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- Características de un Sensor
- Resolución y Precisión
- Tipos de sensores
- Tipos de sensores Químicos
- Tabla
- Sensores externos
- Sensores Táctiles
- Sensores de Contacto
- Sensores de fuerza
- Sensores de presencia
- Sensores Inductivos
- Sensores de efecto Hall
- Sensores Capacitivos
- Sensores Ultrasónicos
- Sensores Ópticos
- Sensores de Alcance
- Sensores internos
Un sensor es un aparato capaz de transformar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo: temperatura, intensidad lumínica, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto con la variable a medir o a controlar. Hay sensores que no solo sirven para medir la variable, sino también para convertirla mediante circuitos electrónicos en una señal estándar (4 a 20 mA, o 1 a 5VDC) para tener una relación lineal con los cambios de la variable censada dentro de un rango (span), para fines de control de dicha variable en un proceso.
Puede decirse también que es un dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Como por ejemplo el termómetro de mercurio que aprovecha la propiedad que posee el mercurio de dilatarse o contraerse por la acción de la temperatura. Un sensor también puede decirse que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra. Áreas de aplicación de los sensores: Industria automotriz, Industria aeroespacial, Medicina , Industria de manufactura, Robótica , etc.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
La función de estos sensores es dar lugar a una magnitud física (conductancia, resistencia,...) la cual pueda ser capturada por el hardware de adquisición. Dicha magnitud debería reflejar en menor o mayor la exposición de los sensores a la muestra olorosa.
La magnitud utilizada para „tomar la huella“ (de hecho el término en inglés fingerprint es ampliamente utilizado en este campo) de la muestra olorosa bajo test depende casi exclusivamente del tipo de sensor químico empleado en la aplicación.
El funcionamiento de estos sensores es básicamente el siguiente: tras ser expuestos los sensores a un determinado gas o mezcla de ellos la magnitud física antes mencionada se ve alterada en una manera teóricamente diferente según la sustancia a la que se expone. En el caso más simplificado en el que sólo se emplee un sensor, éste debería sufrir una variación de magnitud tal que ésta fuese característica de la sustancia a la que se expone.
Características de un sensor
Entre las características técnicas de un sensor destacan las siguientes:
• Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
• Precisión: es el error de medida máximo esperado.
• Offset o desviación de cero: valor de la variable de salida cuando la variable de entrada es nula. Si el rango de medida no llega a valores nulos de la variable de entrada, habitualmente se establece otro punto de referencia para definir el offset.
• Linealidad o correlación lineal.
• Sensibilidad de un sensor: relación entre la variación de la magnitud de salida y la variación de la magnitud de entrada.
• Resolución: mínima variación de la magnitud de entrada que puede apreciarse a la salida.
• Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depender de cuánto varíe la magnitud a medir. Depende de la capacidad del sistema para seguir las variaciones de la magnitud de entrada.
• Derivas: son otras magnitudes, aparte de la medida como magnitud de entrada, que influyen en la variable de salida. Por ejemplo, pueden ser condiciones ambientales, como la humedad, la temperatura u otras como el envejecimiento (oxidación, desgaste, etc.) del sensor.
• Repetitividad: error esperado al repetir varias veces la misma medida.
Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir o controlar, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicación directa (ejemplo un termómetro de mercurio) o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display) de modo que los valores detectados puedan ser leídos por un humano.
Por lo general, la señal de salida de estos sensores no es apta para su lectura directa y a veces tampoco para su procesado, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, amplificadores y filtros electrónicos que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.
Resolución y precisión
La resolución de un sensor es el menor cambio en la magnitud de entrada que se aprecia en la magnitud de salida. Sin embargo, la precisión es el máximo error esperado en la medida.
La resolución puede ser de menor valor que la precisión. Por ejemplo, si al medir una distancia la resolución es de 0,01 mm, pero la precisión es de 1 mm, entonces pueden apreciarse variaciones en la distancia medida de 0,01 mm, pero no puede asegurarse que haya un error de medición menor a 1 mm. En la mayoría de los casos este exceso de resolución conlleva a un exceso innecesario en el coste del sistema. No obstante, en estos sistemas, si el error en la medida sigue una distribución normal o similar, lo cual es frecuente en errores accidentales, es decir, no sistemáticos, la repetitividad podría ser de un valor inferior a la precisión.
Sin embargo, la precisión no puede ser de un valor inferior a la resolución, pues no puede asegurarse que el error en la medida sea menor a la mínima variación en la magnitud de entrada que puede observarse en la magnitud de salida.
