Sensores de par para los cobots

Arthur Vignolles, gerente de ingeniería de desarrollo de productos, TE Connectivity

Ricardo García, gerente de productos: sensores de fuerza y de par, TE Connectivity

A medida que la Industria 4.0 evoluciona, el uso de robots más sofisticados, así como de sistemas avanzados de automatización y de control en las aplicaciones industriales, se ha vuelto más común a la par que las empresas continúan esforzándose por aumentar la eficiencia y la rentabilidad.  El avance de la tecnología automatizada ha contribuido a impulsar el desarrollo de los robots colaborativos, o cobots, que pueden trabajar al lado de las personas o con ellas.. Los cobots están diseñados para interactuar con los trabajadores y ayudarlos en lugar de ser equipos automatizados independientes que interactúan poco o nada con las personas. Tradicionalmente, esta interacción limitada ocurría por motivos de seguridad y porque las personas y los robots no podían trabajar juntos con eficiencia y eficacia.

Hoy en día, los cobots son mucho más flexibles, puesto que las jaulas protectoras ya no son necesarias para brindar seguridad, y se han diseñado para poder trabajar con las personas y realizar tareas en conjunto que ni los humanos ni los robots podrían hacer por sí mismos. Esta flexibilidad también ayuda a aumentar el retorno de la inversión (ROI) porque la productividad se incrementa y los costos de mano de obra se reducen. Además, los cobots también pueden llevar a cabo tareas complejas o peligrosas que los humanos no pueden hacer o ejecutar de manera segura. Por ejemplo, pueden realizar cirugías con un grado de precisión y estabilidad que supera incluso al del mejor cirujano. En cuanto a la seguridad, los cobots pueden manipular materiales tóxicos y funcionar en entornos que no son adecuados para el ser humano.

Desde la fabricación de productos hasta las aplicaciones de envasado industrial, y todo lo demás, los cobots desempeñan un papel importante en el aumento de la productividad en el ámbito laboral. Las nuevas formas que las empresas han encontrado de integrar los cobots y el mejor conocimiento de las ventajas al utilizarlos, llevan a que su implementación en fábricas e instalaciones de manufactura esté experimentando un enorme crecimiento. Según la Federación Internacional de Robótica (IFR), se instalaron 22,000 cobots en 2020, un aumento de 11,000 desde 2017. Además, las ventas internacionales de robots colaborativos crecieron más del 25 % desde 2018, a pesar de que, en general, el mercado de robots industriales sufrió una desaceleración provocada por la pandemia.  En términos de crecimiento futuro, en el mercado chino se espera que las ventas de cobots aumenten en un 30 % en los próximos 5 años. Al incrementarse el uso de los cobots, se le ha dado enfoque a las regulaciones que garantizan un entorno de trabajo seguro y protegen al personal que trabaja junto a ellos.

A medida que se han desarrollado y ampliado los requisitos de seguridad de los cobots, se les han integrado tecnologías de monitoreo y de control. Un ejemplo de ello es un sensor de par que monitorea el par mecánico en una variedad de puntos de giro de un cobot. El sensor de par se basa en una celda de carga SMEM integrada que puede convertir el par mecánico en una señal de salida digital que es proporcional al par aplicado. Estos sensores de par se utilizan dentro de los cobots para detectar las condiciones en las que el nivel de par es alto y podría posiblemente afectar a un humano en una aplicación en conjunto o en las que el nivel del par podría dañar al cobot en sí.

El sensor de par de seguridad de TE comienza con una flexión de una sola pieza que está diseñada para convertir el par rotacional en tensión mecánica. Las galgas extensiométricas piezorresistivas se fijan a las áreas de flexión y se instalan en una configuración de puente de Wheatstone, de modo que la tensión mecánica se pueda convertir en una salida de mV/V. Un ASIC y otros componentes eléctricos se alojan en dos PCB pequeñas. La señal mV/V sin procesar se compensa, amplifica y digitaliza en un formato I2C y esos datos están disponibles en el bus. Dependiendo de la aplicación, se puede establecer un límite de torsión que permitirá que el cobot se apague antes de que lastime a una persona o antes de que se dañe.

Los sensores de par de seguridad suelen estar integrados en los sistemas de unión del cobot. Dichos sistemas son completos y por lo general consisten en uno o más sensores angulares, así como un motor y una caja de cambios. Además, impulsan el movimiento de cada brazo del robot, mientras que el sensor de par se utiliza para detectar la torsión dentro del motor y la caja de cambios. El circuito de control utiliza el nivel del par para apagar la articulación y evitar daños al propio brazo o lesiones al trabajador si se usa en colaboración.

Las ventajas que los sensores de par le brindan al sistema han impulsado la tendencia a utilizar sensores en aplicaciones de cobots, puesto que cuentan con un tiempo de respuesta más rápido y son de mayor precisión, lo que da lugar a sistemas de cobots más seguros y confiables, así como a mejores condiciones de seguridad para las personas. El uso de un sensor de par en cada articulación del brazo permite detectar de manera directa la fuerza externa o la torsión ejercida sobre el brazo, en lugar de basarse en complejos cálculos que se derivan de las corrientes del motor.  Lo que permite pararlo muy rápido al contacto y, por lo tanto, moverlo de igual manera en situaciones de colaboración donde la debe limitarse la aplicación de fuerza por parte de las personas. Otra ventaja es que el cobot puede operar en modo de cumplimiento y  el cumplimiento Activo permite que el brazo se guíe de manera manual (programación de orientación), lo que facilita enseñarle al cobot nuevas tareas.  La detección directa de la torsión de la articulación da paso a un control uniforme y preciso del movimiento del brazo a medida que se guía. 

Los sensores de par de seguridad de TE proporcionan datos precisos a la vez que minimizan los errores de carga cruzada (carga axial o radial y momento de vuelco) y pueden actuar como una pared de sellado en una caja de cambios. Para cumplir con los requisitos funcionales de seguridad hasta la Categoría 3 PL d de ISO13849, el diseño se basa en un sistema de doble canal e incluye otras características que detectan cualquier fallo relacionado con la seguridad. El sensor de seguridad de par de TE es pionero en mayor seguridad y confiabilidad en los cobots, a la vez que los mismos continúan impulsando la evolución de la Industria 4.0.