Guía Completa de Sensores en Robótica PDF
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This document provides a comprehensive guide to sensors in robotics. It covers various types of sensors for different applications and their properties. The guide explores different sensor types, their functionalities, and common errors. It also includes practical examples using these sensors in robotics.
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Guía Completa de Sensores en Robótica Guía Completa de Sensores en Robótica 1. Elementos Principales de un Robot Un robot está compuesto por tres elementos fundamentales: 1. Sensores: Capturan información del entorno y del estado interno del robot. Por ejemplo, sensores de posición, velocidad,...
Guía Completa de Sensores en Robótica Guía Completa de Sensores en Robótica 1. Elementos Principales de un Robot Un robot está compuesto por tres elementos fundamentales: 1. Sensores: Capturan información del entorno y del estado interno del robot. Por ejemplo, sensores de posición, velocidad, temperatura, entre otros. 2. Efectores y Actuadores: Realizan movimiento y manipulación, como motores, pinzas y ruedas. 3. Controladores: Unidades que procesan la información proveniente de los sensores y envían comandos a los efectores para lograr el comportamiento deseado. 2. Propiedades de un Sistema de Medición Propiedades Fundamentales: - Exactitud: Capacidad del sistema para obtener medidas cercanas a un valor de referencia o ideal. - Precisión: Repetibilidad de las medidas, es decir, cuán consistentes son las mediciones bajo las mismas condiciones. - Estabilidad: Capacidad del sistema de mantener las mediciones constantes a lo largo del tiempo, incluso ante variaciones ambientales, como la temperatura. Errores Comunes: 1. Error Lineal: Desviación respecto a la línea de mejor ajuste de los datos medidos. 2. Error de Offset: Diferencia entre el valor medido y el valor esperado cuando no hay entrada. 3. Error de Resolución: Mínima variación de entrada que no genera un cambio en la salida. Página 1 Guía Completa de Sensores en Robótica Clasificación de Sensores en Robótica Por lo que Miden: 1. Sensores Propioceptivos: Miden el estado interno del robot, como posición, velocidad, torque, o temperatura. Estos sensores permiten al robot monitorear sus propios componentes y funcionamiento. 2. Sensores Exteroceptivos: Recogen información del entorno, como la distancia a un objeto o la intensidad de la luz. Estos sensores son clave para la interacción con el entorno. Por su Funcionamiento: 1. Sensores Pasivos: Usan energía del entorno para operar, como las cámaras, que capturan luz ambiental. 2. Sensores Activos: Emiten energía, como ultrasonido o láser, y miden la respuesta para determinar información del entorno. Tipos de Sensores y sus Aplicaciones Sensores de Posición: - Encoders: Dispositivos utilizados para medir desplazamientos lineales o angulares. - Encoders Absolutos: Proporcionan la posición exacta en un ángulo o distancia. - Encoders Incrementales: Miden el desplazamiento contando trenes de pulsos. - GPS: Determina la posición global del robot con precisión limitada (~3m), ideal para robots móviles. - Odometría: Estima la posición del robot a partir del movimiento de las ruedas; sin embargo, puede ser imprecisa en superficies irregulares. Sensores de Velocidad: - Efecto Doppler: Mide velocidad relativa mediante cambios en la frecuencia de una onda emitida y recibida. - Tacómetros: Miden velocidad angular de motores o ruedas. Página 2 Guía Completa de Sensores en Robótica Sensores de Orientación: - Giroscopios: Determinan la orientación absoluta del robot basándose en principios inerciales. - Inclinómetros: Detectan inclinación mediante el uso de líquidos conductores que cambian la conductividad según el ángulo. - IMU (Unidad de Medida Inercial): Combina acelerómetros y giroscopios para estimar orientación y movimiento relativo. Sensores de Fuerza y Torque: - Galgas Extensiométricas: Miden deformaciones en un material causado por fuerzas aplicadas. - Usos: Detectar fuerza en articulaciones o en efectores finales, como en manos robóticas. Sensores de Proximidad: - Infrarrojo: Detectan distancias mediante reflexión de luz infrarroja. - Ultrasonido: Miden distancias usando el tiempo de vuelo del sonido emitido. - Láser (LIDAR): Utilizan luz láser para mapear el entorno en 3D con gran precisión. Sistemas de Visión: - Cámaras RGB: Capturan imágenes en color para el procesamiento visual. - Luz Estructurada: Proyectan patrones sobre el entorno y usan una cámara para medir la deformación del patrón (ejemplo: Kinect). - Cámaras de Tiempo de Vuelo (ToF): Capturan toda la escena simultáneamente midiendo el tiempo que tarda la luz en regresar al sensor. Página 3 Guía Completa de Sensores en Robótica Otros Sensores: - Acelerómetros: Miden aceleraciones lineales y vibraciones. - Sensores de Toque: Detectan contacto físico mediante cambios en capacitancia o resistencia. - Piel Artificial: Emula el sentido del tacto humano distribuyendo sensores en una superficie. Aplicaciones Prácticas en Robótica Ejemplo 1: Robot BibaBot - Sensores Utilizados: - IMU para orientación. - Sensores de ultrasonido para evitar obstáculos. - Cámaras omnidireccionales para capturar el entorno. Ejemplo 2: Robot ASIMO - Sensores Utilizados: - Sensores de fuerza en manos y pies para detectar contacto. - Encoders en articulaciones para controlar movimientos precisos. - Cámaras estéreo para reconocimiento visual y navegación. Conclusiones Los sensores son fundamentales para que los robots comprendan su entorno y se adapten a él. Desde tareas de navegación hasta manipulaciones complejas, la selección adecuada de sensores garantiza un desempeño óptimo. Estudiar sus principios y aplicaciones es crucial para diseñar sistemas robóticos eficientes. Página 4 Sensores Los tres elementos de un robot Sensores – Utilizados para saber del mundo o de sus estados internos Efectores y actuadores – Usados para movimiento y manipulación Controladores – Coordina la información de los actuadores y sensores 2 Propiedades de un sistema de Medición Exactitud Concordancia de valores medidos con una referencia (valores reales/ideales) Precisión (repetibilidad) Medidas similares en diferentes mediciones de lo mismo mediciones valor real Baja exactitud Baja exactitud Alta exactitud Baja repetibilidad Alta repetibilidad Alta repetibilidad Estabilidad Mantener las mismas mediciones en el tiempo (o en variaciones de temperatura) Propiedades de un sistema de Medición Exactitud en Robótica –Cuán cerca llega el robot a un punto deseado –Depende de: Imprecisiones mecánicas (construcción/ensamblaje del robot, flexibilidad de los eslabones/transmisiones, backlash, etc.) Cambios en la carga Errores numéricos en el control (redondeos) –Se puede mejorar con calibración cinemática Repetibilidad en Robótica –Cuán cerca el robot puede retornar a un mismo punto (en varios intentos) –Depende de: Ruido en sensores y actuadores Resolución de sensores, actuadores y control –Suele ser dado por el fabricante del robot industrial Propiedades de un sistema de Medición Error lineal Desviación máxima con respecto a la línea que mejor se ajusta a los datos Error de offset Medida cuando la entrada (estímulo físico) es 0 Error de resolución Variación máxima de la entrada que no varía la medición (salida) salida y ym x resolución y y error lineal ym offset y0 Rango de entrada: xm x Rango de salida: ym xm entrada Propiedades de un sistema de Medición Asimetría Bias Zona muerta salida salida salida y=x y=x y=x entrada entrada entrada No linealidad Factor de escala Cuantización salida salida salida y=x y=x y=x entrada entrada entrada Sentidos en un ser humano Sensores en un ser humano ¿Qué sensores debería tener este robot? Sensores para un robot móvil Sensores de Contacto: Bumpers Sensores Internos – Acelerómetros – Brújulas – Giróscopo Sensores de proximidad – Sonar – Radares – Láser – Infrarojos Sensores visuales: Cámaras, Kinect Sensores de posición: GPS ¿Qué sensores debería tener este robot? Clasificación de los sensores en Robótica ¿Qué miden? 1. Propioceptivos - Estado interno del robot - Ejemplo: posición, velocidad, torque de articulaciones, aceleración de eslabones, orientación del robot, temperatura del robot, etc. 2. Exteroceptivos - Entorno del robot (mejoran la autonomía) - Ejemplo: fuerza/torque, distancia a objetos, intensidad de luz, etc. ¿Cómo lo miden? 