WO2023122844A1 - Herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo; y método de operación - Google Patents

Abstract

Se describe una herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo, que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra, que está compuesta por una unidad de transporte y un sistema de robot industrial colaborativo que comprende un sistema de control, un generador de vacío, un sistema de energía de respaldo, un medio para posicionar, una interfaz de usuario, un sistema de detección, un sistema de alerta, un manipulador, un eje de desplazamiento lineal horizontal, un cambiador de herramientas robótico, un estante de efectores finales, un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático y una pluralidad de herramientas de corte intercambiables; y método para operar dicha herramienta.

Description

HERRAMIENTA DE CARPINTERIA PARA LA ESTEREOTOMÍA COLABORATIVA HUMANO-ROBOT MEDIANTE UN SISTEMA DE ROBOT INDUSTRIAL COLABORATIVO CONTROLADO POR CAPACIDADES EN VISIÓN ARTIFICIAL QUE LOCALIZA, RECONOCE Y EJECUTA INSTRUCCIONES DE MECANIZADO TRAZADAS A MANO POR UN CARPINTERO EN UNA PIEZA DE TRABAJO; Y MÉTODO DE OPERACIÓN

CAMPO DE APLICACIÓN

La presente invención se refiere a una herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo; y un método de operación para instruir al sistema de robot industrial colaborativo un programa de tareas de mecanizado de una pieza de trabajo, mediante un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero como por el sistema de robot industrial colaborativo. Más específicamente, a una herramienta de carpintería colaborativa que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra, que está compuesta por una unidad de transporte y un sistema de robot industrial colaborativo que comprende un sistema de control, un generador de vacío, un sistema de energía de respaldo, un medio para posicionar, una interfaz de usuario, un sistema de detección, un sistema de alerta, un manipulador, un eje de desplazamiento lineal horizontal, un cambiador de herramientas robótico, un estante de efectores finales, un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático y una pluralidad de herramientas de corte intercambiables.

DESCRIPCIÓN DEL ARTE PREVIO

La solicitud WO2014059619 A1 de fecha 24.04.2014, de Alien Dayong Zhang y otros, titulada “Object profile for object machining”, describe un perfil de objeto para el mecanizado de objetos, donde un perfil de objeto se genera al medir los atributos de un objeto, como sus dimensiones. El perfil de objeto puede corresponder a una representación de datos de atributos de objeto. El perfil de objeto se emplea para determinar una trayectoria de mecanizado para mecanizar el objeto basándose en un diseño y/o patrón particular. Se genera una guía de alineación que permite posicionar un objeto para mecanizarlo mediante un dispositivo de mecanizado. La guía de alineación, por ejemplo, puede corresponder a una posición particular en un espacio de coordenadas. Alinear un objeto con la guía de alineación incluye mover el objeto para alinearlo con la guía de alineación. Cuando se alinea con la guía de alineación, el objeto puede mecanizarse de acuerdo con un perfil y/o patrón de objeto especificado.

La solicitud W02006098922 A2 de fecha 21 .09.2006, de David, A. Carpenter y otros, titulada “Method and apparatus for cutting a workpiece”, describe un aparato para obtener un corte deseado en una pieza de trabajo y un método para usar el mismo. El aparato tiene una base con un miembro de corte acoplado de manera móvil al mismo. Un escáner está acoplado con la base para escanear el perfil de la pieza de trabajo que se desea cortar. Un dispositivo de computación puede usar información del proceso de escaneo para controlar los motores paso a paso transversales y longitudinales para mover el miembro de corte a través de una trayectoria de corte deseada para lograr un corte basado en el perfil de la pieza de trabajo, tal como un corte de seguridad. Un usuario puede almacenar perfiles de piezas escaneadas previamente en un componente de memoria del dispositivo informático.

La solicitud WO2018017626 A2 de fecha 25.01.2018, de Patrick Baudisch, titulada “System and method for editing 3D models”, introduce el concepto de editores 3D que tratan los contenidos como un conjunto de "ensamblajes" que interactúan entre sí y con el mundo regido por la física, como la inercia. Sobre la base de este concepto general, presentamos una gama de herramientas para manipular dichos ensamblajes. Luego, automatizamos varios aspectos de la edición 3D que, de otro modo, podrían chocar con la noción de una interacción basada en la física, como la alineación y la gestión de vistas. Algunas realizaciones del concepto inventivo se dirigen a máquinas de fabricación específicas. Esto permite que estas realizaciones ofrezcan elementos de contenido inteligente que incorporan conocimientos de dominio útiles, como la estabilidad y la eficiencia del material. Esto reduce la complejidad de la interfaz de usuario y permite a los usuarios especialmente inexpertos resolver problemas comunes con facilidad.

La solicitud de patente de invención DE102008036974 A1 de fecha 11.02.2010, de Richard Schmidler, titulada “Joining system for carpenter-moderate shape of beam, has processing robot, where robot is integrated for light tools of machine zones in joining system for beam”, publica un sistema de unión que tiene un robot de procesamiento. El robot está integrado para herramientas ligeras de zonas de máquinas en un sistema de unión para viga. El robot se compara con el agregado de unión. El robot ligero está dispuesto en la última de las zonas de máquinas.

La patente de invención DE19613774 C1 de fecha 30.10.1997, de Richard Schmidler y Hans Schmidler, titulada “Timber beam working method for carpentry work”, describe que las vigas de madera se cortan a medida, se perforan, se fresan, etc. Todo el trabajo de corte se realiza mediante un cabezal de corte de chorro de agua giratorio. El cabezal de corte de chorro de agua giratorio se lleva en un brazo de robot controlado por computadora. El cabezal de corte se coloca dentro de la habitación.

La patente de invención US5345687A de fecha 13.09.1994, de Hitoshi Matsuura y Eiji Matsumoto, titulada “Noncontact tracing control device”, describe un dispositivo de control de copia en el que un modelo y una pieza de trabajo se movieron relativamente con un cabezal trazador y una herramienta en un plano XY, los valores de distancia medidos a la superficie del modelo, que son detectados por el primero y segundo no. los detectores de contacto montados oblicuamente en la cabeza del trazador giratorios alrededor de un eje Z se muestrean periódicamente para obtener los valores de coordenadas de los puntos medidos en la superficie del modelo, un vector normal (Nn) en la superficie del el modelo se calcula a partir de tres valores de coordenadas de cuatro puntos medidos (P1 n-1 , P1 n, P2n-1 , P2n) obtenidos sucesivamente por ambos detectores, y la cabeza del trazador se gira para moverse a lo largo de una proyección (N1 n) del Vector normal (Nn) en el plano XY, de modo que los ejes de medición de los detectores se controlan para que sean aproximadamente verticales a la superficie del modelo. Después de seleccionar dos puntos de entre cuatro puntos medidos, se selecciona un punto de ese tipo de los dos puntos de medición restantes como un tercer punto que satisface una condición de que un punto de intersección entre un perpendicular desde tal punto a una línea recta que pasa por el previamente dos puntos seleccionados y la línea recta mencionada anteriormente se interpone entre los dos puntos seleccionados previamente, y eso satisface la condición de que la longitud de la perpendicular mencionada anteriormente sea mayor que un valor predeterminado.

La patente de invención US4740904 A de fecha 26.04.1988, de John B. Nagle, titulada “Line following system and process”, describe un sistema de seguimiento de línea adaptado para escanear una imagen de segmento de línea bidimensional con un dispositivo de escáner de manera que la matriz analógica cartesiana se crea en la memoria digital como una representación cuantificable de la imagen. La matriz cartesiana se procesa mediante un método para contar bits positivos consecutivos a lo largo de una serie de vectores seleccionados y pares de vectores y almacenar los datos en una memoria de registro de conteo para cada bit de trabajo seleccionado. El método utiliza una serie de bits de trabajo hasta que se haya mapeado la matriz cartesiana completa. Luego, los datos se envían a un dispositivo de salida seleccionado, como un trazador digital, una pantalla de monitor o un sistema CAD. El uso principal de la invención es un componente de un sistema general utilizado en CAD para aplicaciones electrónicas, artísticas y arquitectónicas.