Tipos de sensores
Tipos de sensores químicos
Los tipos de sensores más ampliamente utilizados son cuatro: basados en semiconductor de óxido metálico (Metal-Oxide Semiconductor), basados en onda acústica de superficie (Surface Acoustic Wave, SAW), ópticos, basados en fotoionización y los basados en resistencia (Chemiresistors).
Basados en semiconductor de óxido metálico, estos sensores están formados por una fina lámina de semiconductor de cierto óxido metálico. Tras la exposición tiene lugar un cambio en la conductancia del material y esto es él lo que se utiliza para caracterizar la sustancia olorosa. Estos sensores son comercialmente accesibles y tienen buena sensibilidad pero para su correcto funcionamiento deben operar a temperaturas entre 100ºC y 600ºC lo cual hace que consuman más potencia que aquellos que pueden funcionar a temperatura ambiente siendo difícilmente adaptables a dispositivos portátiles por razones obvias.
Basados en onda acústica de superficie, estos sensores hacen uso de las ondas acústicas conocidas como ondas Rayleigh en honor de su descubridor. El funcionamiento es el siguiente: estos sensores están formados por un material piezoeléctrico (normalmente un cuarzo) el cual se recubre con una delgada capa de un material (en la mayoría de los casos se usa un polímero) que reacciona en contacto con ciertos gases, dicha estructura es excitada mediante señales de radiofrecuencia las cuales varían su frecuencia inicial de excitación tras la aparición de las mencionadas ondas de superficie las cuales se inducen en la estructura cuando ésta entra en contacto con la sustancia olorosa objetivo. Las ventajas de este tipo de sensores son su alta sensibilidad y que pueden ser producidos en masa con alta reproducibilidad (es decir, se puede fabricar una cantidad elevada de los mismos y su comportamiento es parecido con cierta tolerancia).
En la siguiente tabla se indican algunos tipos y ejemplos de sensores electrónicos:
| Magnitud | Transductor | Característica |
|---|---|---|
| Posición lineal o angular | Potenciómetro | Analógica |
| Encoder | Digital | |
| Desplazamiento y deformación | Transformador diferencial de variación lineal | Analógica |
| Galga extensiométrica | Analógica | |
| Magnetoestrictivos | A/D | |
| Magnetorresistivos | Analógica | |
| LVDT | Analógica | |
| Velocidad lineal y angular | Dinamo tacométrica | Analógica |
| Encoder | Digital | |
| Detector inductivo | Digital | |
| Servo-inclinómetros | A/D | |
| RVDT | Analógica | |
| Giróscopo | ||
| Aceleración | Acelerómetro | Analógico |
| Servo-acelerómetros | ||
| Fuerza y par (deformación) | Galga extensiométrica | Analógico |
| Triaxiales | A/D | |
| Presión | Membranas | Analógica |
| Piezoeléctricos | Analógica | |
| Manómetros Digitales | Digital | |
| Caudal | Turbina | Analógica |
| Magnético | Analógica | |
| Temperatura | Termopar | Analógica |
| RTD | Analógica | |
| Termistor NTC | Analógica | |
| Termistor PTC | Analógica | |
| Bimetal | I/0 | |
| Sensores de presencia | Inductivos | I/0 |
| Capacitivos | I/0 | |
| Ópticos | I/0 y Analógica | |
| Sensores táctiles | Matriz de contactos | I/0 |
| Piel artificial | Analógica | |
| Visión artificial | Cámaras de video | Procesamiento digital |
| Cámaras CCD o CMOS | Procesamiento digital | |
| Sensor de proximidad | Sensor final de carrera | |
| Sensor capacitivo | ||
| Sensor inductivo | ||
| Sensor fotoeléctrico | ||
| Sensor acústico (presión sonora) | micrófono | |
| Sensores de acidez | IsFET | |
| Sensor de luz | fotodiodo | |
| Fotorresistencia | ||
| Fototransistor | ||
| Célula fotoeléctrica | ||
| Sensores captura de movimiento | Sensores inerciales |
Algunas magnitudes pueden calcularse mediante la medición y cálculo de otras, por ejemplo, la aceleración de un móvil puede calcularse a partir de la integración numérica de su velocidad. La masa de un objeto puede conocerse mediante la fuerza gravitatoria que se ejerce sobre él en comparación con la fuerza gravitatoria ejercida sobre un objeto de masa conocida (patrón).
