ABSTRACT: The competition between industries has led to the need of acquiring new methods, which are more efficient and at a lower price, in order to improve, make faster and increase production in the different processes required at industries. Is in this context, that robots have taken an important part and have grown constantly during the past few years. Nowadays, robots perform functions in industries of global relevance, such as automotive, computational, agricultural and livestock area, among others. In Chile, it is highlighted because of their contribution to the industries that generate bigger incomes to the country, like mining, fishing and logging companies, giving them the possibility to develop their processes in a faster and accurate way, and letting machines do the works that are dangerous for the workers. Robot’s evolution has had a significant acceleration, getting even to substitute men and thus affecting employability rates.RESUMEN: La competitividad de las industrias ha llevado a la necesidad de adquirir nuevos métodos más eficientes y a costos más bajos, a fin de mejorar, agilizar y aumentar la producción en los diferentes procesos requeridos en la industria. Bajo ese contexto, es que la robótica ha tomado importancia y ha crecido de forma sostenida en los últimos años. Hoy en día, se pueden ver desempeñando funciones importantes en industrias de relevancia mundial, entre las que destacan área automotriz, computacional, agrícola y ganadera, entre otras. En Chile se destaca por su aporte a las industrias que generan mayor cantidad de ingresos al país, como la minería, pesca y empresas madereras, dándoles la posibilidad de desarrollar sus procesos de manera más ágil, precisa y otorgándole a las máquinas las labores que sean peligrosas para los trabajadores. La evolución de los robots ha tenido una aceleración impactante, llegando incluso a sustituir al hombre y afectando así los índices de empleabilidad.Index Terms: robota, ensamblaje, multifuncional, crecimiento, unidades, seguridad, costos, desempleo, articulación, eslabón, grados de libertad.

I. INTRODUCCIÓN

La robótica es la ciencia que estudia el diseño, construcción, operación, disposición estructural, manufactura y la implementación de robots, conjugando múltiples disciplinas, como la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial y la ingeniería de control, entre otras.Robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de robots para la ejecución de procesos industriales.En términos generales, un robot es una máquina automática o autónoma que posee cierto grado de inteligencia, capaz de percibir su entorno y de imitar determinados comportamientos del ser humano. Los robots se utilizan para desempeñar labores riesgosas o que requieren de una fuerza, velocidad o precisión que está fuera de nuestro alcance. También existen robots cuya finalidad es social o lúdica.

Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar diversas tareas. El robot industrial posee ciertas características antropomórficas, la más común es la de un brazo mecánico.

II. ANTECEDENTES

La palabra robot procede del término robota, que significa trabajo obligatorio, se utilizó por primera vez en 1920, en la obra teatral “Los Robots Universales de Rossum”, escrita por el dramaturgo checo Karel Capek.

El robot industrial antiguo más conocido, se completó con Bill Griffith P. Taylor. En 1937. ‘La Grúa’, como se lo denominó al dispositivo, fue accionado por un único motor eléctrico.

Por su parte, George Devol, pionero en la industria robótica, estaba interesado en el diseño de una máquina que fuera de fácil manejo y en el año 1954 diseña el primer robot programable. En 1956 se crea la primera compañía de robots del mundo, ‘Unimation’, fundada por George Devol y Joseph F. Engelberger, Los robots de Unimation también fueron denominados máquinas de transferencia programables, ya que su principal uso en un principio era transferir objetos de un punto a otro, a menos de tres metros de distancia. En 1961 se pone en funcionamiento el primer robot industrial, en una planta de ensamblaje de automóviles de General Motors. Este robot fue el ‘Unimate’, y desempeñaba tareas de soldadura y extracción de piezas de fundición.

En 1973, la empresa KUKA construye su primer robot industrial, conocido como ‘Famulus’. Se trataba del primer robot del mundo con seis ejes de accionamiento electromecánico con un uso especialmente válido para la manipulación.

En 1982, el profesor Makino de la Universidad Yamanashi de Japón, desarrolla en concepto de robot SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) con una configuración orientada al ensamblado de piezas.

