Sistema Sensorial (parte 1)

Sistema Sensorial (parte 1)
IAR234 Robótica Sistema Sensorial (parte 1)

Contenidos Sensores de distancia, infrarrojos, ópticos, táctiles, etc.
Descriptores estáticos y dinámicos. Cámaras CCD y CID. Cámaras matriciales. Visión artificial. Visión estéreo: correspondencia estereoscópica, restricciones y técnicas de correspondencia. Fusión sensorial: tipos de fusión, almacenamiento de la información y procesamiento. Ejemplos prácticos.

Objetivos Explicar la relación entre un robot y su entorno.
Relacionar los elementos terminales con los sensores correspondientes. Caracterizar en que se basa la visión de un robot y los elementos que influyen en ésta.

Dr. Juan José Aranda Aboy
INTRODUCCION Un sistema de robot industrial consta del manipulador, el controlador y de uno o varios elementos que le adaptan al trabajo a realizar y que le relacionan con el entorno que le rodea. Estos dispositivos son los elementos terminales acoplables al extremo del manipulador, es decir, a su muñeca; y los sensores que informan al sistema sobre las circunstancias más interesantes que envuelven el ambiente de trabajo. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

INTRODUCCION (2) De entre las labores más comunes de los robots industriales, se distingue la manipulación de objetos y el mecanizado o tratamiento de piezas. Para ambas operaciones, el robot ha de disponer de un elemento terminal apropiado que sujete o transporte cómodamente los objetos ó que soporte y gobierne una herramienta de trabajo. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

INTRODUCCION (3) Por otra parte, son tareas del sistema de robot: la Inspección y el Control de calidad; la búsqueda y el asimiento idóneo de los objetos; evitar colisiones durante el desplazamiento del brazo o de los robots móviles; así como poseer controles de seguridad para situaciones de emergencia. Todas estas labores requieren una información del ambiente de trabajo, que los sensores correspondientes deben enviar. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Los sensores cierran el lazo en el sistema de robot industrial.
Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

INTRODUCCION (4) La actuación de los sensores permite al sistema trabajar en lazo ó bucle cerrado, manteniendo informado al controlador de la situación real del entorno, por lo que puede definir los planes de acción pertinentes. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

ELEMENTOS TERMINALES Generalmente, el brazo del manipulador termina en una muñeca, a la que hay que acoplar el dispositivo que permita realizar la labor deseada. Si bien los movimientos de las articulaciones del manipulador colocarán al elemento terminal en cualquier posición y orientación, dentro del área accesible de trabajo, la garra o herramienta final precisará de controles para su gobierno. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

ELEMENTOS TERMINALES (2)
La variedad de los elementos terminales confiere al robot, una gran versatilidad, así como la posibilidad de realizar labores muy diversas. Fundamentalmente, hay dos clases de elementos terminales: Dispositivos aprehensores, o manos mecánicas. Herramientas de trabajo. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

La forma de aprehensión de las manos mecánicas, también llamadas garras, da lugar a la clasificación siguiente: Manos de sujeción por presión Este tipo de manos suele estar compuesto por varios dedos, general mente dos o tres, que giran o se deslizan para sujetar el objeto. Los dedos pueden llevar adosados unas zapatas, de formas diferentes, para rodear de forma óptima a la pieza a manipular. Para mejorar la adaptabilidad, los dedos pueden ser flexibles. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Transmisión de movimientos de apertura y cierre de la pinza

B) Manos de sujeción por enganche En este caso, la pinza adopta la forma adecuada para transportar la pieza enganchada, sin ejercer sobre ella presión alguna. Un caso muy típico del empleo de esta clase de pinza consiste en la manipulación de piezas con orificios. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

C) Manos de sujeción con acción auxiliar Las manos que se encuentran comprendidas dentro de este grupo son: a) Las dotadas de electroimanes. b) Las succionadoras de aire (ventosas), que transportan los materiales por efecto del vacío. c) Las que emplean elementos adhesivos. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

