Microscopios y modelos matemáticos versus magia metalúrgica

La historia de la robótica moderna tiene su punto de partida en 1954 con la patente de George C. Devol, Jr., seguida de la instalación en 1959 del primer modelo de prueba “Unimate” en la planta de fundición inyectada de General Motors en Turnstead y la creación en 1961 de Unimation Inc. El tiempo transcurrido desde entonces ha contemplado un intenso desarrollo de la robótica y, en concreto, de la denominada robótica industrial, de tal forma que los robots, que llegaron a ser considerados el paradigma de la automatización industrial, se han convertido en nuestros días en un elemento más, aunque importante, de dicha automatización.

Al igual que otras muchas ramas de la ciencia y la tecnología, la robótica nacía llena de promesas de futuro de un desarrollo tan rápido e intenso que, en pocos años, habría alcanzado metas que en aquellos momentos correspondían al ámbito de la ciencia ficción. Las aportaciones de una informática en continuo desarrollo, junto a las novedosas metodologías de la inteligencia artificial, permitían prever la disponibilidad, en pocos años, de robots dotados de una gran flexibilidad y capacidad de adaptación al entorno, que invadirían todos los sectores productivos de forma imparable.

¿Ha sucedido así? Solo parcialmente y, en algunos aspectos, muy por debajo de las previsiones. Pasadas las primeras etapas de desarrollo realmente vertiginoso y en muy diversos frentes, los problemas reales han frenado considerablemente las expectativas y han obligado a reconocer que el avance va a ser mucho más lento de lo esperado.

No obstante lo indicado, la robótica industrial ha alcanzado un elevado grado de madurez, y la compra e instalación de robots industriales en los entornos productivos ha dejado de ser una aventura para convertirse en una opción razonable en muchos contextos de la automatización.

Aunque la apariencia de los robots industriales no ha cambiado significativamente y muchos modelos actuales tienen una estructura y funcionamiento similares, aunque a diferentes escala, a aquel primer PUMA que Unimation entregó en 1978 al centro de tecnología de General Motors en Warren, Michigan, lo cierto es que tanto en los aspectos mecánicos como en el control y la programación, los avances han sido importantes aunque no espectaculares. Los robots actuales son más robustos, rápidos y fiables. Su capacidad de carga y repetitividad es comparativamente superior, y su programación se ha facilitado considerablemente.

Queda, no obstante, un largo camino por recorrer y en la tercera sección de este artículo intentaremos esbozar cuáles son previsiblemente las líneas futuras del desarrollo de la robótica, en el mundo y en nuestro entorno más inmediato, España.

La principal fuente de información sobre la situación de la robótica en el mundo y sus previsiones inmediatas es la publicación “World Robotics” [1] realizada conjuntamente por la Comisión Económica para Europa de las Naciones Unidas (UN/ECE) y la Federación Internacional de Robótica (IFR). Esta última recopila anualmente la información de los países más significativos desde el punto de vista de la robótica a través de las asociaciones nacionales de robótica de dichos países que son miembros de la federación. La información se complementa con los datos macro-económicos aportados por la UN/ECE y por la OCDE.

Hasta 1997, la publicación anual conjunta de la UN/ECE y la IFR tenía el título “World Industrial Robots”. En 1998, el título ha pasado a ser “World Robotics”.

De una forma similar, la principal actividad organizada por la IFR, el “International Symposium on Industrial Robots (ISIR)”, que viene realizándose anualmente de forma ininterrumpida desde 1970, ha cambiado de nombre por primera vez en su 29ª edición celebrada en abril de 1998 en Birmingham, para pasar a llamarse “International Symposium on Robotics (ISR)”.

¿A qué son debidos estos cambios de denominación? Al reconocimiento de la importancia creciente de una familia de robots que se ha desarrollado, aunque más lentamente, en paralelo con la robótica industrial: la robótica de servicios.

La clásica definición de la “Robotic Industries Association (RIA)” americana ha sido sustituida por la de la norma ISO 8373. Según esta norma, “un robot industrial manipulador es un manipulador programable en tres o más ejes, controlado automáticamente, reprogramable y multifuncional, que puede estar fijado en un lugar o ser móvil, y cuya finalidad es la utilización en aplicaciones de automatización industrial”.

No existe aún, por el contrario, una definición reglada de robot de servicio. A la espera de un acuerdo sobre la misma, la IFR ha adoptado la siguiente definición provisional: “Robot de servicio es un robot que opera de forma parcial o totalmente autónoma para realizar servicios útiles para el bienestar de los humanos y del equipamiento, excluyendo operaciones de manufactura”. Con esta definición, que tendrá que ir siendo afinada con el tiempo, los robots industriales manipuladores pueden ser considerados robots de servicio si están dedicados a operaciones diferentes de la manufactura.

