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IUA – Subsede Funes – Cátedra de Informática Industrial – Prof. Ing. Mario Osvaldo Bressano

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Evolución histórica de la automatización de los procesos industriales Por Alberto Sanfeliu Cortés 1.1. INTRODUCCION

La automatización de los procesos industriales a través de los años ha dado lugar a un avance espectacular de la industria. Todo ello ha sido posible gracias a una serie de factores entre los que se encuentran las nuevas tecnologías en el campo mecánico, la introducción de los computadores, y sobre todo el control y la regulación de sistemas y procesos.

La incorporación de los computadores en la producción es, sin lugar a dudas, el elemento puente que está permitiendo lograr la automatización integral de los procesos industriales. La aparición de la microelectrónica y de los microprocesadores ha facilitado el desarrollo de técnicas de control complejas, la robotización, la implementación de sistemas de gobierno y la planificación. Todos estos elementos llevan consigo la reducción de costes, el aumento de la productividad y la mejora del producto.

En este primer capítulo se hace una revisión histórica de la evolución de la automatización de la industria, iniciándose por sus antecedentes. Seguidamente, se pasa revista a sus primeras épocas para, a continuación, ver una panorámica de la historia reciente que engloba desde el fin de la Segunda Guerra Mundial hasta nuestros días. En ese período se revisa, con cierto detalle, la evolución del computador en los procesos industriales y la de la robótica. Finalmente, se apuntan tendencias futuras de la automatización Para acabar con unas breves conclusiones. 1.2. EL ORIGEN DE LOS AUTOMATISMOS

Desde la antigüedad, el hombre se ha sentido fascinado por las máquinas que se mueven por sí solas, y en la antigua cultura egipcia se las describió por primera vez como autómatas. En la historia clásica, a los autómatas que mostraban un comportamiento similar al ser humano se les consideró animales míticos o dioses.

En la Grecia de Aristóteles, aparecieron los primeros mecanismos que se movían a través de dispositivos hidráulicos, poleas y palancas. Pero no fue hasta mucho más tarde cuando el perfeccionamiento de la mecánica permitió construir autómatas complejos. Principalmente se construyeron en cinco áreas: monumentos religiosos e históricos, modelos de astronomía, dispositivos para el entretenimiento, mesas decorativas y androides (hombres mecánicos). El primer autómata digno ge mención fue el gallo de la catedral de Estrasburgo (construida en 1354) que aparece, al dar la hora, batiendo las alas y cantando.

Los siglos XVII y XVIII fueron la edad de oro de los autómatas por el desarrollo de la mecánica de precisión requerida en la fabricación de relojes. Uno de los mayores logros fue realizado por J. Vaucanson que, no contento con la construcción de un modelo de telar mecánico, en 1738 expuso en París una serie de autómatas entre los que destacaba un pato que según la propaganda bebía, comía digiriendo y evacuando el alimento, chapoteaba sobre el agua y graznaba.

A partir de¡ siglo XVII, empezaron a aplicarse las ideas de los autómatas a las primeras máquinas de la industria textil. Desde ese momento se puede decir que había empezado la mecanización y automatización de los procesos industriales. 1.3. LA PRIMERA EPOCA DE LA AUTOMATIZACION DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

La era de los autómatas destinados a entretener a las cortes acabó pronto y las ideas plasmadas por ellos fueron recogidas por los industriales del siglo XVIII, que se dieron cuenta de la importancia de la automatización de las fábricas, es decir, la producción sin intervención humana. Fue en ese momento cuando se empezaron a desarrollar los dos elementos básicos que inciden en la automatización de los procesos industriales: los sistemas de control que permiten gobernar el funcionamiento de las máquinas y las máquinas automáticas que realizan las operaciones de


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producción. Veamos a continuación una breve panorámica histórica de la evolución de la primera época. 1.3.1. El control automático

La automatización de los procesos industriales comenzó con la necesidad de almacenar la secuencia de operaciones y de los tiempos de aplicación de las mismas. El primer método no se hizo esperar, y uno de los que alcanzó mayor fama por tu simplicidad fue la programación por levas. Se crearon diversos dispositivos, y entre los más corrientes destaca un cilindro al que se colocan piezas metálicas según la secuencia que se quiera programar. Al rodar el cilindro ajusta mecánicamente las posiciones de las palancas o elementos de la máquina. La primera de ellas a la que se aplicó dicha programación es el torno de T. Blanchard (1822), que producía piezas de armas de fuego a partir de unos patrones. La utilización de este tipo de mecanismos se extendió rápidamente y aún ahora los podemos ver en diversas industrias, por ejemplo en las textiles. El control del programa mediante dispositivos mecánicos como el comentado, tiene limitaciones importantes cuando se exige alta velocidad, diversos grados de movimientos, sensibilidad y reducido tamaño. Por estas razones a finales del siglo XIX se modificaron los dispositivos de control mecánico por otros basados en sistemas eléctricos, hidráulicos y neumáticos.

En los procesos industriales se requiere uniformidad y calidad en la fabricación de productos. Para ello se deben tomar medidas de las variables críticas y modifica el proceso cuando existen divergencias con los valores prefijados. A este principio -se le denomina realimentación (feedback), y es el elemento neurálgico de todo sistema de control automático. Está claro que no en todos los casos se requiere, pero es imprescindible cuando se busca precisión y calidad.

