Sensores

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Conference developed at Universidad de Córdoba (Spain) in 2005. About robots and their sensors. Subject: Robotics.

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Sensores

  1. 1. SensoresJ. García y J. Rojas
  2. 2. Introducción Los robots pueden desenvolverse enun medio gracias al uso de lossensores. Definimos sensor como un dispositivoque capta señales y las transforma enseñales eléctricas para un posteriortratamiento por ordenador.
  3. 3. Introducción Este proceso consta de tres fases:1. El sensor capta el fenómeno y loconvierte en señal eléctrica.2. Ésta se modifica para obtener unosparámetros que puedan sercomprendidos por el ordenador.3. A veces es necesario amplificar laseñal.
  4. 4. Conversion A/D Aproximamos por una serie devalores discretos. A cadaintervalo de tiempo una tensiónconstante.256288,2==RV Cada valor discreto en uncódigo de 8 bits. ¿Cómopodríamos hacerlo?
  5. 5. Sensores de proximidad Presentan una salida binaria que indicala existencia de objetos dentro delespacio de trabajo. Se utilizan normalmente para agarrar oevitar objetos. Se pueden estudiar cuatro tipos desensores de proximidad.
  6. 6. Sensores inductivos Se trata de unarrollamiento sobreun imán. Cuando el sensor seacerca a un objetoferromagnético laslíneas de flujocambian.
  7. 7. Sensores inductivos La polaridad de la señal depende de siel objeto se aleja o se acerca. El inconveniente de este tipo desensores es que su sensibilidad es depocos milímetros. Para crear una señal binariacomparamos las mediciones con unvalor de referencia.
  8. 8. Sensores de efecto Hall Este efecto relaciona la tensión entredos puntos de un material con el campomagnético que lo atraviesa. Si utilizamos un imán podremos captarsiempre un campo magnético que sedebilitará debido a la curvatura de laslíneas de campo cuando el sensor seacerque a un material ferromagnético.
  9. 9. Sensores de efecto Hall
  10. 10. Sensores de efecto Hall Los sensores estánbasados en la ley deLorentz de la fuerza. Si la intensidad estáprovocada por elmovimiento de loselectrones, al acercarseéstos al imán perderánfuerza (disminuye laintensidad del campo) yla tensión será menor.
  11. 11. Sensores capacitivos Se basan en la propiedad que tienen loscondensadores de acumular la energíaeléctrica. La capacidad depende de maneraproporcional de la permitividad eléctrica delmedio y de la superficie de las placas,además de la distancia de las placas demanera inversamente proporcional. Así querealizando torsiones o moviendo las placas oel dieléctrico cambiaremos la capacidad.
  12. 12. Sensores capacitivos
  13. 13. Sensores capacitivos El cambio de capacidad provoca uncambio de la tensión del sensor, queserá un valor mayor si el objeto seacerca. La sensibilidad de estos aparatosdecae rápidamente con la distanciapero pueden detectar sólidos y líquidos,además de los objetos ferromagnéticos.
  14. 14. Sensores capacitivos Los transformadores diferencialesbasan su funcionamiento en los efectosde inducción entre bobinas queengloban a un núcleo metálico. Si el objeto desplaza al núcleocambiarán las corrientes que atraviesenlas bobinas pudiendo así captar lavariación de tensión.
  15. 15. Sensores ultrasónicos No dependen de laclase de material. Su esquema es untransductor decerámicapiezoeléctricarecubierto de resinaprotectora.
  16. 16. Sensores ultrasónicos El sensor debe tener buenaspropiedades de amortiguamiento. Además, el haz acústico que captedebe ser bastante estrecho. Para conocer su funcionamientodebemos conocer las formas de ondaque se emplean en el proceso.
  17. 17. Sensores ultrasónicos
  18. 18. Sensores ultrasónicos La onda A es la de conmutación y controla latransmisión. La onda B es la señal que se recibe, asícomo su eco. La onda C indica dónde se localizan y cuántoduran las perturbaciones. La onda D es una ventana de tiempo paradiferenciar las ondas entrantes y salientes.
  19. 19. Sensores ultrasónicos La onda E está a nivel alto siempre ycuando se reciba un eco cuando laonda D esté a nivel alto. La onda E está a nivel bajo después deesto si encuentra que la onda A está anivel bajo. La onda F está a nivel alto cuando loesté E.
  20. 20. Sensores ultrasónicos La onda F estará a nivel bajo si E estáa nivel bajo y se produce unaconmutación en A. De esta manera F está a nivel altosiempre que exista un objeto cercano yse localizará mediante la forma de ondaD, pues conocemos los intervalos detiempo y la velocidad del sonido.
  21. 21. PotenciómetrosSensores de desplazamientos lineales ygiros Distintas diferencias depotencial para distintosdesplazamientos. Desplazamiento ->potenciometro lineal Giro -> potenciómetrorotatorio
  22. 22. Sensores de desplazamientos lineales ygirosPotenciómetros linealesVeVsLLLVsLVeCLVsCLVeCLVsRVsIIRVsCLVeRVeIIRVTTTTTTe=====→===→=1111111LLL T −=
  23. 23. Sensores de desplazamientos lineales ygirosPotenciómetros rotatorioVeVsVsVerVsLVsRVsIIRVsrVeLVeRVeIIRVTTTTTTeθθθθθθ=====→====→=1111111θθθ −= T Bajo coste Problema de fiabilidad debidoa desgaste, fricción, polvo...
  24. 24.  Disco con orificios Luz colimada deforma correcta fotorreceptorSensores de desplazamientos lineales ygirosEncóders ópticos
  25. 25.  Problemas: ¿Y si da más de unavuelta? ¿Gira en un sentido oen otro?Sensores de desplazamientos lineales ygirosEncóders ópticos
