Los robots móviles autónomos revolucionan la industria

Robots móviles autónomos

Los robots móviles autónomos hacen uso de un conjunto de tecnologías revolucionarias que permiten nuevos modelos comerciales , mejoran la eficiencia, la sostenibilidad y haciendo que el trabajo sea más seguro y gratificante en una amplia gama de sectores industriales.


Los rápidos avances en hardware y software están dando lugar a un auge de los robots móviles en varios sectores de la industria. Los robots móviles autónomos son parte importante de la industria 4.0.


Ya hay desarrollos en Robots Móviles Autónomos (AMR), que pueden navegar y realizar otras funciones de forma autónoma. Los AMR pueden consistir en una base móvil; una base móvil con un brazo robótico o; una aplicación móvil completa con una interfaz de usuario personalizada.


Los robots móviles autónomos están cambiando la forma en que se realiza el trabajo en una variedad de sectores clave de la industria.

  • Los Robots móviles autónomos ayudan a los fabricantes en entornos de gran variabilidad / bajo volumen a ajustar rápidamente la producción para satisfacer la demanda. Los robots autónomos están habilitando nuevos modelos comerciales destinados a respaldar la producción flexible. También proporcionan datos que se pueden utilizar para mejorar el rendimiento de los procesos individuales y para establecer una visión general de la producción en tiempo real.
  • Existe un mercado en auge para los robots móviles autónomos en la logística, donde se utilizan para transportar mercancías a través de un almacén. Hay desarrollos en hardware y software para permitir que los AMR identifiquen y manipulen correctamente formas no estándar. También hay una serie de empresas emergentes en la entrega «última milla» a la puerta del destinatario.
  • Los AMR se utilizan en el cuidado de la salud para transportar ropa de cama, materiales y medicamentos en hospitales e instalaciones de atención; limpieza y desinfección; y dispensación de medicamentos. Hay avances significativos en robots auxiliares para trabajadores de la salud.
  • Los AMR se utilizan en el comercio minorista para el cumplimiento de pedidos, el inventario y el servicio al cliente. Hay avances en la preparación de pedidos por robot.
  • Los robots móviles tienen una aplicación cada vez más amplia en entornos públicos como aeropuertos, hoteles y centros comerciales. Las aplicaciones incluyen: robots de información; entrega, como el servicio de habitaciones de hotel, limpieza, desinfección y seguridad.

Los AMR actúan con frecuencia como el «pegamento» que vincula partes de un proceso general que de otro modo estarían desconectadas, generando datos que se pueden utilizar para obtener una descripción general en tiempo real del rendimiento en todo el proceso. Los beneficios son menos desperdicio en las fábricas, mayor eficiencia en las fábricas y almacenes, mejor calidad y seguridad en la producción y la atención médica.

Los AMR están habilitando nuevos modelos comerciales en la fabricación y la logística, que ayudan a las empresas a seguir siendo competitivas en un entorno de producción de bajo volumen y alta mezcla.


Los robots móviles autónomos mejoran el trabajo, asumiendo tareas peligrosas, poco ergonómicas y tediosas, y mejoran nuestra vida diaria de muchas maneras, desde una mejor atención médica hasta una mejor disponibilidad de productos.


Los desarrollos en hardware y software están permitiendo avances rápidos en autonomía, navegación, visión y detección, gestión de flotas, interoperabilidad, modelos de computación de nube y locomoción. Materiales más ligeros, pieles de robot, pinzas y ruedas hacen que los robots sean más ligeros y ágiles, lo que reduce los costes y aumenta la funcionalidad.


Los desarrollos en robots móviles autónomos avanzan a un ritmo acelerado. Una razón es que estos avances tecnológicos son aplicables en muchos sectores industriales diferentes, por lo que una solución para una aplicación en un sector se puede adaptar rápidamente a otro.

Los desarrolladores están dirigiendo su mirada hacia los sistemas de asistencia que ayudan a configurar y administrar procesos, incluida la integración de robots móviles en sistemas de automatización y programación de robots. Esto reduce el costo general de implementación y ejecución de robots, lo que estimulará la adopción.

