Unrobot industrial és un sistema mecànic articulat, amb tresgraus de llibertat o més, controlat automàticament, reprogramable i que es pot emprar en diverses tasques industrials.[1][2][3]
Un robot industrial està format per un manipulador i un sistema de control. El manipulador és una estructura mecànica, uns elements rígids i articulacions, que es mou gràcies a uns accionaments, els motors o actuadors. El sistema de control és el conjunt d'elements electrònics i informàtics que s'encarrega de controlar els accionaments i generar les trajectòries de la part mecànica.[4][5] Per acomplir diferents tasques els robots disposen determinals, eines que s'instal·len al manipulador. Aquests sistemes robòtics treballen dins de cel·les, espais protegits amb mesures de seguretat on no poden entrar-hi persones.[6] Durant la instal·lació d'aquests sistemes s'han d'avaluar els riscos, garantint el compliment d'uns estàndards de seguretat estrictes.[7]
L'any 2023, segons laFederació Internacional de Robòtica, s'estimava que hi havia aproximadament 4,3 milions de robots industrials operatius al món. La tendència en instal·lacions de robots industrials és creixent globalment, l'any 2023 se'n van instal·lar 541.302 unitats.[8] Els països asiàtics encapçalen la incorporació de robots amb un 70% del proveïment global, destacant especialment la Xina amb un estoc operatiu de 1,8 milions de robots.[9][10] Actualment també s'estan popularitzant elsrobots col·laboratius, capaços d'operar en entorns de treball compartits amb persones, que el 2023 representaven aproximadament el 10,5% de la quota de mercat total dels robots industrials instal·lats aquell any.[11][12]
Les parts fonamentals d'un robot industrial són el manipulador i el sistema de control. El manipulador, braç o estructura mecànica és un conjunt desòlids rígids, articulats entre ells, amb accionaments que ofereix diversosgraus de llibertat. Per altra banda, el sistema de control és el conjunt d'elements electrònics i informàtics que permeten monitorar i controlar l'estructura mecànica del robot i comunicar-se amb l'entorn, equipament o usuaris. Sovint el sistema de control s'agrupa físicament en una unitat de control o controlador.[2][13]
Un sistema robòtic incorpora un robot industrial, unterminal i qualsevol equipament o maquinari extern necessari per a la realització de la tasca encomanada.[14] Una cel·la robòtica és un o més d'aquests sistemes robòtics, amb tot el maquinari associat, en un espai protegit amb mesures de seguretat.[15][16]
.jpg)
Per acabar, un robot industrial també necessita suport de personal humà. Els operadors són els treballadors designats per iniciar, monitorar i aturar l'operació del sistema robòtic. Els programadors de robots, per altra banda, són les persones encarregades de definir el programa de treball del robot industrial.[6]
Un manipulador està compost per articulacions unides per segments rígids, anomenats elements. Cada articulació està connectada a dos elements, permetent moviment relatiu entre ells. Generalment els robots industrials tenen entre quatre i sis articulacions, que permeten posicionar i sovint orientar els terminals.[5]
Les característiques més importants dels elements són: resistència, rigidesa, pes, inèrcia, la ubicació i tipus de coixinet, la lubrificació del coixinet, les toleràncies a la junta amb l'articulació i la forma o estètica del robot.[17] Generalment els elements i les bases dels manipuladors són d'acer, ferro colat o alumini.[18] Els robots col·laboratius tendeixen a fer servir aliatges metàl·lics lleugers, sovint recoberts amb espumes o plàstics tous, per reduir la inèrcia del robot.[19][20]
Majoritàriament, les articulacions dels robots sónparells cinemàtics de tipusprismàtic o derevolució.[21] Com que molts manipuladors industrials tenen semblança amb l'anatomia d'un braç humà, també es pot referir a les articulacions com a braç, espatlla i colze, mentre que les articulacions d'orientació s'anomenen canell.[22] Cada articulació ha de ser accionada per un actuador, que mou els elements segons les instruccions del sistema de control. Les característiques que s'han de considerar pels actuadors són: potència, controlabilitat, pes i volum, precisió, velocitat, manteniment i cost.[23] Actualment la gran majoria d'actuadors emprats en robòtica industrial sónservomotors elèctrics. Aquests actuadors estan formats per unmotor de corrent altern, un sensor de posició i un controlador.[24] Per millorar el posicionament i la controlabilitat dels robots, els actuadors es munten directament a l'articulació que es vol moure sense transmissions mecàniques. Aquesta configuració s'anomenaaccionament directe i avui en dia és emprada per la majoria de fabricants de robots.[25]
El sistema de control d'un robot és l'electrònica i el programari que controlen l'execució del programa de treball del manipulador.[26] Generalment aquest conjunt s'agrupa en una unitat de control, que també inclou una consola de guiatge per interactuar amb els usuaris i les connexions amb la resta d'elements de la cel·la robòtica.[27]
Els robots industrials tenen tres modes de funcionament principals: control punt a punt (PTP), de trajectòria contínua (CP) o intel·ligent.[28][26]
