Robotica Industrial
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Robotica aplicada al area industrial

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  • Autonomía en un robot: Capacidad de percibir la situación (realidad) y actuar apropiadamente. Teleoperación: Manipulación a distancia por un humano Ejemplo: Manipuladores de sustancias peligrosas
  • Grey Walter, un neurologo britanico que construyo "tortugas ciberneticas" en los años '50. Se trataba de vehiculos accionados electricamente que buscaba luz y median el nivel de carga de sus baterias, cuando estaban "bajas" iban hacia un dispositivo de carga al que se enchufaban solas. La "tortuga" de Grey Walter fue unos de los primeros robots verdaderos (sino el primero), ya que interactuaba con el medio a través de sensores y tenía capacidad de respuesta. reflejo o tropista, que responde de inmediato y en forma bien definida a un tropismo, a una percepción alarmante o beneficiosa. Tropismo: Movimiento de orientación de un organismo sésil como respuesta a un estímulo.
  • Final 13 de Febrero. 1 hora
  • Grado de libertad viene dado por el número de variables que necesito para definir la posición final de un sistema. Actuadores, entradas que puedo controlar en un sistema. En un coche: grados de libertad 3 (x,y,theta), actuadores 2 (v,w).
  • Motores Dc están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado de excitación. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.
  • Imanes permanentes: el rotor, que posee una polarización magnética constante, gira para orientar sus polos de acuerdo al campo magnético creado por las fases del estator. Reluctancia variable: El rotor está formado por un material ferromagnético que tiende a orientarse de modo que facilite el camino de las líneas de fuerza del campo magnético generado por las bobinas de estator. Los híbridos combinan el modo de funcionamiento de los dos tipos anteriores. Funcionamiento: Para conseguir el giro del rotor en un determinado número de grados, las bobinas del estator deben ser excitadas secuencialmente a una frecuencia que determina la velocidad de giro. Las inercias propias del arranque y parada impiden que el rotor alcance la velocidad nominal instantáneamente, por lo que ésta, y por tanto la frecuencia de los pulsos que la fija, debe ser aumentada progresivamente.
  • E a es la tensión del inducido. I f es la intensidad del inductor. Motores Dc están constituidos por dos devanados internos, inductor e inducido, que se alimentan con corriente continua: El inductor, también denominado devanado de excitación, está situado en el estator y crea un campo magnético de dirección fija, denominado de excitación. El inducido, situado en el rotor, hace girar al mismo debido a la fuerza de Lorentz que aparece como combinación de la corriente circulante por él y del campo magnético de excitación. Recibe la corriente del exterior a través del colector de delgas, en el que se apoyan unas escobillas de grafito.
  • Resolvers. Una bobina solidaria al eje exitada por una portadora, generalmente con 400 Hz, y dos bobinas fijas situadas a su alrededor. El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las bobinas fijas varíe, consiguiendo que la señal resultante en éstas dependa del seno del ángulo de giro. La bobina móvil exitada con tensión Vsen(wt) y girada un angulo phi induce en las bobinas fijas unas tensiones con un desfase. Ls sincros son análogos, excepto que las bobinas fijas forman un sistema trifásico en estrella.
  • En los infrarrojos la intensidad decrece con la distancia.

Robotica Industrial Presentation Transcript

  • 1. Robótica Industrial E. U. Politécnica de la Universidad de Sevilla Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores
  • 2. TEMA 1. Introducción a la Robótica
  • 3. ¿Qué es un robot?
    • Robot: término acuñado por Karel Capek en Rossum’s Universal Robots (1921).
    • “ Robota”, palabra eslava que significa “trabajo de manera forzada”.
    • Una máquina programable (computador) con capacidad de movimiento y de acción.
    • Diccionario RAE: Máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas sólo a las personas.
    • Tipos de robots:
      • En función del medio:
        • Terrestres (vehículos, robots con patas, manipuladores industriales)
        • Aéreos (dirigibles)
        • Acuáticos (nadadores, submarinos)
        • Híbridos (trepadores)
      • En función del control del movimiento:
        • Autónomos
        • Teleoperados.