La IFR ha adoptado también una clasificación provisional de los robots de servicio, por áreas de aplicación:

En estos momentos, el número de robots de servicio operando en todo el mundo se estima en unos pocos miles y claramente por debajo de la cifra de 10.000 unidades. Estos robots están realizando principalmente tareas de transporte y mensajería (p. ej. en hospitales), limpieza, cirugía y asistencia a minusválidos, aunque se espera su extensión a otras aplicaciones en un futuro próximo.

En el periodo 1987 – 1997, la venta anual de robots industriales tuvo un claro crecimiento hasta 1990, año en que se vendieron del orden de 81.000 unidades, para caer en los años siguientes, debido principalmente al brutal descenso del mercado japonés, hasta alcanzar un mínimo en 1993 con poco más de 54.000 unidades vendidas. Después de una pequeña recuperación en 1994, el año siguiente contempló un espectacular crecimiento de casi un 29% que se moderó a un 11% 1996 y a un 6,5% en 1997, año en el se ha alcanzado la cifra récord de casi 85.000 unidades vendidas.

El número total estimado de robots operativos al final de 1997 supera la cifra de 711.000, con un crecimiento del 6,4% respecto al año anterior. De ellos, Japón, con prácticamente 413.000 robots, se lleva la parte del león y junto con los otros cinco grandes países en robótica, totalizan casi 611.000 robots, quedando únicamente 100.000 para el resto del mundo.

El mercado anual de robots se mueve alrededor de la cifra de 5.000 millones de dólares, con un ligero descenso en 1997, pese al incremento de ventas de robots. Este hecho pone de manifiesto el continuo descenso del precio de los robots desde 1990, que en periodo 1990 – 97 ha supuesto un decremento en dólares corrientes que va desde algo más del 21% en EEUU hasta el casi 50% en Francia. No obstante ha de tenerse en cuenta que, tal como indica destacadamente el informe UN/ECE-IFR, el precio del robot sólo representa en media un 30% del coste total del sistema.

En cuanto a las áreas de aplicación, el 29,2% de los robots instalados en 1997 han estado dedicados a soldadura (13,2% al arco y 15,7% por puntos) que ha sido la aplicación mayoritaria, seguida por montaje (25,7%), manipulación (13,1%), mecanizado (8,7%) y paletización (3,1%). Estos porcentajes varían considerablemente cuando se refieren al total de robots operativos al final de 1997. En este caso, el montaje se destaca claramente con un 33,3%, pasando la soldadura a un segundo puesto, con un 23,9%. A mecanizado le corresponde el 9,6%, a manipulación, el 7,2% y a paletizado, el 2,8%. Únicamente del orden de 5.600 robots en todo el mundo (0,9%) están dedicados a enseñanza e investigación.

Por sectores industriales, la fabricación de vehículos automóviles es claramente el sector mayoritario, rozando el 30% del total, tanto en nuevas instalaciones de robots como en número de robots operativos.

En cuanto a los tipos de robots, los de 5 ó más ejes instalados en 1997 representan el 65% del total, mientras que los de 3 y 4 ejes se reparten el resto en partes aproximadamente iguales. Los robots angulares (con al menos tres articulaciones de rotación) suponen el 47,1% de los robots instalados en 1997. A este respecto, cabe destacar el reducido número de nuevas instalaciones de robots SCARA que alcanza solamente el 2,6% del total, únicamente por encima de los robots paralelos (cuyos brazos tienen articulaciones prismáticas o de rotación concurrentes) que tienen el 0,5%. Finalmente, los robots de trayectoria continua controlada representan la inmensa mayoría (82,4%) de los instalados en 1997.

Desde su fundación e inicialmente en colaboración con la “Revista de Robótica”, la Asociación Española de Robótica (AER) se encarga de realizar las estadísticas anuales de robots industriales en España y de suministrarlas a la IFR.

La venta de robots industriales en España durante 1997 ha sido de 1.203 unidades, lo que constituye la cifra más alta de robots vendidos en un año y representa un incremento del 6% sobre la cifra del año anterior. Con ello, el parque de robots operativos a final de 1997 alcanza la importante cifra de 7.682, según datos de la AER, lo que nos sitúa en el noveno puesto mundial y en el quinto europeo. Gracias a este parque de robots, España ha sido recientemente admitida como “major country” dentro de la IFR.