Els programes dels robots són una seqüència de moviments i posicions repetitius, un cicle de treball, que el manipulador ha d'executar per acomplir la tasca. El programari també pot incloure instruccions i funcions per interactuar amb equipament extern, com sensors o actuadors addicionals. Generalment els robots industrials es programen fent servir dos mètodes: programació per guiatge o textual. La programació per guiatge consisteix a moure el robot com s'hauria de moure durant el cicle de treball i guardar-ho en un programa. En funcionament el sistema de control simplement ha de repetir els moviments guardats a la memòria. Per moure el robot es pot fer servir la consola de guiatge o un terminal específic que s'acobla al canell i que permet desplaçar el robot manualment. Aquest últim mètode és típic en robots que han de seguir trajectòries contínues, per exemple en aplicacions de pintura, ja que és un mètode més intuïtiu de programar. La programació textual, per altra banda, es realitza amb unllenguatge de programació en un ordinador i després es transfereix al robot. Sol ser un mètode més complex de programar però permet incorporar funcions més avançades.[11]
Els terminals són l'utillatge que s'acobla al canell d'un robot per fer una tasca específica. Com que els robots industrials són màquines de propòsit general, el terminal que s'ha de fer servir depèn de cada aplicació. Els terminals s'han d'integrar amb els robots, tant a nivell mecànic com de control, per poder funcionar de forma automàtica.[29] En general hi ha dues categories de terminal: les eines i les pinces.[30]
Les eines es fan servir quan el robot ha de processar els components. Els terminals d'eina més comuns a la indústria són els de soldadura i mecanització, els esprais de pintura i els dispensadors d'adhesius o segelladors.[31]
Les pinces, per altra banda, estan dissenyades per subjectar i moure objectes durant el cicle de treball del robot.[26] Els terminals de pinça se solen fer servir en aplicacions de muntatge, distribució i paletització. Segons l'objecte que s'hagi de subjectar es poden fer servir pinces mecàniques, ventoses de buit o imants. Si el producte és delicat, com a la indústria alimentària, també hi ha terminals derobòtica tova que apliquen una subjecció suau.[32]
LaFederació Internacional de Robòtica classifica els robots industrials més comuns segons la seva estructura mecànica en sis categories: robots articulats, cartesians, cilíndrics, delta, scara i altres menys comuns (com l'esfèric).[33]
Un robot articulat, o angular, és un robot industrial compost de, com a mínim, tres articulacions de revolució amb el primer eix de rotació disposat en sentit vertical i els altres dos en paral·lel en sentit horitzontal.[34][35]
Els robots articulats tenen nombrosos avantatges: alta maniobrabilitat, gran accessibilitat, espai de treball extens en relació al volum ocupat pel propi robot, disseny mecànic estilitzat, ocupen un espai de treball reduït, operació ràpida i capacitat d'efectuar trajectòries complexes de forma contínua. Per altra banda, en comparació amb altres estructures mecàniques té menys capacitat de càrrega, és intuïtivament difícil de preveure certes trajectòries, la precisió disminueix a mesura que el braç s'estén i les trajectòries rectilínies són més difícils de gestionar pel sistema de control.
Els robots articulats es fan servir en tot tipus d'aplicacions i són els més emprats industrialment. Algunes de les tasques més comunes d'aquest tipus de robot són la pintura, soldadura, manipulació de materials o empaquetatge. Les mides d'aquests tipus de configuració són molt variables, entre 0,5 metres fins a més de 3,5 m, amb grans diferències en la capacitat de càrrega, que pot anar des d'uns 3 kg fins a una tona. Segons la Federació Internacional de Robòtica, l'any 2013, els robots articulats representaven unaquota de mercat del 60% sobre el total de robots industrials venuts.[36]
Un robot cartesià, o rectangular, és un robot industrial comprès de tres articulacions prismàtiques amb les direccions de translació disposades perpendicularment, seguint un sistema decoordenades cartesianes.[34][37]
Els avantatges dels robots cartesians respecte altres configuracions són que els moviments són fàcilment programables i precisos, les seves característiques són constants dins de tot el volum de treball, el sistema de control és senzill i intuïtiu, l'estructura és simple, inherentment rígida, pot tenir una gran capacitat de càrrega, cobrir grans àrees de treball i també es pot ampliar fàcilment, ja que sovint són estructures modulars. Per contra, són robots molt voluminosos amb relació a l'espai de treball cobert, tenen dificultats per accedir a zones amb accés limitat i requereixen un manteniment regular de les guies lineals.
Les aplicacions més habituals del robot cartesià són el muntatge electrònic i el transport de productes voluminosos o pesants a dins de fàbriques.[38] L'any 2013, segons la Federació Internacional de Robòtica, els robots rectangulars representaven una quota de mercat del 22% del total de robots industrials venuts.[39]
Un robot cilíndric és un robot industrial format per una articulació de revolució, generalment la primera, i dues articulacions prismàtiques, amb l'eix de rotació i les direccions de translació disposades seguint un sistema de coordenades cilíndriques.[34][40][41]
Els seus principals avantatges són uns moviments fàcilment controlables i programables, que simplifiquen el sistema de control, una bona precisió i capacitat d'operació ràpida, una bona accessibilitat a les zones frontals i laterals, una estructura simple i una configuració adequada per l'ús en espais de treball radials. Per contra, els principals desavantatges són un espai de treball relativament petit i la necessitat de manteniment elevat degut a la presència de guies prismàtiques.