La solicitud de patente de invención CN1603072 A de fecha 06.04.2005, de Hu Zonghe, titulada “System and method for generating cutting path automatically”, describe un sistema y método que puede producir automáticamente una trayectoria de corte. El sistema incluye un dispositivo para tomar imágenes y un dispositivo de procesamiento. En primer lugar, el dispositivo de captación de imágenes toma la imagen de la placa de circuitos para obtener una señal de imagen y la transmite. En segundo lugar, el dispositivo de procesamiento es aceptado y procesa la señal de imagen para obtener al menos la ruta de corte óptima y la relación correspondiente de la posición del punto de referencia, y almacenarlas. Finalmente, antes de volver a cortar, compare el punto de referencia del tablero de circuito de corte esperado con la relación correspondiente almacenada de la posición del punto de referencia; y la trayectoria de corte de la placa de circuito esperada para el corte se decide si es necesario enmendar de acuerdo con el resultado contrastado, de modo que se omita la calibración mecánica de la placa de circuito. Por lo tanto, puede simplificar la modificación de la trayectoria de corte, ahorrar tiempo de fabricación, reducir el costo y mejorar la tasa de bondad de la placa de circuito.

No existe en el estado de la técnica una herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo; y un método de operación que no requiere modelado 3D CAD/CAM ni programación por entrada manual de datos (manual data input programming) ni programación fuera de línea (off-line programming) ni programación por aprendizaje (teach programming), para instruir al sistema de robot industrial colaborativo un programa de tareas de mecanizado de una pieza de trabajo, mediante un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero como por el sistema de robot industrial colaborativo. Más específicamente, una herramienta de carpintería colaborativa que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra, cuya unidad de transporte dispone de espacio para un sistema de energía de respaldo y un generador de vacío y un sistema de robot industrial colaborativo que comprende un sistema de control, un generador de vacío, un sistema de energía de respaldo, un medio para posicionar, una interfaz de usuario, un sistema de detección, un sistema de alerta, un manipulador, un eje de desplazamiento lineal horizontal, un cambiador de herramientas robótico, un estante de efectores finales, un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático y una pluralidad de herramientas de corte intercambiables.

INTRODUCCIÓN

La herramienta de carpintería colaborativa propuesta es aplicable tanto en la construcción de edificios, puentes y embarcaciones de madera como en la fabricación de muebles, carretas, utensilios y otros objetos de madera, permitiendo que un carpintero sin conocimientos previos de programación de robots instruya de manera natural a la herramienta de carpintería colaborativa con un programa de tareas de mecanizado específico para cada pieza de trabajo con solo trazar en su superficie las figuras geométricas y signos gráficos que representan el diseño y especificaciones de la estereotomía de la pieza. El método operativo de la herramienta de carpintería colaborativa propuesta soporta una estereotomía colaborativa de la madera donde el carpintero realiza el trabajo creativo y la herramienta de carpintería colaborativa realiza el trabajo duro.

El método de operación de la invención propuesta permite reducir el tiempo de posicionamiento de la pieza de trabajo previo al mecanizado, porque no requiere que un operador instruya a la herramienta de carpintería colaborativa de coordenadas de la pieza de trabajo, también conocido como “cero pieza” (part zero). Además, facilita el mecanizado robótico de piezas de trabajo con formas irregulares y complejas, porque no requiere que un operador instruya a la herramienta de carpintería colaborativa múltiples sistemas de coordenadas de múltiples planos de trabajo de la pieza de trabajo. En cambio, las capacidades en visión artificial del invento propuesto permiten que el sistema de robot industrial colaborativo localice en una fracción de segundo la posición y orientación relativas de cada figura geométrica y signo gráfico trazado por el carpintero en la pieza de trabajo con respecto al punto central de la herramienta de carpintería colaborativa que se encuentre montada en la interfaz mecánica del manipulador. Consecuentemente, la colocación de la pieza de trabajo en el posicionado de la herramienta de carpintería colaborativa propuesta no requiere ninguna precisión. Esto agiliza la operación cada vez que la pieza de trabajo debe ser retirada para trazar en ella más instrucciones de mecanizado o para ensamblarla provisionalmente y verificar si encaja con otra.

La herramienta de carpintería colaborativa propuesta soporta la operación colaborativa humano-robot por muchas razones: primeramente porque sus capacidades en visión artificial permiten que un carpintero y el sistema de robot industrial colaborativo compartan el mismo espacio de trabajo colaborativo, de manera segura, conforme a las normas ISO 10218 y ISO/TS 15066; también porque se adapta automáticamente a la alternancia entre las etapas de trazar, cortar y montar del ciclo de trabajo habitual de los carpinteros; se adapta al lenguaje visual gráfico del carpintero; se adapta el empleo de los instrumentos de trazado y medición manuales tales como el lápiz, la línea de tiza, la escuadra, la plantilla, el compás de transcripción, la plomada y el nivel; y además se adapta a los métodos de trazado y medición in situ como la transcripción del contorno de superficies inamovibles del lugar de la obra, el cual es frecuentemente aplicado en la reparación de patrimonio arquitectónico pero también en la construcción de cabañas de troncos.

La tarea principal de la carpintería es la estereotomía de la madera que consiste principalmente en cortar piezas para encajarlas como componentes de un sistema constructivo. Más específicamente, consiste en trazar, cortar y labrar formas opuestas y complementarias en pares de piezas de madera para ensamblarlas en estructuras complejas como edificios, puentes y embarcaciones. Estas formas de unión, denominadas genéricamente "caja y espiga" y sus múltiples variantes, se utilizan también en la fabricación de carretas, muebles, utensilios y otros objetos de madera. La estereotomía de la madera comprende por tanto dos actividades alternas: trazado y corte de la pieza de trabajo. La práctica tradicional de la estereotomía de la madera reúne un conjunto de métodos y técnicas que ofrecen un alto grado de flexibilidad respecto del diseño de piezas y su unión para formar entramados de edificios, embarcaciones y muebles. La práctica manual de la estereotomía de la madera ofrece además un alto grado de adaptación al material, la pieza de trabajo y las condiciones ambientales del entorno de operación. La práctica de la estereotomía en la carpintería francesa fue declarada Patrimonio Cultural Inmaterial de la Humanidad por la UNESCO en 2009.

En un nivel de abstracción alto, el trazado de la pieza de trabajo consiste en dibujar en cada plano de trabajo de la pieza la correspondiente proyección ortogonal de una figura geométrica tridimensional que el carpintero tiene en mente y debe remover de la pieza de trabajo para obtener toda o parte de la forma prevista para esa pieza. En un nivel de abstracción más bajo, se trata del trazado de los cortes y perforaciones -es decir, la especificación de las operaciones de mecanizado- que deben ser ejecutadas en la pieza de trabajo. La especificación de los tipos de corte requeridos como, por ejemplo, cajeado, entallado, ranurado y cepillado está parcialmente implícita en algunas de las figuras geométricas unidimensionales y bidimensionales que el carpintero traza en la pieza de trabajo y está parcialmente explícita en los signos gráficos que el carpintero agrega para definir propiedades categóricas y numéricas de algunas de las figuras geométricas. Por ejemplo, un signo “X” sobre una recta, categoriza dicha recta como una “línea de corte final” también denominada “línea de escuadrar" que indica dónde y cómo cercenar un extremo de la pieza de trabajo para rectificarla. En cambio, un signo “X” dentro de un rectángulo, categoriza dicho rectángulo como una "caja ciega" también denominada “mortaja” -es decir, que no atraviesa la pieza-, mientras que un signo “O” categoriza el mismo rectángulo como una "caja pasante" -es decir, que atraviesa la pieza.