Los primeros estudios sobre regulación automática (la incorporación de realimentación en los procesos) empezaron en el siglo XVIII, y fue Watt en 1769, el que demostró su utilidad al diseñar y aplicar un regulador centrífugo de velocidad, en el control de máquinas de vapor. A partir de este momento se utilizaron masivamente reguladores, pero pronto se detectaron problemas al querer aumentar la precisión. El problema provenía de las oscilaciones que presentaba el regulador en funcionamiento. La solución tardó cierto tiempo, debido a la falta de una teoría sobre control. El primer estudio serio fue realizado por J.C. Maxwell en 1868.

Desde los comienzos de nuestro siglo hasta la Segunda Guerra Mundial la aparición de grandes sistemas de generación eléctrica y de industria química, acrecentó la demanda de sistemas de regulación y control. En este período los criterios de estabilidad de Routh y Hurwitz, de finales del siglo XIX, adquirieron gran importancia y además se empezaron a utilizar los reguladores del tipo PID (proporcional, integral y derivativo). En 1932 Nyquist, marcó un hito en la teoría de control- permitiendo con su método determinar el comportamiento de un sistema realimentado, mediante su respuesta frecuencias en anillo abierto (sin realimentación). A este estudio se añadieron los de Bode y Black, con lo que se logró el asentamiento completo de los métodos de análisis frecuencial.

Como elemento adicional a los reguladores para el control de grandes máquinas, apareció el concepto de servomecanismo. Fue introducido por J. Farcot en 1 873 para describir un sistema de regulación automático que se vale de un motor controlado por el sistema, para transmitir la potencia necesaria a los mecanismos bajo su control; un ejemplo es el control de las válvulas de motores marinos.

Aparte de los dispositivos mecánicos que permiten almacenar programas, se ideó en 1725 un sistema que se basa en una cinta o tarjeta perforada. Fue utilizada por primera vez por B. Bouchon, en Francia, para seleccionar de forma automática las agujas de tejer de una máquina textil. Más tarde, Jacquard utilizó el mismo sistema en telares industriales, máquinas que alcanzaron gran popularidad porque permiten incluir dibujos en los tejidos lisos.

El siguiente avance en la utilización de cintas perforadas fue en un proyecto de investigación de MIT (Massachusetts Institute of Technology) para las fuerzas aéreas de los Estados Unidos (año 1950). En este proyecto se desarrollaron las primeras máquinas de control numérico en las que las posiciones sucesivas de las herramientas, mesas posicionadoras, velocidades y alimentadores eran indicadas por agujeros en la cinta. Para ello se usaron de cuatro a ocho dígitos (posiciones) que daban una discriminación adecuada. 1.3.2. Las máquinas automáticas


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Las primeras datan de principios de¡ siglo XVIII y fueron principalmente desarrolladas para la industria textil. Hasta 1802 no se dispuso de máquinas para la producción de piezas discretas y una de éstas fue desarrollada por M. Brunel para la fabricación de poleas. La máquina realizaba todas las operaciones hasta obtener la polea y tuvo mucho éxito porque redujo el número de operarios a una décima parte.

Uno de los hitos en el progreso de la automatización en la industria fue la máquina transfer. Se basa en un número determinado de estaciones de trabajo, cada una de las cuales realiza una tarea específica, montadas sobre una base común que dispone de un sistema de alimentación integral que traslada automáticamente el producto acabado de una estación a otra. La máquina transfer integra dos partes esenciales en la automatización: la máquina automática y el transporte del producto entre máquinas.

El principio de las transfer fue aplicado inicialmente por la compañía Waltham Wacth en 1888, pero la primera máquina se utilizó en la industria del automóvil en 1924. A partir de 1930 se extendió su uso a todas las industrias de automóviles y poco más tarde entró a formar parte en las industrias de dispositivos eléctricos y en otras con gran volumen de elementos discretos.

Un importante paso en la automatización de procesos fue la introducción del movimiento continuo, que permite procesar un producto mientras se traslada. Este es un concepto que no se puede aplicar a cualquier tipo de industria, pero que tiene gran importancia en determinados casos, por ejemplo en la fabricación de productos químicos.

La industria del papel fue una de las primeras en introducir el movimiento continuo. De 1804 a 1833, el Deptford Victualling Department de la British Navy modificó el proceso de fabricación de papel, mecanizándolo e incorporando cintas transportadoras propulsadas por motores a vapor, que servían para trasladar el producto a los hornos.

No tardó mucho tiempo hasta que la idea del proceso continuo pasará a las cadenas de ensamblaje. Fue H. Ford quien en 1913 creó una cadena de montaje de magnetos. Inmediatamente, gracias al éxito obtenido por la reducción de personal y la mejora de calidad del producto, aplicó la misma técnica al montaje de chasis de automóviles.