      • Otras clasificaciones (más adelante)
  • 4. ¿Para qué sirven los robots?
    • Reproducir ciertas capacidades de los organismos vivos.
    • Robots móviles: exploración, transporte.
    • Robots fijos: asistencia médica, automatización de procesos industriales.
    • Otros: control de prótesis, entretenimiento.
  • 5. Revisando la historia (i) esculturas animadas egipcias (2000 a.C) Reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV)
  • 6. Revisando la historia (ii) Relojes, cajas de música (s. XVII-XVIII).
  • 7. Revisando la historia (iii) Mecanismos coordinados. Ej. bailarinas, acróbatas. Mecanismos especializados. Ej. dibujantes, músicos, escritores. Autómatas (siglo XVIII).
  • 8. Revisando la historia (iv)
    • La cibernética (años 50)
    • Tortugas de Grey Walter (1950's).
      • Burden Neurological Institute (UK)
      • 8 tortugas
      • Un foto-tubo como ojo
      • Comportamientos tropistas:
        • Baile alrededor de una luz
      • Recarga al detectar descarga
  • 9. Revisando la historia (v)
    • La electrónica (años 60)
      • Johns Hopkins University (USA)
      • Transistores
      • Centrado con sonar
      • Brazo de recarga
      • Células fotoeléctricas (enchufes negros)
      • Tarea: patrullar pasillos
  • 10. Revisando la historia (vi)
    • Los ordenadores (años 70)
      • Shakey
      • Stanford University (USA)
      • Ordenador externo planificación
      • Ordenador interno control
      • Cámara de TV
      • Encuentra objetos regulares
      • Entorno altamente controlado
      • Tarea: planificar movimientos
  • 11. Revisando la historia (vii)
    • Los ordenadores empotrados (años 80)
      • Stanford University (USA)
      • Dos cámaras de TV
      • Reconstrucción 3D limitada
      • Ordenador empotrado
      • Entorno estructurado:
        • Reconoce objetos regulares
      • Tarea: navegación
      • Muy lento (30 m  5 h)
  • 12. Revisando la historia (viii)
    • Navegación en entornos reales
    • Spirit, Opportunity
      • “ Cuerpo”: Protege los “órganos vitales”
      • “ Cerebros”: Ordenadores para procesar la información
      • Controles de temperatura: Calentadores internos, capa de aislamiento, etc.
      • Un “cuello y cabeza”: Un poste para las cámaras que dan al robot una vista a escala humana
      • “ Ojos” y otros sentidos: cámaras e instrumentos que dan información del entorno
      • Brazo: Extensión del alcance
      • Ruedas y “piernas”: Dotan de movilidad
      • Energía: Baterías y paneles solares
      • Comunicaciones: Antenas para “hablar” y “escuchar”
  • 13. Revisando la historia (ix)
    • El futuro
      • 2005 manejo de mapas 3D
      • 2010 Robots controlados con técnicas de IA
      • 2020 Robots de propósito general
      • 2030 Primates robóticos
      • Nanotecnología
      • Interacción con humanos
      • Aprendizaje, adaptación, reconfiguración
  • 14. Esquema general de un robot
  • 15. Clasificación de robots (i)
    • Robots manipuladores
      • Robot Institute of America: un robot industrial es un manipulador programable multifuncional diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos variados, programados para la ejecución de distintas tareas.
      • Funcionamiento repetitivo. Precisos, rápidos y de alta repetibilidad, con percepción limitada.
      • Morfología
        • Sistema mecánico: articulaciones.
        • Actuadores: motores.
        • Sensores: comunicación, percepción (visión, etc.).
        • Sistema de control: servocontrol, generación de trayectorias, planificación.
  • 16. Clasificación de robots (ii)
    • Robots móviles y de servicios
      • Incremento de autonomía: Sistema de navegación automática (planificación percepción y control)
      • Generalmente son robots autónomos (perciben, modelan el entorno, planifican y actúan con mínima ó nula intervención humana).
    • Telerrobots
      • Teleoperados. El hombre realiza su percepción, planificación y manipulación.