Las figuras geométricas que el carpintero traza a mano en la pieza de trabajo pueden incluir puntos, líneas, curvas, círculos, polígonos y cualquier combinación entre ellas. Los signos gráficos, por su parte, pueden incluir letras, números y los símbolos de un sistema de comunicación también llamado "el alfabeto de los carpinteros" que es conocido y transmitido de generación en generación por los carpinteros de un lugar o cultura determinados. Así, las figuras geométricas y los signos gráficos complementan la especificación de la forma, posición y tipo de corte requerido. Las figuras geométricas y los signos gráficos del trazado a mano de la pieza de trabajo componen un lenguaje visual gráfico específico del dominio.

Trazar a mano la pieza de trabajo cumple dos objetivos: especificar inequívocamente y comunicar la tareas de corte a colaboradores y aprendices. El carpintero encargado de ejecutar los cortes en la pieza de trabajo determina qué herramientas emplear en base al conocimiento específico del dominio y la disponibilidad de herramientas. El carpintero siempre traza la pieza de trabajo antes de cortarla, pero no siempre completa el trazado de la pieza de trabajo de una sola vez. Las razones pueden ser varias como, por ejemplo, porque algunas de las figuras geométricas y signos gráficos se perderán con el siguiente corte, o porque algunas figuras geométricas -como un círculo con un signo “X” en su centro indicando dónde perforar un agujero para una clavija- solo pueden ser trazadas en planos de trabajo -como las mejillas de una espiga- que resultan de cortar la pieza de trabajo, o porque primero hay que trazar los cortes para rectificar la pieza de trabajo y después trazar los cortes para ensamblarla, o porque después de algunos cortes es necesario medir de nuevo la pieza de trabajo y posiblemente adaptar el trazado restante a las dimensiones actuales de la pieza de trabajo, o quizás porque después de algunos cortes es necesario ensamblar provisionalmente la pieza para verificar si encaja bien antes de continuar con el trazado.

Los carpinteros de edificios, puentes, embarcaciones y muebles desarrollan exactitud, precisión y habilidades especializadas como ser capaces de trazar, cortar y ensamblar no solo piezas de madera toscamente aserradas, o bien hachadas, sino también troncos torcidos, arqueados y bifurcados en una estructura que, a pesar de todo, debe resultar aplomada, nivelada y escuadrada. El trazado a mano de la madera no solo habilita al carpintero para labrar piezas de trabajo de madera clasificada, escuadrada, cepillada, bien secada a horno, o bien remanufacturada, sino también piezas de trabajo de madera sin clasificar, madera en verde, irregulares, o bien deformadas aplicando el mismo esfuerzo, pero consumiendo menos energía todo el proceso. En carpintería, el trazado a mano de la pieza de trabajo ofrece varias ventajas sobre el modelado 3D CAD/CAM convencional, porque la correcta localización de los cortes en la pieza de trabajo al momento de mecanizar no depende de cuán fiel fue modelada la representación 3D de la pieza de trabajo ni la regularidad geométrica ni la estabilidad dimensional de la pieza de trabajo real.

Los principales métodos de trazado a mano de la madera en la carpintería son: la “regla de escriba” (“scribe rule”) y la “regla cuadrada” (“square rule”).

La “regla de escriba” (scribe rule) es el más antiguo de los métodos de trazado a mano de la madera y los carpinteros lo aplican en piezas de trabajo muy irregulares, o bien deformes como trozos de árbol redondos, torcidos, arqueados y bifurcados que no permiten aplicar una escuadra de carpintero. Sin embargo, las piezas labradas no son intercambiables entre sí y el método requiere mucho espacio libre para trazar y manipular las piezas de trabajo montadas provisionalmente en el suelo o sobre caballetes. En un modo de aplicación para construcción nueva en taller o bien en obra, dos o más piezas de trabajo se colocan provisionalmente sobre un plano horizontal, pero una encima de la otra, en la posición y orientación que adoptarán en su ensamble definitivo. En el taller, la posición y orientación de los miembros del ensamble se traza en el suelo y las piezas de trabajo se colocan encima. El ensamble completo es nivelado cuidadosamente y utilizando la plomada y el nivel como planos de referencia universales se transcriben las irregularidades de las superficies de contacto y unión entre las piezas, mediante plomadas que cuelgan de cuerdas tirantes, compases u otros dispositivos. No se requiere ninguna medición numérica, salvo en el trazado del suelo en taller. En otro modo de aplicación para construcción nueva en obra, la pieza de trabajo se coloca provisionalmente sobre una pieza existente y fija en un lugar como, por ejemplo, el zócalo de un edificio hecho de mampostería o una roca natural que sirve de base para un poste y utilizando el compás de transcripción y el nivel se copia en la pieza de trabajo el perfil de la superficie de contacto de la pieza que está fija en el lugar. El mismo procedimiento sirve para trazar la superficie de contacto y ensamble entre troncos de una cabaña de troncos. En un modo de aplicación para la restauración y rehabilitación en obra, una plantilla hecha de madera o cartón se coloca provisionalmente en el lugar de un ensamble existente donde falte una pieza o donde existe una pieza que será reemplazada por una prótesis ad hoc. En obra, las irregularidades de las superficies de unión entre cada pieza del ensamble existente son transcritas hacia la plantilla y desde ahí hacia la pieza de trabajo que una vez labrada actuará como prótesis.

La “regla cuadrada” (“square rule”) es el método de trazado a mano de la madera preferido tanto por los carpinteros profesionales como por los novatos. Este método requiere menos espacio para trazar y manipular las piezas de trabajo que el método de la “regla de escriba” (“scribe rule”), porque cada pieza de trabajo puede ser trazada de manera independiente. Además, las piezas resultantes de un mismo tipo son intercambiables entre sí en su ensamble definitivo. Si las superficies de la pieza de trabajo son planas y están suficientemente escuadradas como para servir de referencia a un sistema de coordenadas local de la pieza de trabajo, el método indica imaginar que existe una pieza de trabajo ideal pero más pequeña en el interior de la pieza de trabajo real. Esta pieza de trabajo ideal suele compartir dos superficies de referencia de la pieza de trabajo real que la contiene. Las uniones de las caras opuestas -es decir, aquellas que no serán usadas como referencia- pueden entonces ser trazadas hacia las superficies interiores de la pieza de trabajo ideal. Esto se hace reduciendo el tamaño de la pieza de trabajo en la unión. Puesto que las reducciones de tamaño son trazadas con distancias uniformes desde las caras de referencia -o bien, en el caso de una pieza arqueada, hasta una línea de tiza trazada en dirección paralela a ellas-, éstas pueden variar en profundidad según cuánto más grande que la pieza de trabajo ideal sea la pieza de trabajo real que la contiene. A veces, una pieza de trabajo en bruto puede estar tan fuera de escuadra que la pieza de trabajo ideal no puede compartir ninguna de sus superficies; en este caso, las líneas centrales u otros planos de referencia deben ser trazados a escuadra en los extremos de la pieza de trabajo y ser conectados a lo largo de su superficie con líneas de tiza.