Los sensores son en realidad unos elementos físicos que pertenecen a un tipo de dispositivo llamado transductor. Los transductores son unos elementos capaces de transformar una variable física en otra diferente. Los sensores son un tipo concreto de transductores que se caracterizan porque son usados para medir la variable transformada. La magnitud física que suele ser empleada por los sensores como resultado suele ser la tensión eléctrica, debido a la facilidad del trabajo con ella.
Desde el punto de vista de la forma de la variable de salida, podemos clasificar los sensores en dos grupos: analógicos, en los que la señal de salida es una señal continua, analógica; y digitales, que transforman la variable medida en una señal digital, a modo de pulsos o bits. En la actualidad los sensores más empleados son los digitales, debido sobre todo a la compatibilidad de su uso con los ordenadores.
A los sensores, se les debe exigir una serie de características, que pasamos ahora a enumerar y comentar:
• Exactitud. Hace referencia a que se debe poder detectar el valor verdadero de la variable sin errores sistemáticos. Sobre varias mediciones, la media de los errores cometidos debe tender a cero.
• Precisión. Una medida será más precisa que otra si los posibles errores aleatorios en la medición son menores. Debemos procurar la máxima precisión posible.
• Rango de funcionamiento. El sensor de be tener un amplio rango de funcionamiento, es decir, debe ser capaz de medir de manera exacta y precisa un amplio abanico de valores de la magnitud correspondiente.
• Velocidad de respuesta. El sensor debe responder a los cambios de la variable a medir en un tiempo mínimo. Lo ideal sería que la respuesta fuera instantánea.
• Calibración. La calibración es el proceso mediante el que se establece la relación entre la variable medida y la señal de salida que produce el sensor. La calibración debe poder realizarse de manera sencilla y además el sensor no debe precisar una re calibración frecuente.
• Fiabilidad. El sensor debe ser fiable, es decir, no debe estar sujeto a fallos inesperados durante su funcionamiento.
• Coste. El coste para comprar, instalar y manejar el sensor debe ser lo más bajo posible.
• Facilidad de funcionamiento. Por último, sería ideal que la instalación e iso del sensor no necesitara de un aprendizaje excesivo.
Todas estas características son las deseables en los sensores. Sin embargo, en la mayoría de los casos lo que se procurará será un compromiso entre su cumplimiento y el coste que ello suponga a la hora del diseño y fabricación.
Después de esta introducción, lo lógico sería pasar a comentar los distintos tipos de sensores existentes, así como sus principales características. Sin embargo esto plantea el problema de clasificar los sensores de alguna forma. Podemos clasificar los sensores por la variable que miden (velocidad, proximidad, ...), por el principio físico en el que se basa su funcionamiento ( efecto Hall, ...), por la tecnología en la que se basan ( silicio, electro-mecánica,... ) ,la relación entre el sensor y la característica a medir ( contacto, sin contacto), etc. ...
En el desarrollo del presente trabajo nos basaremos en una clasificación general que engloba a los sensores en dos grandes grupos, según la relación de la variable a medir con el sensor: INTERNOS y EXTERNOS. Además, dentro de cada gran grupo, distinguiremos distintos tipos según la variable que midan e iremos comentando para cada caso otros aspectos como la tecnología en la que se pueden basar.
Sensores externos
Como ya señalamos en la introducción, los sensores externos son los elementos que permiten al robot interactuar con su ambiente de una manera flexible. Aunque michos de los robots actuales ( sobre todo los de las industrias) trabajan de una forma pre programada, el uso de los sensores externos como apoyo en la ejecución de tareas es cada día más amplio. Los sensores externos dan al robot mayor independencia del entorno concreto en el que se mueven, lo que se traduce en un mayor grado de "inteligencia". Dentro de este capítulo podemos encontrar infinidad de sensores diferente; en realidad, tantos como variables externas se puedan enumerar. Hay sensores para la temperatura, para la luminancia, el sonido, la humedad, presión ...
Sin embargo, en este apartado nos vamos a centrar en tres tipos de sensores externos que suelen ser utilizados por los robots de forma general, para gran diversidad de tareas. Éstos son los sensores táctiles, los de proximidad o presencia y los de alcance.
Sensores 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. Pasamos a continuación a hablar de cada uno de los dos tipos.
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 cuándo 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 micro interruptores, que son sencillos dispositivos eléctricos que cuando se contacta con ellos cambian de estado.
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.
Para detectar la fuerza con la que se ha contactado con un objeto existen diversas técnicas; a continuación pasamos a describir brevemente tres de las más importantes:
Muñeca detectora de fuerza
Consta de un célula de carga que se sitúa entre la muñeca y las pinzas del brazo. Su objetivo es proporcionar información sobre las tres componentes de la fuerza (Fx,Fy,Fz) y sobre sus tres momentos en el extremo del brazo. En la figura se puede observar una posible configuración de un dispositivo de detección utilizando muñecas detectoras.
