Lo que se debe y no se debe hacer con los robots colaborativos

Los robots colaborativos permiten a los humanos trabajar muy cerca de las máquinas sin las barreras y jaulas de seguridad tradicionales. Foto cortesía de Universal Robots USA Inc.

Los robots colaborativos son un elemento importante de la Industria 4.0 y de las iniciativas de fabricación inteligente. Las máquinas de próxima generación pueden controlar la fuerza y ​​trabajar de forma segura junto a las personas en las líneas de montaje sin las protecciones de seguridad tradicionales.

Desde que los cobots irrumpieron en escena hace más de una década, han transformado muchas plantas de fábrica y han hecho que la automatización sea más accesible para los fabricantes más pequeños. La tecnología también ha permitido a numerosas empresas reubicar la producción en los Estados Unidos e implementar estrategias de producción de bajo volumen y alta combinación.

Por fuera, muchos cobots se parecen a los tradicionales SCARA y a los robots de seis ejes, pero en realidad son muy diferentes. Por lo general, son más livianos y lentos y tienen capacidades de carga útil más pequeñas. Su masa y su impulso se reducen efectivamente. La mayoría de las máquinas están diseñadas para detenerse si entran en contacto con una persona u objeto.

Los sensores avanzados permiten a los cobots detenerse o invertir la dirección si se acercan a un humano. La tecnología combina el uso de varios controles de seguridad; Sistemas perceptivos y predictivos que permiten que robots y humanos trabajen codo a codo.

Técnicamente, existen cuatro modos de colaboración: guía manual, potencia y fuerza limitada, control de velocidad y separación, y parada con clasificación de seguridad. Los dos primeros modos requieren robots especializados con detección de fuerza, bordes redondeados, controles y software redundantes. Sin embargo, el monitoreo de velocidad y separación y la parada con clasificación de seguridad se pueden lograr con la misma facilidad con robots tradicionales de seis ejes.

Los robots colaborativos ofrecen muchas ventajas sobre los robots industriales tradicionales para determinadas aplicaciones. Es seguro operarlos junto a personas sin jaulas, por lo que pueden utilizarse en líneas de producción altamente manuales que históricamente han estado fuera del alcance de los sistemas robóticos tradicionales.

La mayoría de los cobots también son mucho más fáciles de programar que otros tipos de robots industriales. Además, son extremadamente flexibles, lo que significa que se pueden redistribuir y reutilizar fácilmente y rápidamente para trabajar en diferentes tareas en una instalación.

Además, debido a que requieren menos infraestructura física para funcionar, los robots colaborativos pueden adaptarse más fácilmente a espacios de trabajo diseñados para humanos. Esto ayuda a maximizar el retorno de la inversión, ya que los fabricantes pueden utilizarlos en múltiples líneas de montaje de una planta.

Sobre todo, los cobots están diseñados para trabajar junto con los humanos en lugar de reemplazarlos. El objetivo detrás de esta tecnología es devolver el control de la automatización de las fábricas a las manos de los operadores y brindarles una herramienta para hacer su trabajo de manera más eficiente.

"Los robots colaborativos están abriendo la puerta a los fabricantes que en el pasado se mostraron reacios a automatizar sus líneas de montaje", dice Chris Blanchette, director ejecutivo de cuentas globales de Fanuc America Corp., que ofrece una variedad de modelos de cobots. "Por fin está logrando que muchas empresas se sumen al valor de la automatización".

"Los operadores pueden configurar una máquina colaborativa después de solo unas pocas horas de capacitación, es lo suficientemente liviana como para redesplegarla en una planta varias veces al día y puede funcionar sin cercas ni vigilancia", agrega Joe Campbell, especialista en robótica. Veterano de la industria que recientemente se jubiló como gerente senior de marketing estratégico y desarrollo de aplicaciones en Universal Robots USA Inc., la compañía que fue pionera en la tecnología hace 15 años. "Funcionalmente, cada debilidad o dificultad de un robot tradicional se obvia con el cambio de enfoque".

En el pasado, mucha gente se sentía intimidada por los robots. La tecnología avanzada ahora hace que los robots sean más accesibles para todos, especialmente para los pequeños fabricantes. Las máquinas colaborativas son flexibles, fáciles de usar y seguras de operar.