D) Manos dotadas de sensores Dentro de este grupo, son muy conocidas las pinzas en cuyos dedos se dispone de varios presductores, o elementos detectores de presión. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Manos de diseño específico
Es frecuente que, para una operación concreta, sea necesario diseñar una garra especial que se adapte, lo mejor posible, a las características de los objetos a manipular. La construcción de una pinza eficaz es compleja, puesto que hay que conjugar factores contrapuestos. Así, por ejemplo, una buena garra debe soportar mucha capacidad de carga y, al mismo tiempo, ser de poco peso. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Las dimensiones de la pinza, su superficie de contacto, la forma de realizar el asimiento, la duración y la fiabilidad son otros tantos factores que hay que tener muy en cuenta al fabricar una garra. Además de la mano, se puede acoplar otro tipo de elemento terminal a la muñeca del manipulador: una herramienta que el manipulador controla y aplica, adecuadamente, a la pieza a mecanizar. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

De entre las herramientas más comunes que gobiernan a los robots, se encuentran las pinzas de soldadura por puntos, los electrodos para la soldadura por arco, pulidoras, cepillos y todo tipo de herramientas de mecanizado, como taladros y cuchillas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SENSORES UTILIZADOS EN LA ROBOTICA
Las informaciones más importantes que el controlador necesita del robot para adaptarse al mundo exterior son: Posición y proximidad. Velocidad y aceleración. Fuerzas y pares. Dimensiones y contornos de los objetos. Temperatura. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

El estado y la situación exacta de los elementos que componen la zona de trabajo pueden conocerse mediante la visión, siendo ésta una de las áreas de investigación de más interés y futuro. Sin embargo, los equipos de visión, así como los de procesamiento de imágenes aún sólo existen para aplicaciones muy concretas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Manos de diseño específico (2)
Aunque, dada su importancia, el tema de la visión se trata con mayor amplitud en esta unidad, previamente se muestran una serie de sensores, más sencillos y económicos, que pueden facilitar enormemente el correcto des arrollo del trabajo de un robot. Se han seleccionado los sensores más utilizados y que mejor se integran dentro de la configuración de un sistema de robot industrial. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SENSORES OPTOELECTRONICOS
Por su reducido tamaño, bajo coste, garantía de funcionamiento, larga duración y escaso consumo de energía, los elementos semiconductores que generan luz o alteran su comportamiento en su presencia se aplican, masivamente, en equipos industriales para determinar el posicionamiento, la proximidad la velocidad, etc... Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Diodos LED El principio de funcionamiento de un diodo luminiscente, LED (Light Emitting Diode), se basa en el proceso conocido con el nombre de “electrolumiscencia”, por el que la energía eléctrica se transforma en luminosa. Cuando se aplica una tensión directa a una unión N-P, se produce un aumento del nivel energético de los portadores libres por la recombinación de electrones y huecos, lo que origina un desprendimiento de energía fotónica. De esta manera, se constituye en un foco emisor de luz. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Constitución y símbolo del diodo LED

LEDs (cont.) Según los materiales utilizados en la construcción de las diferentes zonas del LED, la luz emitida posee longitudes de onda (λ ) diferentes. Así, en el caso de usarse Arseniuro de Galio (Ga As), el LED emite una longitud de onda no visible para el ojo humano, que se encuentra en la región de los infrarrojos. La adición de otros elementos sobre el Arseniuro de Galio provoca una variación de la longitud de onda λ. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Empleo de LED como sensor de proximidad

LEDs (cont.) Un aspecto muy interesante del diodo LED se refiere a su envoltura de plástico (epoxy), que conforma una lente concentradora orientadora de la luz emitida. Según la lente y la distancia a la que se encuentre de la unión, se obtienen diferentes modelos y formas de las áreas de la radiación luminosa. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

LEDs (cont.) El LED posee una relación tensión-energía/luz notablemente inferior a todo tipo de lámparas luminosas, lo que unido a la variedad de modelos con diversas longitudes de onda y áreas de radiación, ha supuesto una implantación industrial significativa. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Fotodiodos y fototransistores
La resistencia interna del Germanio varía proporcionalmente con la cantidad de luz que incide sobre él. Aprovechando esta propiedad, una unión N-P se utiliza como elemento sensible para la medida del flujo luminoso. Concentrando los rayos de luz sobre la unión semiconductora, mediante una lente adecuada, la intensidad que circula por aquélla es proporcional al flujo luminoso, que ocasiona un aumento de la energía de los electrones y del número de roturas de enlaces covalentes, independientemente de la tensión de polarización aplicada. Este dispositivo recibe el nombre de “fotodiodo” o “diodo fotoeléctrico”. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Fototransistor Para amplificar el efecto del fotodiodo, se ha diseñado el “fototransistor”, que consiste, en esencia, en un transistor normal con un fotodiodo entre la base y el colector. La Ic del fototransistor aumenta o disminuye proporcionalmente a la conductividad del fotodiodo, la cual depende del flujo luminoso. Las variaciones de corriente del fotodiodo afectan a la IB que, a través del factor de amplificación del transistor, produce grandes variaciones a su salida. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