El trazado a mano de la pieza de trabajo de por sí involucra distintas actividades desde seleccionar la pieza adecuada para el trabajo, medir la pieza de trabajo, determinar posibles irregularidades y deformaciones, trazar los cortes requeridos para rectificar la pieza de trabajo, etiquetar con signos gráficos las caras de la pieza de trabajo para identificar su posición y orientación dentro del ensamble previsto, determinar el sistema de coordenadas de la pieza de trabajo, marcar en la pieza de trabajo los vértices, aristas y planos de referencia desde donde determinar todas las distancias y ángulos del trazado, hasta finalmente trazar cada figura geométrica y categohzar algunas de ellas mediante signos gráficos. El trazado de la pieza de trabajo implica diseño ad hoc, por lo que es una tarea creativa que depende principalmente del ingenio y habilidades de visualización espacial del carpintero. El corte de la pieza de trabajo es más bien una tarea que depende principalmente de la resistencia y repetitividad. Ambas tareas exigen igualmente consistencia.

El corte de la pieza de trabajo de por sí involucra distintas operaciones y herramientas que dependen de varios factores como el tamaño, contenido de humedad, dirección del grano, número de nudos y la especie de madera de la que está constituida la pieza de trabajo. Determinar las operaciones de corte y las herramientas adecuadas exige la visualización espacial de la forma resultante y un conocimiento experto que el carpintero aplica desde que inspecciona la pieza de trabajo. En otras palabras, el trazado, el corte y la propia pieza de trabajo son interdependientes. La tarea de corte puede llegar a ser extremadamente agotadora y, por tanto, provocar graves accidentes. La frecuente alternancia entre trazar, cortar y montar provisionalmente puede conducir a la pérdida de exactitud y precisión, aumentando los errores y la acumulación de tolerancias. Actualmente, el trazado a mano de la madera solo es soportado en las tareas de corte por herramientas manuales y eléctricas. No existen máquinas herramientas de control numérico ni robots que soporten el trazado a mano de la pieza de trabajo. Las ensambladores y otras máquinas de control numérico computerizado solo soportan los métodos de diseño asistido por computador (CAD) y manufactura asistida por computador (CAM). En el caso de las ensambladores, se trata de herramientas de propósito específico, destinadas al corte en serie, en cantidades grandes y variedad discreta de tamaños y formas que pueden mecanizar. Las ensambladores ocupan mucho espacio de operación e instalación permanente en fábrica. La alternativa a la ensambladora es un robot industrial. Los hay en muchos tamaños, peso y formas. Muchos modelos ocupan menos espacio de instalación y operación que una ensambladora promedio y pueden ser instalados temporalmente en obra sin mayor costo. Un robot industrial es un manipulador multipropósito reprogramable controlado automáticamente, programadle en tres o más ejes, que puede estar fijo en un lugar o ser móvil para ser usado en aplicaciones de automatización industrial. Los robots industriales ofrecen un alto grado de flexibilidad para ejecutar una amplia variedad de tareas dependiendo de la herramienta que manipulen y la configuración de su celda de trabajo -es decir, si el robot está montado a suelo, montado a cielo, o bien montado a muro y si está fijo en un lugar, se desplaza sobre un riel, o libremente. Distinto de una ensambladora, un robot industrial puede manipular cualquier herramienta de propósito general o específico, ya sea manual, eléctrica, o bien de control numérico computerizado. Para aprovechar al máximo dicha flexibilidad, es necesario programar el conjunto de instrucciones para el movimiento y las funciones auxiliares que definen cada tarea específica prevista para el robot industrial o sistema de robot industrial de manera individual. Los métodos de programación de un robot son básicamente tres: entrada manual de datos (manual data input programming) -actualmente en desuso- que consiste en generar e ingresar el programa de tareas directamente en el sistema de control del robot, por ejemplo, mediante interruptores, tableros de conexiones, o teclados; programación fuera de línea (offline programming) que consiste en generar el programa de tareas en dispositivos separados del robot para ingresarlo en el robot posteriormente, por ejemplo, mediante redes de datos o dispositivos de almacenamiento de datos; y programación por aprendizaje (teach programming) que consiste en guiar manualmente el efector final del robot, o bien guiar manualmente un dispositivo de simulación mecánica, o bien utilizar la consola de programación (teach pendant) para hacer pasar al robot por las posiciones que definen la tarea. En cualquier caso, cada fabricante dispone un lenguaje de programación exclusivo para sus robots.

La norma ISO 8373 define un sistema de robot industrial como un sistema que comprende el robot industrial, los efectores finales y cualquier maquinaria, equipo, dispositivos, ejes auxiliares externos o sensores que apoyen al robot en la realización de su tarea. La especificación técnica ISO/TS 15066 define que un sistema de robot industrial colaborativo es un sistema de robot diseñado especialmente para la operación colaborativa. La operación colaborativa se define como el estado en el que un sistema de robot diseñado a propósito y un humano trabajan dentro de un espacio de trabajo colaborativo. La norma ISO 8373 define el espacio de trabajo colaborativo como el espacio dentro del espacio definido por el perímetro de protección, donde el robot y un humano pueden realizar tareas simultáneamente durante la operación de producción. La colaboración entre trabajadores humanos y robots industriales es una alternativa viable a la automatización total, que en todo el mundo amenaza con extinguir muchos puestos de trabajo y oficios tradicionales como la carpintería y la cantería, entre otros. La operación colaborativa humano-robot exige disponer de al menos un método de instrucción del sistema de robot que sea de iniciativa mixta, interactivo, modificadle en tiempo real y que permita la enseñanza imprecisa de tareas.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

Un primer objetivo de la invención es proveer una herramienta de carpintería colaborativa para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo. Más específicamente, una herramienta de carpintería colaborativa que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra, que está compuesta por una unidad de transporte y un sistema de robot industrial colaborativo que comprende un sistema de control, un generador de vacío, un sistema de energía de respaldo, un medio para posicionar, una interfaz de usuario, un sistema de detección, un sistema de alerta, un manipulador, un eje de desplazamiento lineal horizontal, un cambiador de herramientas robótico, un estante de electores finales, un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático, una pluralidad de herramientas de corte intercambiables. Un segundo objetivo de la invención es proveer un método para operar una herramienta de carpintería colaborativa para la estereotomía colaborativa humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo, que comprende los pasos: a) un carpintero traza a mano las instrucciones de mecanizado en una pieza de trabajo utilizando un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero como por la herramienta de carpintería colaborativa y coloca la pieza de trabajo en el medio para posicionar; b) la herramienta de carpintería colaborativa inspecciona la pieza de trabajo, localiza las figuras geométricas y signos gráficos trazados en la pieza de trabajo y reconoce en ellos las instrucciones de mecanizado; y c) el carpintero valida los resultados de la inspección, la herramienta de carpintería colaborativa ejecuta las instrucciones de mecanizado de la pieza de trabajo y libera la pieza. En caso contrario, el carpintero cancela la operación y la herramienta de carpintería colaborativa libera la pieza de trabajo.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

La figura 1 describe una vista isométhca principal de la herramienta de carpintería colaborativa de la invención.

La figura 2 describe una vista frontal de la herramienta de carpintería colaborativa de la invención.

La figura 3 describe una vista lateral de la herramienta de carpintería colaborativa de la invención.

La figura 4 describe una vista en planta de la herramienta de carpintería colaborativa de la invención. La figura 5 describe una vista isométrica de la unidad de transporte de la invención.

La figura 6 describe una vista isométrica del sistema de robot industrial colaborativo de la invención.

La figura 7 describe un primer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una riostra, en una etapa de trazado a mano de instrucciones de mecanizado por un carpintero.

La figura 8 describe un primer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una riostra, en una etapa de localización y reconocimiento por visión artificial de las instrucciones de mecanizado.

La figura 9 describe un primer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una riostra, en una etapa de ejecución de las instrucciones de mecanizado.

La figura 10 describe un segundo ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de un panel, en una etapa de localización y reconocimiento por visión artificial de las instrucciones de mecanizado.

La figura 1 1 describe un segundo ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de un panel, en una etapa de ejecución de las instrucciones de mecanizado.

La figura 12 describe un tercer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una viga en una etapa de localización y reconocimiento por visión artificial de las instrucciones de mecanizado.