1. Pasivos - Usan la energía del ambiente - Ejemplo: cámara 2. Activos - Emiten energía y miden la reacción - Ejemplo: sensor de ultrasonido Principales sensores en robótica Posición: encoders, GPS Velocidad: tacómetros, efecto Doppler Aceleración: acelerómetros Fuerza: galgas extensiométricas Orientación e inclinación: – Giroscopios, brújulas, unidad de medida inercial (IMU) Distancia (profundidad) – Basados en triangulación: triangulación óptica, luz estructurada – Basados en tiempo de vuelo (ToF): ultrasonido, láser, cámaras de ToF Imágenes: Cámaras RGB Otros sensores: de toque, de temperatura, de luz, etc. Sensores de posición Provee: señal eléctrica proporcional al desplazamiento (lineal o angular) Desplazamiento lineal: – Potenciómetros, LVDT (linear variable differential transformers) Desplazamiento angular: – Analógicos: potenciómetros, resolvers, synchros – Digitales: encoders En robótica, los más usados (actualmente) son los encoders – Encoders absolutos – Encoders incrementales Nota: en robótica, los desplazamientos lineales se obtienen generalmente mediante transmisión (usando motores angulares) Encoders Disco giratorio con sectores transparentes y opacos alternados, en múltiples pistas Principio: Fotoemisor (leds de luz infrarroja) → fotoreceptor genera señales: códigos digitales Posición absoluta codificada digitalmente (usualmente usando código Gray) Fotoreceptores Nt número de pistas (= N bits) 360 Resolución = 2 Nt En robótica usualmente Nt > 12 Encoders Fotoemisor Disco giratorio con sectores transparentes y opacos Disco óptico alternados y con 2 o 3 pistas – Pista A y B en cuadratura (90° desfase) → detectar dirección de rotación – Pista Z define la referencia 0 (reset del contador) B Z Fotoreceptor A 90° 6 pulsos/ A vuelta B Z Mide desplazamientos angulares incrementales contando trenes de pulsos Encoders Al prender están listos para ser utilizados: – No necesitan un “homing” Problemas cuando hay múltiples vueltas Al iniciar, ¿cómo saber en qué vuelta está? Encoder con eje hueco a) Al apagar: almacenar la posición (memoria flash) y activar frenos (del motor). b) Usar una batería siempre activa (incluso cuando el sistema está apagado) Características usuales: – Posibilidad de interface a buses de campo (CANopen, PROFIBUS, etc.) Encoder con eje saliente – Alimentación: 5/28V (con ~1.2 W) Odometría Odometría: integración del movimiento de la rueda para estimar la posición del robot. Se conoce: - Cuánto gira la rueda - Radio de la rueda xf = ? x x0 Posición final o Problemas: - Suelo irregular - Deslizamiento (patinaje) de la rueda - Modelo inexacto o Estimación de la posición: válida solo para movimientos cortos Sistemas de posicionamiento Global GPS Cada satélite emite su Velocidad de la señal: ~300 000 km/h posición y tiempo Receptor GPS: - Recibe la señal - Estima distancia al satélite (tiempo de llegada) - Geometría para determinar su posición exacta (3D) Sistemas de posicionamiento Global GPS Algunas características – 24+ satélites orbitando la tierra cada 12 horas a 20 190 km. – Al menos 4 satélites cubren cada zona – La localización se determina mediante el tiempo de vuelo Retos técnicos: - Sincronización de tiempo entre cada satélite y el receptor GPS. - Medida precisa del tiempo de vuelo (0.3m por ns) - Interferencia con otras señales Sistemas de posicionamiento Global GPS Problema: - Precisión (~3m) - No pueden ser usados en interiores Balizas Son guías (objetos) con una posición conocida – Los humanos los usan (al estar en un lugar nuevo) Desventajas en interiores: – Requieren cambios en el ambiente (caro) – Limitan la flexibilidad y adaptabilidad a ambientes cambiantes. Sensores de Velocidad: Efecto Doppler ¿Qué es el efecto Doppler? f2 f1 Medición de la velocidad: v vo ( ft − f r ) v= 2 ft cos v0: velocidad de la onda ft: frecuencia transmitida fr: frecuencia recibida Sensores de Velocidad: Efecto Doppler Ejemplo: - DVL = Doppler velocity logger - Usados en robots submarinos Sensores de Orientación Determinan la orientación e inclinación del robot Pueden ser: – Propioceptivos Giroscopio Acelerómetro – Exteroceptivo Brújula Inclinómetro Inclinómetro Es un interruptor con líquido conductor Al inclinarse, el líquido hace que haya conducción Giroscopio Sensor de orientación Mantiene la orientación con respecto a un sistema de referencia → orientación absoluta Tipos: – Giroscopios mecánicos Giroscopio estándar Giroscopio de velocidad – Giroscopios ópticos Giroscopio de velocidad (Rated gyro) – Giroscopios piezoeléctricos Giroscopio Giroscopio mecánico El momento angular de la rueda giratoria (rotor) mantiene el eje del giroscopio estable Giroscopio Giroscopio óptico Giroscopios ópticos de estado sólido se basan en el mismo principio usando tecnología de microfabricación. Giroscopio óptico Giroscopio óptico de estado sólido Acelerómetro Mide la aceleración