Este sistema para medir fuerzas tiene una serie de inconvenientes. Por un lado, los cálculos necesarios para procesar la información que proviene de las muñecas son bastante complejos y requieren un tiempo considerable. Además, cuando la velocidad con la que se mueve el brazo es considerable, resulta difícil poder controlar sus movimientos lo suficientemente rápido como para que no provoque ninguna catástrofe (como el aplastamiento de algún objeto).
Detección de articulaciones
Esta técnica se basa en la medida del par de torsión de la articulación. La medida de este par puede resultar sencilla, ya que es proporcional a la corriente que circula por el motor que provoca dicha torsión.
A pesar de que está técnica pueda parecer sencilla y fiable, tiene un problema importante. La medida del par de torsión se realiza sobre las articulaciones del brazo y no sobre el efector final (la pinza) como sería deseable, por lo que dicha torsión no solo refleja la fuerza que se ejercerá en la pinza, sino también la fuerza utilizada para mover la articulación.Sensores de array táctil
Es un tipo especial de sensores de fuerza ya que en realidad está constituido por una matriz de pequeños sensores de fuerza. Debido a esta característica, permiten además reconocer formas en los objetos que se está manipulando. Este tipo de dispositivos suelen montarse en las pinzas de los brazos de robot.Cada uno de los sensores de fuerza que componen la matriz suele ser una almohadilla elastomérica, que cuando se comprime cambia su resistencia eléctrica de manera proporcional a la fuerza aplicada. Midiendo esa resistencia es cuando podemos obtener la información acerca de la fuerza. La resolución de este tipo de sensores vendrá dada lógicamente por las dimensiones de la matriz de sensores.
Podemos apreciar en la figura un ejemplo de su utilización, en el proceso de introducción de un objeto en un agujero. En un momento concreto, el robot puede conocer la posición en la que se encuentra el objeto gracias a la información de los arrays táctiles, como se puede ver en los dos patrones.
Un factor muy importante y que puede resultar un problema al diseñar este tipo de sensores es el grado de desgaste de la superficie de contacto.
Sensores de presencia
Los sensores de presencia tienen como finalidad determinar la presencia de un objeto en un intervalo de distancia especificado. Este tipo de sensores se pueden utilizar en relación con la forma de agarrar o evitar un objeto. Se suelen basar en el cambio provocado en alguna característica del sensor debido a la proximidad del objeto.A continuación pasamos a describir algunos de los tipos más importantes de sensores de presencia.
Sensores Inductivos
Este tipo de sensores se basan en el cambio de inductancia que provoca un objeto metálico en un campo magnético.Los sensores de este tipo constan básicamente de una bobina y de un imán. Cuando un objeto ferromagnético penetra o abandona el campo del imán el cambio que se produce en dicho campo induce una corriente en la bobina; el funcionamiento es sencillo: si se detecta una corriente en la bobina, algún objeto ferromagnético ha entrado en el campo del imán.
Como podemos deducir rápidamente, el gran inconveniente de este tipo de sensores es la limitación a objetos ferromagnéticos, aunque en aplicaciones industriales son bastante habituales.
Sensores de efecto Hall
El efecto Hall relaciona la tensión entre dos puntos de un material conductor o semiconductor con un campo magnético atraves del material. Este tipo de sensores suelen constar de ese elemento conductor o semiconductor y de un imán. Cuando un objeto (ferromagnético) se aproxima al sensor, el campo provocado por el imán en el elemento se debilita. Así se puede determinar la proximidad de un objeto aunque, como en el caso anterior, sólo si es ferromagnético.Sensores Capacitivos
Como su nombre indica, están basados en la detección de un cambio en la capacidad del sensor provocado por una superficie próxima a éste. Constan de dos elementos principales; por un lado está el elemento cuya capacidad se altera (que suele ser un condensador formado por electrodos) y por otra parte el dispositivo que detecta el cambio de capacidad ( un circuito electrónico conectado al condensador).
Este tipo de sensores tienen la ventaja de que detectan la proximidad de objetos de cualquier naturaleza; sin embargo, hay que destacar que la sensibilidad disminuye bastante cuando la distancia es superior a algunos milímetros. Además, es muy dependiente del tipo de material. Por ejemplo, a una distancia de 5 mm, la medida del cambio de capacidad es el doble más precisa si el elemento que se aproxima es Hierro que si es PVC.
