Add On Industrial Robots - fischertechnik

Add On: Industrial Robots

Experimente la robótica industrial real directamente en el aula

Este juego permite a los alumnos familiarizarse intensamente con la robótica industrial y prepararse de forma práctica para las exigencias del mundo laboral moderno. Los alumnos montan ellos mismos dos modelos realistas de robots de seis ejes y aprenden a programarlos. Esta experiencia práctica les permite no sólo adquirir conocimientos teóricos, sino también desarrollar habilidades prácticas.

Grupo de edad

Enseñanza secundaria

Número de alumnos

2-4 por kit

Objetivos de aprendizaje

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

Tiempo necesario

Los alumnos necesitan aproximadamente 120 minutos para montar el modelo. Deben preverse entre 60 y 90 minutos para cada subtarea de las instrucciones de funcionamiento.

Sobre el producto

Material didáctico de acompañamiento

Temas

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

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

Modelización y cálculo del comportamiento de conducción, navegación mediante impulsos de motor, control de puntos

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

Sistemas de coordenadas

Comprensión y utilización de sensores y actuadores

Programación: estructuras de programa (bucles y condiciones, variables), reutilización de partes del programa, resolución de problemas.

Componentes del robot: Pinza, pinza de vacío
Objetivos de aprendizaje

Competencias relacionadas con los procesos: resolución de problemas, ser creativo.

Competencias matemáticas e informáticas: aritmética, lógica, desarrollo de estrategias de solución, pensamiento computacional.

Competencias personales y sociales: encontrar soluciones en equipo.

Competencia lingüístico-comunicativa: desarrollo de términos técnicos, descripción lógica de contextos.

Competencias relacionadas con el contenido: tratamiento de los elementos básicos del tratamiento de la información (principio EVA: sensores, tratamiento, actuadores), programación, tecnología de la información.
Tiempo necesario

Los alumnos necesitarán unos 120 minutos para montar la maqueta.

Deben preverse entre 60 y 90 minutos para cada subtarea de las instrucciones de funcionamiento.

Introducción a los robots industriales

Los robots industriales se han convertido en parte integrante de la industria manufacturera moderna. Se utilizan sobre todo en fábricas para realizar tareas repetitivas de forma rápida y con gran precisión. En esta introducción veremos su estructura y funcionalidad básica. Echaremos un vistazo a 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 con varias articulaciones. Un movimiento que para nosotros, los humanos, es sencillo requiere una programación y un control muy complejos de varios ejes en un robot. En principio, el número y la disposición de las articulaciones pueden variar en función del modelo de robot. Sin embargo, los robots articulados con seis ejes o grados de libertad son los más comunes. El número de grados de libertad indica cuántas opciones de movimiento independiente tiene el brazo del robot. Con seis grados de libertad, el robot puede alcanzar cualquier punto del espacio con cualquier orientación. Alcanzar el punto requiere tres grados de libertad (las coordenadas x, y y z) y alcanzar cualquier orientación requiere otros tres grados de libertad (la inclinación en las direcciones x, y y z). En este kit de construcción también aprenderemos a estructurar y programar un robot de 6 ejes.

También existen muchos otros tipos de robots industriales para aplicaciones especiales, como los robots SCARA de movimientos muy rápidos y los robots Delta o de cable para áreas de trabajo especialmente grandes.

Figura 1: Robot industrial con ejes

Las articulaciones de un robot industrial suelen accionarse mediante potentes motores eléctricos, ya que los robots industriales suelen levantar componentes o herramientas pesadas. La posición actual de cada articulación individual se registra mediante un sistema de medición de posición y un sistema de control especial controla los motores eléctricos para que el robot se desplace al punto de destino deseado a la velocidad deseada. Además, los robots industriales están equipados con un gran número de sensores para que puedan percibir su entorno y realizar sus tareas con seguridad y precisión. Dependiendo de la aplicación, se utilizan cámaras, sensores táctiles, sensores de fuerza o sensores para medir distancias.

