Sistemas de sensores en robótica ROBÓTICA INTEGRADA A LA MANUFACTURA. ANDREAS OBED LLANES CORNEJO

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Sistemas de sensores en

robótica

ROBÓTICA INTEGRADA A LA MANUFACTURA.

ANDREAS OBED LLANES CORNEJO

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Introducción

 Los sensores son instrumentos de uso en sistemas de control, sistemas de

percepción y aprendizaje, medios informáticos, control de estructuras articuladas. Así como robots hay de muchas clases y aplicaciones diferentes, también los sensores hay de muchos tipos y no necesariamente se utilicen todos en un robot particular, se pueden encontrar desde sensores para detectar un objeto, hasta sensores de visión artificial, en la cual se hacen investigaciones en redes neuronales, controles inteligentes, resolución de problemas de elevada complejidad. Usando recursos tecnológicos e informativos, se pueden formular nuevas metodologías para mejorar los sistemas de realimentación sensorial, procesos de decisión y aprendizaje en robots.

 Esta investigación corresponde a mencionar y explicar algunos sensores de

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Sensor

 Un sensor utiliza un transductor que capta una señal del entorno para ser

utilizada por el robot.

¿Qué tipo de señales se podrían captar?

 Mecánicas: posición, velocidad, tamaño, fuerza, caudal, etc.  Termotecmia: temperatura, calor, entropía, etc.

 Magnéticas: Intensidad de campo, densidad de flujo, permeabilidad, etc.  Eléctricas: Voltaje, amperaje, resistencia, capacidad, etc.

 Opticas: reflexión, bloqueo, refracción u otras fases físicas en un haz de luz.  Moleculares (químicas): PH, reacciones, etc

 Cualquier dispositivo que convierta una señal de un tipo en una señal de otro

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Estructura de un sensor

• Controlador del transductor. Es el elemento interfaz entre el usuario del

sensor y el transductor. Por ejemplo, hay circuitos controladores que

indican cuándo y cómo se debe hacer una medida.

• Transductor. Convierte las variaciones de una magnitud física en

variaciones de una magnitud eléctrica (señal).

• Acondicionamiento de la señal. Si existe, realiza la función de modificar

la señal entregada por el transductor para obtener una señal adecuada

(amplificación, linealización, etc.). Con el avance de la electrónica

digital, cada vez los circuitos acondicionadores son más sencillos.

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Clasificación sensorial

Clasificación sensorial

Sensores propioceptivos: recepción de señales internas del robot,

medidas de carga de baterías, posición del robot.

Sensores Exteroseptivos: son sensores que detectaran señales externas del

robot, aunque se coordinen en el sistema de trabajo, por ejemplo:

temperatura, presión, localización de objetos.

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Propiedades de los sensores a

considerar

 Velocidad de operación.  Coste.

 Tasa de error

 Robustez, resolución y sensibilidad.  Requerimientos computacionales  Potencia, peso y tamaño.

 Linealidad.  Histéresis  Repetividad  Ruido

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SMART SENSOR

Existen otros sensores que no solo producen la magnitud de lo que se está midiendo, sino que también procesan la información y son llamados Smart sensors

 Poseen comunicación bidireccional.  Pre-procesar los valores medidos.

 Notificar las medidas con señales digitales y protocolos de comunicación.

 Toma de decisiones en base a las condiciones registradas de forma separada al

microcontrolador.

 Recordar la calibración o la configuración de sus parámetros .Autocalibracion en

algunos.

 Filtros, reducción de informacion en generalCompensación de no linealidades.

 Funciones de multisensorial, tomando diferentes señales, para hacer un balance de la

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SMART SENSOR

Se emplean principios como el fotoeléctrico, efecto

Hall

para

medir

un

campo

eléctrico,

piezoresistencias para medir fuerza o presión. Estos

sensores normalmente tienen funciones de

entrada-salida paralela, conversión analógica-digital,

Universal

Asynchronous

Receiber

Transmiter

(UART), micro controladores. Son de tamaño

pequeño, disminución de conexiones, mejor

relación señal/ruido, compensaciones internas no

linealidad, derivadas, desplazamiento, mediante el

procesamiento.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo.