Sensores Ultrasónicos
El funcionamiento de estos sensores es bastante simple. Su elemento principal es un transductor electro acústico. Este elemento, en primer lugar, emite unas ondas ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, en el que, durante un cierto tiempo, espera la vuelta de las ondas reflejadas en algún objeto. Si las ondas llegan, quiere decir que hay algún objeto en las proximidades.Dependiendo del tiempo de conmutación del transductor ( el tiempo que está esperando) se detectará un grado de proximidad u otro. Este tipo de sensores son más independientes del tipo de material que los anteriores y permiten detección de proximidad a mayores distancias.
Sensores Ópticos
Este tipo de sensores son muy parecidos a los anteriores. En estos, las señales que se transmiten y detectan son luminosas. En los sensores ópticos el emisor y el receptor suelen ser elementos separados. El primero suele ser un diodo emisor de luz (LED) y el receptor un fotodiodo.Sensores de Alcance
Los sensores de alcance miden la distancia desde un punto de referencia ( que suele estar en el propio sensor) hasta objetos que están dentro de un determinado campo de referencia. La detección de alcance se suele usar para la evitación de obstáculos en la navegación de robots móviles.A continuación examinaremos varias técnicas de detección de alcance.
Triangulación
Este es uno de los métodos más sencillos para medir el alcance. El sensor dispone de un emisor y un detector de luz. Un objeto se ilumina por un haz estrecho de luz que barre toda la superficie. Cuando el detector detecta luz en la superficie del objeto se puede calcular la distancia de la parte iluminada del objeto al detector con una sencilla relación trigonométrica ( suponiendo que conocemos la distancia del emisor al detector y el ángulo con el que la luz incide en el objeto).Iluminación Estructural
Este método se basa en la proyección de una configuración de luz sobre un conjunto de objetos, y en la utilización de la distorsión de la luz para determinar el alcance a los diferentes objetos. La configuración de luz que suele transmitirse es de forma cilíndrica. Una cámara de TV capta la distorsión que se produce en la luz ya a partir del tratamiento de las imágenes de la cámara se puede determinar la distancia del emisor de la luz a los objetos.El inconveniente principal de este método es que precisa de un tratamiento más o menos complejo de información ( el de las imágenes) que ha de ser realizado por un ordenador.
Tiempo de Vuelo
En este tipo de sensores la estimación de la distancia a un objeto se basa en el tiempo transcurrido entre la emisión y recepción de un impulso sónico o luminoso( análogamente al sistema usado por los murciélagos). Este concepto es muy general, por lo que dentro de este tipo vamos a estudiar tres métodos diferentes.El primero de ellos utiliza láser para determinar esa distancia. Se basa en la medida del tiempo que tarda en regresar de forma coaxial ( por la misma trayectoria) un pulso de luz emitido. La distancia se podrá calcular dividiendo ese tiempo por dos y multiplicando por la velocidad de la luz. Este tipo de sistemas pueden tener un alcance de hasta 4 metros y manejar una precisión de 0,25 cm.
El siguiente método basado en el tiempo de vuelo también utiliza láser. A diferencia del método anterior se emplea un haz continuo y lo que se mide es el retardo ( desplazamiento en fase) entre los haces saliente y entrante.
Por último, también podemos medir el tiempo de vuelo de ondas ultrasónicas. Como en los casos anteriores, a partir del tiempo que tarda la onda en regresar podemos calcular fácilmente la distancia al objeto que la ha reflejado. En este caso habremos de conocer la velocidad del sonido para el medio en el que se esté desarrollando la tarea (normalmente el aire). Sin embargo, este tipo de sensores pueden inducir a errores en situaciones concretas (como objetos puntiagudos o con entrantes) debido a las reflexiones de las ondas ultrasónicas.
Sensores internos
Como ya hemos comentado, para que un robot realice su tarea de forma eficiente, rápida e inteligente, es preciso que tenga conocimiento de una serie de parámetros o características internas. Tales características son muy diversas y se intentará controlar unas u otras en función de las necesidades. Por ejemplo, puede ser necesario controlar la temperatura a la que está cierta parte del robot o la presión de sus ruedas. Sin embargo, hay ciertas características que resulta interesante poder controlar para la mayoría de los robots: la posición, la velocidad y la aceleración.Estas tres variables y los diferentes métodos para conocer su valor en un instante determinado es lo que vamos a tratar en esta sección.