Al cabo de poco tiempo, en 1920, la demanda de productos de alto volumen de producción se acrecentó, y definitivamente se implantó la cadena de ensamblaje como elemento imprescindible. 1.4. HISTORIA RECIENTE: LA INCORPORACION DEL COMPUTADOR Y DEL ROBOT EN LA INDUSTRIA Después de la Segunda Guerra Mundial, la automatización de los procesos industriales había dado un gran salto hacia adelante, pero empezaba a vislumbrarse el estancamiento en que entraba la industria, por el aumento de complejidad y rigidez en las instalaciones y máquinas, así como la falta de sistemas de control adecuados. Por otro lado estaba la gestión de la empresa, que a medida que aumentaba el número de piezas de un producto, implicaba un papeleo y una ingente comunicación verbal, que en muchos casos casi había llegado a colapsar la fabricación.

Además, con la necesidad de crear nuevos productos, el diseño de sus componentes comenzaba a ser problemático y muy costoso. No era cuestión de pequeñas modificaciones de unos meses, sino que en muchos casos requería un año entero diseñar un nuevo producto, con el consiguiente coste económico y riesgo de llegar tarde al mercado.

La posible solución a estos problemas vino con la aparición de los computadores, y de¡ gran avance en las técnicas de la teoría moderna de control.

Los computadores se perfilaron desde el primer momento como elementos neurálgicos en aspectos tan importantes como son la gestión de la producción, el diseño de nuevas piezas y el control de procesos. La primera ha facilitado el correcto transvase de información, el conocimiento de las existencias de primeras materias y de productos manufacturados, las operaciones que faltan por realizarse para los diversos productos en fábrica, etc. El diseño de nuevas piezas ha venido a ser un punto clave en las industrias de productos discretos (la del automóvil, electrodomésticos, computadores) al reducir drásticamente el tiempo de creación de una pieza así como su conexión a las máquinas que la fabrican. Finalmente, el control de procesos mediante computador ha permitido mejorar espectacularmente la calidad, el grado de seguridad, y reducir al propio tiempo el coste energético y los costes de producción y mantenimiento.

La incorporación de los robots en la industria ha hecho cambiar el enfoque de la organización de los procesos productivos y la inversión en maquinaria especializada. Ahora, la industria no requiere orientarse a procesos que realizarán seres humanos sino a dispositivos versátiles y reprogramables.


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Por otro lado, en numerosos casos no se precisa comprar máquinas dedicadas a una tarea concreta ya que pueden ser substituidas por un conjunto de robots. Este es el caso de las antiguas máquinas de soldar carrocerías de automóvil, que ahora se han convertido en una serie de robots que puede ser reprogramados para soldar otros tipos de vehículos sin que sea necesario cambiar la maquinaria. En tercer lugar, está el gran avance en la automática. A partir de 1950 nuevas ideas surgieron en el campo del control. La teoría clásica de los sistemas realimentados se extiende al estudio de perturbaciones aleatorias y de sistemas no lineales. Se incorpora un nuevo tipo de representación basada en el concepto de estado, y Kalman introduce las nociones de gobernabilidad y observabilidad, aparte de desarrollar un filtro (con Bucy en 1961) que ha encontrado un amplio campo de aplicación. De aquí y gracias a un rápido desarrollo de los microprocesadores y a su reducido coste, se ha puesto en práctica el control jerarquizado que permite asignar tareas de control con diferentes niveles de responsabilidad.

Ahora vamos a describir rápidamente la evolución de los debido sobre todo al reducido coste, la idea del control computadores en los procesos industriales, así como la experimentada por los robots. En esta última haremos una descripción más detallada de su historia.

1.4.1. La evolución de¡ computador en los procesos industriales La era de los computadores comenzó, desde un punto de vista práctico, con el desarrollo de un calculador (ENIAC) para la elaboración de datos necesarios en la construcción de bombas atómicas. Sin embargo, la primera aplicación industrial no llegó hasta los años cincuenta cuando se introdujeron los transistores como elementos básicos de un computador. En 1959, la compañía Texaco (EE.UU.) utilizó uno de los primeros computadores, el RW-300 de Thompson-Ramo- Woolridge, para controlar una unidad de polimerización que producía 1.800 barriles por día. Un año más tarde varias empresas se dieron cuenta de su potencia y aun a pesar de su coste y poca capacidad, los introdujeron en la fabricación. Así en 1960, fue implementada la primera línea de producción de resistencias controlada por computador. Esta línea incluía aspectos interesantes: realizaba el control automático de la producción y además adicionaba la inspección, ensamblaje y verificación de las resistencias. Inicialmente se planteó el control de los procesos a partir de un único computador que lo aglutinase todo. Por un lado, a velocidad de computador era la adecuada para tratar secuencialmente todos los lazos de control de realimentación de proceso. Asimismo, el software era capaz de realizar los algoritmos más complejos. Sin embargo, debido al alto coste de los computadores y a su baja fiabilidad, el control a partir de un único computador (o también llamado control directo) no fue ampliamente adoptado. Más tarde, a la luz de los resultados observados con el control directo, pudo comprobarse que para casos complejos este sistema no era apropiado, ya que el rendimiento de computador se reducía drásticamente y, por otra parte, el control se complicaba enormemente. En la década de los sesenta se empezó a estudiar el control de los procesos industriales bajo el prisma de diferentes niveles dentro de una jerarquía. Pero no fue hasta finales de esta década que el control jerárquico pasó de la teoría a la práctica gracias a la introducción de los microcomputadores. En 1970, la compañía Intel introdujo el primer microprocesador, el 4004, destinado exclusivamente para calculadoras. A partir del éxito que obtuvo, se desarrollaron diversas estructuras de microprocesadores llegándose a crear hasta tres generaciones en esa década. Con este potencia y debido sobre todo al reducido coste, la idea del control jerárquico se pudo materializar y con ello se pasó del control de todos los elementos por un solo computador, a un microprocesador por elemento (por ejemplo, uno por cada rodillo de un laminador de chapa caliente). Entre las ventajas que trajo el control jerárquico destacan la velocidad de respuesta, la posibilidad de autodiagnosticarse y conmutarse en caso de fallo, y la simplicidad del control. No sólo se desarrolló el control de los procesos industriales en los años sesenta sino que apareció una nueva rea de aplicación desconocida hasta el momento. Era el diseño de piezas por ordenador, es decir, la descripción detallada de una pieza as¡ como su proceso de mecanización, gracias a la interacción hombre-computador. Los primeros estudios datan de esa época, en la que ingenieros de la compañía General Motors Corporation (EE.UU.) construyeron un sistema de diseño asistido por computador ayudados por especialistas en programación de la compañía IBM. El sistema constaba de un tablero en donde un ingeniero de proyectos utilizaba una pluma sensible a la luz para activarlo. El computador estaba preparado para que a partir de los trazos aproximados del diseñador, reconstruyera la pieza siguiendo unas pautas estipuladas.


