Sensores Robóticos.

Sensores Robóticos.
Br. Guillermo Fuenmayor*, Br. Franklin Diaz y Br. Daniel Linares.
* Autor de la correspondencia. E-mail [email protected]
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.
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.
1. Introducción.
2. Marco Teórico.
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.
Para
lograr
esta
capacidad
de
Sensores.
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.
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
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.
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.
3.3 Sensores
proximidad.
de
Detección
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.
de
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
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.
Sensores ultrasónicos.
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.
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.
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
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.

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.
Sensores de fuerza.
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
extensiometricas.
deformación
o
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
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.
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.

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.
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.
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.
Robot Soldadores.
Aplicaciones de los sensores robóticos
para la industria eléctrica
Entretenimiento.