Los robots colaborativos pueden ayudar a empresas de todos los sectores a mejorar la calidad, mejorar la eficiencia y reducir costes. Sin embargo, como ocurre con cualquier herramienta de automatización, su eficacia general depende de elegir la aplicación adecuada y planificar con anticipación.

Según Grandview Market Research, el mercado global de robots colaborativos crecerá un 32 por ciento anual desde ahora hasta el final de la década. Esta demanda se verá impulsada por ciclos de vida más cortos de los productos y la creciente prevalencia de entornos de fabricación de bajo volumen y alta combinación en lugar de producción de alto volumen y baja combinación.

Los cobots se pueden utilizar en líneas de producción altamente manuales que históricamente han estado fuera del alcance de los sistemas robóticos tradicionales. Foto cortesía de ABB Robotics

La mayoría de los cobots son mucho más fáciles de programar que otros tipos de robots industriales. Foto cortesía de Universal Robots USA Inc.

A pesar de todo el revuelo, los cobots tienen ventajas y desventajas que los ingenieros de fabricación deben considerar cuidadosamente. La tecnología es interesante, pero no es ideal para algunos tipos de aplicaciones. Por ejemplo, la capacidad de carga útil limitada y las velocidades operativas más lentas son dos inconvenientes.

"Los cobots tienden a tener menor capacidad que muchos otros tipos de robots, pero lo compensan en cuanto a facilidad de uso e implementación", dice Campbell. “La mayoría de los cobots son máquinas articuladas de seis ejes, por lo que no renuncian a nada en términos de alcance o área de trabajo. También son tan repetibles y precisos como los robots tradicionales de seis ejes.

"Pero la velocidad es definitivamente más lenta que la de un robot tradicional cuando opera en modo colaborativo", explica Campbell. “Si desea fabricar muchos productos a altas velocidades, la tecnología cobot probablemente no sea una buena opción.

"Sin embargo, si valora la flexibilidad y tiene procesos que no puede resolver completamente con la automatización, los cobots suelen ser una buena respuesta", afirma Campbell. "Son especialmente buenos para aplicaciones que necesitan tener un operador humano trabajando cerca y comprometido con la máquina".

Tanto los robots colaborativos como los tradicionales de seis ejes permiten una gran flexibilidad en el movimiento y pueden realizar una amplia variedad de aplicaciones que requieren destreza de movimiento. Ambos tienen limitaciones de velocidad frente a los robots delta o SCARA, aunque los robots tradicionales de seis ejes son generalmente mucho más rápidos que los robots colaborativos.

Para aplicaciones simples, los cobots pueden ser una mejor opción, debido a la simplicidad en la creación de aplicaciones, lo que permite a los usuarios finales desarrollar soluciones. Sin embargo, a medida que las aplicaciones se vuelven más complejas, las herramientas avanzadas, las funciones de lenguaje y las opciones integradas disponibles con los robots tradicionales de seis ejes generalmente los convierten en una mejor opción.

Los robots SCARA tienen que ver con la velocidad y la precisión y, en general, son muy superiores a los robots colaborativos en ambas áreas. Si una aplicación de ensamblaje requiere velocidad, precisión o algún nivel de complejidad, un robot SCARA será, en la mayoría de los casos, la mejor opción.

"Los cobots son ideales para entornos de producción de bajo volumen y alta mezcla", dice Campbell. "Como son flexibles, las máquinas se pueden reubicar rápidamente y pasar de una parte a la siguiente".

Los robots colaborativos pueden instalarse rápidamente en cualquier estación de trabajo de una fábrica y redistribuirse según las necesidades de producción sin las limitaciones de las barreras de seguridad tradicionales. Esto aumenta la flexibilidad y agilidad de fabricación para cambios más frecuentes.

"Aproximadamente el 80 por ciento de nuestros envíos se instalan sin barreras de seguridad tradicionales", señala Campbell. “Sin embargo, muchos fabricantes utilizan escáneres de área cuando ejecutan cobots a velocidades más altas.

"Realmente depende de la filosofía de la planta sobre la evaluación de riesgos y de cómo hacen cumplir las normas de seguridad", explica Campbell. “Cada centro a menudo interpreta las pautas publicadas de manera diferente.