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Más tarde se incorporó al diseño asistido por computador (también llamado CAD, Computer Aided Design), la posibilidad de integración en la fabricación, es decir, asistir al diseñador para que de forma automática pueda obtener el programa de mecanizado de las máquinas-herramienta que intervienen, y de la manipulación, ya sea por dispositivos especiales o por robots. A este segundo tipo de diseño se le denomina CAM, Computer A¡ded Manufacturing. Otra rea que no se ha comentado, pero que tiene destacada importancia desde el punto de vista de la producción, es la gestión de la fabricación. En ésta se integran las tareas de seguimiento de los almacenes de primeras materias y productos acabados, las de planificación de la producción y las de seguimiento del género en fábrica. También la introducción de los microprocesadores en la industria ha motivado un gran cambio en el diseño de muchos dispositivos. Por ejemplo, los sensores y actuadores han pasado de estar basados en sistemas analógicos al control por microprocesador, lo que les ha conferido mayor exactitud, calidad y les ha dotado de características no consideradas hasta el momento. 1.4.2. La evolución de la robótica

En la mitología griega ya se consideraba la posibilidad de construir dispositivos mecánicos con comportamiento similar al humano, pero su aparición en forma de robots no ha sido posible hasta la década de los sesenta. La causa de¡ retraso es evidente, hasta la aparición de¡ computador, del control automático y de los metales suficientemente ligeros no se han podido construir robots. Una vez se han dispuesto de los elementos mecánicos adecuados para su desarrollo, los robots han ido evolucionando muy rápidamente y las razones han sido diversas, pero principalmente el factor que más ha influido es el económico, aunque las mejoras en la productividad, calidad, seguridad y flexibilidad también han jugado un papel importante. Las tareas con muy poco volumen de producción o por lo contrario las de mucho volumen, son todavía poco apropiadas para los robots porque son demasiado caros o lentos para esos trabajos.

La aplicación de los robots a la industria ha incidido desde sus comienzos en la soldadura, manipulación, ensamblaje, pintura, desbarbado y mecanizado. Las industrias que más interés han puesto en su robotización son las de automóviles así como las de productos discretos debido a la posibilidad de reducir mano de obra.

En lo que sigue se va exponer la evolución de la robótica desde los años cincuenta hasta la actualidad, dividiéndola en tres generaciones que nacieron en la misma época, y que han ido desarrollándose paralelamente. La razón estriba en el carácter multidisciplinar que constituye la robótica.

Los primeros estudios sobre robots datan de la década de los años cincuenta como colofón de los programas de investigación nuclear, en los que se desarrollaron brazos mecánicos (con dos o más articulaciones) para realizar operaciones delicadas, a distancia, con materiales radiactivos. Estos brazos eran guiados directamente por una persona situada en la parte posterior de un escudo protector de cristal. En algunos casos el operador humano estaba en otra habitación desde la cual dirigía y, observaba, por medio de un monitor de TV, las operaciones que realizaba. Por ello a estos sistemas controlados remotamente se les ha denominado teleoperadores.

A principios de los años sesenta, se pensó utilizar brazos mecánicos semejantes a los descritos, pero que pudieran ser programados para repetir una secuencia de operaciones. A estos dispositivos cuya estructura está compuesta por un brazo mecánico poliarticulado, con un elemento terminal (una pinza por ejemplo), y una unidad de programación, se les denominó manipuladores programables. Los manipuladores se caracterizan por disponer de articulaciones mecánicas que tienen un desplazamiento longitudinal o de rotación del tipo todo o nada (de tope a tope del recorrido), y que su unidad de programación está basada, generalmente, en una mesa de interruptores.