FotoDarlington La sensibilidad del fototransistor se puede aumentar mediante un circuito Darlington. Con el fotoDarlington se alcanza una gran ganancia y unas corrientes de salida elevadas para pequeñas variaciones luminosas; sin embargo, la velocidad de respuesta es bastante lenta. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Dispositivos compactos emisores-receptores
Existen en el mercado dos versiones de elementos optoelectrónicos, que constan de un emisor y un receptor: Una de ellas es de tipo interruptor y la otra, de reflector. El módulo emisor/receptor, con un funcionamiento similar al de un interruptor, dispone de dos bloques: un emisor y un receptor, separados por un espacio vacío por el que se desplaza la luz emitida por el LED, hasta el fototransistor existente en el otro bloque. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Dispositivos compactos emisores-receptores (2)
Cuando no existe ningún objeto entre el emisor y el receptor, este último recibe el máximo flujo luminoso y conduce una corriente constante. Al situarse un objeto entre los dos bloques puede obstruir total o parcialmente el flujo luminoso, con lo que la corriente del fototransistor varía, activando así a un circuito de disparo que informa de esta situación. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Dispositivos compactos emisores-receptores (3)
En los módulos compactos de tipo reflector, el diodo emisor y el foto transistor alinean sus ejes de forma que converjan en un punto a través de las ventanas orientadoras, como se muestra en la figura: Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Estructura de un módulo compacto de tipo reflector

APLICACIONES DE LOS SENSORES OPTOELECTRONICOS EN LA ROBOTICA
Los sensores optoelectrónicos anteriormente descritos proporcionan, normalmente, una información digital segura y económica, conseguida con un tamaño físico reducido, acerca del posicionamiento, la proximidad y la velocidad de los objetos. En las figuras a continuación se presentan, de forma gráfica, algunas posibilidades de utilización de estos captadores en la robótica. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Situación de piezas móviles

Determinación de velocidad de giro

Pequeños movimientos y vibraciones

SENSORES ELECTROMECANICOS
Dada la enorme variedad de captadores de esta categoría que pueden utilizarse en la robótica, así como los diferentes fundamentos físicos en los que se basan, se citan, simplemente, a continuación, indicando su propiedad captadora. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Presductores Son, en general, células digitales de presión. Pueden emplearse conjuntos de presductores en forma de matriz, para situar la posición de una pieza. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Mano robótica equipada con sensores binarios de tacto

Sensor analógico de tacto simple

Sensor de magnitud y dirección de desplazamiento

Galgas extensometricas
Conjuntos de cuatro galgas, dispuestas ortogonalmente conforman dispositivos usados en la determinación de los pares de fuerza. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Galgas como sensor de fuerza en la muñeca

Sensores de proximidad
Pueden ser de tipo electromagnético (inductivos) ó capacitivos, detectando la aproximación de otros cuerpos. Mediante métodos basados en la triangulación. Se usan también módulos ópticos de tipo reflector para el cálculo de medidas y volúmenes. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Sensores por inducción para proximidad

