Conceptos generales Descripción y funcionamiento de los sensores de los Robots
Un robot es por definición una máquina que es capaz de interactuar con su entorno. Si es móvil, debe ser capaz de adaptar sus movimientos y acciones de interacción a las características físicas del entorno en el que se encuentra y de los objetos que hay en él, a menos que se mueva en un espacio totalmente cerrado y preparado.
Para lograr esta adaptabilidad, los robots deben tener primero conocimiento de su entorno. Esto es absolutamente crucial. Para conocer su entorno, los seres vivos tienen un sistema sensorial. Los robots no pueden ser menos: deben tener sensores que les permitan saber dónde están, cómo es el lugar, a qué condiciones físicas están expuestos, dónde están los objetos con los que tienen que interactuar, sus parámetros físicos, etc.
Para ello se utilizan varios tipos de sensores (o sensores), que varían en complejidad y sofisticación, desde algunos bastante sencillos hasta otros con una gran sofisticación de hardware y una programación aún más compleja.
Detalles sobre los sensores para los robots
Hay una variedad de dispositivos diseñados para percibir información externa de cantidad física y convertirla en un valor electrónico que puede introducirse en el circuito de control para que el robot sea capaz de cuantificarla y reaccionar en consecuencia.
Un sensor está formado por un elemento sensible a una cantidad física -como la intensidad o el color de la luz, la temperatura, la presión, el magnetismo, la humedad- y debe ser capaz de transformar esa cantidad física, por medio de sus propias características o de dispositivos intermedios, en una variación eléctrica que pueda ser alimentada en un circuito que la utilice directamente o, si no en una etapa previa, la condicione (amplificación, filtrado, etc.) para que finalmente pueda ser utilizada para el control de los robots.
Cantidades físicas que deben ser medidas para que un robot tenga algún conocimiento de su entorno:
Luz (con su rango espectral: visible, infrarrojo, ultravioleta)Sonido y ultrasonidoGravedad (inclinación, posición)TemperaturaHumedadPresión y/o fuerzaVelocidadMagnetismoProximidad posicionalDistancia
Diferentes tipos de sensores:
Sensores de luz
Elementos sensibles
LDRs o foto resistencias (resistencias que cambian con la incidencia de la luz)
Células fotovoltaicas o fotodiodos
Fototransistores
Cámaras de videoCCDC
Módulos integrados
Ranura reflectante
Sensores de presión y fuerza
Elementos sensibles
Microinterruptores
Sensores de presión
Sensores de fuerza
Sensores de contacto (sándwich, bigotes, antenas)Piel de robot
Sensores de sonido
Elementos sensibles
Micrófonos Sensores piezoeléctricos Módulos integrados
Sensores de medición de distancia
Módulos integrados
Medidores de distancia ultrasónicos
Medidores de distancia de rayos infrarrojos
Sensores de gravedad (posición)
Sensores de aceleración y vibración
Sensores de péndulo (inclinómetros)
Contactos de mercurio
Giroscopios
Sensores de temperatura
TermistoresRTDs (Termoresistores)Termopares, Termopares
Diodos
Circuitos integrados
Pirosensores (retirados)
Sensores de humedad
Sensores capacitivos
Sensores resistentes
Módulos integrados
Sensores de velocidad
Tacómetro
Codificador
Sensores magnético
Efecto Hall
Compases electrónicos
Interruptores magnéticos
Sensores de localización geográficaGPS
Receptores de radiobaliza
Sensores de proximidad
Sensores capacitivos
Sensores inductivos
Sensores reflectantes e interceptores (ranura)
Los sensores de objetos reflectantes se basan en el uso de una fuente de señal de luz (lámparas, LED, diodos láser, etc.) y una célula que recibe el reflejo de esta señal, que puede ser un fotodiodo, un fototransistor, un LDR o incluso chips especiales como receptores de control remoto. Con elementos ópticos similares, es decir, transmisor-receptor, hay sensores de "ranura" (en algunos lugares los he llamado "barrera"), en los que se establece un haz directo entre el transmisor y el receptor, con un espacio entre ellos que puede ser ocupado por un objeto.