"Normalmente, el coste de un cobot será comparable al de una máquina tradicional de seis ejes", afirma Campbell. “Sin embargo, la diferencia es que el coste total de instalación es significativamente menor. Hay costos reducidos en aspectos como el tiempo de programación, la capacitación y las barreras de seguridad. Cuando se suman esos intangibles, el costo de un cobot puede oscilar entre un tercio y la mitad del costo de un robot tradicional.

“El tiempo de rampa de producción es la cantidad de tiempo desde que una máquina llega a la fábrica hasta que realmente se producen o procesan piezas”, señala Campbell. “Con los cobots, ese tiempo normalmente se mide en horas frente a días o semanas.

“Nuestras máquinas funcionan con 120 voltios, por lo que no es necesario cortar la energía ni tocar una barra colectora alta”, agrega Campbell. "Es muy fácil simplemente conectar un cobot a un tomacorriente y comenzar a trabajar".

Los fabricantes más pequeños requieren una automatización flexible que pueda adaptarse fácil y rápidamente para satisfacer las demandas cambiantes. Foto cortesía de Fanuc America Corp.

Los pequeños y medianos fabricantes están impulsando la demanda de robots colaborativos en la actualidad. Están buscando equipos de producción que no incluyan inversiones a gran escala en automatización fija o grandes brazos robóticos. Estas incluyen tareas como cuidado de máquinas, montaje de luces, pruebas e inspección y control de calidad.

Los fabricantes más pequeños requieren una automatización flexible que pueda adaptarse fácil y rápidamente para satisfacer las demandas cambiantes. Necesitan sistemas que puedan programarse fácil y rápidamente y que puedan soportar múltiples tipos de tareas de automatización.

Los fabricantes de todas las industrias necesitan una automatización más flexible para adaptarse con rapidez y eficiencia a las condiciones cambiantes del mercado y la oferta laboral. La fabricación se está volviendo más especializada y menos predecible, lo que es más difícil de automatizar.

La automatización colaborativa permite que las personas y los robots trabajen juntos para hacer que la fabricación sea más flexible manteniendo la seguridad y la productividad. Aumenta la flexibilidad de fabricación al permitir que personas y robots trabajen juntos en tareas que anteriormente habrían requerido barreras y jaulas de seguridad.

Esto ha desafiado las concepciones previas sobre qué tipos de tareas de montaje se pueden automatizar. En el pasado, ensamblar una gran cantidad de productos personalizados a menudo implicaba un trabajo aburrido, delicado y repetitivo. Con los cobots, las personas pueden concentrarse en tareas cognitivas más gratificantes, mientras que el robot proporciona precisión y resistencia incansables.

"Hoy vemos una enorme demanda de automatización en Estados Unidos, a medida que las empresas buscan abordar cuestiones como la escasez de mano de obra, la demanda de productos personalizados por parte de los consumidores y la creciente presión para operar de manera sostenible", dice John Bubnikovich, presidente de la división de robótica de ABB en Estados Unidos. “Las empresas de todos los tamaños, en todas las industrias, deben poder adaptar rápidamente sus procesos para tener éxito en este período de incertidumbre sin precedentes.

"Los fabricantes de equipos originales de robótica están desarrollando robots colaborativos que responden a las demandas de los fabricantes de soluciones de automatización seguras y fáciles de usar para ayudar a cubrir las brechas en la disponibilidad de mano de obra calificada", explica Bubnikovich.

"Los pequeños fabricantes y los usuarios primerizos buscan robots colaborativos que sean fáciles de programar e implementar, para que puedan adoptar la automatización robótica sin tener que añadir técnicos específicos de robots a su personal", señala Bubnikovich.

"Los fabricantes de todos los tamaños también buscan robots colaborativos más robustos que tengan mayores cargas útiles y mayores alcances, lo que permitirá a los cobots realizar una gama más amplia de aplicaciones industriales", señala Bubnikovich.

Este nuevo cobot presenta un alcance significativamente mayor. Foto cortesía de ABB Robotics

"El aumento de la velocidad y la precisión también son importantes para ampliar la gama de tareas que pueden realizar los cobots", afirma Bubnikovich. "Los últimos cobots del mercado se utilizan para automatizar tareas más exigentes, como el cuidado de máquinas, la soldadura, la manipulación de piezas, el pulido y el montaje".