Sensor de proximidad capacitivo

Cálculo de distancias por triangulación

Sensores eléctricos En motores como los de corriente continua, la medida de voltajes e intensidades puede propiciar el conocimiento real del estado del motor y de sus características de trabajo. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Dinamos tacométricas Generan una tensión proporcional a la velocidad del eje al que se aplican. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Resolver Se emplean para la medida de la posición del eje de un motor. Constan de dos arrollamientos (bobinas) estatóricos fijos, alimentados con una tensión y un tercero rotórico móvil, alimentado con otra tensión desfasada 90° respecto a la anterior. El desfase de la respuesta del resolver es una medida de la posición del eje. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Transductores de vibración
Para cuantificar la vibración de un cuerpo se emplean, entre otros, los sensores de velocidad y los acelerómetros. Un sensor de velocidad está formado por una gran bobina, soporta por resortes dentro del habitáculo del instrumento, junto con un amortiguador. Rodeando a la bobina móvil, se encuentra un imán permanente. Al vibrar el cuerpo sobre el que se ha adosado el sensor de velocidad, la bobina, suspendida por los resortes, se desplaza en el campo del imán, induciéndose en ella una tensión directamente proporcional a la velocidad del movimiento. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Acelerómetros Los acelerómetros emplean como elemento transductor un cristal piezoeléctrico que genera una energía eléctrica proporcional a la fuerza conque se le comprime. Como esta última es proporcional a la aceleración, la salida del cristal es un fiel reflejo de dicho parámetro. Por lo tanto, un acelerómetro consta de una gran masa, montada especialmente para comprimir un cristal. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Interruptores variados
Cierran sus contactos, generalmente, como consecuencia de la presión, aportando una información muy interesante acerca de las proporciones de las piezas. Colocando un número apropiado de microinterruptores en la mano del manipulador, se obtienen datos importantes sobre el objeto aprehendido: Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Mano robótica equipada con matriz de elementos sensores

También se fabrican membranas de Mylar con una matriz interna de puntos de detección por contacto y que, mediante un decodificador, informan sobre el área de presión del objeto que se está sujetando en ese momento. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Enfoques para construir piel artificial

Sensores de efecto Hall
Son dispositivos semiconductores que generan un voltaje cuando un campo magnético les cruza perpendicularmente. Una aplicación de este tipo de sensores es el cálculo de la velocidad de rotación de ejes y discos, sobre los que se adosan unos pequeños imanes que provocan impulsos de tensión al cruzar el sensor de efecto Hall. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Operación de sensor por efecto Hall junto con un imán permanente

Generación del voltaje de Hall

SENSORES ULTRASONICOS
Las especiales características de propagación de las ondas ultrasónicas de más de Hz, unidas a la existencia en el mercado de conjuntos emisores-receptores de bajo precio con un funcionamiento fácil y seguro, han determinado que se empleen en la robótica, para la detección de objetos y el cálculo de distancias. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Sensor ultrasónico de proximidad

SENSORES ULTRASONICOS (2)
La velocidad con que las ondas ultrasónicas atraviesan a los materiales depende de su elasticidad y de su densidad. Si el medio de propagación es un gas como el aire, también influye la temperatura. Cuando las ondas ultrasónicas que circulan por un medio chocan con otro diferente, una parte de ellas se refleja hacia su origen. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Teniendo en cuenta la velocidad de propagación y el tiempo que transcurre hasta el regreso de las ondas al emisor se puede calcular fácilmente la distancia entre el foco de ultrasonidos y el objeto reflector, así como el espesor de los materiales. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Forma de onda asociada con un sensor ultrasónico de proximidad

Como generador y a la vez detector de ultrasonidos, se emplea un transductor piezoeléctrico, que puede ser un cristal de cuarzo. Los cristales piezoeléctricos generan una tensión eléctrica proporcional a la presión aplicada a sus superficies y viceversa, de manera que a menores espesores de cristal corresponde una frecuencia natural mayor. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Cuando se les aplica una tensión de corriente alterna, cuya frecuencia coincida con su propia de resonancia, se obtiene una gran energía de vibración. Para generar ultrasonidos basta aplicar un voltaje de corriente alterna de una frecuencia superior a Hz y coincidente con la de resonancia del cristal. Las vibraciones de este último se transmiten al espacio circundante mediante unas láminas de metal o un diafragma adecuado. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

El receptor ultrasónico es también un cristal piezoeléctrico que recibe las ondas reflejadas por un objeto. Si la frecuencia de emisión es igual a la natural del cristal detector, sus pequeñas vibraciones se transforman en una débil señal de corriente alterna que, convenientemente amplificada, puede actuar sobre el sistema de control. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Para evitar interferencias, los generadores emiten, secuencialmente, varias ondas de diferentes frecuencias: por ejemplo, de 48 a 64 MHz; realizándose la detección en el mismo orden y consiguiendo, al mismo tiempo, una gran exactitud. La figura muestra un diagrama por bloques de un sistema ultrasónico capaz de incorporarse a robots móviles: Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Diagrama por bloques de un sistema ultrasónico