LDR (resistencia dependiente de la luz)
Un LDR es una resistencia que varía su valor de resistencia eléctrica dependiendo de la cantidad de luz que cae sobre él. También se conoce como foto-resistencia o foto-resistencia. El valor de resistencia eléctrica de un LDR es bajo cuando la luz cae sobre él (en algunos casos puede caer hasta 50 ohmios) y muy alto cuando está oscuro (puede ser de varios megaohmios).
Fotocélulas o células fotovoltaicas
La conversión directa de la luz en electricidad a nivel atómico se llama generación fotovoltaica. Algunos materiales tienen una propiedad conocida como el efecto fotoeléctrico, que hace que absorban fotones de luz y emitan electrones. Cuando estos electrones libres emitidos son capturados, se crea una corriente eléctrica que puede ser utilizada como energía para alimentar los circuitos. Por supuesto, la misma energía puede ser usada para detectar y medir la luz.
Fotodiodos
El fotodiodo es un diodo semiconductor que se construye con una unión PN, como muchos otros diodos utilizados en diversas aplicaciones, pero en este caso el semiconductor se expone a la luz a través de una cubierta cristalina y a veces en forma de lente, y debido a su diseño y construcción es particularmente sensible a la incidencia de la luz visible o infrarroja. Todos los semiconductores tienen esta sensibilidad a la luz, aunque en el caso de los fotodiodos especialmente diseñados para este fin, la construcción está diseñada para una máxima sensibilidad.
Fototransistores
Los fototransistores no se diferencian mucho de un transistor normal, es decir, están hechos del mismo material semiconductor, tienen dos terminales y las mismas tres conexiones externas: colector, base y emisor. Al ser un elemento fotosensible, la primera diferencia obvia es, por supuesto, la cápsula, que tiene una ventana o es completamente transparente para que la luz pueda penetrar hasta las uniones de la tableta semiconductora y producir el efecto fotoeléctrico.
Cámaras de CCD y video
La abreviatura CCD significa Dispositivo de Acoplamiento de Carga. El CCD es un circuito integrado. La principal característica de este circuito es que tiene un conjunto de células sensibles a la luz dispuestas en una matriz físico-eléctrica, lo que permite "empaquetar" un gran número de elementos sensibles en una pequeña superficie y procesar esta gran cantidad de información de la imagen (para extraerla del microcircuito) de una manera relativamente sencilla sin necesidad de grandes recursos de conexiones y circuitos de control.
Microinterruptores
No es necesario decir mucho sobre estos componentes (llamados "microinterruptores" en inglés), que son muy comunes en la industria y ampliamente utilizados en equipos electrónicos y de automatización.
Seguramente la colección de fotos que se muestra a la izquierda será suficiente.
Sensores de presión
En la industria hay una amplia gama de sensores de presión, la mayoría de los cuales están diseñados para medir la presión de un líquido en una membrana. En la robótica, puede ser necesario tomar medidas de los fluidos hidráulicos (para dar un ejemplo), aunque es más probable que los manómetros disponibles con la adaptación adecuada sean útiles como sensores de fuerza (el esfuerzo de una pieza mecánica, como el brazo de un robot). Cabe mencionar un sensor integrado de silicio como el MPX2100 de Motorola, que es pequeño y asequible.
Sensores de fuerza
Un sensor de fuerza ideal para su uso en la robótica es el sensor FlexiForce. Es un elemento completamente plano integrado en una fina y flexible placa de circuito impreso. Esta forma plana facilita la colocación del sensor entre dos partes de la mecánica de nuestro sistema y la medición de la fuerza aplicada sin perturbar la dinámica de la prueba. Los sensores FlexiForce utilizan una tecnología basada en la variación de la resistencia eléctrica de la superficie del sensor. La aplicación de una fuerza a la zona activa del sensor da lugar a un cambio en la resistencia eléctrica del elemento sensor en proporción inversa a la fuerza aplicada.
Sensores de contacto (de choque)
Para detectar el contacto físico del robot con un obstáculo, a menudo se utilizan interruptores que son operados por actuadores físicos. Un ejemplo muy clásico sería el de los cables elásticos que realizan una función similar a las antenas de los insectos. Se llaman "bigotes" y se refieren a los sensibles bigotes de animales como perros y gatos. También usan bandas metálicas alrededor del robot o su parte delantera y/o trasera como parachoques.