Posición
El problema de poder determinar la posición en la que se encuentra el robot en un momento determinado es uno de los más importantes e interesantes en el campo de estudio de la robótica. Actualmente no existe un método infalible y universal para calcular la posición, sino que, por el contrario, existen una serie de métodos basados en diversas técnicas que intentan resolver el problema. En la mayoría de los casos reales, la solución adoptada pasa por el empleo de varios de estos métodos. A continuación vamos a comentar los principales, en que se basan así como su funcionamiento.Encoders Incrementales
Los codificadores ópticos o encoders incrementales se utilizan fundamentalmente para el cálculo de la posición angular. Básicamente constan de un disco transparente, el cual tiene una serie de marcas opacas colocadas radialmente y equidistantes entre sí; de un elemento emisor de luz (como un diodo LED); y de un elemento fotosensible que actúa como receptor. El eje cuya posición angular se va a medir va acoplado al disco.El funcionamiento es el siguiente: cuando el sistema comienza a funcionar el emisor de luz empieza a emitir; a medida que el eje vaya girando, se producirán una serie de pulsos de luz en el receptor, correspondientes a la luz que atraviesa los huecos entre las marcas. Llevando una cuenta de esos pulsos es posible conocer la posición del eje.
Sobre este esquema básico es habitual encontrar algunas mejoras. Por ejemplo, se suele introducir otra franja de marcas por debajo, desplazada de la anterior, para poder controlar el sentido del giro; además suele ser necesario el empleo de una marca de referencia que nos ayudará a saber si hemos completado una vuelta.
Realmente los encoders incrementales miden la velocidad de giro, pero podemos extrapolar la posición angular. Como es lógico, la resolución de este tipo de sensores depende directamente del número de marcas que podamos poner físicamente en el disco.
Encoder absoluto
La función de este tipo de dispositivos es similar a la de los anteriores, medir la posición angular. Sin embargo en este caso lo que se va a medir no es el incremento de esa posición, sino la posición exacta. La disposición es parecida a la de los encoders incrementales. También se dispone de una fuente de luz, de un disco graduado y de un foto receptor. La diferencia estriba en la graduación o codificación del disco. En este caso el disco se divide en un número fijo de sectores (potencia de 2) y se codifica cada uno con un código cíclico (normalmente un código de Gray); este código queda representado en el disco por zonas transparentes y opacas dispuestas radialmente, como se puede apreciar en la figura. No es necesaria ninguna mejora para detectar el sentido del giro, ya que la codificación de los distintos sectores angulares es absoluta.La resolución de estos sensores es fija y viene dada por el número de anillos que posea el disco, o lo que es lo mismo, el número de bits del código utilizado. Normalmente se usan códigos de 8 a 19 bits.
Tanto los encoders absolutos como los incrementales pueden presentar problemas debido a la gran precisión que es necesaria en el proceso de fabricación. Además son dispositivos especialmente sensibles a golpes y vibraciones.
Potenciometro
Los potenciómetros son unos dispositivos capaces de medir la posición angular y pequeños desplazamientos de posición lineal. Según el tipo de posición a medir tendremos dos tipos distintos de dispositivos pero la idea básica es común.Constan de una resistencia a través de la cual hay una determinada diferencia de potencial. Además hay un contacto unido a la resistencia pero que se puede deslizar a su alrededor; este elemento es conocido como wiper. El wiper se conecta físicamente al elemento cuyo movimiento vamos a medir. Cuando este elemento se mueva el wiper se ira moviendo por la resistencia y la tensión de salida en él (en el wiper) irá cambiando. Si medimos está tensión de salida, podremos determinar cuánto se ha desplazado el wiper, y por lo tanto cuanto se ha desplazado el elemento que pretendíamos controlar.
Transformador diferencial de variación lineal (LVDT)
Como la mayoría de los dispositivos vistos hasta ahora, este tipo de sensores se basan en fenómenos electro-magnéticos. En el LVDT se une al eje cuyo desplazamiento vamos a medir un núcleo ferromagnético. Si situamos este núcleo entre una serie de inductancias, tal y como muestra el esquema, la diferencia de potencial E0 será proporcional al movimiento del núcleo ( y por lo tanto al del eje).Este sistema se utiliza ampliamente debido a su gran resolución, alta linealidad y rápida respuesta. Sin embargo, tiene el inconveniente de que no permite medir grandes desplazamientos (por razones obvias).
Todos los sensores de posición que hemos visto hasta ahora suelen ser usados para medir la posición angular y lineal de uniones de brazos de robot o de efectores finales de los mismos. Quizá la única excepción sean los encoders, que podemos encontrar en algunos sistemas móviles.