Aquests robots són particularment adequats per subministrar altres màquines o aplicacions de col·locació en general. Es fan servir majoritàriament a l'Àsia on generalment s'empren a la producció electrònica, amb un 90% dels robots cilíndrics treballant en aquest sector.[42] Tot i això al Japó també s'han usat a l'agricultura, per exemple recollint fruita.[43] Segons la Federació Internacional de Robòtica, l'any 2013, els robots cilíndrics ocupaven una quota de mercat del dos per cent sobre el total de robots industrials venuts.[42]
Un robot delta és un robot industrial compost per tres manipuladors que connecten una base elevada i un terminal comuns.[44] És un subtipus de robot paral·lel amb la característica clau que usaparal·lelograms a tots els manipuladors, permetent mantenir constant l'orientació del terminal. Generalment, aquests robots estan actuats amb tresarticulacions prismàtiques o derevolució, muntats a la base de sobre de l'espai de treball.[45]
%2527.jpg)
El principal avantatge dels robots delta és que, a causa del poc pes i inèrcia dels manipuladors, ofereix una elevada acceleració i velocitat, que pot arribar als 30g i 10 m/s. Per altra banda, generalment, només poden moure petites càrregues útils en reduïts espais de treball. Típicament, pesos per sota dels 8 kg en espais de treball cilíndrics, de menys d'1 m de diàmetre i 0,2 m d'alçada.[39]
És un tipus de robot molt adequat per a les línies d'embalatge o muntatge dels sectors alimentari, farmacèutic i electrònic.[46] Segons la Federació Internacional de Robòtica, l'any 2013, els robots delta representaven una quota de mercat de l'u per cent sobre el total de robots industrials venuts.[42]
Un robot SCARA, de l'anglèsselective compliance assembly robot arm, és un robot industrial amb dues o tres articulacions de revolució, amb tots els eixos de rotació verticals, i una articulació prismàtica també en direcció vertical.[3][47]
Els principals avantatges dels robots SCARA són el baix cost, a causa de la seva senzillesa geomètrica, una gran rigidesa en l'eix vertical i alta mobilitat en el pla horitzontal, en el qual pot accelerar i moure's ràpidament mantenint una gran precisió. Per contra, generalment tenen una capacitat de moure càrregues útils molt baixa, sovint per sota de dos quilos, amb un abast d'un metre.
Aquesta configuració és ideal per la fabricació decomponents electrònics,productes alimentaris i altresbéns de consum. L'any 2013, segons la Federació Internacional de Robòtica, els robots SCARA representaven un dotze per cent de la quota de mercat sobre el total de robots industrials venuts. És especialment popular a l'Àsia, continent que compra el 50% de la producció d'aquests models, a causa de la importància del sector electrònic.[48]
Es defineixenconceptes bàsics com a conceptes que cal conèixer a l'hora de dissenyar o escollir un robot per una certa tasca.
Lacapacitat de càrrega d'unrobot ve proporcionada pel fabricant i es mostra en el full de característiques del robot. Aquesta dada correspon a la càrrega nominal que pot transportar el robot sense que perdi característiques dinàmiques i considerant sempre la configuració més desfavorable. A l'hora d'avaluar la capacitat de càrrega necessària, s'ha de tenir en compte que l'element terminal no es troba inclòs en les característiques donades.
Depenent de la tasca que han de realitzar o bé de la seguretat que hi ha d'haver, molts dels robots industrials estan dotats d'una sèrie desensors que li permeten obtenir informació tant de l'interior com de l'exterior delrobot i poder actuar segons aquestes informació captada.
Per exemple, unvehicle de guiat automàtic d'unmagatzem automatitzat, que transporta objectes i es guia a partir de seguir una línia de color en el terra, és necessari que disposi d'un sensor capaç de captar, reconèixer i distingir aquesta línia. Un altre exemple molt clar de la necessitat desensors es pot trobar en la situació que elrobot ha de treballar en una zona on hi poden accedir persones i, per tant, és necessari poder captar aquest fet per tal d'evitar accidents.
Els principalssensors utilitzats en els robots industrials són:
Un actuador és unelement motor que li permet alrobot realitzar moviments i accions. Tot i que el robot en si pot ser considerat com unactuador complex, aquest caldrà que disposi d'elements motors capaços de convertir els senyals de governabilitat i control en moviments i/o accions.
D'aquestsactuadors cal tenir en compte lapotència consumida, la seva controlabilitat, elpes,volum, la sevavelocitat de reacció i resposta, el seucost i elmanteniment necessari.
Elsactuadors més comuns són:
| Tipus de robot | |
|---|---|
| Fabricants | |
| Organitzacions | Federació Internacional de Robòtica · Organització Internacional per a l'Estandardització (ISO 10218-1:2011, ISO 10218-2:2011 i ISO/TS 15066:2016) |