Potenciómetros.

Mediante un contacto móvil, al ir variando el valor de la resistencia

del potenciómetro se puede determinar cuánto se ha desplazado

junto con el elemento móvil.

Esta ecuación, es válida si no hay derivación de corriente en los

contactos, de haber, se emplean amplificadores de alta

impedancia de entrada a la salida de los potenciómetros.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo

Encoders

Un encoder es un sensor electro-opto-mecánico que unido a un eje,

proporciona información de la posición angular. Su fin, es actuar como un

dispositivo de realimentación en sistemas de control integrado

El

encoder

incremental

se

caracteriza porque determina su

posición, contando el número de

impulsos que se generan cuando un

rayo de luz, es atravesado por

marcas opacas en la superficie de

un disco unido al eje.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo

En el estator hay como mínimo dos pares de fotorreceptor ópticos,

escalados un número entero de pasos más ¼ de paso. Al girar el rotor

genera una señal cuadrada, el escalado hace que las señales tengan un

desfase de ¼ de periodo si el rotor gira en un sentido y de ¾ si gira en el

sentido contrario, lo que se utiliza para discriminar el sentido de giro.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo

En el encoder absoluto, el disco contiene varias bandas dispuestas en

forma de coronas circulares concéntricas, dispuestas de tal forma que en

sentido radial el rotor queda dividido en sectores, con marcas opacas y

transparentes codificadas en código Gray.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo

El estator tiene un fotorreceptor por cada bit representado en el disco. El

valor binario obtenido de los fotorreceptores es único para cada posición

del rotor y representa su posición absoluta. Se utiliza el código Gray en

lugar de un binario clásico porque en cada cambio de sector sólo

cambia el estado de una de las bandas, evitando errores por falta de

alineación de los captadores.

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Sensores de desplazamiento lineal y

rotativo

Para un encoder con n bandas en el disco, el rotor permite 2^n

combinaciones, por lo cual la resolución será 360° dividido entre los 2^n

sectores; Por ejemplo para encoders de 12 y 16 bits se obtiene una

resolución angular de 0.0879° y 0.00549° respectivamente

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Sensores de presencia y proximidad

Finales de carrera: elemento que por accionamiento mecanico activa o

desactiva, y esto cumple con la función de señalar presencia o

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Sensores de presencia y proximidad

Sensores inductivos

 Cambio de inductancia que se produce por

la presencia de un objeto de material ferromagnético en un campo creado por una bobina arrollada situada junto a un imán permanente.

 La presencia del objeto modifica el campo

induciendo en la bobina una corriente que se detecta midiendo el voltaje en la bobina. Se detectan objetos a distancias muy cortas.

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Sensores de presencia y proximidad

Sensor de efecto Hall

 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

Sensor capacitivo

 Reaccionan ante metales y no metales que al aproximarse a la

superficie activa sobrepasan una determinada capacidad. La distancia de conexión respecto a un determinado material es tanto mayor cuanto más elevada sea su constante dieléctrica. Pueden detectar nivel, humedad, posición. Puede servir como sensor de tacto

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Sensores de presencia y proximidad

Sensores de ultrasonido

Los sensores de ultrasonido están formados por una

cápsula emisora y otra receptora situada al lado de la

emisora o bien por un transductor que actúa de emisor y

receptor. En los robots móviles se suelen montar en la

periferia.

La forma estándar de usar un sensor ultrasónico es dar un

impulso corto, pero de gran voltaje y a alta frecuencia, a

la cápsula emisora para producir una onda ultrasónica. Si

la onda ultrasónica viaja directamente contra un

obstáculo, rebota, y vuelve directamente hasta el

receptor

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Sensores de presencia y proximidad

 A continuación la formula de este sensor: donde d es la

distancia al objeto, c es la velocidad del sonido en el aire, y t es el tiempo que tarda la señal desde que se emite hasta que se recibe. La velocidad del sonido depende dela temperatura y se calcula aproximadamente:

T viene dado en grados Celsius y c0 es 331 m/s.