"La escasez de mano de obra se ha convertido en una realidad en todas las industrias y mercados", añade Jessica Juhasz, directora de ingeniería de aplicaciones en el segmento de industria general de Fanuc. “Los fabricantes buscan llenar fácilmente el vacío con un robot, pero no quieren el costo de un gran sistema de robot industrial.

"Poder tener un robot trabajando de forma segura junto a las personas elimina la necesidad de costosas vallas y sensores que ocupan mucho espacio en sus instalaciones", afirma Juhasz. “Algunos fabricantes están buscando comprar robots para reemplazar [o complementar] el trabajo manual, por lo que hay un gran enfoque en la facilidad de uso y las funciones de programación amigables para el usuario.

"Los fabricantes también tienen en cuenta la movilidad", explica Juhasz. “Poder mover fácilmente un robot colaborativo montado en un carro con ruedas o un vehículo guiado automáticamente de un trabajo a otro [es atractivo]. Eso puede eliminar la necesidad de rieles grandes y costosos que pueden ser necesarios para robots industriales más grandes”.

Los robots colaborativos están apareciendo en industrias y aplicaciones que en el pasado dependían de líneas de montaje manuales.

"Muchas empresas están intentando aumentar algunas de sus líneas con la automatización", dice Blanchette de Fanuc. “Quieren abordar algunas áreas en las que pueden tener problemas ergonómicos o de calidad. Pueden agregar robots colaborativos sin cambiar la configuración de su línea de ensamblaje”.

Las aplicaciones generales de manipulación de piezas son ideales para robots colaborativos. Los trabajos tediosos, como clasificar piezas o cargar prensas, son un buen punto de partida.

"Cualquier tarea de montaje que requiera tres manos también sería apropiada, con el cobot actuando como asistente del humano", explica Blanchette. “Por ejemplo, la máquina podría sostener una pieza más pesada mientras la persona une el conjunto con un destornillador.

"En aplicaciones donde los ciclos de vida son cortos, los robots colaborativos permiten a los fabricantes cambiar a nuevos productos muy rápidamente", señala Blanchette. "También estamos viendo una mayor demanda de cobots en empresas con altas tasas de rotación y áreas que experimentan una grave escasez de mano de obra".

La baja barrera de entrada atrae a muchos tipos de fabricantes, como las empresas que se especializan en la producción de productos electrónicos por contrato. La flexibilidad de los robots colaborativos es especialmente popular entre las empresas que desean reubicar las máquinas en otros lugares de sus instalaciones. Están moviendo cobots por las líneas de montaje para completar cuando y donde sea necesario.

Por ejemplo, los fabricantes subcontratados que desean cambiar de un estilo o tamaño de placa de circuito impreso a otro simplemente desanclan una máquina y la trasladan a la siguiente línea de montaje. Pueden utilizar el mismo robot en una línea de montaje y luego reutilizarlo fácilmente en una línea de inspección más tarde ese mismo día, donde el robot carga y descarga PCB en una máquina de inspección.

"El costo laboral y la escasez de trabajadores calificados son los principales impulsores de la creciente demanda de cobots", dice Campbell. “Los fabricantes inteligentes están aprendiendo a aprovechar su fuerza laboral. Implementan cobots para trabajar en piezas simples y repetitivas mientras los operadores realizan tareas más complicadas o de valor agregado.

"Hoy en día, los cobots se utilizan en todas las industrias y en todos los segmentos de aplicaciones", afirma Campbell. "La tendencia más importante es el crecimiento de las aplicaciones de proceso, como el atornillado y la soldadura".

El atornillado es un candidato perfecto para los cobots, porque pueden proporcionar flexibilidad y repetibilidad a tareas mundanas. Ante la grave escasez de mano de obra y las iniciativas de reubicación, grandes y pequeños fabricantes están invirtiendo en sistemas de atornillado colaborativos que permiten a humanos y robots trabajar en estrecha proximidad en las líneas de montaje.

Atornillar es una aplicación popular para robots colaborativos. Foto cortesía de ABB Robotics

Los operadores pueden trabajar codo con codo con los cobots. Los humanos pueden concentrarse en tareas que son fácilmente accesibles, mientras que las máquinas trabajan en cosas que son más difíciles, como insertar y atornillar tornillos en áreas difíciles de alcanzar o espacios confinados donde los sujetadores no siempre son visibles.