Qué son los robots móviles autónomos

Un robot móvil autónomo es aquel que es capaz de moverse y trabajar de manera autónoma cambiando de ubicación. También son denominados AMR.

Durante muchos años, los robots se han concentrado en entornos industriales, operando detrás de vallas y separados de la fuerza laboral. Esto ha cambiado rápidamente en los últimos años a medida que las nuevas tecnologías permiten que los robots trabajen junto a los humanos e interactúen con ellos tanto en el trabajo como en los espacios públicos, con beneficios para las empresas, los empleados y las personas en la vida pública.

Robots móviles. Transportador.
PAL-ROBOTICS. Transportador autónomo en comercio.

La movilidad es un factor clave de este cambio. Los robots móviles están habilitando nuevos modelos comerciales y cambiando la naturaleza del trabajo en una variedad de sectores industriales. Existe un crecimiento particularmente fuerte en Robots Móviles Autónomos (AMR), que pueden navegar y realizar otras funciones de forma autónoma en los sectores industrial y de servicios.

Robots autónomo por sectores.
Robots autónomos por sectores.

Los robots móviles autónomos permiten a las empresas mejorar la calidad de los productos y servicios, responder eficazmente a la demanda de los clientes que cambia rápidamente, seguir siendo competitivas y proporcionar un entorno de trabajo más seguro y estimulante para los empleados.

¡Bienvenido a la revolución móvil!

Los robots móviles autónomos en la actualidad

Si bien los investigadores han trabajado en tecnologías para la movilidad autónoma desde la década de 1940, los robots móviles autónomos solo se han vuelto comercialmente viables durante la última década. Esto se debe principalmente a la disponibilidad de una potencia informática mucho más potente y barata que ha dado lugar a rápidos desarrollos en tecnologías de sensores, visión y análisis que permiten a los robots percibir y responder adecuadamente en tiempo real a su entorno.

Los robots móviles autónomos emplean una variedad de métodos de locomoción. Pueden ser terrestres, acuáticos o aéreos. Los robots terrestres pueden utilizar orugas, ruedas o patas.

El segmento de robots móviles autónomos de más rápido crecimiento es el Robot Móvil Autónomo (AMR). Un AMR puede consistir solo en una plataforma o base móvil autónoma, que se puede cargar con mercancías para transportar. También puede tener accesorios adjuntos, como horquillas, que permiten una funcionalidad adicional. O puede ser un sistema móvil completo que comprende una base móvil, una interfaz de usuario y una funcionalidad personalizada.

Las bases móviles con o sin accesorios predominan en la fabricación, la logística y la atención médica, que se utilizan para transportar materiales y paquetes alrededor de fábricas, almacenes y hospitales. Reemplazan o se utilizan además de los vehículos guiados automatizados (AGV) que dependen de rutas guía y otros marcadores externos para navegar y no pueden trazar su propia ruta.

Los robots móviles autónomos pueden mapear su entorno y ubicar su posición dentro de él. Pueden percibir y responder a los obstáculos, por ejemplo, reducir la velocidad o detenerse, y pueden planificar una ruta alternativa a su destino. La mayoría de los AMR se utilizan en ambientes interiores y tienen ruedas.

Mientras que los AGV operan tradicionalmente en entornos industriales donde la interacción está restringida al personal capacitado, los AMR ya están funcionando tanto en entornos industriales como en aplicaciones donde el contacto con el público en general está previsto (como robots de información) o no se puede evitar (por ejemplo, robots de reparto y limpieza en hospitales). En el sector minorista y hotelero, los sistemas móviles completos son los más comunes, por ejemplo, robots de información y de inventario.

Clasificación de los robots móviles autónomos

Robots móviles autónomos (AMR)

  • Plataforma móvil que atraviesa el entorno operativo especificado de forma autónoma. Esto requiere la capacidad de navegar evitando obstáculos y evitando colisiones detectando obstáculos con sensores y ajustando la planificación de la ruta calculando una ruta libre de obstáculos a través del espacio libre en lugar de una ruta predefinida.
  • Con o sin accesorio o manipulador
  • Sistemas robóticos móviles completos (plataforma, interfaz de usuario y funcionalidad personalizada), p. Ej. Robots de información, Robots de seguridad y Robots sanitarios.