Siguiendo la misma evolución que el conjunto mundial, la instalación de robots industriales en España tuvo un mínimo en 1993, con 461 unidades, pero la tendencia creciente se ha recuperado decididamente en los años posteriores. Por lo que hace referencia a las áreas de aplicación, España se separa claramente de la media mundial, con un 42,5% de los robots instalados en 1997 dedicados a soldadura (frente al 29,2% mundial) y únicamente un 2,2% (frente a un 25,7%) dedicados a montaje. Esta desviación frente a la media mundial vuelve a producirse en las aplicaciones del parque de robots operativos al final de 1997: en España el 52,3% está dedicado a soldadura (frente al 23,9% mundial) y el 4,6% a montaje (frente al 33,3%). Estas cifras indican de manera inequívoca el déficit en España de utilización de robots en aplicaciones distintas de la soldadura y, en particular, su baja implantación en tareas de montaje, lo que supone una asignatura pendiente en la automatización de nuestras industrias.

También por sectores industriales la situación en España está sesgada con referencia a la media mundial, ya que en la industria automotriz los porcentajes, tanto de robots instalados en 1997 como del parque de robots, superan en más del doble a los porcentajes correspondientes de la media mundial. Con respecto a los principales países europeos, esta diferencia se reduce considerablemente: en España, el 66,7% de los robots instalados en 1997 lo fueron en la industria automotriz, frente al 49,3% en el conjunto europeo, y el parque español en dicha industria es del 59,7% frente al 45,5% de media en Europa.

En España los robots de 5 ó más ejes constituyen la inmensa mayoría de los robots instalados en 1997, con un porcentaje de casi el 84%. Igualmente, los robots articulados muestran una supremacía total frente a las otras estructuras mecánicas que, en conjunto, solamente alcanzan el 16,1%. Estas cifras muestran la misma tendencia, aunque con valores superiores, que la media mundial. Sorprende, por el contrario, que la situación sea completamente a la inversa cuando se analiza el modo de control de los robots. En España los robots secuenciales constituyen el 71,5% de los instalados en 1997 frente al 8,5% de media en un conjunto de países avanzados. Esta enorme discrepancia hace sospechar una interpretación poco ajustada a nivel español de la norma ISO 8373 que define los modos de control de los robots industriales.

La estadística española muestra también la penetración en nuestra industria de los diferentes fabricantes de robots. ABB continúa siendo el primero tanto en robots instalados en 1997 como en parque operativo, seguida de KUKA en el primer concepto y de FANUC en el segundo.

Hacer previsiones sobre la evolución de la robótica, como sobre la de cualquier tecnología en rápido desarrollo, es siempre difícil y arriesgado. La historia reciente de la robótica, tal como se comenta en la introducción, está plagada de previsiones no cumplidas y esperanzas no confirmadas. No obstante, es siempre conveniente mirar hacia el futuro y, con las salvedades del caso, se indican en este apartado algunas de las tendencias previsibles a corto y medio plazo.

Para este cometido, resulta especialmente útil analizar las inquietudes y desarrollos puesto de manifiesto en los congresos internacionales sobre la materia, como, por ejemplo, el IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA) [2] [3], de carácter científico, y el International Symposium on Robotics (ISR) [4] [5], con orientación aplicada. Ambos tienen periodicidad anual y reúnen a un buen número de especialistas en el campo.

La estructura mecánica condiciona tanto el espacio de trabajo como las prestaciones que pueden esperarse de un robot manipulador. Por este motivo ha sido objeto de numerosos estudios en el intento de lograr estructuras que puedan sustituir con ventaja a las tradicionales, al menos en determinadas aplicaciones. A pesar de las numerosas propuestas realizadas, ninguna de ellas se ha abierto camino de una manera clara en el ámbito industrial. Tal como ha quedado reflejado en el apartado 2.2, los denominados robots angulares acaparan casi la mitad del mercado mundial y los más novedosos robots paralelos solamente representan el 0,5% de los robots instalados en 1997.

No obstante, la investigación en este campo continúa adelante y son de esperar avances en el mismo. En lo que hace referencia a las articulaciones, dos interesantes paradigmas marcan los objetivos a alcanzar. Por un lado, la articulación tipo nudillo que se caracteriza por su ligereza, tamaño reducido, precisión y rapidez, y, por otro, la de tipo rodilla, paradigma de relación entre diseño mecánico, control complejo y suspensión activa.