La herramienta, que puede variar en función de la aplicación, está situada en el extremo del brazo del robot:
Componentes móviles: Pinzas mecánicas, pinzas de vacío
Unión de componentes: Alicates para punzonar, alicates para soldar, pistola de pegamento
Montaje: Destornillador
Medición de componentes: Sistema de medición láser, cámara

Figura 2: Herramientas de robots industriales

Algunos robots son incluso capaces de cambiar de 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 del sistema modular tiene una pinza de vacío y también puede convertirse en una pinza neumática.

En función de la aplicación de que se trate, los robots industriales pueden realizar diversos movimientos, desde movimientos lineales y giratorios hasta patrones de movimiento complejos. La denominada trayectoria, es decir, la posición de la herramienta a lo largo del tiempo, y la velocidad se definen al programar el robot.

Los robots industriales se controlan mediante instrucciones preprogramadas conocidas como programas de robot. Estos programas son desarrollados por técnicos e ingenieros y contienen una secuencia de órdenes que controlan el brazo del robot y otros componentes. La programación puede realizarse a distintos niveles lógicos: En lenguajes de bajo nivel, como el código G, se programan las coordenadas individuales de los objetivos, a los que el robot se desplaza uno tras otro. La programación Teach-in simplifica la programación del robot en la medida en que un empleado mueve primero el robot a las posiciones deseadas utilizando un mando a distancia y las guarda ("enseña"). A continuación, el robot puede repetir las secuencias de posiciones aprendidas de forma independiente. Con el software moderno, los robots industriales también pueden simularse y programarse en un mundo virtual y cargar el programa en el robot más tarde. Esta programación offline ofrece la ventaja de que el robot puede realizar otra tarea al mismo tiempo y seguir siendo productivo. En este material complementario nos familiarizaremos con cada uno de los pasos, desde el control de un solo eje hasta la programación teach-in.

Figura 3: Control TeachIn

Hay una gran variedad de robots industriales que se utilizan en muchos ámbitos diferentes:

Industria automovilística: gracias a los robots industriales, la construcción y pintura de carrocerías en la fabricación de automóviles está casi totalmente automatizada. Se utilizan, por ejemplo, para soldar piezas de la carrocería, aplicar juntas o pintar. El uso de robots aumenta la eficacia, precisión y velocidad de la producción, mejorando así la calidad del producto y la capacidad de producción. Al mismo tiempo, los robots industriales alivian la carga de los trabajadores humanos, ya que les eximen de levantar cargas pesadas y evitan que las personas se expongan directamente a humos tóxicos durante la soldadura
Industria alimentaria: los robots industriales se utilizan en la industria alimentaria para procesar y envasar alimentos. Esto permite crear un entorno de trabajo estéril y libre de contaminación, lo que mejora la higiene y, por tanto, la calidad del producto alimenticio.
Tecnología médica e industria farmacéutica: Eliminan el riesgo de contaminación microbiana y exposición a la radiación para los empleados y racionalizan 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 recoger, embalar y transportar mercancías. Los robots pueden levantar y mover cargas pesadas, lo que reduce la carga de trabajo de los empleados y minimiza el riesgo de lesiones. También pueden aumentar la eficiencia de los almacenes y acortar los plazos de entrega mediante procesos automatizados.
Industria eléctrica: en la industria eléctrica, los robots industriales se utilizan para fabricar componentes electrónicos o montar placas de circuitos. Su uso permite manipular componentes diminutos con rapidez y precisión, lo que aumenta la productividad y la calidad. Los robots también pueden utilizarse para pruebas automáticas y control de calidad de componentes electrónicos.

Resumamos las razones por las que los robots industriales se han hecho indispensables en tantas industrias hoy en día:

Mejora de la productividad: los robots industriales pueden realizar tareas repetitivas de forma más rápida y continua que los humanos. No muestran decisiones de fatiga y su funcionamiento es posible las 24 horas del día, lo que aumenta la velocidad de producción y el rendimiento general de una línea de producción.
Precisión y calidad: los robots industriales son capaces de realizar tareas con una precisión excepcional, lo que se traduce en una mejora de la calidad del producto. Sus movimientos son reproducibles y precisos, lo que se traduce en menores tasas de error y menos rechazos.
Seguridad: el uso de robots industriales puede sustituir a los humanos en tareas peligrosas o insalubres. Esto incluye, por ejemplo, el levantamiento de cargas pesadas o la manipulación de sustancias peligrosas. Esto alivia el esfuerzo físico de los empleados, reduce los accidentes laborales y mejora la seguridad en el lugar de trabajo.
Flexibilidad: los robots industriales pueden adaptarse a diferentes tareas y requisitos de producción. Cambiando la programación e intercambiando herramientas, también pueden realizar nuevas tareas de forma eficiente, lo que permite un alto grado de flexibilidad en la producción.
Ahorro de costes: aunque el coste inicial de los robots industriales puede ser elevado, invertir en un robot industrial puede suponer un importante ahorro de costes a largo plazo. Los robots industriales reducen la necesidad de mano de obra humana y su precisión reduce los posibles costes por errores. Debido a estos factores, el uso de un robot industrial en una empresa puede amortizarse.

Han transcurrido 70 años de desarrollo hasta que los robots industriales se han convertido en una parte indispensable de la fábrica moderna actual.

Los robots industriales nacieron en los años 50, 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 una fábrica de automóviles de Estados Unidos en 1961 para retirar y separar piezas moldeadas por inyección. Con este avance, Unimate revolucionó la fabricación de automóviles y abrió nuevas posibilidades para la automatización de los procesos de producción.

En las décadas siguientes, los robots industriales no dejaron de desarrollarse y utilizarse en todo el mundo. En los años 70 surgieron sistemas de control más avanzados basados en microprocesadores, que aún hoy constituyen la base del control de los robots modernos. En los años 80, los robots industriales se hicieron más flexibles y desde entonces pueden realizar una amplia gama de tareas, como montaje, pintura y manipulación de materiales.

Con el avance de la tecnología, los robots industriales son cada vez más inteligentes y potentes. Sus avanzadas opciones de programación les permiten realizar tareas más complejas y adaptarse a los cambiantes requisitos de producción. El desarrollo de los robots industriales se ve impulsado en particular por el uso de sensores avanzados para percibir el entorno y la inteligencia artificial.

El campo de investigación de la colaboración entre humanos y robots se ocupa de la cuestión de cómo los robots pueden trabajar de forma segura con los humanos. Aunque hasta ahora los robots industriales han trabajado sobre todo en espacios cerrados, el uso de sensores táctiles y cámaras pretende reducir la distancia con sus colegas humanos. La seguridad en el trabajo es, por supuesto, una prioridad absoluta.

Otro campo de investigación se refiere a la cuestión de cómo los robots industriales pueden aprender a moverse de forma autónoma y depender menos de patrones preprogramados. A pesar de su superioridad en términos de velocidad, precisión y fiabilidad, los robots industriales han dependido hasta ahora de la programación exacta de la secuencia de movimiento y, en consecuencia, no consiguen resolver problemas supuestamente cotidianos para los que no conocen un programa. Un ejemplo muy conocido es el de "alcanzar una caja", en el que un robot con pinzas tiene que coger cualquier objeto de una caja.

¿Cómo reconoce el robot dónde se encuentran los distintos objetos sin que las posiciones estén programadas de antemano?
¿Cómo puede el robot sujetar los objetos de forma segura sin que se caigan al levantarlos?
¿Con qué fuerza se puede apretar la pinza sin romper el objeto?

Un humano resolvería estas tareas con sus manos sensibles, su intuición y su experiencia. Los investigadores quieren trasladar este principio a los robots industriales: están investigando cómo los robots pueden percibir su entorno y reaccionar a los cambios de requisitos con la ayuda de sensores adicionales y el uso de inteligencia artificial. El objetivo es que en el futuro los robots industriales sean aún más inteligentes y puedan realizar tareas complejas de forma autónoma.

Para una comprensión global y una derivación matemática rigurosa de los conceptos para el control y la regulación (a nivel universitario) son adecuados:

Weber, Wolfgang; Koch, Heiko: Robots industriales. Métodos de control y regulación. Carl Hanser Verlag Munich. 2022.