Vehículo guiado automatizado (AGV)

Plataformas móviles automatizadas que atraviesan el entorno operativo especificado automáticamente a lo largo de rutas de guía predefinidas (virtuales o físicas) mediante la prevención de colisiones.

Robot móvil (ISO 8373)

  • Robot capaz de viajar bajo su propio control.
  • Un robot móvil autónomo puede ser una plataforma móvil con o sin manipuladores.

Robot de servicio (ISO 8373)

Robot que realiza tareas útiles para humanos o equipos, excluidas las aplicaciones de automatización industrial. Mientras que los robots articulados utilizados en las líneas de producción son robots industriales, articulados, los equivalenets utilizados para servir comida son robots de servicio.

Nuevas funcionalidades en los robots móviles autónomos

Autonomía

La autonomía en los robots móviles autónomos se relaciona principalmente con la navegación. Los AMR pueden navegar por las fábricas y almacenes sin tener que seguir rutas guía fijas, detenerse cuando encuentran un obstáculo y volver a planificar su camino sobre la marcha.


Los robots industriales tradicionales llevan a cabo tareas de acuerdo con programas predefinidos que garantizan grados muy altos de precisión y velocidad, pero no proporcionan conocimiento ni adaptación al entorno circundante ni al estado interno del robot.


Los robots móviles autónomos deben poder funcionar de manera eficaz y segura en entornos con un alto grado de incertidumbre. Por lo general, esto se ha logrado mediante el desarrollo de modelos para respuestas adecuadas a la entrada de datos del sensor, como detenerse si un objeto está a menos de una distancia predefinida.

Los algoritmos para robots que necesitan interactuar con un entorno externo incierto se están desarrollando a un ritmo muy rápido, lo que permite niveles crecientes de autonomía. En un nivel «básico» (pero aún, de hecho, muy complejo), los robots móviles autónomos pueden navegar de A a B, replanificando su ruta si se encuentra con un obstáculo.

Actualmente se están realizando muchas investigaciones para proporcionar al robot «inteligencia semántica», es decir, una comprensión de lo que está viendo, lo que a su vez le permite reaccionar de manera adecuada. La inteligencia semántica se basa en gran medida en algoritmos probabilísticos que calculan en tiempo real el mejor curso de acción dada la información disponible.

Por ejemplo, un AMR que se encuentra con un humano en movimiento puede ver que la persona está cerca de una puerta marcada como «Aseo» y, por lo tanto, califique como alta la probabilidad de que la dirección deseada por la persona sea hacia esa puerta, lo que le permite redirigir su propio rumbo de manera adecuada.


En escenarios de automatización en los que el robot se está comunicando con otras máquinas y software en el proceso, se pueden utilizar modelos probabilísticos para determinar qué acción tomar en qué orden, según el entorno en tiempo real; por ejemplo, se le puede indicar inicialmente al robot que lleve una pieza a una celda de mecanizado, pero cambiará de tarea a medida que reciba la información de que la producción en esa celda de mecanizado está actualmente retrasada.

Estos avances en los algoritmos de los robots móviles autónomos están ampliando rápidamente la gama de tareas que puede realizar un AMR y continuarán haciéndolo durante los próximos cinco a diez años.
La noción de autonomía creciente suele plantear preocupaciones relacionadas con la seguridad de los seres humanos, o de los objetos, en el camino o en contacto directo con el robot móvil autónomo. Si no sabemos qué va a hacer el robot, porque es capaz de determinar su curso de acción sobre la marcha y sin intervención humana, ¿cómo sabemos que es seguro?

Es importante señalar aquí que una aplicación con robots móviles autónomos consiste en una combinación de algoritmos, tanto deterministas (si x, do y) como probabilísticos (lo que es más probable que sea cierto según la información que tengo y cuál es la acción más apropiada para lograr mi objetivo dada esta información) y se aplica una jerarquía para determinar cuál tiene precedencia.

Robots autónomos con extremidades.
Robot móvil autónomo con 2 extremidades. ABB.