Pieles robóticas
El mercado ha producido recientemente sensores planos, flexibles y alargados llamados "piel de robot". Uno de esos productos está siendo creado por investigadores de la Universidad de Tokio. Es una serie de sensores de presión montados en una superficie flexible y diseñados para equipar a los robots con una de las capacidades de nuestra piel: la sensibilidad a la presión.
Micrófonos y sensores de sonido
El uso de micrófonos en un robot se puede encontrar en dos aplicaciones: en primer lugar, dentro de un sistema de medición de distancias, donde el micrófono recibe los sonidos emitidos por el propio robot después de rebotar en los obstáculos que tiene delante, es decir, un sistema de sonar; y en segundo lugar, un micrófono que capta los sonidos ambientales y los utiliza de alguna manera, como por ejemplo, recibiendo comandos por palabras o sonidos y, un poco más allá, determinando la dirección de estos sonidos. Ahora que se habla tanto de los robots espías, hay por supuesto micrófonos que captan los sonidos del ambiente y los transmiten a un lugar remoto.
Ultrasonic Ranger
Los distanciómetros ultrasónicos usados en los robots son esencialmente un sistema de sonar. En el módulo de medición, un emisor inicia una secuencia de impulsos ultrasónicos y espera el rebote. Se mide el tiempo entre la emisión y el retorno, lo que da la distancia entre el emisor y el objeto donde se produjo el rebote. Se pueden identificar dos estrategias para estos dispositivos de medición: los que tienen un transmisor y un receptor separados y los que funcionan (por medio del circuito) alternativamente en el mismo transmisor/receptor piezoeléctrico. Este último es el caso de los telémetros contenidos en las cámaras Polaroid con autorrango, que se obtienen por desmontaje y se utilizan en la robótica experimental personal.
Hay dos sensores característicos que se utilizan en los robots: 1. Los módulos ultrasónicos contenidos en las antiguas cámaras Polaroid con autorango, que están disponibles en el mercado de segunda mano por relativamente poco dinero. 2. los módulos SRF de Devantech, que son capaces de detectar objetos a una distancia de hasta 6 metros y conectarlos al microcontrolador a través de un bus I2C.
Medidores de distancia de radiación infrarroja
Sharp produce una gama de dispositivos de medición de distancia infrarroja que forman la familia GP2DXXX. Estos sensores infrarrojos detectan objetos a diferentes rangos de distancia y en algunos casos proporcionan información de distancia para algunos modelos, como el GP2D02 y el GP2D12. El método de detección de estos sensores es la triangulación. El rayo es reflejado por el objeto y golpea una pequeña línea de CCD que puede determinar la distancia y/o la presencia de los objetos en el campo de visión. En el caso de los sensores que proporcionan un nivel de salida analógico para indicar la distancia, el valor no es lineal con respecto a la distancia medida y debe utilizarse una tabla de conversión.
Sensores de aceleración, sensores de vibración
Un acelerómetro es un dispositivo que mide el movimiento y las vibraciones a las que se somete un robot (o parte de él) en su modo de medición dinámico y la inclinación (con respecto a la gravedad) en su modo estático. De los antiguos acelerómetros mecánicos, que eran grandes y difíciles de construir porque contenían imanes, muelles y bobinas (en algunos modelos), pasamos a los dispositivos integrados, en los que los elementos sensibles se generan en los propios microcircuitos. Estos sensores, que están disponibles en forma de circuito integrado, son los que se utilizan normalmente en la robótica experimental. Uno de los acelerómetros integrados más conocidos es el ADXL202, que es muy pequeño, versátil y asequible.
Sensores de péndulo (inclinómetros)
Es evidente que la inclinación de un robot puede medirse fácilmente con las capacidades de medición estática del sensor ADXL202 descrito anteriormente. Las ventajas de este sensor son grandes debido a su pequeño tamaño, sólida integración y fácil conexión a los microcontroladores. Sin embargo, hay otras soluciones para determinar la posición de la perpendicular (basada en la gravedad), que enumeraremos brevemente.
El mercado ofrece dispositivos con diferentes soluciones mecánicas, todas basadas en un peso, a veces suelto pero flotando en un medio viscoso, a veces en una rueda cargada en un lado de su circunferencia, a veces en una bola. Incluso hay sensores basados en el movimiento de un fluido viscoso y conductor de electricidad dentro de una cavidad. En muchos casos, las partes móviles se sumergen en aceite para evitar que la masa del péndulo oscile. Los sensores pueden basarse en efectos de variación capacitiva, electrolítica, torsional (piezoeléctrica), magnética (inducción en bobinas) y resistiva.