“El atornillado [automatizado] solía ser una tarea compleja, costosa y que ocupaba un gran espacio en la línea de montaje”, afirma Catherine Leclerc, propietaria de producto para aplicaciones de atornillado en Robotiq Inc. “Como tal, estaba reservado para su uso en grandes plantas con grandes presupuestos de automatización que producen en grandes volúmenes.

"Este tipo de proyecto personalizado realizado por un integrador difícilmente podría satisfacer la realidad de los pequeños fabricantes que se ocupan de un espacio [limitado] en la línea de montaje, presupuestos ajustados y personal de automatización [escaso]", señala Leclerc. “Ahora, con los cobots y los sistemas de atornillado diseñados específicamente para cobots, la tecnología se ha vuelto accesible para cualquier fabricante.

"Existen sistemas de atornillado que se pueden adquirir en el mercado, enviarse en unos pocos días laborables, instalarse fácilmente y adaptarse a los cambios de producción", afirma Leclerc. "Es una era completamente nueva".

"El atornillado es una gran aplicación para los cobots", añade Campbell. “De hecho, es una de nuestras aplicaciones más populares.

"Toda la programación se realiza a través del dispositivo de enseñanza UR", señala Campbell. "Eso ha simplificado las cosas y eliminado muchos riesgos, especialmente para los fabricantes más pequeños que pueden haber evitado la automatización en el pasado".

El atornillado colaborativo se utiliza en muchas industrias. Sin embargo, los ingenieros deben realizar una evaluación de riesgos e implementar medidas de protección adecuadas para garantizar la seguridad de los humanos que trabajan alrededor de un cobot o con él.

La soldadura es otra aplicación popular para los robots colaborativos. Los cobots son especialmente populares entre las pequeñas empresas y los fabricantes contratados, porque no requieren una gran inversión de capital como las tradicionales células de soldadura automatizadas equipadas con robots de seis ejes. La curva de aprendizaje es mucho más pequeña y los fabricantes no necesitan todas las herramientas y protecciones tradicionales asociadas con la soldadura.

"La profesión de soldador está atravesando una crisis laboral", dice Campbell. “La edad promedio de los soldadores calificados es de 55 años, la mayoría probablemente se jubilará dentro de 10 años y la gente más joven no está ingresando a la profesión en cantidades suficientes para sostener la demanda de la industria.

"Existe una necesidad urgente de sistemas de soldadura colaborativos que sean seguros de usar con seres humanos y que puedan usarse para ayudar a soldadores humanos expertos asumiendo los aspectos tediosos y poco ergonómicos del proceso de soldadura", afirma Campbell.

Durante mucho tiempo descartada como una tarea demasiado pesada para los cobots, la soldadura es ahora el segmento de aplicaciones de más rápido crecimiento para UR. Su robot UR10e, que cuenta con un alcance de 51 pulgadas y una capacidad de carga útil de 27 libras, es popular para soldadura MIG y TIG.

"Los cobots son ideales para cualquiera que realice cualquier tipo de fabricación de metal", explica Campbell. “Son fáciles de aprender, fáciles de implementar y reimplementar y rentables. Se puede implementar una celda lista para usar por unos 85.000 dólares, que es menos que pagar el salario anual de un soldador cualificado.

"La soldadura es una gran aplicación para los cobots, porque está orientada a la trayectoria", señala Campbell. “También tiene importantes requisitos de control de procesos, que es donde el software entra en juego. Una variedad de integradores han creado interfaces fáciles de usar”.

Por ejemplo, Hirebotics LLC ha desarrollado una aplicación que permite configurar cobots de soldadura desde un teléfono inteligente o una plataforma. Su sistema Cobot Welder cuenta con una estación de trabajo de 32 por 48 pulgadas montada en un carro móvil. El controlador del robot y la soldadora están premontados dentro del carro. El sistema cuenta con un robot UR10e emparejado con una soldadora pulsada Miller Invision de 352 MPa y un alimentador S74, además de una pistola de soldadura Tregaskiss MIG.