  • 17. TEMA 2. Morfología del Robot Manipulador
  • 18. Índice: Morfología del Robot Manipulador
    • Estructura mecánica de un robot
      • Elementos y enlaces. Grados de libertad
      • Tipos de articulaciones
      • Configuraciones básicas
      • Elementos finales
      • Volumen de trabajo
    • Transmisiones y reductoras
    • Actuadores:
      • Eléctricos
      • Hidráulicos
      • Neumáticos
    • Modelos físicos
  • 19. Estructura mecánica de un robot (i)
    • Un robot manipulador está típicamente formado por una serie de elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por los actuadores. El último elemento se denomina“elemento terminal” (pinza, herramienta...)
    • El movimiento de la articulación puede ser:
      • De desplazamiento
      • De giro
      • Combinación de ambos
    • Grado De Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF):
      • Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. El número de GDL del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen.
      • Los grados de libertad equivalen al número de parámetros independientes que fijan la situación del elemento terminal.
    • Variables de estado:
      • Parámetros que definen la configuración (posición, orientación, etc) del elemento terminal
  • 20. Estructura mecánica de un robot (ii)
    • Tipos de articulaciones:
  • 21. Estructura mecánica de un robot (iii)
    • Empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, implica:
      • Diferentes configuraciones
      • Tener en cuenta las característica específicas del robot a la hora del diseño y construcción del mismo, y del diseño de las aplicaciones.
  • 22. Estructura mecánica de un robot (iv)
    • Elementos terminales
      • Son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot.
      • Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas.
      • Normalmente son diseñados específicamente para cada tipo de trabajo.
    • Volumen de trabajo
      • Volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot.
      • Volumen determinado por:
        • el tamaño, forma y tipo de los segmentos que integran el robot.
        • Las limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de control
        • Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la obtención del espacio de trabajo. Las razones son:
          • El elemento terminal es un añadido al robot
          • Si variase se tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo
  • 23. Transmisiones y reductoras:
    • Transmisiones: elementos encargados de transmitir el movimiento desde los actuadores hasta las articulaciones.
    • Reductoras o engranajes: elementos encargados de adaptar el par y la velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados para el movimiento de los elementos del robot. Generalmente se reduce la velocidad del actuador (de ahí el nombre).
  • 24. Actuadores
    • Los actuadores generan el movimiento de los elementos del robot
    • La mayoría de los actuadores simples controlan únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo)
    • Un cuerpo libre en el espacio en general se representa mediante 6 variables de estado:
      • 3 de traslación (x,y,z)
      • 3 de orientación (P.ej. Los ángulos de Euler).
    • No siempre Nº GDL = Nº Variables estado.
      • Para la representación de la posición de un automóvil se usan 3 variables de estado: 2 de traslación (x,y) y 1 de orientación.
      • Sin embargo, sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás) y dirección (volante).
      • Luego hay movimientos imposibles (movimiento lateral).
      • Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier configuración.
  • 25. Holonomía y redundancia
    • Cuando el número de GDL es igual al número de variables de estado, el robot es holónomo.
    • Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche).
    • Si el número es mayor es redundante . Ejemplo, un brazo humano
      • Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no contamos los dedos)
      • Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado.
      • Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma forma.
      • Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica la manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en plena investigación.
    • Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se deben a un contacto de un elemento con el mundo.
    • Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de rodadura ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no pueden patinar). Ciertos robots móviles son omnidireccionales: en la práctica son holónomos.
  • 26. Actuadores eléctricos (i)
    • Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos al menos, generado eléctricamente) provoca movimiento.
    • Los motores de corriente continua (DC) son los más utilizados en la actualidad debido a su facilidad de control, mayor potencia/peso, rendimiento , precio, etc.
      • Controlados por inducido (usado en robótica)
      • Controlados por excitación
    • La velocidad de giro es (en iguales condiciones de carga) proporcional al voltaje.
    • Eficientes para girar con poco par y gran velocidad : añadiendo una reductora se consigue más par aunque menos velocidad.
  • 27. Actuadores eléctricos (ii): Inductor Inducido e a e b i i f L R B J
  • 28. Actuadores eléctricos (iii)
    • Motores paso-a-paso
      • Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos industriales.
        • Pares muy pequeños.
        • Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes.
        • Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.
      • Existen 3 tipos de motores paso-a-paso
        • De imanes permanentes.
        • De reluctancia variable.
        • Híbridos.
      • Ventajas
        • Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación.
        • Pueden girar de forma continua, con velocidad variable.
        • Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar.
      • Desventajas
        • Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por los pasos).
        • Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto
        • Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas
        • Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.
  • 29. Actuadores eléctricos (iv)
  • 30. Actuadores hidráulicos (i)
    • Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa hidráulica de Pascal.
    • Fluido que circula por tuberías a presión.
    • Útil para levantar grandes cargas.
    • Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo que circula.
    • Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y alto torque.
    • El flujo mueve un pistón (lineal).
    • El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con una biela.
    • Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil mantenimiento (fugas).
  • 31. Actuadores hidráulicos (ii)
  • 32. Actuadores neumáticos (i)
    • Fluido compresible: generalmente aire.
    • Suelen mover pistones lineales.
    • Se controlan con válvulas neumáticas.
    • Son muy seguros y robustos.
    • Poca exactitud en la posición final: típicamente para todo/nada.
    • Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada.
    • Difíciles de controlar:
      • Aire es demasiado compresible.
      • Presión del compresor inexacta.
  • 33. Actuadores neumáticos (ii)
  • 34. Tabla resumen
    • Potencia limitada
    • Difícil mantenimiento
    • Instalación especial (filtros, eliminación aire)
    • Frecuentes fugas
    • Caros
    • Dificultad de control continuo
    • Instalación espacial (compresor, filtros)
    • Ruidosos
    Desventajas
    • Precisos
    • Fiables
    • Fácil control
    • Sencilla instalación
    • Silenciosos
    • Rápidos
    • Alta relación potencia-peso
    • Autolubricantes
    • Alta capacidad de carga
    • Estabilidad frente a cargas estáticas
    • Baratos
    • Rápidos
    • Sencillos
    • Robustos
    Ventajas
    • Corriente continua
    • Corriente alterna
    • Motor paso a paso
    • Cilindros
    • Motor de paletas
    • Motor de pistones axiales
    • Cilindros
    • Motor de paletas
    • Motor de pistón
    Opciones
    • Corriente eléctrica
    • Aceite mineral (50-100 bar)
    • Aire a presión (5-10 bar)
    Energía Eléctrico Hidráulico Neumático
  • 35. Modelo eléctrico: motor DC
    • Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por inducido:
      • La intensidad del inductor es constante.
      • Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad
    • En los controlados por excitación se actúa al contrario
    Inductor Inducido e a e b i i f L R B J
  • 36. Control de motores DC
    • A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I
    • Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la anchura del pulso, “Pulse Width Modulation”):
      • Voltaje proporcional a la componente de continua (el motor actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y ésta proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad
      • Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para evitar sonidos audibles.
    media media
  • 37. Modelo dinámico de un motor DC controlado por inducido
    • Para el control del motor se incluyen las etapas de potencia y control, utilizándose realimentación de intensidad y velocidad.
  • 38. Modelo físico: motor DC (iii) Inercia y rozamiento viscoso equivalentes vistos a la salida del eje del rotor
      • Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).
  • 39. TEMA 3. Sensores
  • 40. Índice: Sensores
    • Introducción
    • Clasificación de los sensores
      • Sensores internos
        • Posición y orientación
        • Velocidad
        • Aceleración
      • Sensores externos
        • Proximidad
        • Fuerza-par
        • Táctiles
        • Visión artificial
    • Tratamiento de imágenes
    • Integración de sensores
  • 41. Introducción (i)
    • Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir su entorno.
    • Un sensor es un transductor que convierte algún fenómeno físico en señales eléctricas que el micro-procesador del robot puede leer.
    • La misma propiedad física puede medirse por varios sensores.
    • En general son limitados e inexactos.
    • La sensorización de un robot implica diversas disciplinas:
      • Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente)
      • Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido)
      • Informática: Una cámara devuelve un imagen (reconocer los objetos que la forman)
    • Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos sensores.
      • Nuestro trabajo consistirá en integrar los sensores existentes
      • Esta integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar.