Por ejemplo, un algoritmo determinista que indique «Si el objeto está a menos de x cm de distancia, entonces detener» siempre debe tener prioridad sobre cualquier algoritmo probabilístico. Los algoritmos deterministas proporcionan confiabilidad. Por lo tanto, la seguridad puede «integrarse» en aplicaciones móviles altamente autónomas.

Este es un requisito para cumplir con los estándares de seguridad. Estos algoritmos también deben ejecutarse siempre localmente en el propio robot, lo que garantiza que, en caso de una interrupción de la red o una brecha de seguridad, el robot aún pueda operar de manera segura.

Actualmente, la programación y la instalación representan una parte significativa del costo total de adopción de robots. Los desarrollos en la funcionalidad y las técnicas de aprendizaje de robots descritos anteriormente, combinados con interfaces de programación de robots cada vez más intuitivas, continuarán reduciendo el costo general de la instalación del robot y, por lo tanto, impulsarán la adopción.

También es probable que los fabricantes e integradores de robots pasen al modelo «plug-and-play» que ya está bien establecido en la informática. Los fabricantes proporcionarán un nivel determinado de funcionalidad con el robot, pero también proporcionarán una interfaz a través de la cual agregar fácilmente aplicaciones de terceros con costos de integración adicionales mínimos.

Navegación

La navegación autónoma, la capacidad de un robot para mapear y ejecutar una ruta de A a B, ajustando esa ruta en tiempo real si se encuentran obstáculos, es fundamental para los robots móviles autónomos. La navegación autónoma en robots se basa en algoritmos de localización y mapeo simultáneos (SLAM) que se han desarrollado continuamente desde la década de 1980.

Los algoritmos SLAM construyen un mapa de los alrededores del robot y, al mismo tiempo, determinan la posición del robot dentro de ese mapa, basándose en los datos recibidos de los sensores. Dado que cada tecnología para determinar la posición tiene inconvenientes (por ejemplo, en términos de distancias medidas y confiabilidad en condiciones variables como niebla o altas temperaturas), la mayoría de las aplicaciones de SLAM combinan datos de múltiples fuentes, incluida la detección y el alcance de imágenes de luz (LiDAR), radar, GPS, odometría (rotaciones de ruedas) y ultrasonido.

LiDAR es el que se aplica de forma más consistente. Más recientemente, los algoritmos VSLAM (visual SLAM) agregan datos del sistema de visión 2D y 3D a la mezcla. Tanto SLAM como VSLAM son problemas computacionales muy complejos y se ha dirigido mucha investigación a ellos.

VSLAM agrega grandes volúmenes de datos de los datos de la cámara y también requiere algoritmos sofisticados para identificar datos redundantes («ruido»). Estos requieren importantes recursos informáticos, pero son fundamentales para permitir que el AMR identifique los tipos de objetos (y personas) que encuentra y responda de manera adecuada.

En los próximos años, las mejoras continuas en la potencia de las computadoras y las mejoras en los algoritmos que reducen la cantidad de datos que deben procesarse, además de procesarlos más rápido, deberían reducir gradualmente el costo de SLAM y VSLAM.

Visión y sensorización

Ha habido avances significativos en la visión y los sensores de los robots en los últimos cinco años, lo que ha mejorado enormemente las capacidades de los robots móviles y fijos.

El desarrollo de tecnologías de visión 3D es particularmente importante para los robots móviles, ya que la visión 3D proporciona datos sobre la profundidad que se necesitan para evaluar la distancia de posibles obstáculos, entre otras cosas.

Los sensores de visión 3D toman información de múltiples fuentes para encontrar el punto de coincidencia entre los objetos percibidos desde diferentes ángulos con el fin de inferir la profundidad. Muchos sistemas de visión 3D utilizan una o más cámaras, además de sensores láser.

La visión 3D es muy compleja, especialmente en entornos móviles donde las condiciones como la iluminación y la posición de los objetos y las personas cambian constantemente.