La posibilidad de montar los sistemas ultrasónicos en plataformas giratorias supone la exploración de todo el entorno. Utilizando dos o más sistemas colocados en diferentes puntos y combinando sus resultados se puede obtener un mapa general del entorno con los obstáculos que rodean al robot. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SISTEMAS CON RAYOS LASER
Los avances de la tecnología de los rayos láser permiten contar con dispositivos muy eficaces para la medida de distancias. Una de las primeras aplicaciones del láser fue la telemetría, cuyo principio de funcionamiento es muy simple y, hasta cierto punto, parecido al de los sistemas de ondas ultrasónicas. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SISTEMAS CON RAYOS LASER (2)
Un emisor láser está formado por una cavidad resonante que contiene un material activo y una óptica especial de emisión. Genera un impulso de luz no visible con mucha energía de “peak” y poca duración que se proyecta hacia el objeto cuya distancia se quiere determinar. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SISTEMAS CON RAYOS LASER (3)
Una pequeña parte de la energía emitida es reflejada por el obstáculo hacia el propio generador, donde se captura mediante una óptica compleja y se concentra sobre un fotodiodo muy sensible a la luz. Procesando el tiempo transcurrido entre la emisión y la percepción se calcula, fácilmente, la distancia entre el foco origen del láser y el objeto. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Medición de rango mediante enfoque de luz estructurada (a)

Medición de rango mediante enfoque de luz estructurada (b)

Principio de medición de rango por desplazamiento de fase

SENSORES DE TEMPERATURA
Uno de los parámetros más influyentes en los procesos y dispositivos industriales ha sido, siempre, la temperatura. En efecto, ésta no sólo les afecta directamente, sino que incide también sobre el propio sistema de control, que al ser electrónico, exige unos márgenes de temperatura estrictos para su correcto funcionamiento. A continuación se describen brevemente los tipos más comunes de sensores de temperatura. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

SENSORES DE TEMPERATURA (2)
Teniendo en cuenta que muchos cuerpos varían su resistencia con la temperatura, hace bastante tiempo que se vienen empleando captadores térmicos fundamentados en esta propiedad. Un sensor de temperatura básico funciona por la medición de la resistencia de un hilo largo de níquel, platino o cobre, arrollado en forma de bobina. También, y con el mismo fin, se suelen emplear delgadas láminas dé platino. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Otros dispositivos que varían su resistencia con la temperatura son los denominados “NTC” y “ETC”. Las resistencias NTC (Coeficiente Negativo de Temperatura) presentan una resistencia elevadísima a baja temperatura, que va disminuyendo a medida que esta última se incrementa. El comportamiento de una PTC es opuesto al de una NTC, como se refleja en la figura: Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Variación de la resistencia con la temperatura en NTC y PTC

Actualmente existen sensores de temperatura fabricados con tecnología planar, que aprovechan también las variaciones de la resistividad del silicio con la temperatura. Por sus características y comportamiento, aventajan a los que incorporan resistencias NTC y PTC. Los sensores de silicio disponen de un margen muy amplio para la detección de temperaturas, con una precisión del orden de un ± 1,5 %. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Para incrementar la fiabilidad y la exactitud, los sensores de temperatura se combinan con un conjunto de resistencias, conformando los denominados “puentes de Wheatstone”. Otros transductores de temperatura emplean el principio de la expansión y contracción de los materiales cuando se les calienta y enfría. Los sensores bimetálicos constan de dos metales distintos, unidos íntimamente. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Al someterlos a variaciones térmicas y ser dispares sus coeficientes de dilatación, se produce una deformación en el conjunto bimetálico, cuyo valor es proporcional al de la temperatura. Los sensores aludidos se comercializan bajo diferentes presentaciones siendo muy compactos y resistentes. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

Bibliografía Angulo,J-M. y Avilés,R. “Curso de Robótica” Ed Paraninfo. Fu,K.S.; Gonzalez,R.C. y Lee,C.S.G. “Robotics: Control, Sensing, Vision and Intelligence” Ed Mc Graw Hill. Barrientos, Balaguer .C. “Fundamentos de Robótica” Ed Mc Graw Hill Abidi,M.A. y Gonzalez,R.C. “Data Fusion in Robotics and Machine Intelligence” Ed Academic Press. Haralick,R.M. y Shapiro,L.G. “Computer and Robot Vision” Ed Addison-Wesley Ogata. K. “Ingeniería de Control Moderno” Ed Prentice Hall. Primavera-2008 Dr. Juan José Aranda Aboy

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