SCUAI Add On Industrial Robots

STEM Coding Ultimate AI Add On: Industrial Robots

Experimenta la robótica industrial de forma práctica en clase

Con este kit de aprendizaje, los estudiantes se sumergen profundamente en el mundo de la robótica industrial y se preparan específicamente para los requisitos del entorno laboral actual. Montan de forma autónoma dos robots de seis ejes muy realistas y adquieren conocimientos básicos en su programación. Este enfoque práctico no solo transmite conocimientos técnicos, sino que también desarrolla valiosas competencias prácticas que van más allá de la teoría pura.

Grupo de edad

Escuela secundaria

Número de alumnas y alumnos

2-4 por kit de construcción

Objetivos de aprendizaje

Numérica, lógica, desarrollo de estrategias de solución, pensamiento computacional, trabajo con elementos básicos del procesamiento de la información (principio EVA - sensores, procesamiento, actuadores), programación, tecnología de la información

Tiempo requerido

Para la construcción del modelo, los alumnos necesitan aproximadamente 120 minutos. Para cada sub-tarea del manual de instrucciones se deberían planificar entre 60 y 90 minutos.

Información sobre el producto

Material didáctico complementario

Temas

Estructura y funcionamiento de un robot industrial, conceptos básicos de la robótica

Modelado y cálculo del comportamiento de desplazamiento, navegación mediante impulsos de motor, control por puntos

Descripción matemática de la cinemática y cinética de robots. Cinemática y dinámica de movimientos lineales.

Sistemas de coordenadas

Comprender y utilizar sensores y actuadores

Programación: estructuras de programa (bucles y condiciones, variables), reutilización de partes de programa, depuración

Programación Teach-In

Componentes del robot: pinza de agarre, ventosa de vacío
Objetivos de aprendizaje

Competencia procesal: resolver problemas, ser creativo.

Competencia matemática e informática: numérica, lógica, desarrollo de estrategias de solución, pensamiento computacional.

Competencia personal y social: encontrar soluciones en equipo.

Competencia lingüístico-comunicativa: elaboración de términos técnicos, descripción lógica de relaciones

Competencia de contenido: trabajo con elementos básicos del procesamiento de información (principio EVA - sensores, procesamiento, actuadores), programación, tecnología de la información
Tiempo requerido

Para el montaje del modelo, los alumnos necesitan aproximadamente 120 minutos.

Para cada tarea parcial del manual de instrucciones se deberían planificar entre 60 y 90 minutos.

Introducción a los robots industriales

Los robots industriales se han convertido en una parte integral de la industria moderna manufacturera. Se utilizan principalmente en fábricas para realizar tareas repetitivas rápidamente y con alta precisión. En esta introducción, analizaremos su estructura y su funcionalidad básica. Examinaremos la historia de su desarrollo y descubriremos por qué los robots industriales se han vuelto indispensables en muchas industrias hoy en día.

Los robots industriales constan de un brazo robótico que tiene varias articulaciones. Un movimiento sencillo para nosotros los humanos requiere en un robot una programación y control altamente complejos de varios ejes. En principio, el número y la disposición de las articulaciones pueden variar según el modelo de robot. Sin embargo, los robots de brazo articulado con seis ejes o grados de libertad son los más comunes. El número de grados de libertad indica cuántos movimientos independientes tiene el brazo robótico. Con seis grados de libertad, el robot puede alcanzar cualquier punto en el espacio con cualquier orientación. Para alcanzar el punto se requieren tres grados de libertad (es decir, las coordenadas x, y y z) y para alcanzar cualquier orientación se requieren otros tres grados de libertad (es decir, la inclinación en las direcciones x, y y z). La estructura y programación de un robot de 6 ejes como este también la conoceremos en este kit de construcción.

Además, existen muchas otras formas constructivas de robots industriales para aplicaciones especiales, como por ejemplo los robots SCARA y Delta, que se mueven muy rápidamente, o los robots de cable para áreas de trabajo especialmente grandes.

Figura 1: Robot industrial con ejes

Las articulaciones de un robot industrial suelen ser accionadas por potentes motores eléctricos, ya que los robots industriales a menudo levantan piezas pesadas o herramientas. A través de un sistema de medición de posición se registra la posición actual de cada articulación y un control especial maneja los motores eléctricos para que el robot se desplace al punto objetivo deseado con la velocidad deseada. Además, los robots industriales están equipados con una variedad de sensores, de modo que pueden percibir su entorno y realizar sus tareas de forma segura y precisa. Según la aplicación, se utilizan cámaras, sensores táctiles, sensores de fuerza o sensores de medición de distancia.