  • 42. Introducción (ii)
    • Algunas definiciones que debemos conocer:
      • Sensibilidad : Es una medida del grado de variación de la señal enviada conforme el fenómeno medido ha cambiado.
      • Precisión : Diferencia entre el valor real y el medido.
      • Repetitividad : Diferencia entre sucesivas medidas de la misma entrada.
      • Resolución : Incremento mínimo observable en la entrada.
      • Rango : Diferencia entre el máximo y mínimo valor medible.
  • 43. Clasificación de los sensores
    • Vamos a clasificar los sensores en dos grandes grupos:
      • Sensores internos: Nos da información sobre el propio robot.
        • Posición y orientación
        • Velocidad
        • Aceleración
      • Sensores externos: Nos da información sobre el entorno del robot.
        • Proximidad
        • Tacto
        • Fuerza
        • Visión
    • Otra clasificación:
      • Sensores pasivos: Miden señales del entorno.
      • Sensores activos: Producen un estímulo y miden su interacción en el entorno.
        • El sensor consta de un emisor y un receptor.
        • Necesitan más energía y en general más complejidad.
  • 44. Sensores internos (i)
    • Posición y orientación
      • Indican en que posición se encuentra un elemento del robot.
      • Potenciómetros.
        • Un contacto que se mueve sobre una espiral.
        • Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.)
        • No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes de poca importancia)
      • Encoders (Codificadores angulares de posición)
        • Diodo LED (emisor) más fototransistor (receptor)
        • Miden el número de grados que gira algo (motor).
        • Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco)
          • Resolución: número de agujeros
        • Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir reflexión
          • Se obtiene una onda que puede procesarse
        • ¿Cómo detectar el cambio de dirección?: dos canales.
        • Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)
      • Resolvers y sincros
  • 45. Sensores internos (ii)
    • Funcionamiento de un codificador óptico incremental
  • 46. Sensores internos (iii): usados normalmente en campo abierto
      • Brújulas: proporcionan información absoluta sobre la orientación de un vehículo
        • Una aguja imantada se alínea hacia el norte magnético
        • Existen diversos tipos de brújulas
          • Magnéticas
          • Electrónicas (dispositivos de estado sólido)
      • Inclinómetros: ayudan a determinar si el robot está inclinado.
      • Giroscopios: determinan la velocidad de rotación y la distancia rotada.
      • GPS (Global Positioning System)
        • sistema de orientación/navegación desarrollado y administrado por el US DOD (Departament of Defense).
        • La información enviada por al menos 4 satélites (señales codificadas), son procesadas por un receptor GPS para calcular su posición (3D), velocidad y tiempo.
        • Principales usos: navegación aérea y marítima, seguridad vehículos terrestres.
  • 47. Sensores internos (iv)
    • Velocidad
      • Miden la velocidad (generalmente angular)
      • Eléctricos:
        • Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo magnético)
        • Se genera tensión proporcional a la velocidad de giro
        • Varios nombres: tacogenerador, tacómetro, tacodinamo, etc
      • Ópticos:
        • Usan los sensores de posición, derivando para calcular la velocidad
    • Aceleración
      • Usan la inercia: un muelle que se estira
      • Cada vez se usan más (uso clásico: aviones)
      • La integral numérica es mucho más exacta que la derivada
      • Problema de oscilación (falsas medidas)
  • 48. Sensores externos (i)
    • Proximidad
      • Son usados para determinar la presencia de objetos cercanos. Existen muchos tipos:
        • Ultrasonidos
        • Magnéticos
        • Inductivos
        • Micro-ondas
        • Ópticos
        • Capacitivos
  • 49. Sensores externos (ii)
      • Ultrasonidos
        • Uno de los sensores más utilizados en robots móviles.
        • Sensor activo de reflexión (el emisor y el receptor se colocan juntos y detectan la reflexión de los objetos)
        • Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un micrófono el reflejo. La diferencia entre ambas señales indica la distancia al objeto.
        • Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm/ms.
        • Propiedades estándar:
          • Rango de 10 m (aprox.)
