Tu nuevo compañero de trabajo es un "cobot"
Los robots industriales son grandes, caros, inflexibles y peligrosos para los trabajadores humanos, ¿verdad? Pues no, la nueva generación de robots colaborativos (cobots) pueden trabajar codo con codo con las personas y no es necesario que estén encerrados detrás de unos barrotes.
Crédito de la imagen: ABB
El robot enjaulado
En el proceso de desarrollo de los cobots, los robots han pasado del ámbito de la ciencia ficción a la realidad práctica. Hasta hace poco, esa poderosa e inteligente máquina humanoide que trabajaba al lado de seres humanos solo existía en un mundo ficticio. Los primeros brazos robóticos industriales eran relativamente poco sofisticados, con sensores básicos que proporcionaban al ordenador de control información sobre las posiciones de las articulaciones.
Los sensores de seguridad en forma de interruptores de final de carrera se idearon únicamente para evitar que el brazo se dañara a sí mismo en caso de que el controlador accionase un movimiento fuera de rango. Son grandes, van atornillados al suelo y a menudo utilizan herramientas de soldadura pesadas con gran velocidad y destreza. Cuesta imaginar algo menos inofensivo o colaborativo, por lo que se instalan barreras físicas que mantienen a las personas a una distancia prudencial mientras el brazo está en funcionamiento. Estas máquinas impresionantes llevan presentes en las grandes plantas de montaje de automóviles desde los años 80, pero su elevado coste de capital y su inflexibilidad han hecho que pocas empresas puedan permitírselas. Entonces, ¿cómo hacemos para quitar las barreras y convertir a un monstruo en un cobot inofensivo y flexible?
Quitar las barreras, pero reaccionar si alguien se acerca demasiado
Se puede utilizar un sencillo detector PIR para detectar a alguien que se acerca demasiado y apagar el robot. Esta operación se denomina "parada de seguridad supervisada" y es fácil de implementar, pero muy problemática, ya que el generoso margen de seguridad que exige daría lugar, inevitablemente, a frecuentes paradas. La fábrica puede parecer mucho menos intimidante sin las jaulas, pero no tiene sentido desde el punto de vista económico si los trabajadores aún tienen que poder acceder habitualmente a la zona.
Un método más eficaz consiste en emplear sensores de alcance ultrasónicos (sonar) o infrarrojos (lidar) alrededor del robot para proporcionar una solución más calculada. Una zona de "apagado" más estrecha alrededor del robot está ahora rodeada por una zona de "desaceleración". De este modo se garantiza que cuando una persona invade el margen de seguridad se reduzca la velocidad de la máquina y que esta última se solo se detenga si la persona continúa acercándose a ella. Naturalmente, para acercarse hasta este punto, tendría que hacer caso omiso de los sonidos y las luces de advertencia. Esta técnica se conoce como "supervisión de velocidad y separación" (SSM por sus siglas en inglés). En este vídeo se muestra un cobot que utiliza la SSM para un funcionamiento seguro:
Observe cómo la "colaboración" consiste en acciones humanas alternadas con movimientos del robot: el robot no se moverá hasta que lo humano se haya apartado. Este método de funcionamiento resulta muy satisfactorio para muchas tareas, pero debido a la "jaula virtual", para desplazar el robot a otra ubicación es necesario desatornillarlo del banco de trabajo junto con el sistema de sensores. Ambos se tendrán que volver a atornillar alineados en el nuevo emplazamiento. Para que la flexibilidad en el lugar de trabajo sea máxima, un cobot no debería precisar un sistema de sensores de seguridad independiente con todo el trabajo de montaje/desmontaje y de realineación que ello implica. Es posible adaptar una medida de seguridad como la SSM a un brazo robótico existente y al menos una empresa está trabajando en crear el sistema de visión necesario para convertir un robot antiguo en un cobot.
Quitar la restricción de "no tocar"
La palabra "colaboración" implica que el robot y el ser humano deben aproximarse lo suficiente como para interactuar y cada uno de ellos debe estar seguro de que el otro no le hará daño. En el entorno de colaboración, el contacto físico entre el hombre y la máquina puede ser inevitable y, de hecho, deseable, puesto que permite al robot aprender de la experiencia. Una forma evidente de reducir las contusiones de uno y las roturas de otro sería hacer que el brazo del robot y su efector final (pinza) sean de un material suave y flexible. Se ha investigado mucho en el campo de la "robótica blanda", que se divide en dos áreas: robots completos fabricados con un material blando, como los Snakebots, y actuadores/pinzas capaces de recoger objetos con formas irregulares o frágiles. Para la mayoría de las tareas que se realizan en un taller o en una fábrica, los robots flexibles no ofrecen suficiente precisión de movimiento o agarre, por lo que se deben encontrar otras formas de garantizar la seguridad y la comodidad del compañero humano.