La figura 13 describe un tercer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una viga en una etapa de ejecución de las instrucciones de mecanizado.

La figura 14 describe un primer ejemplo de una riostra obtenida de la estereotomía colaborativa humano-robot de la invención.

La figura 15 describe un segundo ejemplo de un panel obtenido de la estereotomía colaborativa humano-robot de la invención. La figura 16 describe un tercer ejemplo de una viga obtenida de la estereotomía colaborativa humano-robot de la invención.

DESCRIPCIÓN DE UNA REALIZACIÓN PREFERIDA

La herramienta de carpintería colaborativa (100) que se describe en las figuras 1 a la 4, que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra, está compuesta por una unidad de transporte (10) que se muestra separadamente en la figura 5, y un sistema de robot industrial colaborativo (20) que se muestra separadamente en la figura 6; la herramienta de carpintería colaborativa (100) que se muestra en la figura 1 , está constituida por un sistema de control (21 ), un generador de vacío (22), un sistema de energía de respaldo (23), un medio para posicionar (24), una pieza de trabajo, tal como una riostra (30.1 ), un panel (30.2) o una viga (30.3), por ejemplo, una interfaz de usuario (25), un sistema de detección (26a), un sistema de alerta (26b), un manipulador (27a), un eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), un cambiador de herramientas robótico (27c), un estante de efectores finales (27d), un sistema de visión ojo en mano (eye- in-hand) de cambio automático (28) y una pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29).

La unidad de transporte (10), es una plataforma prevista para el transporte marítimo o fluvial, transporte terrestre y transporte multimodal conforme a la norma ISO 668, que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra.

El sistema de control (21 ), es un dispositivo que procesa el conjunto de funciones de control lógico y de potencia que permite el monitoreo y el control de la estructura mecánica del generador de vacío (22), el sistema de energía de respaldo (23), el medio para posicionar (24), el manipulador (27a), el eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), el cambiador de herramientas robótico (27c), el estante de efectores finales (27d), la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29), y la comunicación con el entorno mediante el sistema de visión ojo en mano (eye- in-hand) de cambio automático (28), la interfaz de usuario (25), el sistema de detección (26a) y el sistema de alerta (26b). El sistema de control (21 ) está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10), fuera del espacio operacional del manipulador (27a).

El generador de vacío (22), es un dispositivo que, de manera neumática mediante aire comprimido, o bien de manera eléctrica mediante una bomba de desplazamiento, es capaz de crear el vacío requerido por el cambiador de herramientas robótico (27c) para sujetar y asegurar el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y cada una de la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). El generador de vacío (22) está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10) junto al sistema de control (21 ).

El sistema de energía de respaldo (23), es una fuente de energía eléctrica que puede provenir de un generador de energía como, por ejemplo, un motor de combustión interna, pilas de combustible, generador electromagnético, celdas fotovoltaicas, o bien de un almacenador de energía como, por ejemplo, un banco de baterías, condensadores y super condensadores, o bien de un recolector de energía y nano-generador como, por ejemplo, una fuente de micro/nano-energía, sensores autoalimentados y transductores flexibles. El sistema de energía de respaldo (23) se utiliza solo cuando no es posible conectarse a una red eléctrica instalada y está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10) junto al generador de vacío (22).

El medio para posicionar (24), es un dispositivo electromecánico modular y extensible como, por ejemplo, el sistema TECNOLOGÍA DE LÍNEA DE DOS CONCEPTOS (TW-CONCEPT LINE of TECHNOWOOD, por sus siglas en inglés), que sujeta y asegura la pieza de trabajo, la posiciona y reposiciona automáticamente en al menos 2 grados de libertad traslacionales y la orienta y reorienta automáticamente en al menos 1 grado de libertad rotacional durante una operación de mecanizado según se requiera y con el fin de habilitar al manipulador (27a) para inspeccionar y mecanizar tanto troncos torcidos como planchas y barras rectas, como se describe en los ejemplos de aplicación de las figuras 8 a 13. El medio para posicionar (24) está dispuesto en dirección del eje longitudinal de la unidad de transporte (10) y en casi toda su extensión, con ambos extremos libres para facilitar su potencial conexión a cintas transportadoras y otros medios de entrada y salida de piezas de trabajo, en caso de instalar la herramienta de carpintería colaborativa (100) permanentemente en fábrica para formar parte de una línea de producción mayor, para una mejor operación, se han dispuestos dos medios para posicionar (24).

La interfaz de usuario (25), es un medio para el intercambio de información y acciones entre un carpintero (40) y el sistema de robot industrial colaborativo (20) durante la interacción humano-robot, que puede estar alojado de manera situacional en un dispositivo electrónico portátil como, por ejemplo, una tableta, un teléfono inteligente, o bien una pantalla montada en la cabeza del carpintero (40), que no se muestra.

El sistema de detección (26a), es un conjunto de sensores interrelacionados por software como, por ejemplo, del tipo 3D LiDAR (three-dimensional light detection and ranging), distribuido en las cuatro esquinas de la unidad de transporte (10) que escanean continuamente su entorno en tres dimensiones con el fin de detectar y diferenciar personas y objetos, identificar la dirección de los movimientos de las personas en el área de operación del sistema de robot industrial colaborativo (20) y activar automáticamente el sistema de alerta (26b) y otras medidas de protección establecidas por la norma ISO 10218, tales como la interrupción de la operación del manipulador (27a) y de la herramienta de corte intercambiable (29) que tenga montada actualmente.

El sistema de alerta (26b), es un dispositivo electrónico como, por ejemplo, una torre de señalización industrial, que proporciona indicadores visuales y sonoros del estado del sistema de robot industrial colaborativo (20) al carpintero (40) y cualquier persona en su entorno. El sistema de alerta (26b) está dispuesto dentro de la unidad de transporte (10), fuera del espacio operacional del manipulador (27a).

El manipulador (27a), es un robot industrial como, por ejemplo, un KR QUANTEC de KUKA, que manipula un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) para inspeccionar la pieza de trabajo, localizar y reconocer las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por el carpintero (40) y que manipula una pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29) para ejecutar las instrucciones de mecanizado (31 ). El manipulador (27a) está montado sobre un eje de desplazamiento lineal horizontal (27b) compuesto por dos heles paralelos, que lo habilita para desplazarse en dirección del eje longitudinal de la unidad de transporte (10) y de desplazamiento del medio para posicionar (24).

El eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), es un eje auxiliar externo del manipulador (27a) que le agrega a éste 1 grado de libertad traslacional con el fin de aumentar su alcance y espacio de trabajo, y está dispuesto junto al medio para posicionar (24) con uno de sus extremos rematando en el estante de electores finales (27d) para facilitar el acercamiento del manipulador (27a) al sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y a la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29).

El cambiador de herramientas robótico (27c), es un dispositivo de acoplamiento automático de efectores finales controlado electrónicamente como, por ejemplo, el ROBOTIC TOOL CHANGER de ATI INDUSTRIAL AUTOMATION, que consta de dos piezas opuestas y complementarias paras ser acopladas y aseguradas entre sí. La pieza que toma los efectores finales está montada en la interfaz mecánica del manipulador (27a). La pieza que se deja tomar está montada en el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y en cada una de la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). El cambiador de herramientas robótico (27c) es capaz de pasar a través de ambas piezas señales eléctricas, gases y fluidos hacia y desde el efector final. El cambiador de herramientas robótico (27c) se alimenta con la energía neumática que proviene del generador de vacío (22) para tomar, sujetar y dejar automáticamente el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29).

