Sensores y Actuadores en Robótica

Actuadores

• Actuadores son componentes que permiten el movimiento de partes de un robot.
• Funcionan siguiendo un esquema general: fuente de poder (eléctrica, hidráulica o neumática), amplificador de potencia, actuador (motor), y transmisión.
• La fuente de poder proporciona energía al actuador.
• Actuadores hidráulicos utilizan fluido (aceite), y neumáticos, aire comprimido.
• En robots móviles, las baterías NiMH y LiPo son frecuentes.
• Motores AC toman corriente directamente o a través de un transformador.
• Motores DC se usan con transformadores, rectificadores y filtros.
• Los amplificadores de potencia modulan la potencia de la fuente de poder según la señal de control.
• Para actuadores hidráulicos o neumáticos, el flujo de fluido varía según la señal de control.
• Para motores eléctricos se ajusta el voltaje o corriente proporcionalmente a la señal de control.
• Los inversores o conversores DC-AC se utilizan para motores DC sin escobillas.
• Actuadores se clasifican por funcionamiento: eléctricos, neumáticos, hidráulicos y otros tipos (termicos, magnéticos).
• "Servo" implica un sistema controlado (con controlador). Ejemplos incluyen servomotores.
• Actuadores neumáticos convierten presión de aire en energía mecánica. Tipos incluyen cilindros de simple y doble efecto.

Actuadores Neumáticos

• Los actuadores neumáticos convierten presión de aire comprimido en energía mecánica.
• Tipos: lineales (cilindros de simple y doble efecto), de giro (motores de paletas).
• Características: dificultad con posicionamiento preciso y no se usan para seguimiento de trayectoria.
• Usos comunes en robótica: efectores finales (abrir, cerrar). Ej: uso en músculos artificiales McKibben.
• Ventajas: precisión, fuerza, torque elevados, seguridad (sin chispas), y auto lubricación.
• Desventajas: poco compresible, alto costo, dificultad en miniaturización, y potencial contaminación del ambiente de trabajo .

Actuadores Hidráulicos

• Los actuadores hidráulicos convierten presión de fluido (aceite mineral) en energía mecánica.
• Funcionamiento similar a los actuadores neumáticos.
• Ventajas: precisión (fluido poco compresible), fuerza y torque elevados, estabilidad con cargas estáticas, y son inherentemente seguros.
• Desventajas: alta costo y dificultad para miniaturizar, contaminación del ambiente de trabajo, necesitan estación de potencia hidráulica.

Actuadores Eléctricos

• Convierten energía eléctrica en energía mecánica.
• Los motores AC (usualmente en robots industriales), DC de imán permanente, y DC brushless (sin escobillas) son comunes.
• En robots pequeños se utilizan motores paso a paso (stepper) y servomotores.
• Ventajas: abundancia de fuentes de alimentación (toma de corriente, baterías), bajo costo, gran variedad de productos, alta eficiencia en conversión de potencia, y no contaminación del ambiente de trabajo.
• Desventajas: sobrecalentamiento en condiciones estáticas (necesidad de frenos), y requieren protección especial en ambientes inflamables.

Transmisión

• Transmite la potencia del motor al eje de la articulación.
• Reduce la velocidad y aumenta el torque del motor, optimizando la transferencia de torque.
• Transforma el torque y la velocidad (e.g. alta velocidad angular, bajo torque a baja velocidad angular, alto torque).
• Ejemplos de Transmisión incluyen: engranajes rectos, engranajes helicoidales, fajas dentadas, cadenas, y accionamiento directo, y transmisiones armónicas.
• Se evalúa en relación a la reducción de velocidad y la relación del torque de entrada y salida.

Sensores

• Los sensores son esenciales en robots para detectar información del mundo exterior o internal.
• Se clasifican en:
• Propioceptivos: detectan información interna del robot (posición, velocidad, torque, temperatura, aceleración del robot).
• Exteroceptivos: detectan información del entorno del robot (fuerza, torque, distancia a objetos, intensidad de luz, inclinación).
• Se clasifican como pasivos o activos.
• Pasivos: usan la energía del ambiente (ej. cámara).
• Activos: emiten energía y detectan la reacción (ej. sensor de ultrasonido).
• Ejemplos de sensores incluyen: sensores de contacto (bumpers), acelerómetros, giroscopios, brújulas, sensores de proximidad (sonar, radares, láser, infrarrojos), cámaras, sensores de posición (GPS), sensores de fuerza, sensores de torque, y encoders.

Propiedades de un sistema de Medición

• Exactitud: concordancia con referencia (valores reales/ideales).
• Precisión: similaridad en diferentes mediciones.
• Estabilidad: mantenimiento de mediciones similares a través del tiempo .
• Error lineal: máxima desviación respecto a línea que mejor ajusta datos.
• Error de offset: medida cuando la entrada es cero.
• Error de resolución: mínima variación en la medición/salida relacionada con la entrada.
• Asimetría: no-linealidad en la gráfica de entrada vs. salida.
• Factor de escala: relación entre cambios en la entrada y cambios en la salida.
• Cuantización: representación de la salida con valores discretos (no-lineal).
• Zona muerta: rango de entrada donde no hay salida.

Odometría

• Estimación de la posición del robot integrando movimientos de las ruedas.
• Problemas comunes incluyen terreno irregular y deslizamiento de las ruedas.
• Es estimada para movimientos cortos.

Sistemas de posicionamiento Global (GPS)

• Sistemas que usan satélites para determinar la posición de un objeto en la Tierra.
• Se requiere de recepción de señales de por lo menos 4 satélites.
• Algunas características incluyen la sincronización de tiempo, tiempos de vuelo y interferencia de señales.
• Precisión aproximadamente 3 metros.
• Limitación: no funciona en interiores.

Balizas

• Guías (objetos) con posición conocida que sirven como referencia para la localización.

Sensores de Velocidad: Efecto Doppler

• Miden la velocidad usando el cambio en la frecuencia de una señal medida por el movimiento relativo.

Sensores de Orientación

• Determinan la orientación e inclinación del robot.
• Usos: Giroscopio, Acelerómetro, Brújula, e Inclinómetro.

Inclinómetro

• Un sensor que detecta cambios en la inclinación.

Giroscopio

• Un sensor que detecta la velocidad angular.

Acelerómetro

• Un sensor que detecta la aceleración.

Unidad de medida inercial (IMU)

• Un sensor que combina acelerómetros y giroscopios para determinar la orientación, velocidad lineal y posición del cuerpo del robot.

Sensores de Fuerza

• Detectan la fuerza/torsión a través de la tensión o deformaciones que se producen.
• Usan galgas extensiométricas, sensores de torque en ejes y sensores de fuerza en efectores finales (6D).
• Uso en robots con articulaciones para medir torque y en robots con efectores finales para medir fuerza.

Sensores RCC

• Introducen complianza pasiva al efector final mediante elementos que absorben el impacto y reducen el error.

Otros Sensores

• Piezas mecánicas o electrónicas para adquirir información adicional en los robots.
• Se usan en robots: piel artificial para medir presión, sensores de toque, y sensores basados en tecnologías infrarrojas, ultrasonidos, láser, cámaras.

Cámaras

• Arreglos de elementos fotoresistivos que convierten la energía luminosa en eléctrica.
• Usos frecuentes: procesar datos de imágenes en bajo nivel (ej. obtener imagen completa) o alto nivel (ej. reconocer características), visión computacional.
• Tipos de tecnología utilizados: CCD y CMOS.