El robot colaborativo
Hasta ahora, hemos establecido dos características esenciales que hacen de un robot un cobot: debe realizar una tarea con un grado razonable de precisión y repetibilidad, y al mismo tiempo, detectar y reaccionar con seguridad ante intrusiones imprevistas en su entorno de trabajo. A estas se pueden añadir algunas capacidades muy deseables, a saber: que lo pueda programar fácilmente una persona que no sea experta, que se pueda desplazar y reubicar rápidamente para llevar a cabo nuevas tareas y que cuente con un control de limitación de fuerza para evitar ocasionar daños a sí mismo y a la pieza de trabajo. En el siguiente vídeo se ilustra lo que podría llamarse un asistente de robot "de sobremesa" que cumple estos requisitos y que bien podría denominarse "cobot":
El YuMi no es único, pero ilustra el pensamiento actual que hay detrás del diseño de un cobot. Visualmente, el aspecto de los nuevos cobots se diferencia completamente del de los brazos robóticos de antaño.
- Las articulaciones están diseñadas para eliminar los "puntos de atrapamiento" que podrían aplastar la mano de una persona.
- Los componentes del brazo están separados entre sí, por lo que no hay posibilidad de que se produzca una acción de tijera sobre la extremidad de una persona.
- Los brazos están limpios: todos los engranajes, ejes y cables están completamente encerrados en una carcasa lisa, redondeada y acolchada.
- La velocidad de movimiento es limitada para que sea compatible con los tiempos de reacción humanos. Esto solo se aplica si existe un mecanismo de detección por contacto cuando el ser humano y el cobot trabajan en el mismo espacio.
- YuMi también cuenta con sensores de contacto que fuerzan una parada si el brazo golpea un obstáculo.
Sistemas de visión
Si revisas los vídeos de muchos fabricantes acerca sus productos robóticos colaborativos, es posible que te hayas dado cuenta de que, a) no se ve mucha "colaboración", y b) las tareas consisten en gran medida en mover un objeto de un lugar a otro. Mi idea de un cobot útil sería la de una máquina que pudiera realizar una tarea similar a la de una enfermera de quirófano en un hospital quirúrgico, entregando instrumentos al cirujano cuando se le pida, o más probablemente, haciéndolo sin que se le pida, a tenor de su formación y experiencia. Para lograr este objetivo, el cobot necesita tener "ojos" y ser capaz de interpretar lo que ve. Algunos cobots como YuMi y Sawyer, de Rethink Robotics, tienen cámaras y se les puede entrenar para que reconozcan objetos. No resulta muy sofisticado, pero al menos significa que los objetos que hay que reubicar (Pick 'n' Place) no se tienen que posicionar con precisión en el punto de recogida, y el robot puede ir calibrando el punto de colocación observando los puntos de referencia objetivo. Fíjate cómo Sawyer usa su sistema de posicionamiento robótico con referencias en este vídeo:
Como puedes ver, se puede acoplar a una bandeja de componentes en modo de aprendizaje, pero si la bandeja se mueve accidentalmente, no puede volver a alinearse sin intervención manual. Mi asistente robótico ideal necesitaría reconocer herramientas colocadas al azar en un banco de trabajo, recogerlas y "entregarlas" con la orientación correcta, sin apuñalarme en el proceso. Una tarea difícil. Afortunadamente, los sistemas de reconocimiento y seguimiento de objetos han experimentado mejoras de rendimiento extraordinarias recientemente, y todo ello gracias al desarrollo continuo de vehículos autónomos. Todo hace pensar que los cobots van a desarrollar nuevas habilidades.
Aprendizaje o programación
Hay tres maneras principales de entrenar a un robot para que realice una determinada secuencia de movimientos: control remoto, guía manual y programación. El modo de control remoto solo es aplicable a aquellos robots enjaulados de gran tamaño en los que el operario utiliza un dispositivo de control remoto fuera de la valla para guiar al robot manualmente en su rutina y guardar el "mapa" en la memoria. El operario humano "enseña" a la máquina lo que tiene que hacer.