Dificultades:

 La velocidad del sonido es variable.  El tiempo en blanco

 Atenuación

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Sensores de presencia y proximidad

Reflexiones

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Sensores de presencia y proximidad

 Sensores de efecto infrarrojo:

 Triangulación: Por relación geométrica de un triángulo que se

forma entre el emisor, el objeto que rebota la señal y el receptor, el ángulo que se forma.

 La empresa Sharp produce una línea de medidores de

distancia basados en un haz infrarrojo, que forman la familia GP2DXXX. Estos sensores de infrarrojos detectan objetos a distintos rangos de distancia, y en algunos casos ofrecen información de la distancia en algunos modelos, como los GP2D02 y GP2D12. El método de detección de estos sensores es por triangulación. El haz es reflejado por el objeto e incide en un pequeño array CCD, con lo cual se puede determinar la distancia y/o presencia de objetos en el campo de visión. En los sensores que entregan un nivel de salida analógico

para indicar la distancia, el valor no es lineal con respecto a la distancia medida, y se debe utilizar una tabla de conversión.

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Sensores de presencia y proximidad

Sensores reflexivos

Este tipo de sensor presenta una cara frontal en la que

encontramos tanto al LED como al fototransistor. Debido a

esta configuración el sistema tiene que medir la radiación

proveniente del reflejo de la luz emitida por el LED.

Se tiene que tener presente que esta configuración es

sensible a la luz del ambiente perjudicando las medidas,

pueden dar lugar a errores, es necesario la incorporación

de circuitos de filtrado en términos de longitud de onda,

así pues será importante que trabajen en ambientes de luz

controlada. Otro aspecto a tener en cuenta es el

coeficiente de reflectividad del objeto, el funcionamiento

del sensor será diferente según el tipo de superficie.

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Sensores de presencia y proximidad

Sensores de ranura(Sensor Break-Beam)

 Este tipo de sensor sigue el mismo principio de funcionamiento pero la

configuración de los componentes es diferente, ambos elementos se encuentran enfrontados a la misma altura, a banda y banda de una ranura normalmente estrecha, aunque encontramos dispositivos con ranuras más grandes. Este tipo se utiliza típicamente para control industrial. Otra aplicación podría ser el control de las vueltas de un volante.

Sensores modulados

 Este tipo de sensor infrarrojo sigue el mismo principio que el de reflexión pero

utilizando la emisión de una señal modulada, reduciendo mucho la influencia de la iluminación ambiental. Son sensores orientados a la detección de presencia, medición de distancias, detección de obstáculos teniendo un cierta independencia de la iluminación.

Sensores de barrido: La diferencia con los anteriores reside en que el sensor realiza el barrido horizontal de la superficie reflectante utilizando señales moduladas para mejorar la independencia de la luz, el color o reflectividad de los objetos. Normalmente estos sistemas forman parte de un dispositivo de desplazamiento perpendicular al eje de exploración del sensor, para poder conseguir las medidas de toda la superficie.

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Sensores de navegación

 Sensores de navegación: Giroscopios mecánicos,

electrónicos y ópticos, compas magnéticos, GPS, sensores para vehículos auto guiados industriales

 Sistema de posicionamiento global

 Si bien nos puede parecer demasiado lujo para nuestros

experimentos, lo cierto es que un sistema de posicionamiento global (GPS, Global Positioning System) aporta una serie de datos que pueden ser muy útiles para un robot avanzado. Un ejemplo de este servicio es el módulo DS-GPM, fabricado por Total Robots, que entrega datos de latitud, longitud, altitud, velocidad, hora y fecha y posición satelital. Estos datos se comunican desde los registros del módulo a través de interfaces I2C y RS232