El estante de efectores finales (27d), es un dispensador automático de herramientas que es recíproco del cambiador de herramientas robótico (27c) y que dispone de estructura con tomas o pinzas controladas electrónicamente y que son alimentadas con energía neumática proveniente del generador de vacío (22) para sujetar, liberar y recibir automáticamente el sistema de visión ojo en mano (eye-in- hand) de cambio automático (28) y la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). El sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28), es un dispositivo de captura de datos tridimensionales operado por software como, por ejemplo, la cámara ZIVID TWO de ZIVID, que localiza y reconoce información de la superficie de los objetos en la escena -en este caso, las instrucciones de mecanizado (31 ) - mediante la proyección de luz estructurada. El sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) tiene montada la pieza que se deja tomar por el cambiador de herramientas robótico (27c).

La pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29), es un conjunto flexible en variedad y cantidad de herramientas para mecanizar madera que son controladas electrónicamente y que están dispuestas en el estante de efectores finales (27d) para que el manipulador (27a) las utilice para ejecutar las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) en una pieza de trabajo ejemplar (30.1 , 30.2, 30.3). Cada una de la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29) tiene montada la pieza que se deja tomar por el cambiador de herramientas robótico (27c).

La pieza de trabajo ejemplar (30.1 ), de acuerdo con las figuras 7 a 9 y 14, ¡lustran un primer ejemplo de una riostra obtenida de la localización, reconocimiento y ejecución automática de las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) aplicando la “regla cuadrada” (“square rule”); la pieza de trabajo ejemplar (30.2), de acuerdo con las figuras 10, 1 1 y 15, ¡lustran, un segundo ejemplo de un panel obtenido de la localización, reconocimiento y ejecución automática de las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) aplicando la “regla cuadrada” (“square rule”), y la pieza de trabajo ejemplar (30.3) de acuerdo con las figuras 12, 13 y 16, ¡lustran, un tercer ejemplo de una viga obtenida de la localización, reconocimiento y ejecución automática de las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) aplicando la “regla de escriba” (“scribe rule”).

MÉTODO OPERATIVO DEL SISTEMA

Un segundo objetivo de la invención es proporcionar un método operativo de la herramienta de carpintería colaborativa (100), que requiere los siguientes pasos: a) Disponer de la herramienta de carpintería colaborativa (100) en su unidad de transporte (10) en una fábrica o una obra; b) Activar el sistema de robot industrial colaborativo (20) conectando su sistema de control (21 a) y el generador de vacío (22) a una red eléctrica instalada o al sistema de energía de respaldo (23); c) Trazar a mano por un carpintero (40) las instrucciones de mecanizado (31 ) en una pieza de trabajo, utilizando un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero (40) como por el sistema de robot industrial colaborativo (20); d) Colocar la pieza de trabajo en el medio para posicionar (24) y hacer uso de la interfaz de usuario (25) por el carpintero (40) para autorizar al sistema de robot industrial colaborativo (20) a inspeccionar la pieza de trabajo; e) Verificar mediante el sistema de detección (26) la ausencia de personas en el espacio operacional, emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (21 b), y sólo entonces abandonar por el manipulador (27a) su pose de inicio moviéndose sobre el eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), hacer uso del cambiador de herramientas robótico (27c) por el manipulador (27a) para tomar del estante de efectores finales (27d) el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) e inspeccionar la pieza de trabajo; f) Terminar la inspección automática llevada a cabo por el manipulador (27a) y devolver el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a), a continuación retornar a su pose de inicio y entonces mediante la interfaz de usuario (25) mostrar al carpintero (40) los resultados del reconocimiento por visión artificial de la identidad de la pieza de trabajo, la forma resultante, los tipos de corte, las herramientas de corte intercambiables (29) requeridas, su orden de aplicación y tiempo estimado para completar la tarea de mecanizado, así como la posición y orientación relativas de todas las figuras geométricas trazadas con respecto al punto central de cada herramienta de corte (29) requerida; g) Revisar por el carpintero (40) en la interfaz de usuario (25), los resultados del reconocimiento por visión artificial y validar, o bien cancelar la operación, consecuentemente emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (21 b) para indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) está desocupado y solo entonces dejar ingresar al carpintero (40) al espacio operacional para retirar la pieza de trabajo desde el medio para posicionar (24); h) Verificar mediante el sistema de detección (26) la ausencia de personas en el espacio operacional si el carpintero (40) valida la operación y emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (21 b) para indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) iniciará el mecanizado de la pieza de trabajo, esperar un tiempo determinado y solo entonces proceder mediante el manipulador (27a) a mecanizar la pieza de trabajo, haciendo uso del cambiador de herramientas robótico (27c) montado en su interfaz mecánica para tomar del estante de efectores finales (27d) una a una las herramientas de corte intercambiables (29) disponibles. Paralelamente, mostrar mediante la interfaz de usuario (25) el avance del proceso de mecanizado hasta haber ejecutado todas las instrucciones de mecanizado trazadas en la pieza de trabajo y devuelto todas las herramientas de corte intercambiables (29) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a); i) Finalizar el mecanizado de la pieza de trabajo, devolver la última de las herramientas de corte intercambiables (29) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a), a continuación retornar a su pose de inicio y avisar mediante la interfaz de usuario (25) y emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (21 b) para indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) está desocupado, que la pieza de trabajo liberada y derivada por el medio para posicionar (24).

EJEMPLOS DE APLICACIONES

En un primer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una riostra (30.1 ) del tipo denominado “jabalcón” (“brace”) hecha de un trozo sin escuadrar de la rama retorcida de un árbol caído, se dispone de la herramienta de carpintería colaborativa (100) en su unidad de transporte (10) en una obra con acceso a servicios básicos, se activa el sistema de robot industrial colaborativo (20) conectando su sistema de control (21 a) y el generador de vacío (22) a la red eléctrica instalada, un carpintero (40) traza a mano las instrucciones de mecanizado (31 ) de una “espiga” (“tenon”) en cada extremo de la riostra (30.1 ), aplicando el método de la “regla de escriba” (“scribe rule”) y un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero (40) como por el sistema de robot industrial colaborativo (20) para especificar mediante líneas centrales y periféricas, la orientación y el contorno de cada “espiga” (“tenon”) y, mediante signos alfanuméricos, las áreas a remover y también las herramientas de corte intercambiables (29) requeridas para cada operación -en este caso, una sierra de cadena. A continuación, se coloca la riostra (30.1 ) recién trazada en el medio para posicionar (24) y el carpintero (40) autoriza mediante la interfaz de usuario (25) al manipulador (27a) de la herramienta de carpintería colaborativa (100) a inspeccionar la riostra (30.1 ) mediante su sistema de visión ojo en mano (eye-in- hand) de cambio automático (28) parar localizar las líneas y los signos alfanuméricos en la superficie retorcida de la riostra (30.1 ) y reconocer en ellos las instrucciones de mecanizado (31 ). A continuación, el carpintero (40) valida los resultados de la inspección y autoriza mediante la interfaz de usuario (25) a la herramienta de carpintería colaborativa (100) a que ejecute las instrucciones de mecanizado (31 ). Entonces, la herramienta de carpintería colaborativa (100) ejecuta las instrucciones de mecanizado (31 ) utilizando su manipulador (27a) y las herramientas de corte intercambiables (29) indicadas por el carpintero (40), y una vez finalizada la tarea, su medio para posicionar (29) libera la riostra (30.1 ) para ser retirada. El carpintero (40) retira la riostra (30.1 ), para ensamblarla provisionalmente en el poste y la viga definitivas, trazar así los agujeros para clavija (pin holes) en las “mejillas” (“cheeks”) de ambas “espigas” (“tenons”), especificar la herramienta de corte intercambiable (29) requerida -esta vez, una broca- y colocar nuevamente la riostra (30.1 ) recién trazada en el medio para posicionar (24) y autorizar mediante la interfaz de usuario (25) al manipulador (27a) de la herramienta de carpintería colaborativa (100) a inspeccionar la riostra (30.1 ) mediante su sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) parar localizar los agujeros de clavija (pin holes) trazados en las “mejillas” (“cheeks”) de ambas “espigas” (“tenons”), reconocer y ejecutar las nuevas instrucciones de mecanizado (31 ) -que se muestran en la figura 14. Una vez finalizada la tarea, el medio para posicionar (29) libera la riostra (30.1 ) para ser retirada.

