Sensores Robóticos. Resumen.

Transcripción

1 Sensores Robóticos. Br. Guillermo Fuenmayor*, Br. Franklin Diaz y Br. Daniel Linares. * Autor de la correspondencia. guillermofuenmayorv@gmail.com Departamento de Electrónica, Escuela de Ingeniería Eléctrica, Facultad de Ingeniería, La Universidad del Zulia, Maracaibo, Venezuela Resumen. La utilización de mecanismos sensores externos permite a un robot interaccionar con su entorno de una manera flexible, esto esta en contraste con operaciones preprogramadas en las cuales a un robot se le enseña para efectuar tareas repetitivas mediante un conjunto de funciones preprogramadas. Aunque esto último es con mucho la forma más predominante de operación de los robots industriales actuales, la utilización de tecnología sensorial para dotar a las máquinas con un mayor grado de inteligencia al tratar con su entorno es realmente un tema de investigación y desarrollo activo en el campo de la robótica. 1. Introducción. Un robot es, por definición, una máquina capaz de interactuar con su entorno. Si es móvil, a menos que se mueva en un espacio absolutamente acotado y preparado para él, deberá ser capaz de adaptar sus movimientos y sus acciones de interacción en base a las características físicas de los ambientes con los que se encuentre y los objetos que hay en ellos. adaptación, lo primero que necesitan los robots es tener conocimiento del entorno. Esto es absolutamente clave. Para conocer el entorno, los seres vivos disponemos de un sistema sensorial. Los robots no pueden ser menos: deben poseer sensores que les permitan saber dónde están, cómo es el lugar en el que están, a qué condiciones físicas se enfrentan, dónde están los objetos con los que deben interactuar, sus parámetros físicos, etc. Para esto se utilizan diversos tipos de sensores, con un rango de complejidad y sofisticación que varía desde algunos bastante simples a otros con altos niveles de sofisticación de hardware y más aún de complejidad de programación. Sensores. 2. Marco Teórico. Un sensor es un dispositivo capaz de medir magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Las variables de instrumentación pueden ser por ejemplo: temperatura, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, etc. Para lograr esta capacidad de

2 Robot. Un robot es una entidad virtual o mecánica artificial. No hay un consenso sobre qué máquinas pueden ser consideradas robots, pero sí existe un acuerdo general entre los expertos y el público sobre que los robots tienden a hacer parte o todo lo que sigue: moverse, hacer funcionar un brazo mecánico, sentir y manipular su entorno y mostrar un comportamiento inteligente, especialmente si ése comportamiento imita al de los humanos o animales. 3. Tipos de Sensores Robóticos. Una parte importante a la hora de construir un robot es la incorporación de sensores. Los sensores trasladan la información desde el mundo real al mundo abstracto de los microcontroladores. Detectan la presencia / ausencia de luz a través de un disco solidario al eje, con ranuras radiales. Sensor resolver. Un resolver es un sensor formado de un par de bobinas que se excitan con una señal externa. Las bobinas están colocadas en posiciones ubicadas 90 entre sí, de modo que, según su orientación, captan con distinta intensidad la señal de corriente alterna (CA). 3.1 Sensores de detección de posición. Sensor Encoder. El encoder óptico es un sensor que permite detectar el movimiento de rotación de un eje. Es en definitiva un transductor que convierte una magnitud (posición lineal y angular) en una señal digital. El encoder opera solidario al eje del elemento cuya posición se desea determinar. Utiliza luz para obtener la medida. Principio de operación Se basan en optoacopladores: Un diodo fotoemisor y un transistor fotoreceptor. Esta configuración da como resultado salidas seno y coseno que tienen una relación con el ángulo en que está el eje de rotación del resolver con respecto a la señal de CA. El procesamiento del seno/coseno da como resultado la posición angular del sensor. Este tipo de sensor ofrece gran precisión y se sigue utilizando cuando se