Los actuadores de accionamiento directo, evitando transmisiones que pueden dar lugar a oscilaciones o comportamientos inadecuados, parecen tener un futuro prometedor. De la misma forma, los motores de estado sólido, especialmente en microrobótica pueden tener un importante desarrollo. Dentro de este campo puede también mencionarse el diseño conjunto actuador-control, como un medio de conseguir mejores prestaciones del robot.

En cuanto a los sistemas de locomoción, aspecto esencial para los robots móviles, las ruedas siguen siendo la opción de mayor futuro, si bien combinadas con algún tipo de soporte articulado, activo o pasivo, para su utilización en terrenos irregulares.

En los últimos años, los robots han constituido una planta excelente para la aplicación y ensayo de numerosas técnicas de control. En este sentido, cabe mencionar el control adaptativo, el control por modos deslizantes, las técnicas de pasividad, el control difuso y el control neuronal, entre otros. Muchos de los sistemas desarrollados han sido probados únicamente en simulación y no han sido sometidos aún a una verificación experimental que permita su validación real.

No obstante, diversos fabricantes de robots han incorporado mejoras derivadas de estos desarrollos y puede apreciarse una paulatina mejora en las prestaciones de los sistemas de control, ligada también, evidentemente, a la disponibilidad de micro procesadores más rápidos y potentes. En esta línea, algunos fabricantes han comenzado a incorporar en sus sistemas módulos de compensación dinámica que permiten al robot cargado seguir con precisión trayectorias a velocidad elevada.

La identificación en línea del modelo del robot puede permitir mejorar su comportamiento dinámico y supervisar su funcionamiento en vistas a detectar disfuncionalidades o fallos del sistema.

La incorporación de sensores a los robots que les permitan obtener información de su entorno e interaccionar con él, ha sido mucho más lenta de lo previsto. Sensores como los de tacto que en un momento dado fueron objeto de intensa investigación e, incluso de comercialización en algunos casos, han quedado prácticamente aparcados. No obstante, no parece demasiado arriesgado afirmar que el desarrollo de la robótica futura, tanto de los robots manipuladores como de los robots móviles, pasa en gran parte por la incorporación de nuevos y más eficientes sensores.

En robots manipuladores y, en concreto, para tareas de montaje y mecanizado en las que existe contacto entre la pieza manipulada por el robot y el entorno, la utilización de sensores de fuerza puede tener un incremento apreciable a medio plazo. Esta utilización se verá facilitada por el abaratamiento del coste de los sensores, y la disponibilidad de procesadores para el tratamiento en tiempo real de su información, y de estrategias eficientes de ejecución de esas tareas que hagan uso efectivo de la información de fuerza.

Los sistemas de visión seguirán siendo, en cualquier caso, los más utilizados y los de mayor desarrollo futuro, tanto para los robots manipuladores como para los robots móviles, aunque para estos últimos los sensores de proximidad y distancia sigan constituyendo un elemento esencial. La iluminación controlada aparece como uno de los factores fundamentales de los sistemas de visión futuros. Aspectos como la posición y tipo de los focos, la utilización de luz estructurada y la explotación de las posibilidades de la longitud de onda y de la polarización serán, sin duda, de gran importancia en dichos sistemas.

Por otro lado, la incidencia de los modelos, especialmente de representación jerárquica, de los programas oportunistas y de la selección automática de dichos modelos de acuerdo con el objetivo perseguido, tendrán una creciente importancia de cara al procesado de la información de las imágenes. Igualmente, los futuros sistemas de visión harán un uso creciente del color, de la información 3D y de las técnicas de visión activa como el seguimiento y el flujo óptico.

Mención especial merecen las técnicas de integración sensorial que tienen como objetivo combinar la información procedente de diversos sensores para construir y actualizar un modelo del entorno en vistas a un objetivo determinado. Estas técnicas han de permitir, por un lado, un uso más eficiente de los sensores disponibles con un incremento de la cantidad y de la calidad de la información obtenida, y, por otro lado, la detección de errores y fallos en algún sensor, y la continuidad del funcionamiento, aunque degradado, del sistema.

La interfase hombre-máquina y, en concreto, la programación de los robots para la ejecución de las tareas es uno de los temas básicos para la efectiva expansión de los robots en los ambientes industriales. Uno de los temas recientes de discusión es la necesidad o conveniencia de alcanzar un estándar sobre un lenguaje de programación para robots que pudiese ser convertido por software en el lenguaje específico de cada robot. Sobre este punto, diversos fabricantes han expresado opiniones contrapuestas, pero parece haber un consenso generalizado sobre la necesidad de hacer más fácil, seguro y eficiente para el usuario el desarrollo de aplicaciones robotizadas.