A continuación, vamos a ver una serie de métodos para determinar la posición que suelen usarse en los sistemas robóticos móviles.
Giroscopios
Los giroscopios son dispositivos que nos ayudan a medir el ángulo de giro de un objeto. Hay muchos tipos de giroscopio con estructuras muy diversas y complejas, pero todos se basan en el mismo principio, en las propiedades inerciales. Todos hemos realizado alguna vez el experimento de coger una rueda por su eje de giro con las dos manos y hacerla girar. Cuando la rueda gira en su sentido natural notamos que también intenta girar con relación a otro eje, un eje vertical que iría de nuestros pies a nuestra cabeza. Basándose en este principio, los giroscopios son capaces de medir el ángulo de giro de un objeto.Inclinometros
Estos sensores sirven para medir la inclinación, el ángulo de un objeto con respecto a un eje horizontal. Están formados por un electrolito (liquido conductor) situado en un recipiente en el cual hay introducidos dos electrodos de platino enfrentados y ambos con una parte fuera del electrolito. Cuando el sensor se inclina, uno de los electrodos entra más en contacto con el electrolito y el otro menos. Si se miden las corrientes de salida de los electrodos, es posible determinar el ángulo de inclinación.Sistemas basados en "faros"
Estos sistemas están orientados a conocer la posición de un robot móvil en un sistema de coordenadas. El principio básico de funcionamiento, como indica su nombre, es similar al de los faros usados en navegación marítima. La idea consiste en situar una serie de puntos de referencia (cuya posición es conocida) que el robot pueda consultar en cualquier momento (su posición, la distancia a ellos, etc.), y así pueda calcular su posición. El tipo de señal que emiten esos puntos de referencia o "faros" puede ser de muchos tipos, como laser, ultrasonido o radiofrecuencia. Son estas las que ese suelen emplear en sistemas reales. Existen dos subtipos fundamentales: los sistemas pasivos de medición de fase, y los sistemas activos de trilateración mediante radar.Los sistemas del primer tipo, se basan en la comparación del tiempo de llegada de dos señales emitidas simultáneamente desde dos transmisores conocidos. Conocida la diferencia en tiempo de la llegada de esas dos señales, es posible concluir que el robot se encontrará en algún punto de una línea hiperbólica concreta (ver figura). Si repetimos el proceso con más parejas de transmisores, podremos determinar cómo posición del robot el punto de intersección de todas estas líneas hiperbólicas.
Este tipo de medición de la posición tiene un error de unos 100 metros, pero un rango de operación de más de 1500 kilómetros. Es por esto, que suele ser empleado en sistemas que se van a desplazar distancias muy amplias, y en los que no se necesita una excesiva precisión en la medida de la posición, como barcos.
Los sistemas basados en "faros" del segundo tipo, los activos de trilateración mediante radar, se basan en unos elementos fijos llamados transponders. El sistema se dedica a medir el tiempo que tarda en ir y en volver una determinada señal enviada; con este tiempo puede calcular la distancia que hay entre él y ese transponder. Si tenemos las distancias a varios de estos transponders seremos capaces de calcular nuestra posición.
El error cometido en este tipo de sistemas depende del número de transponders; se suelen emplear desde dos hasta dieciséis, y el error puede acotarse a 2 metros. Aunque mejora el tipo anterior, todavía son errores demasiado grandes para las aplicaciones que suelen tener los robots móviles.
Sistema de Posicionamiento Global (GPS)
Este sistema para determinar la posición absoluta en un determinado momento fue desarrollado por el Departamento de Defensa estadounidense. El sistema se basa en una constelación de 24 satélites geoestacionarios, con una frecuencia de órbita de 12 horas y situados a una altura de 10.900 millas náuticas.Para poder usar este sistema de medida se necesita un elemento receptor. Realmente lo que se calcula es la posición de este receptor. El procedimiento es sencillo: el receptor mide el tiempo de vuelo de las señales que le llegan de los distintos satélites y por triangulación es capaz de deducir su posición exacta en términos de longitud, latitud y altitud.
A la hora de utilizar este dispositivo de medida es conveniente tener en cuenta cuatro aspectos:
- El tiempo de sincronización entre los satélites y los receptores
- La precisa localización en tiempo real de la posición de los satélites
- La precisión con la que hay que medir el tiempo de propagación de la señal
- Una relación señal / ruido adecuada a posibles perturbaciones.
Este sistema de medida puede tener una precisión centímetros, pero la posibilidad de ruido y el tiempo que transcurre en todo el proceso, hace que no sea un método adecuado para su uso en robots móviles que se desenvuelven en entornos más bien reducidos (sobre todo comparados con el total de la tierra).