Al final del brazo del robot se encuentra la herramienta, que puede variar según la aplicación:

Movimiento de piezas: pinzas mecánicas, pinzas de vacío
Unión de piezas: pinza de punzonado, pinza de soldadura, pistola de pegamento
Montaje: atornillador
Medición de piezas: sistema de medición láser, cámara

Figura 2: Herramientas de robots industriales

Algunos robots incluso son capaces de cambiar su herramienta de forma automática e independiente. Para suministrar energía a las herramientas, los robots industriales suelen disponer de conexiones eléctricas o una conexión al sistema de aire comprimido. El robot industrial modular cuenta con un agarre de vacío y además puede ser adaptado para utilizar un agarre neumático.

Dependiendo de la aplicación, los robots industriales pueden realizar diferentes movimientos, desde movimientos lineales y rotatorios hasta patrones de movimiento complejos. La llamada trayectoria, es decir, la posición de la herramienta a lo largo del tiempo, así como la velocidad, se establecen durante la programación del robot.

Los robots industriales se controlan mediante instrucciones preprogramadas, conocidas como programas de robot. Estos programas son desarrollados por técnicos e ingenieros e incluyen una secuencia de comandos que controlan el brazo robótico y otros componentes. La programación puede realizarse en diferentes niveles lógicos: en lenguajes bajos como el G-Code se programan las coordenadas objetivo individuales que el robot sigue una tras otra. La programación Teach-In simplifica la programación del robot, ya que un empleado primero mueve el robot a las posiciones deseadas mediante un mando a distancia y las guarda ("teachen"). Luego, el robot puede repetir de forma autónoma las secuencias de posiciones aprendidas. Con software moderno, los robots industriales también pueden ser simulados y programados en un entorno virtual y el programa se carga posteriormente en el robot. Esta llamada programación offline ofrece la ventaja de que el robot puede realizar otra tarea simultáneamente y así mantenerse productivo. En este material de acompañamiento conoceremos los pasos individuales desde el control de un solo eje hasta la programación Teach-In.

Figura 3: Control TeachIn

Los robots industriales se utilizan en una gran variedad de versiones en muchos sectores:

Industria automotriz: Gracias a los robots industriales, la construcción en bruto y la pintura en la fabricación de automóviles están casi completamente automatizadas. Se emplean, por ejemplo, para soldar piezas de carrocería, aplicar selladores o pintar. El uso de robots aumenta la eficiencia, precisión y velocidad de la producción, mejorando así la calidad del producto y la capacidad de producción. Al mismo tiempo, los robots industriales alivian a los trabajadores humanos al encargarse de levantar cargas pesadas y evitar que las personas estén expuestas directamente a vapores tóxicos durante la soldadura.
Industria eléctrica: En la industria eléctrica, los robots industriales se utilizan para fabricar componentes electrónicos o para el montaje de placas de circuito. Su uso permite un manejo rápido y preciso de los diminutos componentes, lo que conduce a una mayor productividad y calidad. Además, los robots también pueden emplearse en la inspección automática y el aseguramiento de la calidad de los componentes electrónicos.
Industria alimentaria: Los robots industriales se emplean en la industria alimentaria para el procesamiento y envasado de alimentos. Esto permite crear un entorno de trabajo estéril y libre de contaminación, mejorando la higiene y, por ende, la calidad del producto alimenticio.
Tecnología médica e industria farmacéutica: Eliminan el riesgo de contaminación microbiana y la exposición a radiaciones del personal, además de racionalizar los procesos en entornos farmacéuticos y de desarrollo de medicamentos.
Logística y almacenamiento: En el sector de la logística y el almacenamiento, los robots industriales pueden utilizarse para la preparación de pedidos, el embalaje y el transporte de mercancías. Los robots pueden levantar y mover cargas pesadas, lo que reduce la carga de trabajo para los empleados y disminuye el riesgo de lesiones. Además, mediante procesos automatizados, pueden aumentar la eficiencia en los almacenes y reducir los tiempos de entrega.