Los contactos de Mercurio
También para medir la inclinación, pero en este caso sin productos intermedios, sino simplemente para obtener un contacto abierto o cerrado, hay llaves o contactos de mercurio que consisten en un cilindro (generalmente de vidrio) en el que hay que cerrar dos contactos y una cantidad suficiente de mercurio que se puede empujar a uno u otro extremo del cilindro y cerrar el contacto.
Giroscopios
El giroscopio se basa en un fenómeno físico conocido desde hace mucho tiempo: una rueda giratoria resiste el cambio de plano de rotación (es decir, la dirección del eje de rotación). Esto se debe a lo que se conoce en la física como el "principio de conservación del momento angular".
Con los robots experimentales normalmente no vemos volantes giratorios. Lo que se utiliza a menudo son pequeños sensores, como los que se utilizan en los modelos de helicópteros y robots, que se basan en integradores cuya "alma" son pequeñas lenguas vibratorias construidas directamente en el chip de silicio. Su detección se basa en el hecho de que las piezas de cerámica que vibran están sujetas a una distorsión generada por el efecto Coriolis.
Termistores
Un termistor es una resistencia cuyo valor varía según la temperatura. Hay dos clases de termistores: NTC (coeficiente de temperatura negativo), que es una resistencia variable cuyo valor disminuye con el aumento de la temperatura, y PTC (coeficiente de temperatura positivo), cuyo valor de resistencia eléctrica aumenta con el aumento de la temperatura.
La lectura de las temperaturas dentro de un robot, tanto en el interior como en el exterior, puede ser extremadamente importante para proteger los circuitos, motores y estructuras de la posibilidad de un peligroso calentamiento debido a la fricción, el voltaje, los bloqueos o cualquier tipo de sobrecalentamiento mecánico.
RTD (Dispositivo de Resistencia Térmica)
Los sensores RTD (Resistance Temperature Detector) basados en conductores de platino y otros metales se utilizan para medir las temperaturas por contacto o inmersión, especialmente para una gama de altas temperaturas en la que no se pueden utilizar semiconductores u otros materiales sensibles. Funcionan por el hecho de que la resistencia eléctrica en un metal aumenta con el aumento de la temperatura.
Termopares
El sensor de un termopar se forma al unir dos partes de metales diferentes. La unión de los metales crea un voltaje muy pequeño que varía con la temperatura. Su valor es del orden de los milivoltios y aumenta proporcionalmente a la temperatura. Este tipo de sensor cubre un amplio rango de temperaturas: -180 a 1370 °C.
Diodos para la medición de la temperatura
Un diodo semiconductor ordinario puede usarse como sensor de temperatura. Un diodo es el sensor de temperatura más barato que se puede encontrar, y aunque es tan barato, puede dar resultados más que satisfactorios. Todo lo que se requiere es una buena calibración y mantener una corriente de excitación bien estable. El voltaje a través de un diodo que lleva corriente continua tiene un coeficiente de temperatura de unos 2,3 mV/°C, y la variación es razonablemente lineal dentro de un rango. Se debe establecer una corriente de excitación básica y es mejor utilizar una fuente de corriente constante o una resistencia conectada a una fuente de voltaje estable.
Circuitos integrados para la medición de la temperatura
Hay una variedad de circuitos integrados de sensores de temperatura disponibles (para una lista con información detallada, por favor haga clic en el siguiente enlace). Estos sensores se agrupan en cuatro categorías principales: salida de voltaje, salida de corriente, salida de resistencia y salida digital. Para la salida de voltaje, encontramos los muy populares LM35(°C) y LM34 (°K) de National Semiconductor. Con la salida de corriente, uno de los más populares es el AD590 de Analog Devices. Con la salida digital encontramos el LM56 y el LM75 (también de National). Más raros son los que tienen salida de resistencia, fabricados por Phillips y Siemens.