  26. 26. Sensores de desplazamientos lineales ygirosEncóders ópticos absoluto El disco en lugar deagugeros tiene zonas clarasy oscuras En cada sector lo quedetectan los foto... es único Se codifica en código Gray No mide lo que gira sino quemide donde está. Está dividido en 4 zonas. Conbinaciones distintas:RV(2,3)=2^3=8
  27. 27. Sensores de desplazamientos lineales ygirosEncóders ópticos absolutoRV(2,4)=2^4=16Cientos de celdas por gradode rotación-Mucha precisión-Demasado sensible a variablesambientales, golpes ...
  28. 28. Sensores de tacto Con éstos se obtiene información sobreel contacto del manipulador y el objeto,permitiendo conocer su localización y lafuerza ejercida sobre el objeto. Se distinguen dos clases de sensoresde tacto: binarios y analógicos.
  29. 29. Sensores binarios Constan de interruptores que alcerrarse indican la presencia de unobjeto. Se utilizan en el manipulador paraagarrar al objeto. Si están colocados en el exterior delmanipulador sirven para desenvolverseen el espacio de trabajo.
  30. 30. Sensores analógicos La salida que presentan es proporcional a lafuerza ejercida sobre ellos. El sensor analógico más simple de este tipoes una varilla con resorte que está conectadaa una rueda dentada. Si se ejerce una fuerza sobre la varilla larueda se moverá y mediante unpotenciómetro o una rueda de códigosabremos cuál ha sido la rotación.
  31. 31. Sensores analógicos Normalmente lossensores analógicos seencuentran en la parteinterior del manipuladory los binarios en elexterior del mismo. Los sensoresanalógicos se agrupanen una unidad llamadaarray.
  32. 32. Sensores analógicos Existe un método basado en utilizar unarray de electrodos en contactoeléctrico con un material conductordúctil cuya resistencia varía en funciónde la compresión. Estos dispositivos se denominan pielesartificiales.
  33. 33. Sensores analógicos
  34. 34. Sensores analógicos En el caso A los electrodos poseen unaconfiguración de ventana y estánconectados todos a un conductor quelos separa de una masa común. Cualquier compresión hará que lacorriente circule desde la masa comúnhasta los electrodos.
  35. 35. Sensores analógicos En el caso B los electrodos estánenlazados y en el mismo plano quecircuitos activos. Los electrodos estánen contacto con un material conductor. Las deformaciones del material soninterpretadas por los circuitos.
  36. 36. Sensores analógicos El caso C consta de dos arrays dedetección mediante electrodos largos yestrechos que se cruzan y estánseparados por un material conductor. Una compresión se medirá excitandoeléctricamente a cada uno de loselectrodos y viendo la diferencia devalores medidos con los de referencia.
  37. 37. Sensores analógicos El caso D presenta un medio que esconductor en una sola dirección.Separado por una malla se encuentrael array lineal de electrodos. La deformación hace que la malla noimpida el contacto entre el conductor yel array.
  38. 38. Sensores analógicos En los casos C y D necesitamos diodospara ignorar los efectos de inducciónque se producen en las intersecciones. Otro método consistiría en poner amasa todos los electrodos noexcitados, midiendo así todas lascontribuciones.
  39. 39. Sensores analógicos El método de Bejczy nos permite medir lasfuerzas laterales que se producen en elsensor. Se utiliza una esfera dentada que al moversedesplaza a una varilla insertada en un disco.El disco toca a unos circuitos localizando asíel sentido y la frecuencia con que se produceel contacto, conociendo así la fuerzaaplicada.
  40. 40. Sensores de luz  emisorreceptorDiodos LED (emisor)LED (Light Emitting Diode) ¿Por qué no se utiliza comobombilla? Suele emitir en una lambdacaracterística. Una unión p-n Al ponerle una AV serecombinan y disminuye laenergíaCorriente  Luz
  41. 41. Sensores de luz  emisorreceptorFotodiodos y fototransistores (receptores)Luz  Corriente La luz le da a los e- laenergía suficiente como paraarrancarlos de los átomos El amplificador amplifica laseñal
  42. 42. Sensores de luz  emisorreceptorFotodiodos y fototransistores (receptores) a,b) Detectaobstáculo porinterrupción c) Mide distancias
  43. 43. Medias de fuerza y par Se utilizan las galgas extensiométricas querelacionan las deformaciones con la variaciónde resistencia. Es necesario conocer la sensibilidad de cadamaterial a la hora de construir las galgas. Las de semiconductor son más sensibles,pero sus variaciones no son lineales ydependen de la temperatura.
  44. 44. Medidas de fuerza y par Estos dispositivos seutilizan en lasarticulaciones del robot. Las tensiones medidasse relacionan con lafuerza y el par medianteuna matriz obtenida porcalibración.
  45. 45. Medidas de fuerza y par Generalmente, la matriz obtenida no escuadrada, por lo que habrá que calcularsu pseudoinversa. Estos dispositivos deben ser bastanterígidos para desenvolverse en medioshostiles a la vez que deben sersensibles para detectar pequeñasfuerzas.
  46. 46. Sensores de velocidad y aceleraciónSensores de velocidadtemporalperiodoangularciadisrpmtan=
  47. 47.  Si conocemos ladeformación de muelle Podemos hallar laaceleraciónSensores de velocidad y aceleraciónSensores de aceleracionxakxmaKxFmK==−= ¿Cómo medimos ladeformación?SlR ρ=  Midiendo R podemosconocer l=x

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