          • 30 grados de amplitud
          • Devuelven distancia al objeto más próximo
          • Combinables en arrays con desfases entre ellos (más precisos)
  • 50. Sensores externos (iii)
        • Desventajas:
          • La posición real del objeto es desconocida (cualquier posición del cono a distancia d ).
          • Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad de perderse y producir falsas medidas de gran longitud.
          • Cuanto mayor es el ángulo, más probabilidad de que se detecte un objeto no deseado.
          • Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas producen reflejos que llegan antes).
          • En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser muy erróneas.
          • Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy poco ángulo puede “no verla”.
          • ¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.
  • 51. Sensores externos (iv)
    • Ópticos
      • Muy utilizados en aplicaciones industriales
      • Sensor activo de reflexión (existen tambien de barrera, pero estos no pueden ser considerados de proximidad)
      • Se emite luz y se captan los rebotes mediante fotodiodos o fototransistores (las fotoresistencias son más lentas)
      • Se utilizan para:
        • Detectar la presencia de objetos
        • Medir la distancia a los objetos
        • Detección de características: encontrar una marca, seguir una línea, etc.
        • Lectura de códigos de barras
      • Existen distintos tipos de sensores, en función del tipo de luz con la que trabaja:
        • Luz en el espectro visible
        • Infrarrojos
        • Láser
  • 52. Sensores externos (v)
      • Luz en el espectro visible
        • La reflexión depende del color y de las características del material.
        • En principio, los colores claros reflejan más que los más oscuros:
          • Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.
          • Los objetos claros “parecen” estar más cerca y los oscuros más lejos de lo que realmente están.
        • La luz ambiente es una fuente de ruido:
          • Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).
          • La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto tiempo
      • Infrarrojos
        • Quizá son los sensores de no-contacto más extendidos
        • Utiliza la parte del espectro del infrarrojo
        • Para distinguir la reflexión del infrarrojo ambiente se suele modular (100 Hz usualmente)
        • Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son fácilmente modulables y no son visibles.
        • Problema: objetos que no reflejan el IR, tiene un rango máximo entre 50 y 75 cm.
        • La distancia aproximada se calcula por el ángulo de la luz reflejada
  • 53. Sensores externos (vi)
      • Láser
        • Para medir grandes distancias, se utiliza el mismo principio que los anteriores sensores cuando trabaja en modo TOF (Time of Flight).
        • Para medir distancias menores, trabajan estudiando el desplazamiento de fase (luz modulada).
        • Son de una gran precisión.
        • Normalmente, estos sensores funcionan mediante un barrido del emisor. El receptor recoge los ecos de las distintas posiciones del barrido, obteniendo el contorno de la escena.
        • Gran inconveniente: precio.
  • 54. Sensores externos (vii)
    • Fuerza y par
      • Galgas extensiométricas: se relacionan las deformaciones producidas por la aplicación de fuerzas con las variaciones de resistencia eléctrica.
    • Táctiles
      • Sensor sencillo, pasivo.
      • Comunes como fin de carrera.
      • Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa)
      • Necesitan poco procesamiento a nivel electrónico
      • Usos variados:
        • Contacto: el robot choca con algo.
        • Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej. Pinza abierta)
        • Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. Contador de vueltas)
  • 55. Sensores externos (viii)
    • Visión artificial
      • Uso de cámaras como sensores
      • Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados).
      • Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través de una lente (iris) en un “plano de imagen” (retina) formando una imagen que puede ser procesada.
      • Ese procesamiento suele ser muy costoso computacionalmente. Aunque hoy día es abordable con los nuevos microprocesadores.
      • Campo tan complejo que tradicionalmente se ha considerado como un campo de la informática (como la IA).
  • 56. Visión artificial (i)
    • Funcionamiento biológico
      • La luz reflejada en los objetos incide en la retina produciendo el plano de imagen.
      • La retina tiene muchas terminaciones nerviosas fotosensibles: conos y bastones.
      • Llamaremos imagen a la proyección del plano sobre las terminaciones.
      • Terminaciones unidas a nervios que realizan el procesamiento previo (visión preliminar).
      • Los nervios pasan la información al cerebro que realiza el procesamiento de alto nivel.
      • La mayor parte del cerebro humano se dedica al procesamiento de la visión.
