienen un número fijo de grados de libertad, mientras que otros pueden tener diferentes números de grados de libertad.

Los efectores finales, también denominados herramientas de fin de brazo (EOAT) o "manipuladores polivalentes" en la norma ISO 8373, son otro elemento importante en la mayoría de los robots. Hay un amplio rango de efectores finales, incluidas pinzas, herramientas de proceso específicas como destornilladores, pulverizadores de pintura o soldadores, y sensores, incluidas cámaras. Pueden ser neumáticas, eléctricas o hidráulicas. Algunos efectores finales pueden girar, lo que proporciona al robot otro grado de libertad.

Las siguientes secciones comienzan con la definición de IFR para cada topología de robot y, a continuación, examinan sus capacidades y aplicaciones.

Los robots articulados tienen tres o más articulaciones giratorias.

Se trata de una gran clase de robots. Los robots articulados pueden tener diez o más ejes, siendo seis los más comunes. Los robots de seis ejes pueden moverse en los planos x, y y z y rotar en cabeceo, guiñada y balanceo, lo que les permite imitar el movimiento de un brazo humano.

También están disponibles con un amplio rango de capacidades de carga útil, desde menos de 1 kg hasta más de 200 kg. La capacidad de alcance de estos robots también varía mucho, desde menos de 1 metro hasta varios medidores. Por ejemplo, el KR 10 R1100-2 de KUKA es un robot articulado de seis ejes con un alcance máximo de 1,101 mm, una carga útil máxima de 10.9 kg y una repetibilidad de pose de ±0.02 mm (figura 1). También cuenta con movimientos de alta velocidad, tiempos de ciclo cortos y un sistema integrado de suministro de energía.

Figura 1: Robot articulado de seis ejes con una repetibilidad de pose de ±0.02 mm. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Los robots articulados pueden montarse permanentemente en el suelo, la pared o el techo. También pueden montarse sobre raíles en el suelo o por encima de la cabeza, sobre un robot móvil autónomo u otra plataforma móvil, y desplazarse entre estaciones de trabajo.

Se utilizan para diversas tareas, como la manipulación de materiales, la soldadura, la pintura y la inspección. Los robots articulados son la topología más común para implementar robots colaborativos (cobots) diseñados para trabajar con humanos. Mientras que un robot convencional funciona en una jaula con barreras de seguridad, un cobot está diseñado para interactuar estrechamente con las personas. Por ejemplo, el cobot LXMRL12S0000 de Schneider Electric tiene un alcance máximo de 1,327 mm, una carga útil máxima de 12 kg y una repetibilidad de pose de ±0.03 mm. Los cobots suelen contar con protección contra colisiones, bordes redondeados, límites de fuerza y menor peso para mejorar la seguridad.

El robot cartesiano (a veces llamado robot rectangular, robot lineal o robot de pórtico) tiene un manipulador con tres articulaciones prismáticas cuyos ejes forman un sistema de coordenadas cartesianas.

Los robots cartesianos modificados están disponibles con dos articulaciones prismáticas. Aun así, no cumplen el requisito de la norma ISO 8373 de ser "programables en tres o más ejes", por lo que técnicamente no son robots.

Hay más de una forma de configurar tres articulaciones prismáticas y, por tanto, más de una forma de configurar un robot cartesiano. En una topología cartesiana básica, las tres articulaciones se encuentran en ángulo recto, con una moviéndose en el eje x, unida a una segunda moviéndose en el eje y, que está unida a una tercera moviéndose en el eje z.

Aunque a menudo se utiliza como sinónimo de robot cartesiano, la topología del pórtico no es idéntica. Al igual que un cartesiano básico, los robots de pórtico admiten movimientos lineales en el espacio tridimensional. Pero los robots de pórtico están configurados con dos raíles de eje x de base, un raíl de eje y apoyado que abarca los dos ejes x y un eje z en voladizo unido al eje y. Por ejemplo, el DLE-RG-0012-CA-800-800-500, de Igus, es un robot de pórtico con un área de trabajo de 800 mm x 800 mm x 500 mm que puede transportar hasta 5 kg y moverse a una velocidad de hasta 1.0 m/s con una repetibilidad de ±0.5 mm (Figura 2).

Figura 2: Robot de pórtico con un espacio de trabajo de 800 mm x 800 mm x 500 mm. (Fuente de la imagen: Igus)

El robot cilíndrico tiene un manipulador con al menos una articulación rotativa y al menos una articulación prismática, cuyos ejes forman un sistema de coordenadas cilíndrico.

Los robots cilíndricos son relativamente sencillos y compactos y su limitada amplitud de movimiento facilita su programación. Son menos comunes que sus primos más complejos. Sin embargo, son especialmente adecuadas para aplicaciones como procesos de amolado, paletizado, soldadura (especialmente por puntos) y manipulación de materiales, por ejemplo, carga y descarga de obleas semiconductoras en casetes en una operación de fabricación de circuitos integrados (Figura 3).