En un segundo ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de un panel (30.2) de madera remanufacturada, se dispone de la herramienta de carpintería colaborativa (100) en su unidad de transporte (10) en una fábrica, formando parte de una línea de producción, se activa el sistema de robot industrial colaborativo (20) conectando su sistema de control (21 a) y el generador de vacío (22) a una red eléctrica instalada, un carpintero (40) traza a mano las instrucciones de mecanizado (31 ) de un vano de ventana en una cara y ranuras en los cantos inferior y superior del panel (30.2), aplicando un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero (40) como por el sistema de robot industrial colaborativo (20) para especificar mediante líneas, el contorno del vano de ventana y las ranuras y, mediante signos alfanuméhcos, las áreas a remover, las profundidades del vano y las ranuras, y también las herramientas de corte intercambiables (29) requeridas para cada operación -en este caso, una sierra circular para el vano y una fresa para las ranuras. A continuación, se coloca el panel (30.2) recién trazado en el medio para posicionar (24) y el carpintero (40) autoriza mediante la interfaz de usuario (25) al manipulador (27a) de la herramienta de carpintería colaborativa (100) a inspeccionar el panel (30.2) mediante su sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) parar localizar las líneas y los signos alfanuméhcos en la cara y cantos del panel (30.2) y reconocer en ellos las instrucciones de mecanizado (31 ). A continuación, el carpintero (40) valida los resultados de la inspección y autoriza mediante la interfaz de usuario (25) a la herramienta de carpintería colaborativa (100) a que ejecute las instrucciones de mecanizado (31 ). Entonces, la herramienta de carpintería colaborativa (100) ejecuta las instrucciones de mecanizado (31 ) utilizando su manipulador (27a) y las herramientas de corte intercambiables (29) indicadas por el carpintero (40) y una vez finalizada la tarea, su medio para posicionar (29) deriva el panel (30.2) a la siguiente estación de trabajo de la línea de producción en la fábrica. En un tercer ejemplo de aplicación para realizar la estereotomía colaborativa humano-robot de una viga (30.3) del tipo denominado “solera superior” (“plate”) hecha de madera aserrada en bruto, se dispone de la herramienta de carpintería colaborativa (100) en su unidad de transporte (10) en una obra ubicada en un sitio remoto y sin acceso a red eléctrica instalada, se activa el sistema de robot industrial colaborativo (20) conectando su sistema de control (21 a) y el generador de vacío (22) al sistema de energía de respaldo (23), un carpintero (40) traza a mano las instrucciones de mecanizado (31 ) de una pluralidad de “cajas con espera” (“housed mortises”) y agujeros para clavija (pin holes) en la viga (30.3), aplicando el método de la “regla cuadrada” (“square rule”) y un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero (40) como por el sistema de robot industrial colaborativo (20) para especificar mediante líneas, el contorno de cada “caja con espera” (“housed mortise”) y el centro de cada agujero para clavija (pin hole) y, mediante signos alfanuméricos, las áreas a remover, las profundidades de las “cajas” (“mortises”), las “esperas” (“housings”) y los agujeros para clavija (pin hole), y también las herramientas de corte intercambiables (29) requeridas para cada operación -en este caso, una fresa y una broca. A continuación, se coloca la viga (30.3) recién trazada en el medio para posicionar (24) y el carpintero (40) autoriza mediante la interfaz de usuario (25) al manipulador (27a) de la herramienta de carpintería colaborativa (100) a inspeccionar la viga (30.3) mediante su sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) parar localizar las líneas y los signos alfanuméricos en las caras de la viga (30.3) y reconocer en ellos las instrucciones de mecanizado (31 ). A continuación, el carpintero (40) valida los resultados de la inspección y autoriza mediante la interfaz de usuario (25) a la herramienta de carpintería colaborativa (100) a que ejecute las instrucciones de mecanizado (31 ). Entonces, la herramienta de carpintería colaborativa (100) ejecuta las instrucciones de mecanizado (31 ) utilizando su manipulador (27a) y las herramientas de corte intercambiables (29) indicadas por el carpintero (40), y una vez finalizada la tarea, su medio para posicionar (29) libera la viga (30.3) para ser retirada.

Claims

26 REIVINDICACIONES

1. Una herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo (20), CARACTERIZADA porque es controlado por capacidades en visión artificial que localiza, reconoce y ejecuta instrucciones de mecanizado trazadas a mano por un carpintero en una pieza de trabajo; la herramienta de carpintería colaborativa (100), está constituida por un sistema de control (21 ), un generador de vacío (22), un sistema de energía de respaldo (23), un medio para posicionar (24), la pieza de trabajo, u otra pieza de trabajo ejemplar (30.1 , 30.2, 30.3), una interfaz de usuario (25), un sistema de detección (26a), un sistema de alerta (26b), un manipulador (27a), un eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), un cambiador de herramientas robótico (27c), un estante de efectores finales (27d), un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y una pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29); y unidad de transporte (10), que es una plataforma prevista para el transporte marítimo o fluvial, transporte terrestre y transporte multimodal, que puede ser instalada permanentemente en fábrica o temporalmente en obra.