  • 57. Visión artificial (ii)
    • Visión artificial digital
      • En vez de terminaciones se usan cámaras CCD (Charge Coupled Devices)
        • El receptor CCD es un mosaico de diodos sensibles a la luz: cuanto más brillante es la luz recibida, más elevada es su carga eléctrica.
        • Este mosaico es sensible a la luz, pero insensible a los colores.
        • Para recuperar los colores de una imagen, antes de que la luz llegue al diodo se le obliga a pasar por filtros de los colores.
      • El plano se suele dividir en partes iguales (píxeles, contracción de los términos ingleses “picture element ”) típicamente en forma rectangular
      • Número típico de pixeles: 800x600, 1752x1168, hasta 4096x4096.
      • El valor de cada píxel es proporcional a cantidad de luz reflejada por la parte de la superficie del objeto que se proyecta sobre ese píxel.
      • Depende:
        • Material del objeto.
        • Posición de las luces en la escena.
        • Reflejo de otros objetos en la escena.
      • El valor de cada píxel depende de la reflexión especular (reflejada directamente) y la reflexión difusa (absorbida y reemitida por el objeto).
  • 58. Tratamiento de imágenes (i)
    • Visión preliminar: detección de bordes
    • ¿Qué es un borde? Cambio brusco en la intensidad.
    • Aproximación preliminar:
      • Definir como curva y buscar áreas donde la derivada sea grande
      • Produce puntos espúreos: ruido
      • No permite distinguir sombras de bordes de objetos físicos
    • Eliminar ruido: convolución elimina los puntos aislados
    • La convolución aplica un “filtro matemático” a la imagen (de hecho para detectar bordes se convolucionan varios filtros en varias direcciones).
  • 59. Tratamiento de imágenes (ii)
    • Una vez determinados los bordes se trata de distinguir “cosas”
      • Visión basada en modelos:
        • Segmentación: proceso de dividir la imagen en partes que corresponden a objetos.
        • Comparar con las posibles combinaciones de bordes con modelos previos (muchos ángulos, escalas). Proceso muy costoso.
      • Visión basada en movimiento:
        • Los objetos físicos responden a leyes físicas conocidas.
        • Saber cuanto movemos la cámara entre dos imágenes consecutivas en relación a la escena.
        • Saber que nada se mueve en la escena entre las dos imágenes.
        • Permite restar las dos imágenes para encontra objetos.
  • 60. Tratamiento de imágenes (iii)
    • Visión binocular:
      • La visión humana es estereoscópica: detecta las distancias aproximadas comparando y procesando la visión de los dos ojos
      • Carnívoros: ojos en la misma dirección. Herbívoros: ojos opuestos.
      • Tener dos cámaras, conociendo la diferencia entre ellas
      • Tomar dos imágenes a la vez.
      • Restar una de la otra
    • Uso de texturas
      • Una misma textura tiene la misma intensidad.
      • Asumir que texturas uniformes corresponden al mismo objeto.
    • Conclusiones:
      • Es difícil reconocer objetos nuevos.
      • El movimiento nos ayuda a distinguir: carnívoros.
  • 61. Tratamiento de imágenes (iv)
    • Visión en tiempo real
      • Simplificar el problema de la visión artificial para uso p.e. en robótica industrial (entorno prefijado).
      • Técnicas:
        • Usar el color: buscar sólo por determinado color.
        • Usar geometrías simples (piezas, herramientas, etc.)
        • Reducir la imagen: Usar una línea en vez de una matriz (linear CCD).
        • Cámaras simplificadas: cámaras IR para detectar personas.
        • Uso de información del entorno: uso de las líneas de una carretera.
      • Aplicación: conducción automática.
      • Se pueden construir robots sin visión, como siempre depende de la tarea. El abaratamiento de CPU está extendiendo el uso de la visión artificial.
  • 62. Integración de sensores
    • Fusión de información sensores
    • Diferentes sensores devuelven diferentes tipos de información
    • No es precisamente sencillo fusionar sensores: campo de investigación actual (ej. Neuronal)
    • Suele requerir gran capacidad de procesamiento de información
    • Puede llevar a conclusiones peligrosas