Los manipuladores, ya desde sus inicios, tuvieron mucha aceptación en la industria por su simplicidad, versatilidad y bajo costo. En la actualidad los manipuladores programabas compiten en diversas áreas con los robots, y son utilizados antes que éstos si la tarea es suficientemente sencilla, es decir, si sus trayectorias son simples. Sus aplicaciones están principalmente en las tareas de manipulación de piezas, por ejemplo para la carga y descarga.

La problemática de los manipuladores reside en que normalmente para muchos trabajos en la industria, se requieren trayectorias complejas, y que en la programación se precisan instrumentos que no pueden ser implementados con interruptores. Por estas razones el paso siguiente fue la evolución a sistemas más completos. Se substituyeron las articulaciones todo o nada por servocontroles que


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permiten desplazar o girar el elemento terminal a una posición cualquiera. Además, al incorporar de 3 a 7 o más grados de libertad (articulaciones), estos dispositivos pueden alcanzar todos los puntos de su entorno. Así mismo se adicionó un computador con memoria electrónica en lugar de la mesa de interruptores. A partir de este momento, se puede decir que había nacido la primera generación de robots.

Estos robots se caracterizan por acceder a cualquier punto del espacio delimitado por sus grados de libertad, límites físicos de sus articulaciones y estructura mecánica. Para ello requieren que los servomotores de desplazamiento estén controlados automáticamente, normalmente mediante la utilización de uno o varios microprocesadores. Aparte, la posibilidad de poder ímplementar programas complejos, permite que sean multifuncionales y que se acomoden a situaciones difíciles bastante comunes en los procesos industriales. Según el lenguaje que se disponga se pueden programar tareas tan simples como es un recorrido a partir de los puntos de las trayectorias, o un poco más complejas para que el robot realice diversos tipos de acciones en función de la información de las señales de control o realimentación que procederá de los sensores externos. Por ejemplo, un robot de pintura de neveras, aplica uno u otro programa según el modelo de nevera que primero aparezca en la cadena de montaje.

A los robots de la primera generación se les denomina normalmente robots industriales (según definición del “Robot Institute of America”) o bien robots autómatas, esta última debido a que siempre repiten la misma secuencia de operaciones aunque se les modifique el entorno exterior.

La utilización de los robots industriales empezó a principios de los años sesenta, concretamente en 1 962 aparecieron los modelos Unimate de la empresa Unimation lnc. Sus primeras tareas fueron de manipulación, para carga y descarga de piezas de una máquina a otra o bien de una cinta transportadora a una máquina. También las tareas de soldadura y de pintura fueron robotizadas, sobre todo por el elevado coste de las bancadas requeridas para los diversos modelos de automóvil. Más tarde, las aplicaciones de este tipo de robots se ampliaron a tareas de fabricación, por ejemplo el desbarbado, y al control de calidad, por ejemplo en la inspección de partes de automóviles

Una de las aplicaciones que está adquiriendo gran auge en la actualidad son los sistemas (o células) de fabricación flexible. Estos sistemas se componen básicamente de la estación de trabajo, el sistema de transporte de materiales y el computador de control. La estación contiene una unidad formada por máquinas-herramienta controladas numéricamente, dispositivos de carga y descarga de piezas, dispositivos de cambio de herramientas y accesorios, y equipo auxiliar. El computador es el órgano que coordina las actividades de gestión y control de la producción, y se utiliza fuera de línea para preparar los programas de trabajo de todas las máquinas que integran la célula. Los robots dentro de¡ sistema de fabricación flexible tienen como misión la manipulación de piezas, tanto sea para el transporte como para cambiar las herramientas o realizar tareas de inspección, embalaje o pintura.

Los robots de la primera generación, aun siendo muy poco adaptabas al entorno, constituyen la gran mayoría de los robots instalados en la actualidad. Sin embargo, una de sus principales desventajas reside en el coste de los dispositivos adicionales que se tienen que incorporar en su entorno, para que los objetos que manipulan estén en la posición correcta (unos pocos milímetros pueden hacer fracasar la operación completa). Con frecuencia este coste llega a representar más del 50 % del total.

Para superar la desventaja mencionada y que los robots puedan ampliar su campo de aplicaciones, se requiere la interacción del robot con su entorno, es decir, que mediante sensores acoplados el robot obtenga la información sensorial necesaria para cumplir el plan de trabajo establecido. Los robots que interaccionan con el entorno constituyen la segunda generación. Las características básicas que diferencian estos robots de los de la primera generación son el sistema de percepción, mediante el cual adquieren e interpretan la información sensorial, y el sistema de gobierno constituido por él control de ejecución (supervisión y toma de decisiones para algunos autores) y la comunicación.

Los robots de la segunda generación, a partir de un plan de acciones establecido de antemano (por ejemplo, la secuencia de operaciones para montar un motor eléctrico), utilizan el sistema de percepción y de gobierno para llevarlo a cabo. Para ello realizan una serie de operaciones en paralelo, las cuales sirven para guiar al robot, procesar la información sensorial y decidir las nuevas acciones.

Los sistemas de percepción son los que permiten la adquisición e interpretación de la información de¡ entorno y entre otras tareas se utilizan para reconocer y situar los objetos en el espacio de trabajo, en operaciones de localización y supervisión, y para detectar los pares y fuerzas que se están aplicando. En un principio, los robots de la segunda generación pueden resolver los problemas que acontezcan, por ejemplo por errores en la manipulación de una pieza, si la secuencia de corrección


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estaba programada de antemano, pero en el caso que ocurra un imprevisto, la caída de un objeto en el área de trabajo, necesitan la ayuda de un operador humano. Para superar la eventualidad comentada el robot necesita tener un sistema de planificación automática, que es la característica básica de los de la tercera generación.