3 necesita determinar la posición absoluta de un eje. 3.2 Sensores de Detección de alcance. Sensor de Triangulación. Este tipo de sensor es utilizado ampliamente en industrias para mediciones de precisión. Los sensores de triangulación laser, determinan la posición de un objetivo midiendo mediante reflexión la superficie del mismo. Un "transmisor" (diodo laser), proyecta un punto de luz en el objetivo, y su reflejo es concentrado vía un lente óptico sobre un dispositivo fotosensible o "receptor". Si el objetivo cambia su posición desde el punto de referencia, el punto de referencia reflejado también cambia. La condición electrónica del láser detecta el punto de posición en el elemento de recepción, y posteriormente prosigue un alineamiento y acondicionamiento digital o analógico, que provee una señal de salida proporcional a la posición del objetivo. Sensor de telemetro de tiempo de vuelo. Un método para utilizar un láser para determinar la distancia consistente en medir el tiempo que tarda un pulso de luz emitido para retornar de forma coaxial (es decir, a lo largo de la misma trayectoria) desde una superficie reflectora. La distancia a la superficie viene dad por la simple relación D = ct /2, en donde T es el tiempo de transito del pulso y c es la velocidad de la luz. Una alternativa a la luz pulsada es utilizar un láser de haz continuo y medir el retardo (es decir, el desplazamiento de fase) entre los haces saliente y de retorno.

4 Un telémetro ultrasónico es otro exponente importante del concepto del tiempo de vuelo. La idea básica es la misma que se utiliza con un láser pulsado. Una señal ultrasónica se transmite durante un corto período de tiempo y, puesto que la velocidad de sonido se conoce para un medio de propagación especificado, un simple cálculo, que implica el intervalo de tiempo entre el impulso saliente y el eco de retorno como proporciona una estimación de la distancia a la superficie reflectora. Se utilizan principalmente para navegación y para evitar obstáculos. rectificador, un filtro y un circuito de salida. Cuando un objeto se aproxima al sensor la sonda aumenta su capacitancia y activa el oscilador provocando que éste dispare el circuito de salida. Generalmente este tipo de sensores funcionan como interruptores abiertos o cerrados y la sonda está casi siempre calibrada según el rango de la variable física de entrada. Este detector se utiliza comúnmente para detectar material no metálico: papel, plástico, madera, etc. 3.3 Sensores de Detección de proximidad. El sensor de proximidad es un transductor que detecta objetos o señales que se encuentran cerca del elemento sensor. Existen varios tipos de sensores de proximidad según el principio físico que utilizan. Los más comunes son los interruptores de posición, los detectores capacitivos, los inductivos. Sensores inductivos. Este tipo de transductor trabaja con un campo electrostático. Al aproximarse un objeto (conductor o no conductor, en forma líquida o sólida) se produce un cambio en el campo electrostático alrededor del elemento sensor. Este cambio es detectado y enviado al sistema de detección. El sistema de detección típico está formado por una sonda, un oscilador, un Sensores Capacitivos. Los sensores inductivos de proximidad han sido diseñados para trabajar generando un campo magnético y detectando las pérdidas de corriente de dicho campo generadas al introducirse en él los objetos de detección férricos y no férricos. El sensor consiste en una bobina con núcleo de ferrita, un oscilador, un sensor de nivel de disparo de la señal y un circuito de salida. Al aproximarse un objeto "metálico" o no metálico, se inducen corrientes de histéresis en el objeto. Debido a ello hay una pérdida de energía y una menor amplitud de oscilación. El circuito sensor reconoce entonces un cambio específico

