Los sistemas de robots industriales modernos dependen de una infraestructura cada vez más compleja para respaldar capacidades de inteligencia artificial (IA) y aprendizaje automático (ML) en continua evolución, una conectividad perfecta y una implementación escalable dentro de la fábrica. Estos sistemas requieren sensores, hardware de seguridad, protección de circuitos y componentes de control para cumplir con los requisitos de gran ancho de banda, respuesta en tiempo real y estrictos estándares de seguridad funcional.
Este artículo explora las tecnologías fundamentales que respaldan la tecnología robótica de la Industria 4.0, centrándose en los sensores SICK, las soluciones de seguridad y cómo los componentes de control industrial de Eaton ayudan a lograr un control de movimiento seguro, un comportamiento adaptativo del sistema y una toma de decisiones decisiva. Los temas específicos de discusión incluyen los factores impulsores clave de la automatización inteligente elástica, como la arquitectura de percepción, el cumplimiento de la seguridad de las máquinas, las estrategias de control tolerantes a fallas y la integración de redes de automatización de borde distribuidas.
Sistema de detección avanzado para entorno dinámico de fábrica
Como se muestra en la Figura 1, los robots de la Industria 4.0 han logrado un funcionamiento seguro y eficiente en los talleres de las fábricas a través de sensores avanzados. Aunque funcionan en condiciones difíciles, como cambios constantes de luz, presencia de partículas en el aire y vibraciones mecánicas, estos sensores aún deben poder procesar rápidamente datos en tiempo real para rastrear con precisión al personal, los robots móviles y las líneas de montaje que se mueven rápidamente.
Brazo robótico Multi-Axis Industry 4.0 de Igus
Figura 1: El brazo robótico multieje Industry 4.0 utiliza sensores integrados y retroalimentación en tiempo real para lograr un funcionamiento preciso y rápido. (Fuente de la imagen: Igus)
La plataforma del robot integra múltiples modos de sensores para garantizar la percepción espacial y una respuesta a nivel de milisegundos. El algoritmo de fusión de sensores agrega esta información de entrada para generar un modelo coherente en tiempo real del entorno operativo del robot. El sistema visual gestiona la detección y el posicionamiento de objetos, mientras que el escáner láser de nivel de seguridad monitorea las aproximaciones no autorizadas dentro del área restringida. Los sensores de tiempo de vuelo (ToF) de baja latencia capturan datos espaciales tridimensionales, lo que permite un ajuste de ruta en tiempo real y un comportamiento consciente del contexto.
Los robots también dependen de sensores internos y sensores de contacto para mejorar el control del movimiento y la interacción. Los sensores táctiles, incluidos los sensores de fuerza/torsión y los interruptores de límite, pueden proporcionar retroalimentación para tareas de agarre, ensamblaje y cumplimiento. Los sensores de proximidad inductivos, capacitivos y ultrasónicos pueden detectar objetos cercanos sin contacto y su distancia de detección suele ser más corta que la de los sistemas ToF. Los codificadores y potenciómetros rastrean la posición y la velocidad de las articulaciones para una planificación precisa del movimiento, mientras que las unidades de medición inercial (IMU) miden la aceleración y la velocidad angular para mantener la dirección y el equilibrio. Finalmente, los sensores eléctricos monitorean la corriente y el voltaje para evaluar la carga del motor y detectar fallas.
Seguridad de robots industriales basada en estándares
Los robots de la Industria 4.0 deben cumplir con estrictos estándares de seguridad internacionales para proteger la seguridad del personal y los equipos. Las tres normas principales, ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218, especifican los requisitos de seguridad del sistema funcional y de control para los sistemas robóticos de talleres de fábrica.
ISO 13849 describe los estándares de diseño y validación para componentes de control relacionados con la seguridad. Esta norma adopta un enfoque basado en riesgos y utiliza niveles de rendimiento (PL) para clasificar la integridad del sistema según la gravedad de los peligros, la frecuencia de exposición y los posibles escenarios de evitación. IEC 62061 cuantifica la reducción de riesgos requerida para la seguridad funcional de sistemas de control eléctricos, electrónicos y programables utilizando el nivel de integridad de seguridad (SIL). Estos estándares especifican colectivamente los requisitos de diseño, implementación y validación para funciones de percepción y control en aplicaciones críticas para la seguridad.
La norma ISO 10218 aplica estos principios específicamente a robots industriales y cubre requisitos de seguridad para el diseño de robots, disposición de unidades de trabajo, integración de sistemas y operación. Esto incluye el uso de sensores de grado de seguridad para realizar tareas como parada de emergencia, protección y monitoreo de movimiento. Estos componentes deben cumplir umbrales de rendimiento y confiabilidad específicos y, por lo general, se demuestran mediante pruebas y validaciones estructuradas.
Las normas ISO 13849, IEC 62061 e ISO 10218 forman el núcleo de las normas de seguridad de robots. Otros estándares, incluido el estándar de seguridad eléctrica IEC 60204-1 y el estándar de colaboración hombre-máquina ISO/TS 15066, han ampliado el marco básico para la implementación e integración de la seguridad.
Sistema de seguridad integrado para la colaboración hombre-máquina
El operador de la fábrica adopta soluciones de seguridad de proveedores como SICK y Eaton para cumplir con los estándares en términos de funcionalidad y seguridad de las máquinas. Por ejemplo, el sistema Safe EFI Pro de SICK utiliza sensores, controladores y actuadores integrados para respaldar el control en tiempo real de las funciones de seguridad para robots fijos y móviles. Como se muestra en la Figura 2, el componente clave del sistema, el escáner láser de seguridad microScan, puede realizar detección de movimiento adaptativa y dependiente de la situación en entornos dinámicos.
Escáner láser de seguridad SICK microScan3
Figura 2: El escáner láser de seguridad microScan3 de SICK puede monitorear áreas protegidas y detectar movimiento dinámicamente, brindando soporte para la protección adaptativa en entornos industriales. (Fuente de la imagen: ENFERMO)
Los operadores también pueden utilizar el sistema de protección del extremo del brazo (EOAS) de SICK para mantener una zona de protección dinámica alrededor del cabezal de la herramienta del robot. EOAS utiliza la tecnología ToF para lograr una colaboración segura entre humanos y máquinas sin contacto con un tiempo de respuesta de menos de 110 milisegundos.
Como complemento a estos sistemas automatizados, SICK también ofrece componentes de seguridad manuales y periféricos. El operador puede apagar rápidamente la máquina accionando el interruptor de parada de emergencia ES21 en caso de emergencia. El interruptor de seguridad sin contacto STR1 adopta tecnología RFID para lograr un monitoreo protector y a prueba de manipulaciones, admite codificación avanzada y cumple con la norma EN ISO 14119.