Una de las aplicaciones que mejor queda definida por estos robots, es el ensamblaje automático. En ella el operador puede definir completamente todas las operaciones, el entorno, y los objetos que intervienen, y el robot mediante el sistema de percepción trata de realizar con éxito la tarea.

El precursor de los robots de esta generación fue desarrollado en MIT, en 1960, por H. Earnst. Transformó un brazo mecánico diseñado para trabajos relacionados con la energía nuclear, incorporándole servomecanismos y sensores. Le incluyó sensores de presión para detectar la presencia de objetos en la pinza y fotocélulas para determinar la existencia de objetos oscuros en su cercanía. Utilizando estos sensores implantó un programa para que el robot buscara objetos negros encima de la mesa y los introdujera dentro de una caja.

A partir de entonces se empezaron a estudiar y diseñar nuevos métodos y sensores para sistemas de percepción a distancia (visión, proximidad, etc.) y por contacto (tacto) . La visión ha sido sin duda el sistema que más auge ha obtenido por su amplio espectro de aplicaciones, aunque es el que comporta mayor grado de complejidad. En él se conjugan los problemas de la física del entorno y de los dispositivos, con aspectos cognoscitivos que están intrínsecamente ligados a la interpretación de la escena que se percibe.

En robótica, la visión se utiliza para reconocer los objetos de una escena con el fin de clasificarlos y situarlos en el espacio, para inspeccionar objetos de forma que los defectuosos sean separados de los buenos, o para aprehender nuevos objetos. En la visión intervienen tres procesos fundamentales, normalmente denominados: adquisición, tratamiento e interpretación. Estos procesos se basan en técnicas de procesado de imágenes, reconocimiento de formas e inteligencia artificial.

Desde el punto de vista tecnológico, los primeros resultados alentadores en visión se obtuvieron en un proyecto realizado en 1970 en Stanford Research Instituto (EE.UU.) sobre escenas en dos dimensiones (2D), es decir sólo utilizando proyecciones planas de la escena. Como consecuencia de este proyecto y de muchos otros desarrollados posteriormente, hace pocos años han empezado a salir al mercado sistemas sencillos de visión 2D que no resuelven de forma completa el problema del reconocimiento de objetos, pero que consiguen resultados satisfactorios cuando se tienen controlados determinados factores, entre ellos la iluminación y el fondo. Paralelamente al estudio de técnicas de reconocimiento de objetos 2D, se han investigado y desarrollado métodos para el caso 3D por el hecho que los primeros presentan ambigüedades inherentes a ellos. El estudio de técnicas para 3D es bastante reciente y en la actualidad se está investigando en tres áreas, que son: la adquisición de la información 3D a partir de técnicas de estereoscopia, láser, luz estructurado, etc.; la representación y visualización de objetos reales por medio de modelos volumétricos, de fronteras, etc. y la interpretación que utiliza técnicas de reconocimiento de formas e inteligencia artificial.

Por lo que se refiere a los sensores táctiles la evolución ha sido más lenta. Los primeros estudios datan de la década de los sesenta donde diversos centros estudiaron sensores de fuerza y resbalamiento. Años más tarde, gracias a la aparición de nuevos materiales con propiedades idóneas para utilizarse como sensores (cauchos y polímeros conductores, compuestos piezoeléctricos) se estudiaron sensores para reconocer objetos así como para controlar los movimientos de acomodación activa. En la actualidad ya se dispone de dispositivos de acomodación activa, aunque no han sido integrados en los robots de forma eficaz, por falta de sistemas de control avanzados con altas prestaciones en velocidad de respuesta. Con respecto a los sensores táctiles aplicados al reconocimiento de objetos, se están estudiando diversos diseños entre los que se encuentran las llamadas pieles artificiales.

El sistema de gobierno ha avanzado notablemente en el transcurso de los años, al incorporar las nuevas generaciones de microprocesadores y los nuevos lenguajes de programación. Además la comunicación entre el robot y su entorno exterior también ha adquirido gran relevancia.

La comunicación es uno de los elementos más importantes de los robots, mediante ella pueden intercambiar información con las máquinas, con otros robots, y con el ser humano. La función principal de la comunicación es facilitar la forma de intercambiar información con todo su entorno exterior. Normalmente, se consideran dos niveles de comunicación: la de hombre-máquina que incluye la programación del robot y la adquisición de conocimientos, y la de máquina-máquina que


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engloba el intercambio de información entre robots o máquinas. Veamos a continuación una breve revisión de la evolución de los lenguajes de programación de robots.

Los primeros lenguajes de programación fueron de tipo gestual, y su principio está basado en la memorización de las posiciones de la secuencia que el robot va a seguir. En general esto se realiza mediante la especificación de movimientos incrementales o moviendo el robot a las diferentes posiciones. Un gran avance en los lenguajes para robots han sido los de tipo explícito o a nivel de robot. Se diferencian de los anteriores porque utilizan información sensorial para modificar el movimiento de] robot, admiten funciones de alto nivel, y algunos lenguajes permiten la ejecución concurrente de procesos, sea para sincronizar máquinas o para realizar diversas tareas en paralelo. Desde el primer lenguaje explícito hasta los actuales AL, VAL-2, AML, PAL, MCL y MAL, ha habido importantes cambios.