5 de amplitud y genera una señal que conmuta la salida de estado sólido o la posición "ON" y "OFF". El funcionamiento es similar al capacitivo; la bobina detecta el objeto cuando se produce un cambio en el campo electromagnético y envía la señal al oscilador, luego se activa el disparador y finalmente al circuito de salida hace la transición entre abierto o cerrado. Sensor de efecto Hall. El sensor de efecto Hall o simplemente sensor Hall o sonda Hall (denominado según Edwin Herbert Hall) se sirve del efecto Hall para la medición de campos magnéticos o corrientes o para la determinación de la posición. Si fluye corriente por un sensor Hall y se aproxima a un campo magnético que fluye en dirección vertical al sensor, entonces el sensor crea un voltaje saliente proporcional al producto de la fuerza del campo magnético y de la corriente. Si se conoce el valor de la corriente, entonces se puede calcular la fuerza del campo magnético; si se crea el campo magnético por medio de corriente que circula por una bobina o un conductor, entonces se puede medir el valor de la corriente en el conductor o bobina. Sensores ultrasónicos. Los medidores ultrasónicos de distancia y sensores de ultrasonidos que se utilizan en los robots son, básicamente, un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor lanza un tren de pulsos ultrasónicos con una frecuencia en el orden de los 38 a 50 Khz y el receptor espera el rebote. Se mide el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da como resultado la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Esta medición se calcula teniendo en cuenta la velocidad del sonido en el aire, que si bien varía según algunos parámetros ambientales, como la presión atmosférica, igualmente permite una medición bastante precisa. Se pueden señalar dos clases de medidores, los que tienen un emisor y un receptor separados, y los que alternan la función, por medio de un circuito de conmutación, sobre un mismo emisor/receptor piezoeléctrico.

6 con los del sensor para discernir posibles interferencias. Sensores de proximidad ópticas. Los sensores ópticos se componen de dos elementos principales, un sensor y un emisor de luz, pudiendo estar este ultimo integrado dentro del sensor o estar situado fuera. La fuente de luz genera luz de una cierta frecuencia para que el sensor pueda detectarla más fácilmente y diferenciarla de otras fuentes cercanas. El tipo de luz más usado es el infrarrojo y, en este caso, para diferenciar la luz de la fuente se deja una frecuencia fija y lo que se hace es emitir pulsos. El sensor simplemente descartará cualquier luz infrarroja que le llegue y que no sea intermitente, pudiendo así diferenciar la luz de la fuente de radiación infrarroja proveniente de otros objetos que generen calor. Normalmente el sensor suele ser un dispositivo semiconductor como un fotodiodo, el cual genera una pequeña corriente cuando le impacta energía lumínica o un fototransistor que permite el paso de corriente cuando le llega luz. También hace falta un circuito de control capaz de comparar los pulsos del emisor 3.4 Sensores de táctiles. Los sensores táctiles son dispositivos que indican el contacto de algún objeto sólido con ellos mismos. Suelen ser empleados en los extremos de los brazos de robot (pinzas) para controlar la manipulación de objetos. A su vez se pueden dividir en dos tipos: de contacto y de fuerza. Sensores de Contacto. Los sensores de contacto nos indican simplemente si ha habido contacto o no con algún objeto, sin considerar la magnitud de la fuerza de contacto. Suelen ser dispositivos sencillos cuyo uso es muy variado. Se pueden situar en las pinzas de los brazos de robot para determinar cuando se ha cogido un objeto, pueden formar parte de sondas de inspección para determinar dimensiones de objetos, o incluso