"Todo está cableado y listo para funcionar", dice Matt Bush, director de operaciones de Hirebotics. “Lo único que tiene que hacer el cliente es abrir la caja y sacarla del palé de envío. Luego, simplemente instalan el brazo, el soplete y el cableado. Todo eso lleva menos de una hora para lograrlo. Lo único que queda por hacer es enchufar el cable y conectarse a Internet, porque todo está basado en la nube.

"La mayoría de nuestros clientes no pueden contratar suficientes carrocerías para satisfacer la demanda que tienen hoy", dice Bush. “No necesariamente buscan menores costos o mayor productividad. Están buscando algo para llenar el espacio donde no pueden poner a un humano debido a la escasez de mano de obra.

"La soldadura colaborativa implica que un robot realiza parte de la tarea y un humano realiza la otra mitad", explica Bush. “Permite a los humanos hacer lo que mejor saben hacer: tareas táctiles que requieren destreza. Los robots son mejores para realizar tareas monótonas que se vuelven aburridas rápidamente. Los cobots son ideales para aplicaciones de bajo volumen y alta mezcla.

"Nos centramos en ofrecer a los soldadores una herramienta que puedan utilizar para producir soldaduras monótonas", señala Bush. "En cambio, pueden utilizar su experiencia y habilidades para centrarse en piezas complejas".

A pesar de sus numerosas ventajas, los robots colaborativos tradicionalmente se han visto obstaculizados por su limitada capacidad de carga útil. Sin embargo, eso está empezando a cambiar.

Por ejemplo, UR recientemente comenzó a enviar su tan esperado UR20. La máquina puede manejar cargas útiles de 20 kilogramos y tiene un alcance de 1.750 milímetros.

"El UR20 es el cobot más innovador que hemos producido", afirma Campbell. “Los beneficios incluyen tiempos de ciclo más rápidos, la capacidad de manejar cargas más pesadas y mejoras de software avanzadas que permiten capacidades de control de movimiento sin precedentes.

"La arquitectura conjunta se ha rediseñado y hemos eliminado alrededor del 50 por ciento de los componentes", explica Campbell. “Cada vez que se reduce el número de piezas de un conjunto mecánico, se aumenta la confiabilidad y la calidad. También significa que se pueden realizar más aplicaciones de cuidado de máquinas con una pinza doble, lo que mejora el tiempo del ciclo”.

En la reciente feria Automate en Detroit, Fanuc también presentó dos cobots que cuentan con una alta capacidad de carga útil.

Los nuevos cobots pueden manejar cargas útiles más pesadas que en el pasado. Foto cortesía de Universal Robots USA Inc.

"Nuestra serie de cobots CRX ahora puede manejar productos que pesan hasta 30 kilogramos, mientras que la serie de cobots CR ahora puede manejar hasta 50 kilogramos", dice Juhasz. "Ahora ofrecemos 11 variaciones de modelos que pueden funcionar en una variedad de aplicaciones industriales que incluyen ensamblaje, inspección, manipulación de materiales, embalaje, paletizado, lijado y soldadura".

El CRX-25iA cuenta con una capacidad de carga útil de 30 kilogramos y un alcance de 1.889 milímetros. El CR-35iB es el robot colaborativo más potente de la industria, con una capacidad de carga útil de 50 kilogramos, una gran área de trabajo y un espacio de instalación reducido. Una unidad mecánica aerodinámica y liviana presenta la última tecnología de sensores de Fanuc para mejorar la seguridad.

ABB también presentó recientemente GoFa 10 y 12, dos nuevas variantes de su cartera de robots colaborativos que manejan cargas útiles de hasta 10 y 12 kilogramos, respectivamente. Ambas máquinas funcionan con el controlador OmniCore de ABB.

"Además de sus cargas útiles mejoradas, los cobots GoFa 10 y GoFa 12 ofrecen velocidades de punto central de herramienta sin precedentes de hasta 2 metros por segundo con una repetibilidad de 0,02 milímetros, una mejora doble con respecto a productos comparables", afirma Bubnikovich. “Con certificación IP67 contra la entrada de humedad y polvo, amplían los beneficios de la robótica colaborativa rápida y precisa a nuevas aplicaciones industriales.

"La configuración se simplifica con la programación directa y el software de programación fácil Wizard, lo que permite incluso a los no especialistas automatizar rápidamente sus aplicaciones manipulando bloques de comandos gráficos simples en lugar de escribir códigos de programación complejos", agrega Bubnikovich.