Un tercer tipo de lenguajes son los de nivel de tareas. Permiten especificar tareas en términos de operaciones sobre los objetos que intervienen. De momento no se ha desarrollado ningún lenguaje completo a nivel de tarea, pero existen una serie de ellos que incorporan características de los de este nivel, como son el LAMA, AL y AUTOPASS.

El control de ejecución es también uno de los elementos importantes dentro del sistema de gobierno. Se trata del elemento de control del plan existente, mediante el cual se conduce al robot para que siga la secuencia estipulada. En caso de errores, fallos menores a causa del robot o de los dispositivos, o de imprevistos (situaciones no consideradas en el plan), el control de ejecución tiene que evaluar y restaurar el plan siempre que pueda.

La evolución del control de ejecución ha sido muy lenta y hasta ahora solamente se han implementado métodos heurísticos, basados en cada problema en particular, por falta de sistemas de percepción adecuados y de investigaci6n en los sistemas de evaluación y restauración. Uno de los ejemplos más característicos es el robot Shakey que veremos seguidamente en los de la tercera generación.

Finalmente, cabe afirmar que la segunda generación de robots está lejos de estar madura y que todavía se requieren grandes esfuerzos para que lleguen a ser una realidad práctica.

Los robots de la segunda generación tienen en principio mucho mayor potencia¡ de aplicación que los de la primera. En primer lugar, no se requieren accesorios de preparación de las piezas para la manipulación, pues. el sistema de percepción realiza esta tarea. Por otro lado, pueden controlar continuamente las tareas que están realizando, por ejemplo en el seguimiento de la soldadura (figura 1.10). Otros campos de 'aplicación son en el mantenimiento de instalaciones ubicadas en áreas peligrosas, el trabajo en minas y los trabajos en el espacio.

La tercera generación de robots presenta una notable diferencia con los de la segunda. El robot no solamente interacciona con el entorno sino que se adapta a él y además puede generar sus propios planes de acción. En este caso, los robots no precisan de un plan preestablecido sino del estado inicial y del final que tienen que alcanzar. Cuando se encuentran con situaciones imprevistas, pueden rehacer el plan para llegar a la meta final. Entre los aspectos más importantes que se incorporan en estos robots, están los planificadores automáticos y el sistema de aprendizaje. Una definición que especifica adecuadamente a este tipo de robots y que también incluye a los de la segunda generación es la siguiente: “una estructura mecánica poliarticulada gobernada por un computador central, que tiene la capacidad de interaccionar con su entorno, planificar y controlar sus acciones, y que adquiere sus conocimientos por autoaprendizaje, con o sin profesor o por programación externa”.

En el período 1968-1972 se desarrolló en Stanford Research Instituto (EE.UU.) un robot llamado Shakey que incorporaba el planificador automático STRIPS. Este robot es un vehículo motorizado provisto de una cámara de televisión, de sensores de distancia y detectores de choque y está controlado por telemando desde un computador central. Su meta es desplazar objetos prismáticos entre varios recintos comunicados por puertas. Para ello dispone de¡ planificador automático y del control de ejecución que hace las tareas de supervisión y control global del robot. Únicamente a partir del estado inicial y del conocimiento de los objetos de su entorno así como del recinto, llega a una meta establecida mediante la generación de un plan de acciones adecuado y de la supervisión del mismo.

Pocos años más tarde, fue construido en Berkeley (EE.UU.) el robot Jason que también es un vehículo motorizado que además incorpora un brazo manipulador. En el robot se incluye una cámara de TV, captadores de contacto y de proximidad. Este robot al igual que el Shakey se utilizó para comprobar el funcionamiento de un robot en un universo incierto.


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Aparte de estos robots, se han desarrollado otros entre los que destacan el robot Hilare (Francia), similar al Jason, y el robot de exploración del planeta Marte, desarrollado pero no acabado por falta de financiación, por el Jet Propulsion Laboratory (EE.UU.) Los componentes más importantes de esta generación son el planificador, el control de la ejecución y el aprendizaje. La evolución de los planificadores empezó con McCarthy, en 1 958, que propuso usar métodos formales para resolver problemas de robótica. Años más tarde se desarrolló el STRIPS que fue el primer generador de planes que tuvo éxito a nivel práctico. Posteriormente se estudiaron otros que mejoraban enormemente la eficacia del planificador, tanto a nivel de tiempo de cálculo como de resultados, Dos de los planificadores importantes son el NOAH y el MOLGEN, este último presentado en 1980.

Con respecto al sistema de control de la ejecución, su evolución no ha sido tan rápida pues ha ido desarrollándose a la par que los robots experimentales. El iniciador fue, sin duda, el implementado en el robot Shakey y los siguientes han seguido el orden de aparición de los otros robots. En la actualidad se están diseñando sistemas de control de ejecución para diversas tareas, entre ellas el ensamblaje automatizado.