7 pueden situarse en el exterior de las pinzas para ir tanteando un entorno. Estos sensores suelen ser interruptores de límite o microinterruptores, que son sencillos dispositivos eléctricos que cuando se contacta con ellos cambian de estado. Sensores de fuerza. Los materiales que suelen utilizarse para fabricar galgas son aleaciones metálicas, como por ejemplo constantán, nicrom o elementos semiconductores como por ejemplo el silicio y el germanio. Es por ello que podemos clasificar las galgas en dos tipos: las metálicas y las semiconductoras. Los sensores de fuerza determinan, además de si ha habido contacto con un objeto como los anteriores, la magnitud de la fuerza con la que se ha producido dicho contacto. Esta capacidad es muy útil ya que permitirá al robot poder manipular objetos de diferentes tamaños e incluso colocarlos en lugares muy precisos. Detector óptico de posición. 3.5 Sensores de Detección de tensión de fuerza y torsión. Galgas de deformación o extensiometricas. Una galga extensiométrica es un sensor basado en el efecto piezorresistivo. Un esfuerzo que deforma a la galga producirá una variación en su resistencia eléctrica. Se refiere a un sensor óptico de posición capaz de detectar y determinar ópticamente la posición angular de un objeto. El aparato comprende un par de sensores ópticos, dispuestos de manera tal que al menos una porción de sus áreas de percepción se superpongan. Sus áreas superpuestas definen el área de percepción total, o percepción activa, para el aparato. Cada uno de los sensores ópticos que forman parte del dispositivo percibe la luz u otra transmisión ópticamente sensible, ya sea que se proyecte o refleje desde un objeto posicionado dentro del área de percepción total y genera una señal referida a la cantidad de luz percibida. Las señales luego son interpretadas a los efectos de determinar la posición angular del objeto, basadas en las señales

8 relativas desde los sensores ópticos. El método determina la posición angular del objeto dentro de un área, definida por las áreas de percepción superpuestas de un par de sensores ópticos, interpretando las intensidades de señal relativas del par de sensores ópticos. Una vez que la posición angulares determinada, la distancia del objeto desde una línea ya sea perpendicular o paralela a la línea del centro del conjunto sensor puede ser calculada si la otra cantidad es conocida. 3.6 Sensores de captura de imagen. Sensor CCD. La abreviatura CCD viene del inglés Charge-Coupled Device, Dispositivo Acoplado por Carga. El CCD es un circuito integrado. La característica principal de este circuito es que posee una matriz de celdas con sensibilidad a la luz alineadas en una disposición físico-eléctrica que permite "empaquetar" en una superficie pequeña un enorme número de elementos sensibles y manejar esa gran cantidad de información de imagen (para llevarla al exterior del microcircuito) de una manera relativamente sencilla, sin necesidad de grandes recursos de conexiones y de circuitos de control. Sensor CMOS. CMOS (del inglés complementary metaloxide-semiconductor, ("estructuras semiconductor-óxido-metal complementarias") es una de las familias lógicas empleadas en la fabricación de circuitos integrados (chips). Su principal característica consiste en la utilización conjunta de transistores de tipo pmos y tipo nmos configurados de tal forma que, en estado de reposo, el consumo de energía es únicamente el debido a las corrientes parásitas. En la actualidad, la mayoría de los circuitos integrados que se fabrican utilizan la tecnología CMOS. Esto incluye microprocesadores, memorias, DSPs y muchos otros tipos de chips digitales. Cuando la entrada es 1, el transistor nmos está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a tierra (0), el valor 0 se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor pmos, por el contrario, está en estado de no conducción Cuando la entrada es 0, el transistor pmos está en estado de conducción. Al estar su fuente conectada a la alimentación (1), el valor 1se propaga al drenador y por lo tanto a la salida de la puerta lógica. El transistor nmos, por el contrario, está en estado de no conducción.

9 4. Aplicaciones de los sensores robóticos Teóricamente el uso de sistemas robóticos podría extenderse a casi todas las áreas imaginables en donde se necesite de la ejecución de tareas mecánicas, tareas hoy ejecutadas por el hombre o imposibles de ejecutar por él (por ejemplo una exploración sobre el terreno de la superficie marciana). Se entiende, en este contexto, que tarea mecánica es toda actividad que involucra presencia física y movimiento por parte de su ejecutor. Haciendo estas de igual forma o incluso más precisas. Aplicaciones de los sensores robóticos en la medicina.

10 Robot Soldadores. Aplicaciones de los sensores robóticos para la industria eléctrica Entretenimiento.