basado en fuerzas inerciales Principios de conversión: movimiento mecánico → señal eléctrica 1. Piezoeléctrico: - Principio: presión → carga eléctrica - No mide en condiciones estáticas (si no hay presión) - Usa piezocerámica o cristales (no requiere potencia externa) 2. Piezoresistivo: - Principio: presión → cambio en resistencia eléctrica - Para altos impactos - Mide en condiciones estáticas (ejemplo: gravedad) 3. Capacitivo: - Basados en Silicio (elementos microfabricados) - Usados en acelerómetros MEMS Acelerómetro Mide la aceleración basado en fuerzas inerciales Funcionamiento genérico: – Similar a un sistema: masa-resorte-amortiguador Eje de sensibilidad – Para obtener la aceleración (debida al movimiento): restar la gravedad. Acelerómetro: MEMS (micro) Resorte conectado a una (micro) masa que vibra Movimiento → varía la distancia x1, x2 → varía la capacitancia Resorte x1 x2 −V0 Masa movible V0 Divisor capacitivo resorte Resorte Vx MEMS: Micro electro-mechanical system Acelerómetro: MEMS Esquema de medición: Divisor capacitivo resorte Puede medir hasta 50g (g ≈ 9.81 m/s2) Usos en robótica: – Medir vibraciones cuando hay contactos – Como inclinómetro – Estimación de aceleración en articulaciones (para el modelo dinámico) Unidad de medida inercial IMU Usa: – Acelerómetros → aceleración lineal – Giroscopios → velocidad angular Se puede estimar (por integración): – Velocidad lineal – Posición relativa – Orientación Problema: – Luego de periodos largos de funcionamiento ocurren errores – Necesita referencia externa para corregir. Sensores de Fuerza Basados en galgas extensiométricas: – Mide deformación como consecuencía de fuerza o torque. – Resistencia (R) eléctrica varía con la deformación Cuando la longitud varía Cuando el área varía Medición de R: puente de Wheatstone R1 R ↑R R2 R3 Vin Vout Vout = − Vin 1 R + R2 R3 + R R2 R3 ↓R - Se obtiene R midiendo Vout - Usualmente R1=R2=R3=Ra, y R=Ra sin presión Sensores de Fuerza Usos: – Sensor de torque en las articulaciones (ejes) Se colocan entre el motor y la articulación (eje hueco) – Sensor de fuerza/torque (6D) en el efector final: ↑R Como discos con galgas extensiométricas ↓R Ej: seguimiento con fuerza constante Sensores de Fuerza Sensores de F/T (6D) en efectores finales: En los pies de robots humanoides Ejemplo: HRP-2 Sensores Robotiq Sensores RCC RCC: Remote Center of Compliance – Se colocan en el efector final – Introducen complianza pasiva del efector final fuerza RCC Usados para insertar objetos Sensores de proximidad Sensores de infrarrojo Transmisor LED IR Receptor (fotodiodo o fototransistor) Sensores de ultrasonido Utiliza el tiempo de vuelo Ángulo de emisión ~ 30° Sensores de proximidad Sensores láser – Llamados: LIDAR (Light Detection and Ranging) LADAR (análogo a radar) Laser Rangefinder – Utiliza el tiempo de vuelo Velodyne Sensores de proximidad Ejemplo: Velodyne – Vueltas 15 veces por segundo (15Hz) – Campo visual: 360° y 26.8° de elevación – > 1.3 millones de puntos por segundo – Distancia: 2cm, profundidad: 50m Sensores de proximidad Luz estructurada – Proyector láser + cámara receptora Envía patrones conocidos – Ejemplo: Kinect v1 Sensores de proximidad Cámaras de tiempo de vuelo – Toda la escena se captura al mismo tiempo Photonic Mixer Device Photonic Mixer Device – Ejemplo: Kinect v2 Cámara Cámara Proyector de de color infrarroja infrarrojo Sistemas de Visión: Cámaras Arreglos de elementos fotoresistivos (pixel) que convierten Energía luminosa → Energía eléctrica Tecnologías existentes: – CCD: Charge Coupled Device – CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor Tipos de procesamiento: – Bajo nivel (nivel de píxels) → procesamiento de imágenes – Alto nivel (detección de características) → visión computacional Otros Sensores Piel artificial – Basado en sensores de presión Hex-o-SKIN (TUM) – Ejemplo: i-Cub Otros Sensores Sensores de toque – Basado en el cambio de capacitancia o resistencia eléctrica 3 sensores capacitivos 2 bumpers Robot BibaBot Cámara omnidireccional Cámara movible IMU (Unidad de Medida Inercial) Sensores de ultrasonido Sensor láser de distancia Encoders en las ruedas Bumper 1 eslabón (cuerpo) 0 articulaciones ASIMO - 72 eslabones (incluyendo dedos) - 26 articulaciones (motores eléctricos) - 1 Parlante - Cámaras estéreo - Encoders en las articulaciones - Unidad de medida inercial (IMU) - Sensores de presión en los pies - Sensores de fuerza/torque en las manos