Velocidad
La velocidad es otro de los parámetros internos del robot que puede ser útil para el desarrollo de su tarea. Aunque su importancia es menor que la de la posición, existen algunos métodos para determinar la velocidad (lineal y angular) del robot.El primer método que podemos encontrar es el que se basa en la medida de la posición. Puesto que hemos visto que existe gran diversidad de métodos para calcular la posición del robot, podemos derivar de esta medida la velocidad. Esto se haría aplicando directamente la definición de velocidad, es decir, incremento de posición dividido entre el tiempo.
Aparte de ese sencillo primer método, podemos citar algunos otros un poco más elaborados:
Tacogenerador
Es un dispositivo para medir la velocidad angular. Su funcionamiento es sencillo: convertir la energía rotacional del eje en cuestión en energía eléctrica, proporcional a la rotacional y que puede ser fácilmente medida.Una posible configuración podría ser la que se ve en la figura.
Para generar la corriente a partir del giro se acopla al motor o eje que se va a medir, una espira situada dentro de un campo magnético fijo ( creado por los dos imanes). Al girar el motor, la espira girará en el interior del campo magnético, lo que provocará una corriente eléctrica.
Estos dispositivos pueden llegar a tener una precisión del 0,5 %, por lo que pueden resultar una solución aceptable a la hora de medir la velocidad angular.
Sensores Doppler
Los sensores basados en el efecto Doppler miden la velocidad lineal de un objeto móvil apoyándose en otra superficie. Se basan en la observación del desplazamiento en frecuencia de una radiación emitida por el sensor y reflejada en una superficie que se está moviendo con respecto al robot.Este sistema es usado a menudo en sistemas marítimos, donde se emplean ondas acústicas que se reflejan en la superficie oceánica.
Como se puede apreciar en el dibujo, una vez conocida la velocidad de vuelta de la señal al sensor, se puede calcular mediante una relación trigonométrica simple la velocidad de la superficie ( a partir de la cual se calcularía la velocidad del móvil). Es para calcular la velocidad de vuelta de la señal al sensor cuando se realiza una comprobación del desfase de frecuencias.
LVT (Linear Velocity Transducers)
Este tipo de sensores se basan en un principio electromagnético similar al que veíamos en los sensores de posición LVDT. Los sensores LVT constan de un núcleo magnético permanente en forma de varilla; este núcleo es el que es conectado al dispositivo cuya velocidad vamos a medir. Arriba y abajo de la varilla se disponen dos espirales conductoras. Por la ley de Faraday, en las espiras se desarrolla una diferencia de potencial proporcional al cambio en el campo magnético al que están sometidas. Puesto que el núcleo es un imán permanente, el cambio en el campo sólo puede estar provocado por el movimiento de dicho núcleo. Así, si medimos la diferencia de potencial en las espiras podremos deducir la velocidad a la que se ha movido el núcleo y, por consiguiente, el elemento de interés.Aceleración
El último tipo de sensores internos que vamos a ver son los sensores para el cálculo de la aceleración. La aceleración es una variable interna del robot cuyo valor es utilizado para aplicaciones bastante concretas; no obstante existen una serie de métodos y sensores para su cálculo.Al igual que ocurría con la velocidad, la primera manera que podemos pensar para conocer la aceleración de un robot es derivar de la velocidad, de forma análoga a como se puede conocer la velocidad a partir de la posición. Sin embargo, este sistema no suele aportar demasiados buenos resultados. Es por esto que también existen sensores especializados en el cálculo de la aceleración. La mayoría de ellos se basan en la segunda ley de Newton, de forma que si conocemos la masa del robot y la fuerza que está ejerciendo un determinado motor podríamos conocer la aceleración. Vamos a ver dos dispositivos concretos para el cálculo de la aceleración.
Servo-acelerómetro
Este es un dispositivo para medir la aceleración angular. El dispositivo cuya aceleración de giro vamos medir se conecta a un péndulo. Cuando gira dicho elemento el péndulo lo hace con él. Un sensor de posición capta el movimiento del péndulo y mediante un circuito electrónico se compara la señal del sensor de posición con una señal de referencia. Entonces un motor de rotación aplica una fuerza al péndulo determinada por ese circuito electrónico y que hace girar al péndulo en sentido opuesto al del elemento. La posición en la que se detiene el péndulo es proporcional a la aceleración inicial aplicada.Estos sensores pueden medir aceleraciones de hasta 1000 radianes por segundo al cuadrado y con precisiones muy elevadas.