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Sensores de navegación

 Receptores de radiobalizas

 Por medio de un grupo de emisores de radiofrecuencia

codificados, ubicados en lugares conocidos por el sistema, es posible establecer con precisión la posición de un robot, con sólo hacer una triangulación. Al efecto el robot debe poseer una antena de recepción direccional (con reflector parabólico, o similar) que pueda girar 360°, y así determine la posición de las radiobalizas. En el robot es posible usar receptores integrados muy pequeños y de bajo costo, como el RWS-433, o el RXLC-434, y otros similares, que trabajan en frecuencias de entre 303 y 433 Mhz. La elección de los transmisores dependerá de la distancia a que se ubiquen las radiobalizas, pero si se trata de áreas acotadas es posible utilizar los módulos transmisores hermanados con los anteriores, como elTWS-433 y el TXLC-434.

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Visión artificial

Cámaras

Procesamiento de datos de cualquier tipo que use el

espectro electromagnético que produce la imagen. Una

imagen implica múltiples lecturas dispuestas en una rejilla

o matriz de dos dimensiones, trabajan en el espectro

visible y en el espectro infrarrojo.

En este campo se han desarrollado algoritmos para filtrar

ruido, compensar problemas de iluminación, encontrar

líneas, emparejar líneas con modelos, extraer formas y

construir representaciones tridimensionales.

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Otras aplicaciones

 Micrófonos y sensores de sonido

 El uso de micrófonos en un robot se puede hallar en dos

aplicaciones: primero, dentro de un sistema de medición de distancia, en el que el micrófono recibe sonidos emitidos desde el mismo robot luego de que éstos rebotan en los obstáculos que tiene enfrente, es decir, un sistema de sonar; y segundo, un micrófono para captar el sonido ambiente y utilizarlo en algún sentido, como recibir órdenes a través de palabras o tonos, y, un poco más avanzado, determinar la dirección de estos sonidos. Como es obvio, ahora que se habla tanto de robots para espionaje, también se incluyen micrófonos para tomar el sonido ambiente y transmitirlo a un sitio remoto

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Otras aplicaciones

Sensores de presión

En la industria hay un amplísimo rango de sensores de

presión, la mayoría orientados a medir la presión de un

fluido sobre una membrana. En robótica puede ser

necesario realizar mediciones sobre fluidos hidráulicos

(por dar un ejemplo), aunque es más probable que los

medidores de presión disponibles resulten útiles como

sensores de fuerza (el esfuerzo que realiza una parte

mecánica, como por ejemplo un brazo robótico), con la

debida adaptación

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Otras aplicaciones

 Sensores de fuerza

 Un sensor de fuerza ideal para el uso en robótica es el

sensor FlexiForce. Se trata de un elemento totalmente plano integrado dentro de una membrana de circuito impreso flexible de escaso espesor. Esta forma plana permite colocar al sensor con facilidad entre dos piezas de la mecánica de nuestro sistema y medir la fuerza que se aplica sin perturbar la dinámica de las pruebas. Los sensores FlexiForce utilizan una tecnología basada en la variación de resistencia eléctrica del área sensora. La aplicación de una fuerza al área activa de detección del sensor se traduce en un cambio en la resistencia eléctrica del elemento sensor en función inversamente proporcional a la fuerza aplicada.

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Otras aplicaciones

Termocuplas

El sensor de una termocupla está formado por la unión

de dos piezas de metales diferentes. La unión de los

metales genera un voltaje muy pequeño, que varía con

la temperatura. Su valor está en el orden de los milivolts,

y aumenta en proporción con la temperatura. Este tipo

de sensores cubre un amplio rango de temperaturas:

-180 a 1370 °C.

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Bibliografia

Capitulo 1: sensores para robots móviles:

http://www.iit.upcomillas.es/~alvaro/teaching/Clases/Robots/teoria/Sensores%20y%

20actuadores.pdf

Capitulo 7 de sensores. Robotica manipuladores y robots móviles. Aníbal Ollero

Batarune Catedratico de ingeniería de sistemas y automática de ESI Universidad de

Sevilla

Sensores - Conceptos generales

Eduardo J. Carletti

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