Kit de visión artificial para proyectos IA y AML. Robots móviles autónomos.
Kit de visión artificial para robots móviles autónomos

Durante los próximos cinco años, podemos esperar ver mejoras en los sensores, particularmente en términos de trabajar con mayores precisiones, así como una reducción en el precio a medida que los sensores se vuelven más omnipresentes.

Los sensores podrán lidiar mejor con las condiciones ambientales como la niebla, la lluvia y la luz solar brillante, así como las distorsiones en interiores, por ejemplo, de objetos reflectantes.

A medida que los sistemas de visión se vuelvan más sofisticados, será importante que los usuarios de robots conozcan y cumplan con las regulaciones de privacidad de datos, particularmente en el uso de la transferencia de datos 3D, por ejemplo, para permitir que un humano sea reconocido sobre un objeto, pero sin capturar ninguna característica de identificación de la persona individual.

Gestión de la flota

Los AMR suelen estar conectados a otros del mismo fabricante a través de sistemas de gestión de flotas, a través de los cuales se pueden coordinar y supervisar sus actividades.

Los sistemas de gestión de flotas se pueden configurar para controlar no solo los robots móviles, sino también el resto de maquinaria o hardware, lo que permite que el robot active acciones como poner en marcha una cinta transportadora o una máquina de mecanizado.

El software de gestión de flotas se está desarrollando rápidamente, utilizando algoritmos avanzados para determinar la configuración óptima, además de gestionar los movimientos de las máquinas.

Los robots y otras máquinas de la flota se pueden conectar a través del sistema de gestión central o directamente entre sí. Si un robot se acerca a una puerta, por ejemplo, puede emitir el comando para que la puerta se abra enviando la información del sistema central que está frente a la puerta y el sistema envía la instrucción a la puerta, o puede ser Enrutado directamente desde el robot a la puerta, con una actualización del sistema central en su ubicación.

Comunicación Robots móviles autónomos
Comunicaciones de los Robots móviles autónomos.

También son habituales los modelos híbridos, en los que los robots realizan algunas acciones mediante comunicaciones directas y otras donde esta se gestiona de forma centralizada.

Los sistemas de gestión de flotas también se pueden conectar con otras aplicaciones de software, como la planificación de recursos empresariales (ERP) y los sistemas de ejecución de fabricación (MES), lo que permite la automatización completa de un proceso, desde el pedido del cliente hasta la ejecución de la fabricación y logística.

Interoperabilidad

La interoperabilidad entre AMR y maquinaria, AGV y AMR de otros fabricantes es un tema clave para los fabricantes y proveedores de logística que ya disponen de inversiones en estas tecnologías.

Si la empresa está operando AMR de varios proveedores, los sistemas de gestión de flotas de estos proveedores deben estar conectados. Actualmente, garantizar la interoperabilidad puede consumir una parte sustancial del costo total de instalación, principalmente en escenarios con una alta combinación de tecnologías.

Hay una serie de iniciativas para abordar este problema, aunque la mayoría se encuentra en etapas iniciales. Por ejemplo, el VDA50 / 50 de la Asociación Alemana de la Industria del Automóvil (VDA) es una nueva interfaz que permite que los sistemas de transporte sin conductor y el software de control se comuniquen entre sí, independientemente del fabricante.

VDA 5050 Norma para robots móviles autónomos.
Las flotas de AMR multimarca solo precisarán un único control

Podemos esperar que los desarrollos en las interfaces de programación y comunicaciones reduzcan significativamente el tiempo y el costo de la integración y, por lo tanto, estimulen la adopción de robots, al reducir el costo total de implantación en el futuro.

Informatización en Edge / Nube

La conexión de robots a servidores locales (edge) o remotos (nube) permite a los usuarios recopilar datos que pueden analizarse para mejorar el rendimiento del robot.

Cloud y Edge en AMR
Cloud y Edge en los AMR

Los datos de grupos de robots que realizan la misma tarea se pueden agregar y analizar para optimizar el programa del robot, que luego se puede actualizar y descargar a cada uno de los robots de la flota.

Los algoritmos para analizar estos patrones de datos se están volviendo cada vez más sofisticados, por lo que los ajustes se pueden realizar muy rápidamente, con aumentos potencialmente significativos en la eficiencia.