En esta dirección cumple un papel decisivo la programación fuera de línea, que no ocupa tiempo de trabajo del robot, asistida de la simulación gráfica y de elementos como el posicionamiento relacional que facilita la obtención de posiciones y orientaciones que ha de alcanzar el robot.

La planificación de tareas fue un tema de boga hace unos años que quedó después en un segundo plano debido a la dificultad de realizar planificadores realistas y utilizables en un entorno industrial. En estos momentos, los objetivos son claramente más modestos y la planificación se orienta más como una ayuda a la programación en tareas complejas que como un sistema autónomo. Ejemplos de este enfoque son la planificación de movimientos sin colisión, de la acomodación activa en tareas de montaje con robots y de las curvas de pulido en el acabado de piezas. En todo caso, los planificadores, para ser realistas, deben tener en cuenta la incertidumbre siempre presente en la ejecución de una tarea y la utilización de los sensores disponibles para llevar a cabo la misma.

La programación reactiva y el aprendizaje son otras técnicas prometedoras aunque todavía incipientes en el entorno industrial. La introducción del aprendizaje en el campo de la robótica viene motivado básicamente por la necesidad del robot de adquirir automáticamente los conocimientos necesarios para la realización de determinadas tareas. Esta necesidad es debida, en algunos casos, a la existencia de tareas difíciles de programar pero cuya forma de realización puede ser mostrada fácilmente al robot. Otras veces, el problema es que la información necesaria para programar el robot no es accesible y el robot ha de adquirir ese conocimiento mediante la exploración. Un caso similar se produce en entornos dinámicos en los que el robot ha de ser capaz de tener constantemente actualizado el conocimiento de los mismos.

Tal como se ha mencionado en la introducción, el robot industrial es cada vez más un elemento dentro de un sistema automático de producción. En este sentido, adquiere una gran importancia la integración del robot con otros robots y con otras máquinas.

En el campo de la cooperación entre robots pueden mencionarse como temas abiertos el reparto de tareas entre los distintos robots, el control combinado fuerza-posición en la manipulación conjunta por parte de varios robots y la evitación de colisiones entre ellos.

La integración de robots en celdas robotizadas pone de manifiesto una serie de problemas hasta ahora resueltos solamente de forma parcial, como son el diseño de la arquitectura de la célula, la comunicación entre máquinas, la simulación del funcionamiento y la programación de la celda.

La constatación de la dificultad de programar un robot para operaciones complejas y con capacidad de adaptación a situaciones cambiantes ha hecho resurgir la idea de la teleoperación. En un futuro próximo, la teleoperación asistida en la que el robot es capaz de desarrollar ciertas operaciones ordenadas por el operador sin necesidad de que éste tenga que realizarlas en detalle, y la utilización del retorno sensorial a través del cual el operador experimenta las sensaciones de la tarea, tendrán un desarrollo creciente.

Actualmente estas técnicas están siendo ya aplicadas con éxito en tareas complejas de mantenimiento y en campos de reciente introducción de la robótica, como la construcción.

Los robots industriales ocupan un lugar destacado dentro de la automatización de la producción y su papel se ha ido consolidando en los últimos años. Después de un descenso en las ventas, tanto en el conjunto del mundo como en España, que tuvo su mínimo en 1993, el mercado de robots ha seguido una evolución creciente. No obstante, la industria automotriz continúa siendo el sector mayoritario en cuanto a utilización de robots, especialmente en España. Si bien la soldadura en sus diversos tipos sigue siendo un campo muy importante de aplicación, el número de robots dedicados al montaje en el conjunto del mundo es mayoritario. En España, en cambio, la introducción de los robots en aplicaciones de montaje es todavía muy reducida y constituye una asignatura pendiente de nuestra industria.

Aunque resulta difícil hacer previsiones de futuro en el desarrollo de la robótica, algunos temas destacan de manera clara: las exigencias crecientes de fiabilidad y eficiencia, la interfase hombre-máquina a través de sistemas gráficos y programación fuera de línea, la importancia creciente de los sensores y de la integración sensorial, la interconexión entre máquinas, la coordinación entre robots y otras máquinas, y la teleoperación. Igualmente, es importante mencionar los nuevos campos en expansión de aplicación de la robótica como la exploración, la agricultura, la industria alimentaria y la medicina, que complementarán en el futuro la ya tradicional robótica industrial.