Sensores pirotécnicos (sensor remoto de llama)
Hay sensores que se basan en la detección de un rango muy estrecho de rayos ultravioleta y permiten determinar la presencia de un incendio a buena distancia. Con los circuitos suministrados por el fabricante, uno de estos sensores (construido con la lámpara UVTron) puede detectar un fósforo encendido (fósforo) a una distancia de 5 metros en una habitación soleada. En el mercado de los sensores industriales encontrará una amplia variedad de sensores remotos de llama, algunos de ellos detectan el ultravioleta y otros se basan en el infrarrojo, aunque por lo que puedo ver la mayoría de ellos son bastante grandes. Otro sensor utilizado en la robótica, en este caso sensible a los infrarrojos, es el módulo TPA81.
Sensores de humedad
La detección de la humedad es importante en un sistema cuando tiene que operar en entornos que no se conocen de antemano. El exceso de humedad puede afectar a los circuitos y también a la mecánica de un robot. Por esta razón, hay una variedad de sensores de humedad, incluyendo sensores capacitivos y resistivos, más simples y algunos integrados con diferentes niveles de complejidad y rendimiento.
Afortunadamente, existen módulos pequeños, versátiles y asequibles para su uso en robótica, como el SHT11 de Sensirion.
Sensores magnéticos
En la robótica, algunas situaciones de medición ambiental pueden requerir el uso de elementos de detección sensibles a los campos magnéticos. Si nuestro robot tiene que moverse en ambientes fuera de un laboratorio, una aplicación importante es básicamente una brújula, que es parte de un sistema de orientación para nuestro robot. Otra aplicación es la medición directa de los campos magnéticos del entorno, que podrían ser peligrosos para el "cerebro" de nuestro robot si su intensidad es significativa. Una tercera aplicación es la medición de sobrecorrientes en la parte del motor (registrando la fuerza del campo magnético generado por un conductor en la fuente de alimentación). Los sensores magnéticos también pueden encontrarse en la medición del movimiento, como el uso de detectores de "movimiento cero" y tacómetros basados en sensores de efecto Hall o transductores magnéticos.
Sistema de posicionamiento global
Aunque parezca demasiado lujoso para nuestros experimentos, la verdad es que un sistema de posicionamiento global (GPS) proporciona una serie de datos que pueden ser muy útiles para un robot avanzado. Un ejemplo de este servicio es el módulo DS-GPM producido por Total Robots, que proporciona datos sobre la latitud y la longitud, la altitud, la velocidad, la hora y la fecha, y la posición del satélite. Estos datos se transfieren desde los conjuntos de datos del módulo a través de las interfaces I2C y RS232. Aunque no es barato, no es realmente tan inaccesible: un dispositivo con estas características se vende en el mercado estadounidense por unos 400 dólares.
Receptor de la baliza
Con la ayuda de un grupo de transmisores de radiofrecuencia codificados ubicados en lugares conocidos por el sistema, es posible determinar la posición exacta de un robot simplemente triangulándola. Para ello, el robot debe tener una antena receptora direccional (con reflector parabólico o similar) que pueda girar 360° y así poder determinar la posición de las radiobalizas. En el robot se pueden utilizar receptores integrados muy pequeños y baratos como el RWS-433 o el RXLC-434 y otros receptores similares que operan a frecuencias entre 303 y 433 Mhz. La elección de los transmisores depende de la distancia a la que se encuentren las balizas, pero si las zonas son limitadas, es posible utilizar módulos transmisores emparejados con los anteriores, como el TWS-433 y el TXLC-434.
Los sensores de proximidad
Los sensores de proximidad en la industria son el resultado de la necesidad de indicadores de posición donde no hay contacto mecánico entre el actuador y el sensor. Pueden ser del tipo lineal (sensores de desplazamiento) o del tipo interruptor (el cambio entre dos estados indica una posición específica). Hay dos tipos de sensores de proximidad muy utilizados en la industria: inductivos y capacitivos.
Los interruptores de proximidad inductivos se basan en el fenómeno de amortiguación que se produce en un campo magnético por las corrientes inducidas (corrientes de remolino) en los materiales del entorno. El material debe ser metálico. Los condensadores funcionan detectando las fluctuaciones de la capacitancia parásita entre el propio detector y el objeto cuya distancia se va a medir. Se utilizan para medir las distancias a objetos metálicos y no metálicos como la madera, los líquidos y los plásticos.