El modo de guía manual utiliza el mismo principio de enseñanza que el modo de control remoto, excepto en que es el operario el que toma el control literalmente. El cobot se pone en modo de aprendizaje, mediante el cual se desactivan los motores o se reduce su potencia a un nivel en el que solo puede mantener la posición y, a continuación, el brazo se mueve a mano siguiendo la secuencia deseada. Los sensores de movimiento situados en el eje motor de cada articulación, que se utilizan para proporcionar un control de bucle cerrado durante el funcionamiento normal, registran las acciones para su posterior repetición. Observa la demostración que se hace en este vídeo:
Muchos robots todavía se programan con código generado fuera de línea en un ordenador. Forth es un lenguaje informático desarrollado hace muchos años para la aplicación específica del control de robots en tiempo real. Su capacidad de producir código rápido y compacto muy rápidamente explica que todavía se utilice hoy en día: por ejemplo, los brazos robóticos industriales ST Robotics serie R están programados en RoboForth. Los piratas informáticos modernos también han descubierto sus bondades. Incluso sondas espaciales como el cazador de cometas Rosetta y su módulo de aterrizaje Philae se programaron en Forth. Menciono mucho Forth por interés personal: he creado una versión para aplicaciones embebidas basada en el microcontrolador Microchip dsPIC. FORTHdsPIC ha protagonizado varias entradas en el blog de DesignSpark en los últimos años. La desventaja de la programación es el tiempo y el personal cualificado que se necesitan para crear o modificar el código cada vez que hay que volver a implantar el cobot, y eso contrarresta todos los beneficios que su uso pudiera reportar a una empresa pequeña. Por ahora, es probable que la guía manual sea el método de "formación" más indicado.
En el futuro es probable que la inteligencia artificial se convierta en una característica dominante del control de los robots. En otras palabras, los robots, en concreto los cobots, aprenderán por sí mismos cómo lograr un determinado objetivo. Este concepto ha llevado a que la sustitución de los trabajadores humanos por parte de los robots sea un tema de debate candente en los últimos tiempos. Así como los coches sin conductor están aún en un futuro muy lejano, lo mismo ocurre con los robots con habilidades humanas, por básicas que sean. Es poco probable que aparezca pronto un asistente robot en mi banco de trabajo; no hasta que tenga la seguridad de que no confundirá mi mano con la pieza de trabajo y la atacará con una llave de tubo.
Trabajo en curso
Se están llevando a cabo muchas investigaciones y avances para conseguir el objetivo de un cobot ideal. He aquí una selección de artículos recientes sobre el tema.
Learning Robot Objectives from Physical Human Interaction (El aprendizaje de objetivos en robots a partir de la interacción física con seres humanos). Esta idea lleva un paso más allá la guía manual: si el cobot hace un movimiento incorrecto durante el trabajo, el operario humano puede corregirlo de inmediato mediante una intervención física. Así pues, el robot "aprende de sus errores".
Custom Soft Robotic Gripper Sensor Skins for Haptic Object Visualization (Recubrimientos blandos personalizados de los sensores de pinzas robóticas para la visualización de objetos hápticos). Los investigadores están desarrollando un sistema de sensores táctiles para "dedos" de pinzas. Esta información sensorial permite al robot realizar una visualización en 3D del objeto que sujeta.
Dex-Net 2.0: Deep Learning to Plan Robust Grasps with Synthetic Point Clouds and Analytic Grasp Metrics (Dex-Net 2.0: aprendizaje profundo para planificar sujeciones eficaces con nubes de puntos sintéticas e indicadores analíticos de sujeción). En este artículo se aborda el problema de la identificación de objetos para la selección de la acción de sujeción óptima. Un sistema de visión utiliza una red neuronal convolucional con una base de datos de imágenes para reconocer objetos con orientaciones aleatorias.
Normas y especificaciones internacionales: ISO 10218 e ISO/TS 15066
Ahora, la parte aburrida. El hecho es que, si quieres crear un cobot, o añadir uno a tu plantilla, tiene que cumplir con una serie de normas internacionales de seguridad. La norma ISO 10218 se redactó pensando en los grandes robots en jaulas de la época, pero contiene referencias generales a la seguridad que también se aplican a la nueva generación de cobots. La más reciente, ISO/TS 15066, es un intento de proporcionar una normativa de seguridad para los cobots. Por ejemplo, en ella se indica que: Si se permite el contacto entre robots y seres humanos y se produce un contacto fortuito, dicho contacto no causará dolor ni lesiones. Se investigaron los niveles de dolor que pueden ser tolerados en diferentes partes del cuerpo humano por el contacto con un cobot y se ofrecen en la normativa. No me puedo imaginar cómo obtuvieron esas cifras. Se conocen como "datos de nivel de inicio del dolor" y se deben tener en cuenta en cualquier diseño. ¡Bienvenido al mundo de los robots sin jaula!
Por último
Aún estamos lejos de un asistente robótico al estilo de C3P0 y, a pesar de todo lo que se habla de colaboración, la mayor parte de los miembros de la generación actual de cobots parece que pasa su vida sin compañía humana, solo moviendo cosas de un lugar a otro. Mientras tanto, es el estilo visual lo que los distingue entre sí: muchos han optado por brazos "musculosos" similares a los de los humanos, pero yo prefiero a Sawyer, que parece una pieza de fontanería animada con unos ojos parpadean. Quién sabe si algún día podría llegar a haber una inteligencia real en ellos.
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