La evolución de los robots industriales ha tenido una aceleración impactante. Las investigaciones y desarrollos sobre robótica industrial han permitido que los robots tomen posiciones en casi todas las áreas productivas y tipos de industria. En pequeñas o grandes fábricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas tareas repetitivas y hostiles, adaptándose inmediatamente a los cambios de producción solicitados por la demanda variable.

ROBÓTICA INDUSTRIALCamila Cabrera F.

Luis Délano L.Manuel Pérez C.

Valentina Santander S.Universidad de Concepción, Chile.

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III. CLASIFICACIÓN

Una clasificación de robots industriales es:

A. Manipuladores

Son robots multifuncionales con sistemas mecánicos básicos, y permiten gobernabilidad en sus movimientos, diseñados para ser utilizados en funciones sencillas y repetitivas, como levantar mercancía y manipular objetos. Pueden ser controlados de forma manual, es decir, se controla por una o más personas a través de control.

B. Robots de aprendizaje

Se limitan a repetir una secuencia de movimientos realizada con la intervención de un operador y luego lo memorizan todo.

C. Robots con control por computador

Son similares a los anteriores pero carecen de la capacidad de relacionarse con el entorno que les rodea.

D. Robots Inteligentes

Son manipuladores o sistemas mecánicos multifuncionales controlados por computadores capaces de relacionarse con su entorno o a través de sensores y tomar decisiones en tiempo real.

IV. ESTRUCTURA DE UN ROBOT

El componente principal es el manipulador, que consta de una secuencia de elementos estructurales rígidos, denominados enlaces o eslabones, conectados entre sí mediante articulaciones, que permiten el movimiento relativo de cada dos eslabones consecutivos. Cada uno de esos movimientos independientes que puede realizar cada articulación, se denomina grado de libertad, en la Fig. 1 se indica el número de grados de libertas de cada tipo de articulación. Las partes que conforman el manipulador reciben los nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y elemento terminal (pinza o herramienta). VerFig.2.

Fig. 1

Fig. 2

Además del manipulador, está el controlador del robot, que es el lugar donde se reciben las señales medidas por los sensores y se calculan señales adecuadas para accionar el mecanismo y producir los movimientos programados con los menores errores posibles. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas. Los mecanismos de entrada y salida, más comunes son: teclado, monitor y caja de comandos llamada "teach pendant".

Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y ver los datos del controlador. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional. Algunos robots únicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, uno de los componentes de entrada y salida permite la realización de todas las funciones.

Las señales obtenidas de los sensores son enviadas al sistema de control, donde el controlador digital es capaz de adquirir las señales medidas por los sensores y calcular señales adecuadas para accionar el mecanismo y producir los movimientos programados con los menores errores posibles. Las señales recibidas y enviadas son posibles gracias a los dispositivos de entra y salida. Ver Fig. 3.

Fig. 3

Un robot industrial con seis ensambles se asemeja de alguna manera a un brazo humano – tiene la equivalencia de un hombro, un codo y la muñeca. Normalmente, el hombro está montado en una base con una estructura fija en lugar de un cuerpo móvil.

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Fig. 4

El trabajo del brazo robótico es mover un dispositivo mecánico final de un sitio a otro. Se pueden poner varios tipos de dispositivo final dependiendo de lo que se esté haciendo o realizando. Un dispositivo típico es una versión simplificada de una mano humana, la cual puede agarrar y transportar distintos objetos. Las manos robóticas tiene integradas sensores de presión que le dicen al ordenador cuan fuerte está presionando un objeto determinado. Esto impide que el robot deje caer o rompa lo que está llevando. Otros dispositivos pueden ser destornilladores, dispersores de pintura o sopletes.

V. APLICACIONES

El ámbito industrial es uno de los más relevantes y de interés en la robótica, ya que se ocupa de la construcción de máquinas capaces de realizar tareas mecánicas y repetitivas, de una manera eficiente y principalmente a bajo costo, a fin de mejorar, agilizar y aumentar la producción en los diferentes procesos. Actualmente, son indispensables en la mayoría de los procesos de manufactura, debido a su naturaleza multifuncional pueden llevar a cabo un sin número de tareas.