En este momento no existe ninguna aplicación industrial de esta generación de robots, principalmente por la falta de sistemas de percepción adecuados Y por la lentitud de los ordenadores para obtener un plan en un reducido tiempo de cálculo. Se espera que la quinta generación de computadores permita resolver dicho problema. 1.5. EL FUTURO DE LA AUTOMATIZACION DE LOS PROCESOS INDUSTRIALES

Fue en 1950 cuando la compañía Ford Motor anunció la primera fábrica automatizada en el mundo para la producción de motores. Aunque la fábrica no era automática, empleaba a más de 4500 personas y no utilizaba realimentación en ningún proceso, fue la primera vez que se introdujeron una serie de elementos básicos de la industria automatizada (alimentadores de máquinas automáticas, movimiento continuo por medio de cadena de ensamblaje, incorporación de diferentes estaciones de trabajo en una máquina, etc.).

Ahora ya se vislumbra que la utopía de una fábrica completamente automatizada puede ser realidad en un futuro no muy lejano. Una fábrica de este tipo estará compuesta por una serie de máquinas especializadas, sistemas de fabricación flexible, almacenaje automatizado y robots de transporte y manipulación, todo ello controlado por una jerarquía de computadores distribuidos en la fábrica y supervisados por los operarios.

La incidencia de la automatización modificará en diferente grado las fábricas actuales. La fabricación de procesos continuos, en donde la automatización ha alcanzado cotas muy elevadas, se beneficiará sobre todo en los procesos de planificación de la producción, en la organización de la información del producto y en la inspección, es decir, el control de calidad.

Dentro de las fábricas de productos discretos (automóviles, electrodomésticos, etc.) es donde se producirán mayores cambios. Esta incidencia tendrá lugar en: el diseño del producto, la planificación de la producción, la producción de piezas, su manipulación, su inspección, el ensamblaje de partes de objetos y la organización de la información de la producción.

En el diseño del producto, tal como se comentó en el apartado anterior, el diseñador asistido por el computa o podrá generar las piezas más adecuadas según los criterios que se establezcan y las restricciones propias del proyecto.

La planificación de la producción es un aspecto de gran importancia en la fabricación. En las fábricas automáticas de nuevo se utilizará la interacción con el computador para lograr el plan,, optimo de producción a partir de los datos de las piezas diseñadas, de los recursos que se dispongan y de las prioridades de cada trabajo.

La producción de piezas se realizará en una o varias estaciones de trabajo controladas por computador. En esta fase los sistemas de control juegan un papel importante así como los de corrección de errores e imprevistos.

En el ensamblaje de piezas, máquinas especializadas, robots y otros dispositivos agrupados en estaciones de trabajo realizarán las tareas que de nuevo serán controladas por el computador de proceso.

La manipulación de piezas, es decir, la carga, descarga transporte de piezas, estará realizada por diversos dispositivos, entre ellos las cintas transportadoras y los robots.

La inspección de piezas se hará por medio de sistemas de percepción y dispositivos de medición, que conjuntamente controlarán la calidad de las mismas.


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Finalmente está la automatización de la información de la producción que será gestionada por el computador, por ejemplo para controlar las existencias y los pedidos, y planificar las diversas tareas.

Algunos de los puntos comentados ya son realidad en nuestros días, pero su integración completa está todavía en fase de estudio. A la par de lo comentado van a tener mucha incidencia los llamados Sistemas Expertos, que son una rama práctica de la inteligencia artificial. Estos sistemas están constituidos por una base de datos en donde se han incorporado reglas y estrategias en el dominio de un problema, y unas técnicas de deducción e inferencia. En la actualidad se están utilizando para diagnosticar enfermedades y para el diseño de configuraciones de computadores, entre otras. Sus posibles aplicaciones están en el mantenimiento de máquinas, la planificación de tareas, ayudas a la toma de decisiones, etc. 1.6. CONCLUSIONES

La automatización de los procesos industriales ha ido evolucionando a medida que la fabricación de productos ha requerido reducción de costes, aumento de productividad y mejoras en la calidad: La primera época de la automatización estuvo marcada por la aplicación de dispositivos capaces de controlar una secuencia de operaciones y el comienzo de¡ estudio sobre la regulación automática. Además, a nivel de empresa, se desarrolló el concepto de producción continua tanto para la fabricación de productos típicamente continuos (el alcohol) como para los de tipo discreto.

La segunda época, desde la Segunda Guerra Mundial hasta nuestros días, se ha caracterizado por la aparición de la microelectrónica y con ella la de los computadores, y a su vez por el gran avance de la teoría del control. También en esta época, la introducción de los robots industriales en la fabricación de series pequeñas y medianas ha incrementado sustancialmente la flexibilidad y autonomía de la producción.

El futuro se muestra halagüeño fundamentalmente por la introducción de las células de fabricación flexible y el gran avance de los computadores y de los robots. Todo ello lleva a pensar que en un futuro próximo la “fábrica automática” será una realidad.

Con respecto a las aplicaciones de la automatización total, sobre todo en los aspectos sociales, esto debería ser tema de estudio para los organismos pertinentes, pero si nos basamos en la historia, los efectos de la misma pueden ser atenuados con una adecuada política de reconversión.

evolución histórica de la automatización de los procesos...

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