2. La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el sistema de control (21 ), es un dispositivo que procesa el conjunto de funciones de control lógico y de potencia que permite el monitoreo y el control de la estructura mecánica del generador de vacío (22), el sistema de energía de respaldo (23), el medio para posicionar (24), el manipulador (27a), el eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), el cambiador de herramientas robótico (27c), el estante de efectores finales (27d), la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29), y la comunicación con el entorno mediante el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28), la interfaz de usuario (25), el sistema de detección (26a) y el sistema de alerta (26b); y el sistema de control (21 ) está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10), fuera del espacio operacional del manipulador (27a). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el generador de vacío (22), es un dispositivo que, de manera neumática mediante aire comprimido, o bien de manera eléctrica mediante una bomba de desplazamiento, es capaz de crear el vacío requerido por el cambiador de herramientas robótico (27c) para sujetar y asegurar el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y cada una de la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29); y el generador de vacío (22) está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10) junto al sistema de control (21 ). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el sistema de energía de respaldo (23), es una fuente de energía eléctrica que puede provenir de un generador de energía como, por ejemplo, un motor de combustión interna, pilas de combustible, generador electromagnético, celdas fotovoltaicas, o bien de un almacenador de energía como, por ejemplo, un banco de baterías, condensadores y súper condensadores, o bien de un recolector de energía y nano-generador como, por ejemplo, una fuente de micro/nano-energía, sensores autoalimentados y transductores flexibles; y el sistema de energía de respaldo (23) se utiliza solo cuando no es posible conectarse a una red eléctrica instalada y está dispuesto en un extremo de la unidad de transporte (10) junto al generador de vacío (22). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el medio para posicionar (24), es un dispositivo electromecánico modular y extensible, que sujeta y asegura la pieza de trabajo, la posiciona y reposiciona automáticamente en al menos 2 grados de libertad traslacionales y la orienta y reorienta automáticamente en al menos 1 grado de libertad rotacional durante una operación de mecanizado según se requiera y con el fin de habilitar al manipulador (27a) para inspeccionar y mecanizar tanto troncos torcidos como planchas y barras rectas; y el medio para posicionar (24) está dispuesto en dirección del eje longitudinal de la unidad de transporte (10) y en casi toda su extensión, con ambos extremos libres para facilitar su potencial conexión a cintas transportadoras y otros medios de entrada y salida de piezas de trabajo, en caso de instalar la herramienta de carpintería colaborativa (100) permanentemente en fábrica para formar parte de una línea de producción mayor, en donde para una mejor operación, se disponen de dos medios para posicionar (24). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque la interfaz de usuario (25), es un medio para el intercambio de información y acciones entre un carpintero (40) y el sistema de robot industrial colaborativo (20) durante la interacción humano-robot, que puede estar alojado de manera situacional en un dispositivo electrónico portátil como, por ejemplo, una tableta, un teléfono inteligente, o bien una pantalla montada en la cabeza del carpintero (40). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el sistema de detección (26a), es un conjunto de sensores interrelacionados por software como, por ejemplo, del tipo 3D LiDAR, distribuido en las cuatro esquinas de la unidad de transporte (10) que escanean continuamente su entorno en tres dimensiones con el fin de detectar y diferenciar personas y objetos, identificar la dirección de los movimientos de las personas en el área de operación del sistema de robot industrial colaborativo (20) y activar automáticamente el sistema de alerta (26b) y otras medidas de protección, tales como la interrupción de la operación del manipulador (27a) y de la herramienta de corte intercambiable (29) que tenga montada actualmente; y el sistema de alerta (26b), es un dispositivo electrónico, que proporciona indicadores visuales y sonoros del estado del sistema de robot industrial colaborativo (20) a un carpintero (40) y cualquier persona en su entorno, y el 29 sistema de alerta (26b) está dispuesto dentro de la unidad de transporte (10), fuera del espacio operacional del manipulador (27a). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el manipulador (27a), es un robot industrial que manipula un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) para inspeccionar la pieza de trabajo, localizar y reconocer las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) y que manipula una pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29) para ejecutar las instrucciones de mecanizado (31 ); y el manipulador (27a) está montado sobre un eje de desplazamiento lineal horizontal (27b) compuesto por dos heles paralelos, que lo habilita para desplazarse en dirección del eje longitudinal de la unidad de transporte (10) y de desplazamiento del medio para posicionar (24). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), es un eje auxiliar externo del manipulador (27a) que le agrega a éste 1 grado de libertad traslacional con el fin de aumentar su alcance y espacio de trabajo, y está dispuesto junto al medio para posicionar (24) con uno de sus extremos rematando en el estante de efectores finales (27d) para facilitar el acercamiento del manipulador (27a) al sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y a la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el cambiador de herramientas robótico (27c), es un dispositivo de acoplamiento automático de efectores finales controlado electrónicamente, que consta de dos piezas opuestas y complementarias paras ser acopladas y aseguradas entre sí, donde cada pieza toma los efectores finales está montada en la interfaz mecánica del manipulador (27a); y la pieza que se deja tomar está montada en el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) y en cada una de la pluralidad de herramientas de corte 30 intercambiables (29); y el cambiador de herramientas robótico (27c) es capaz de pasar a través de ambas piezas señales eléctricas, gases y fluidos hacia y desde el efector final, y se alimenta con la energía neumática que proviene del generador de vacío (22) para tomar, sujetar y dejar automáticamente el sistema de cambio automático (28) y la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque el estante de efectores finales (27d), es un dispensador automático de herramientas que es recíproco del cambiador de herramientas robótico (27c) y que dispone de estructura con tomas o pinzas controladas electrónicamente y que son alimentadas con energía neumática proveniente del generador de vacío (22) para sujetar, liberar y recibir automáticamente el sistema de visión ojo en mano de cambio automático (28) y la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29). La herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot, según la reivindicación 1 , CARACTERIZADA porque la pluralidad de herramientas de corte intercambiables (29), es un conjunto flexible en variedad y cantidad de herramientas para mecanizar madera que son controladas electrónicamente y que están dispuestas en el estante de efectores finales (27d) para que el manipulador (27a) las utilice para ejecutar las instrucciones de mecanizado (31 ) trazadas a mano por un carpintero (40) en la pieza de trabajo, u otra pieza de trabajo ejemplar (30.1 , 30.2, 30.3). Un método para operar una herramienta de carpintería para la estereotomía colaborativa (100) humano-robot mediante un sistema de robot industrial colaborativo (20), CARACTERIZADO porque comprende los pasos de: a) Disponer de la herramienta de carpintería colaborativa (100) en una unidad de transporte (10) en una fábrica o una obra; b) Activar el sistema de robot industrial colaborativo (20) conectando un sistema de control (21 ) y un generador de vacío (22) a una red eléctrica instalada o a un sistema de energía de respaldo (23); 31 c) Trazar a mano por un carpintero (40) las instrucciones de mecanizado (31 ) en una pieza de trabajo, u otra pieza de trabajo ejemplar (30.1 , 30.2, 30.3), utilizando un lenguaje visual gráfico que es conocido tanto por el carpintero (40) como por el sistema de robot industrial colaborativo (20); d) Colocar la pieza de trabajo en un medio para posicionar (24) y hacer uso de una interfaz de usuario (25) por el carpintero (40) para autorizar al sistema de robot industrial colaborativo (20) a inspeccionar la pieza de trabajo; e) Verificar mediante un sistema de detección (26a) la ausencia de personas en el espacio operacional, emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (26b), y sólo entonces abandonar por un manipulador (27a) la pose de inicio moviéndose sobre un eje de desplazamiento lineal horizontal (27b), hacer uso de un cambiador de herramientas robótico (27c) por el manipulador (27a) para tomar de un estante de efectores finales (27d), un sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) para inspeccionar la pieza de trabajo; f) Terminar la inspección automática llevada a cabo por el manipulador (27a) y devolver el sistema de visión ojo en mano (eye-in-hand) de cambio automático (28) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a), a continuación retornar la pose de inicio y entonces mediante la interfaz de usuario (25) mostrar al carpintero (40) los resultados del reconocimiento por visión artificial de la identidad de la pieza de trabajo, la forma resultante, los tipos de corte, las herramientas de corte intercambiables (29) requeridas, su orden de aplicación y tiempo estimado para completar la tarea de mecanizado, así como la posición y orientación relativas de todas las figuras geométricas trazadas con respecto al punto central de cada herramienta de corte (29) requerida; g) Revisar por el carpintero (40) en la interfaz de usuario (25), los resultados del reconocimiento por visión artificial y validar, o bien cancelar la operación, consecuentemente emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (26b) para 32 indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) está desocupado y solo entonces dejar ingresar al carpintero (40) al espacio operacional para retirar la pieza de trabajo desde el medio para posicionar (24); o, h) Verificar mediante el sistema de detección (26a) la ausencia de personas en el espacio operacional si el carpintero (40) valida la operación y emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (26b) para indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) iniciará el mecanizado de la pieza de trabajo, esperar un tiempo determinado y solo entonces proceder mediante el manipulador (27a) a mecanizar la pieza de trabajo, haciendo uso del cambiador de herramientas robótico (27c) montado en su interfaz mecánica para tomar del estante de efectores finales (27d) una a una las herramientas de corte intercambiables (29) disponibles; paralelamente, mostrar mediante la interfaz de usuario (25) el avance del proceso de mecanizado hasta haber ejecutado todas las instrucciones de mecanizado trazadas en la pieza de trabajo y devuelto todas las herramientas de corte intercambiables (29) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a); y i) Finalizar el mecanizado de la pieza de trabajo, devolver la última de las herramientas de corte intercambiables (29) al estante de efectores finales (27d) mediante el manipulador (27a), a continuación retornar a su pose de inicio y avisar mediante la interfaz de usuario (25) y emitir una alarma lumínica y sonora mediante la transmisión de una señal al sistema de alerta (21 b) para indicar que el sistema de robot industrial colaborativo (20) está desocupado, que la pieza de trabajo liberada y derivada por el medio para posicionar (24).