A. Trabajos en fundición

Fue el primer proceso robotizado, el material usado, en estado líquido, es inyectado a presión en el molde, la idea es solidificar la pieza, más tarde se extrae y se enfría.

B. Transferencia de material

El objetivo es mover una pieza de una posición a otra, son las operaciones más sencillas y se requieren comúnmente robot poco sofisticados.

C. Paletización

Procedimiento de manipulación, consiste en disponer piezas sobre una plataforma o bandeja, las piezas ocupan posiciones predeterminadas asegurando estabilidad, y facilidad de manipulación.

D. Alimentación de máquinas

El robot carga y/o descarga piezas de una máquinas, es súper habitual el uso de estos robots en las empresas por la peligrosidad y monotonía de las operaciones de carga y descarga de máquinas.

E. Operaciones de procesamiento

Los robots realizan trabajos directamente sobre pinzas, pero

requieren de una herramienta como efector final.

F. Montaje

Es una de las aplicaciones que más está creciendo, se relaciona con el ensamblaje, requieren una gran precisión y repetitividad, los más utilizados son los Scara, por su bajo costo y adaptabilidad selectiva, también son frecuentes los robots cartesianos por su gran precisión.

G. Control de calidad

Usan su capacidad de posicionamiento y manipulación, transportando en su extremo un palpador que le permite realizar un control de las piezas ya fabricadas, tocando puntos clave de éstas, analizando así la calidad.

H. Manipulación en salas blancas

En la industria farmacéutica, la producción de vacunas y hormonas deben realizarse bajo condiciones de esterilidad, para ello se realizan en cabinas, donde se introducen los robots de manera permanente, consiguiendo una reducción de riesgos en contaminación, una mayor homogeneidad en la calidad del producto y una disminución en el costo de fabricación.

I. Corte

La capacidad de reprogramación del robot y su integración en un sistema, hacen que sean ideales para transportar la herramienta de corte sobre la pieza, realizando con precisión un programa de corte definido previamente desde un sistema de diseño asistido por computador.

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VI. ROBÓTICA INDUSTRIAL EN EL MUNDO

La organización internacional de estándares (ISO) define a un robot industrial como “manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas”. Podría parecer ilógica entonces la utilización de robots, puesto que los actos anteriores pueden ser fácilmente ejecutados por personas. Lo cierto es que la industria, ha decidido la operación con robots para situaciones en las que el trabajo humano puede ser deficiente por temas de fuerza y precisión, o bien para labores que resultan peligrosas.

La robótica no tuvo un gran crecimiento sino hasta el año 1990, en donde se estima que se vendieron 81.000 unidades en total a nivel mundial. Dicho crecimiento se vio afectado por una crisis financiera vivida en Japón, que eran los principales productores. Es por esto que volvió a reactivarse el año 1994, alcanzando desde aquel entonces niveles de crecimientos que no han dejado de disminuir. Para el año 1997, año donde se registró el mayor record de ventas anual de la década del 90 (85.000 unidades), se estimaba que la cantidad total de robots vendidos en todo el mundo rondaba por las 711.000 unidades, donde un 29,2% eran utilizados para labores de soldadura, 25,7% para el montaje o ensamblaje, 13,1% para la manipulación, 8,7% para el mecanizado, 2,8% para el paletizado o transporte de cargas ligeras y el porcentaje restante, para otras áreas. De esas 711.000 unidades, 625.000 unidades fueron vendidas sólo a los 6 países más robotizados de aquel entonces. Tabla 1.