Resumamos nuevamente las razones por las cuales los robots industriales se han vuelto indispensables en tantas industrias hoy en día:

Mejora de la productividad: Los robots industriales pueden realizar tareas repetitivas más rápido y de forma continua que los humanos. No muestran fatiga ni toman decisiones erróneas y pueden operar las 24 horas del día, lo que aumenta la velocidad de producción y el rendimiento total de una línea de fabricación.
Precisión y calidad: Los robots industriales son capaces de realizar tareas con una precisión extraordinaria, lo que conduce a una mejor calidad del producto. Sus movimientos son reproducibles y exactos, lo que reduce las tasas de error y el desperdicio.
Seguridad: El uso de robots industriales puede asumir tareas peligrosas o nocivas para la salud de las personas. Esto incluye, por ejemplo, levantar cargas pesadas o manejar sustancias peligrosas. De este modo, se alivia físicamente a los empleados, se reducen los accidentes laborales y se mejora la seguridad en el lugar de trabajo.
Flexibilidad: Los robots industriales pueden adaptarse a diferentes tareas y requisitos de producción. Mediante el cambio de programación y el intercambio de herramientas, también pueden manejar nuevas tareas de manera eficiente, lo que permite una alta flexibilidad en la producción.
Ahorro de costos: Aunque los costos de adquisición de robots industriales pueden ser altos, la inversión en un robot industrial puede generar ahorros significativos a largo plazo. Los robots industriales reducen la necesidad de mano de obra humana y su precisión disminuye los costos por errores. Por estos factores, el uso de un robot industrial puede resultar rentable para una empresa.

Hasta que los robots industriales se convirtieron en una parte indispensable de una fábrica moderna, hemos recorrido una historia de desarrollo de 70 años.

El nacimiento de los robots industriales se sitúa en los años 1950, cuando George Devol y Joseph Engelberger fundaron la primera empresa de robótica del mundo, „Unimation“, y desarrollaron el primer robot industrial llamado „Unimate". Unimate se utilizó en 1961 en una fábrica de automóviles en Estados Unidos para extraer y separar piezas de moldeo por inyección. Con este avance, Unimate revolucionó la fabricación de automóviles y abrió nuevas posibilidades para la automatización de procesos de producción.

En las décadas siguientes, los robots industriales se desarrollaron continuamente y se utilizaron en todo el mundo. En los años 1970 aparecieron sistemas de control más avanzados basados en microprocesadores, que hasta hoy forman la base de un control moderno de robots. Durante los años 1980, los robots industriales se volvieron más flexibles y desde entonces pueden realizar diversas tareas como montaje, pintura y manejo de materiales.

Con el avance tecnológico, los robots industriales se volvieron cada vez más inteligentes y potentes. Las posibilidades ampliadas de programación les permiten realizar tareas más complejas y adaptarse a requisitos de producción cambiantes. El desarrollo de los robots industriales se impulsa especialmente mediante el uso de sensores avanzados para la percepción del entorno e inteligencia artificial.

Así, el campo de investigación de la colaboración humano-robot se ocupa de la cuestión de cómo los robots pueden trabajar de forma segura junto a las personas. Mientras que los robots industriales hasta ahora suelen trabajar en áreas cerradas, mediante el uso de sensores sensibles al tacto y cámaras se pretende reducir la distancia con sus colegas humanos. La seguridad en el lugar de trabajo tiene, por supuesto, la máxima prioridad.

Otro campo de investigación se ocupa de la cuestión de cómo los robots industriales pueden aprender el movimiento de forma autónoma y volverse menos dependientes de patrones programados de forma fija. A pesar de su superioridad en cuanto a velocidad, precisión y fiabilidad, los robots industriales hasta ahora dependen de una programación exacta del proceso de movimiento y, por lo tanto, fracasan ante problemas aparentemente cotidianos para los que no tienen un programa. Un ejemplo conocido de esto es el "agarre en la caja", en el que un robot con pinza debe agarrar objetos aleatorios de una caja.

¿Cómo reconoce el robot dónde se encuentran los objetos individuales sin que las posiciones estén programadas de antemano?
¿Cómo puede el robot agarrar los objetos de forma segura sin que se le caigan al levantarlos?
¿Con qué fuerza puede apretarse la pinza sin que el objeto se rompa?

Un ser humano resolvería estas tareas con sus manos sensibles, así como con intuición y experiencia. Este principio quieren trasladarlo los investigadores a los robots industriales: para ello estudian cómo los robots pueden percibir su entorno y reaccionar a requisitos cambiantes mediante sensores adicionales y el uso de inteligencia artificial. Así, los robots industriales serán aún más inteligentes en el futuro y podrán realizar tareas complejas de forma autónoma.