Figura 3: Este robot cilíndrico tiene una articulación giratoria y otra prismática. (Fuente de la imagen: Association for Advancing Automation)

Los robots cilíndricos suelen moverse a velocidades de 1 a 10 m/s y pueden diseñarse para transportar cargas pesadas. Los robots cilíndricos tienen aplicaciones en los sectores de automoción, farmacéutico, alimentación y bebidas, aeroespacial y electrónico, entre otros.

El robot paralelo/delta es un manipulador cuyos brazos tienen eslabones que forman una estructura de bucle cerrado.

Mientras que otros robots, como los de topología cilíndrica o cartesiana, reciben su nombre por su movimiento, el robot delta se llama así por su forma triangular invertida. Los robots Delta tienen de 2 a 6 ejes, siendo los diseños de 2 y 3 ejes los más comunes. Al igual que los robots cartesianos de 2 ejes, los robots delta de 2 ejes no cumplen técnicamente los requisitos de la norma ISO 8373 para denominarse robots.

Los robots Delta están diseñados para la velocidad más que para la fuerza. Se montan sobre el área de trabajo y realizan funciones como recoger y colocar, clasificar, desmontar y embalar. A menudo se encuentran encima de una cinta transportadora, moviendo piezas a lo largo de una línea de producción. La pinza está conectada a unos eslabones mecánicos largos y delgados. Estas conexiones conducen a tres o cuatro grandes motores situados en la base del robot. El otro extremo de los enganches está unido a una placa de herramientas donde se acopla el EOAT.

El RBTX-IGUS-0047 de Igus es un ejemplo de robot delta de 3 ejes. Tiene un diámetro de espacio de trabajo de 660 mm y puede soportar una carga máxima de 5 kg. Al manipular una carga de 0.5 kg, puede realizar 30 movimientos de recogida por minuto con una velocidad máxima de 0.7 m/s y una aceleración de 2 m/s². Tiene una repetibilidad de ±0.5 mm (figura 4).

Figura 4: Robot delta de tres ejes y controlador (izquierda). (Fuente de la imagen: DigiKey)

El robot polar (robot esférico) es un manipulador con dos articulaciones rotativas y una articulación prismática, cuyos ejes forman un sistema de coordenadas polares.

Una de las juntas rotativas permite a un robot polar girar alrededor del eje vertical que se extiende hacia arriba desde la base. La segunda articulación giratoria está en ángulo recto con la primera y permite que el brazo del robot oscile hacia arriba y hacia abajo. Por último, la articulación prismática permite al brazo robótico extenderse o retraerse del eje vertical.

Los robots polares, aunque de construcción sencilla, presentan inconvenientes que limitan su uso en comparación con otras topologías como los robots articulados, cartesianos y SCARA:

• El sistema de coordenadas esféricas hace más compleja la programación.
• Suelen tener una capacidad de carga útil más limitada que otros tipos de robots.
• Son más lentos que otros robots.

Las principales ventajas de los robots polares son un amplio espacio de trabajo y una gran precisión. Se utilizan para la alimentación de máquinas herramienta, operaciones de ensamblaje, manipulación de materiales en líneas de montaje de automóviles y soldadura por gas y arco.

El robot SCARA (del inglés "selectively compliant arm for robotic assemblies", brazo de cumplimiento selectivo para ensamblajes robóticos) es un manipulador con dos articulaciones giratorias paralelas para proporcionar cumplimiento en un plano seleccionado.

Un robot SCARA básico tiene tres grados de libertad, el tercero de los cuales procede de un efector final giratorio. Los robots SCARA también están disponibles con una articulación giratoria adicional para un total de cuatro grados de libertad, lo que permite movimientos más complejos.

Los robots SCARA se utilizan a menudo en aplicaciones de recogida y colocación o ensamblaje en las que se necesita alta velocidad y precisión. Por ejemplo, el M1-PRO de Dobot es un robot SCARA de 4 ejes con un radio de trabajo de 400 mm, una carga útil máxima de 1.5 kg y una repetibilidad de ±0.02 mm. Dispone de detección de colisiones sin sensores y programación "arrastrar para enseñar", lo que lo hace adecuado tanto para su uso como cobot como para robot autónomo (Figura 5).

Figura 5: Robot SCARA de cuatro ejes con una repetibilidad de ±0.02 mm. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Conclusión:

Todos los robots industriales cumplen el requisito ISO 8373 de ser controlados automáticamente con un manipulador polivalente reprogramable. Sin embargo, no todos los diseños tienen un número definido de ejes para una topología determinada. Los robots Delta y cartesianos están disponibles con un número de ejes inferior al definido, mientras que algunos robots SCARA tienen más ejes de los definidos por IFR.