La digitalización de las máquinas, en el ciclo productivo o logístico, también proporciona a los fabricantes y empresas de logística una mayor trazabilidad de los componentes de un producto. Esto puede ser importante en sectores como la producción alimentaria y farmacéutica, por ejemplo, para permitir la identificación de medicamentos falsificados.

La conectividad con servidores remotos implica grandes volúmenes de transferencia de datos, que deben ejecutarse extremadamente rápido en ambas direcciones para permitir, por ejemplo, ajustes en tiempo real de los programas del robot.

Las redes 5G, introducidas en 2019, tienen el ancho de banda para permitir la conectividad a gran escala y se espera que el despliegue continuo de estas redes acelere la adopción de robots conectados.

El 5G ofrece una transmisión de datos más rápida y también una cobertura total en toda la fábrica o almacén, capacidades que en muchas empresas no está garantizado con WiFi.

Las posibilidades de operación remota habilitadas por la conectividad en la nube también habilitan los modelos comerciales de robot como servicio (RaaS) y software como servicio (SaaS), en los que un usuario alquila un robot y / o software que se incluye el mantenimiento y la actualización dentro de la tarifa de alquiler.

Este modelo evita a las empresas el desembolso de capital inicial y garantiza que siempre estén trabajando con la tecnología más actualizada.

Los datos del robot se envían automáticamente a la nube y el proveedor del robot puede predecir cuándo se requiere mantenimiento o actualizaciones.

También se pueden descargar desde la nube aplicaciones simples que no requieren una adaptación detallada al entorno del usuario individual.

En el mercado también algunas empresas están adoptando enfoques híbridos, en los que se puede comprar el robot y arrendar el software.

Movimiento

La mayoría de los AMR en la industria tienen ruedas, aunque un pequeño número tiene patas, y se utiliza en ambientes interiores con una mezcla de superficies planas, escaleras y pendientes.

La mayoría de los AMR con ruedas son bidireccionales, pero algunos también son omnidireccionales, como el KUKA KMR iiwa y la serie MPO de Neobotix. Los robots omnidireccionales ofrecen una mayor flexibilidad de movimiento, pero a menudo a costa de ruedas más pesadas.

Vídeo de demostración de robot omnidireccional

Sin embargo, podemos esperar desarrollos en ruedas omnidireccionales que serán más livianas y requerirán menos energía y que potenciará su adopción en el futuro.

Materiales

Los materiales de los que están hechos los robots móviles autónomos afectan a su tamaño, peso y contornos exteriores, todo lo cual influye en su idoneidad para diferentes entornos, incluidos aquellos en los que el robot está destinado o podría entrar en contacto con humanos.

La mecánica y los materiales utilizados para permitir la locomoción de la misma manera deben adaptarse al entorno previsto del robot.

Los fabricantes de robots móviles autónomos están utilizando materiales más nuevos, livianos y flexibles para la construcción de los robots que están destinados a entrar en contacto con humanos desde una base fija o móvil.

El aluminio, que es ligero pero rígido, se utiliza a menudo en robots, pero los fabricantes están recurriendo cada vez más a compuestos de fibra de carbono que son más ligeros que el aluminio sin sacrificar la rigidez.

Los motores de los robots también son cada vez más ligeros. Los robots más livianos significan menores costos iniciales y mejores retornos a través de tiempos de ciclo más rápidos para los clientes.

Los robots móviles autónomos que pueden entrar en contacto con humanos generalmente se fabrican con contornos redondeados y pueden usar una piel de robot.

Las pieles no solo absorben la fuerza al contacto, sino que también pueden equiparse con sensores para proporcionar propiedades táctiles avanzadas que también son necesarias en las pinzas de robot fabricadas para manipular materiales delicados.

También hay un desarrollo considerable en la «robótica blanda», centrada en materiales flexibles para actuadores de robots.

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Aplicación de Robótica blanda

También hay avances en la carga inalámbrica para robots, que reduce el desgaste de los componentes de la interfaz del robot y significa que el robot no necesita perder tiempo fuera de servicio en un punto de carga.

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