Unidades vendidas en los años 1990, 1994 y 1997

Tabla 1

Desde 1997 hasta hoy, los números anteriores han variado considerablemente. El record de ventas anual máximo se registró el año 2013, alcanzando un total de ventas de 179.000 unidades. Por otra parte, el número total estimado de robots vendidos a nivel mundial bordea las 1.500.000 unidades, donde República de Corea y Japón ocupan el primer puesto con 3,5 unidades por cada 100 trabajadores y Alemania 2,5.Se estima además, que un 40% de las unidades de robots

existentes se utilizan en la industria automotriz, 20% en la industria eléctrica y electrónica, 9% en la industria del metal, 7% en la industria química y del plástico, 3% en la industria alimenticia y un 21% en otro tipo de industrias.

VII. ROBÓTICA INDUSTRIAL EN CHILE

La robótica en Chile partió hace aproximadamente 15 años a un ritmo tímido. No existen estadísticas certeras que determinen el grado de penetración total que ha tenido, pero se sabe que no ha sido acelerado producto de que la industria chilena no posee gran desarrollo en los tipos de industria que utilizan la robótica con mayor secuencia (por ejemplo la automotriz, la cual se estima que posee un 40% de las ventas de robots industriales a nivel mundial), por lo que aún existe un retraso en comparación con industria a nivel mundial. Se suele emplear para casos en que el trabajo humano no es suficiente para una determinada labor, ya sea por su peligrosidad, precisión o falta de fuerza.La industria Chilena que es pionera en el uso de la robótica, es la industria minera, puesto que ésta desempeña muchas labores que resultan peligrosas para los trabajadores.En el contexto de estas labores se pueden destacar los trabajos exploratorios dentro de la mina, en los que se utilizan pequeños robots comandados por computadora, que con cámaras registran lo que sucede al interior.Otra industria muy importante para nuestro país que necesita ayuda especializada de robots, es la pesquera. Grandes cantidades de excrementos y desechos de comida para peces quedan estancados en el fondo marino, lo que dificulta la pesca. Es por eso que se utilizan los llamados ROV, que se encargan de aspirar los desechos.Así mismo, dentro de las industrias que reportan importantes ingresos al país, están las madereras, que utilizan los robots para apilar las grandes cantidades de producto que fabrican.

Por otra parte, hoy en día no existen políticas de incentivo y/o desincentivo al uso de robots en nuestro país, debido precisamente a que aún existe un retraso en ese ámbito, pero sí existen normativas asociadas a la seguridad de las instalaciones donde existen robots, en donde se exige a las empresas tener operarios encargados de vigilar constantemente las características técnicas con las que opera un robot, como por ejemplo la fuerza con la que trabaja, posición, aceleración, frenado, torque, etc. También deben existir periodos fijos de mantención técnica definidos para cada tipo de robot, en los que se calibran los parámetros de operación, con el fin de evitar desperfectos y/o irregularidades.

VIII. PROBLEMÁTICA DE LOS ROBOTS

A. Costos de inversión

El principal obstáculo de la robotecnia industrial es su alto costo de inversión, el cual resulta ser muy superior a la contratación de mano de obra. No obstante, los beneficios obtenidos con la adquisición de un robot industrial resultan ser a largo plazo, positivos.

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Ejemplificando, la empresa norteamericana “Rethink Robots”, ofrece el modelo Baxter a un costo inicial de US$25.000 (aproximadamente CH$15.000.000) cuyas principales funciones son de carga/descarga y embalaje. A la suma anterior se le debe agregar los costos de mantenimiento, y reparación en caso de que se presente alguna falla. El pago del sueldo a un trabajador promedio por 5 años equipara el costo inicial de Baxter, por ende, resulta difícil obtener beneficios a corto plazo, sin embargo, la recuperación de la inversión será efectuada.

Cabe mencionar que, el precio del robot promedio usado en soldadura por puntos en la manufactura de bienes como autos ha caído de US$182.000 (año 2005) a US$133.000 (año 2014), de acuerdo a la empresa BCG, y se estima que el costo de robots industriales continuará decayendo en la siguiente década. Además, algunos robots industriales de fabricación de automóviles se encuentran operando a 7 dólares americanos la hora, luego de que el costo de inversión es recuperado. Por otro lado, robots usados en la fabricación de productos electrónicos tienen un valor de aproximadamente 4 dólares la hora, precio un poco más bajo que el costo de un trabajador promedio. Se espera que esta diferencia se incremente en los siguientes años.

B. Experticia y riesgos

Los empleados requerirán un programa de entrenamiento y de interacción con el nuevo equipamiento robótico, lo que toma tiempo y dinero.

El uso de la tecnología robótica puede introducir nuevos peligros. Aún si se tienen señalizaciones y todos los trabajadores utilizan un equipo de seguridad, es posible que a los trabajadores se les atasque el pelo o la ropa en la maquinaria, lo que podría causar un daño físico serio.

C. Falla de alguna máquina

El uso de maquinarias en una industria puede hacer que los procesos dependan completamente de estos robots, es así que cuando una pieza falla, la compañía comienza a perder dinero inmediatamente, ya que estas máquinas no pueden ser fácilmente reemplazadas mientras dura su reparación.

D. Empleos

Hoy en día, los robots son capaces de hacer el trabajo de una persona con una inteligencia promedio, lo que es un CI (coeficiente intelectual) de 100. Si se considera que la tecnología de estas máquinas continuará mejorando a la tasa actual, la cual es un incremento del CI de estos robots en 1.5 puntos cada año, para 2025 se espera que el CI de estas máquinas sea mayor al 90% de la población humana. Ese incremento de 15 puntos en 10 años pondría otros 50 millones de trabajos al alcance de estas máquinas inteligentes (Fuente: Harvard).

Es así que los robots industriales reemplazan más trabajos de los que crean. Por ejemplo, un trabajo que requiere 10 trabajadores, puede ser efectuado por una máquina que requiere tan solo un operador, teniendo por ende un efecto en el desempleo, al acrecentar a este último, siendo los principales responsables: los robots industriales.

IX. BIOGRAFÍA

Luis Délano Luengo nació en la ciudad de Concepción, Chile, el 22 de mayo de 1995. A temprana edad se fue a vivir a Santiago, Chile, lugar donde realizó la mayor parte de su educación básica en el colegio “República de Siria”. Posterior a eso, retorna a su ciudad natal, Concepción, donde asistió al establecimiento “Colegio San Ignacio”, lugar donde finalizó sus estudios de enseñanza media. Amante de las matemáticas, siguió su rumbo por el lado de la Ingeniería, en la Universidad de Concepción, Chile. Es así que actualmente cursa su

tercer año de Ingeniería Civil Industrial.

Valentina Santander Salazar nació en la ciudad de Chillán, Chile, el 16 de noviembre de 1993. Realizó tanto su educación básica como media en el colegio “Purísima Concepción de Chillán”. A sus dieciocho años, en busca de sus sueños, se fue a Santiago, Chile, a la Universidad Técnica Federico Santa María, donde estudió dos años Ingeniería Civil Industrial. Por diversos motivos, tiene que regresar, y decide ingresar a la Universidad de Concepción, con el propósito de terminar la carrera que ya había iniciado. Es así que actualmente cursa su tercer año de Ingeniería Civil Industrial.

Camila Cabrera Flores nació en la ciudad de Concepción, el 10 de marzo de 1995. Se crío en la comuna de Purén, donde realizó la totalidad de su enseñanza básica, en la escuela “Pedro de Oña”. Para continuar con sus estudios debió viajar a la ciudad de Angol donde cursó la enseñanza media en el “Colegio San Francisco de Asís”. Mientras realizaba sus últimos años en este colegio, decidió

que su futuro era seguir el área de la ingeniería. Actualmente se encuentra cursando su tercer año de Ingeniería Civil Industrial.

Manuel Pérez Carrasco Nació en la ciudad de Chillán el 14 de diciembre de 1994. Es ahí donde realizó sus estudios primarios y secundarios en el colegio Padre Alberto Hurtado. Siempre apasionado por la matemática y la física, decidió que sus estudios superiores iban a estar relacionados con la ingeniería. Es así como actualmente cursa tercer año de Ingeniería Civil Industrial en la Universidad de Concepción, en la ciudad de Concepción.

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