Sensores

Sensores
J. García y J. Rojas

Introducción
 Los robots pueden desenvolverse en
un medio gracias al uso de los
sensores.
 Definimos sensor como un dispositivo
que capta señales y las transforma en
señales eléctricas para un posterior
tratamiento por ordenador.

Introducción
 Este proceso consta de tres fases:
1. El sensor capta el fenómeno y lo
convierte en señal eléctrica.
2. Ésta se modifica para obtener unos
parámetros que puedan ser
comprendidos por el ordenador.
3. A veces es necesario amplificar la
señal.

Conversion A/D
 Aproximamos por una serie de
valores discretos. A cada
intervalo de tiempo una tensión
constante.
25628
8,2
==RV
 Cada valor discreto en un
código de 8 bits. ¿Cómo
podríamos hacerlo?

Sensores de proximidad
 Presentan una salida binaria que indica
la existencia de objetos dentro del
espacio de trabajo.
 Se utilizan normalmente para agarrar o
evitar objetos.
 Se pueden estudiar cuatro tipos de
sensores de proximidad.

Sensores inductivos
 Se trata de un
arrollamiento sobre
un imán.
 Cuando el sensor se
acerca a un objeto
ferromagnético las
líneas de flujo
cambian.

Sensores inductivos
 La polaridad de la señal depende de si
el objeto se aleja o se acerca.
 El inconveniente de este tipo de
sensores es que su sensibilidad es de
pocos milímetros.
 Para crear una señal binaria
comparamos las mediciones con un
valor de referencia.

Sensores de efecto Hall
 Este efecto relaciona la tensión entre
dos puntos de un material con el campo
magnético que lo atraviesa.
 Si utilizamos un imán podremos captar
siempre un campo magnético que se
debilitará debido a la curvatura de las
líneas de campo cuando el sensor se
acerque a un material ferromagnético.

Sensores de efecto Hall
 Los sensores están
basados en la ley de
Lorentz de la fuerza.
 Si la intensidad está
provocada por el
movimiento de los
electrones, al acercarse
éstos al imán perderán
fuerza (disminuye la
intensidad del campo) y
la tensión será menor.

Sensores capacitivos
 Se basan en la propiedad que tienen los
condensadores de acumular la energía
eléctrica.
 La capacidad depende de manera
proporcional de la permitividad eléctrica del
medio y de la superficie de las placas,
además de la distancia de las placas de
manera inversamente proporcional. Así que
realizando torsiones o moviendo las placas o
el dieléctrico cambiaremos la capacidad.

 El cambio de capacidad provoca un
cambio de la tensión del sensor, que
será un valor mayor si el objeto se
acerca.
 La sensibilidad de estos aparatos
decae rápidamente con la distancia
pero pueden detectar sólidos y líquidos,
además de los objetos ferromagnéticos.

 Los transformadores diferenciales
basan su funcionamiento en los efectos
de inducción entre bobinas que
engloban a un núcleo metálico.
 Si el objeto desplaza al núcleo
cambiarán las corrientes que atraviesen
las bobinas pudiendo así captar la
variación de tensión.

Sensores ultrasónicos
 No dependen de la
clase de material.
 Su esquema es un
transductor de
cerámica
piezoeléctrica
recubierto de resina
protectora.

 El sensor debe tener buenas
propiedades de amortiguamiento.
 Además, el haz acústico que capte
debe ser bastante estrecho.
 Para conocer su funcionamiento
debemos conocer las formas de onda
que se emplean en el proceso.

 La onda A es la de conmutación y controla la
transmisión.
 La onda B es la señal que se recibe, así
como su eco.
 La onda C indica dónde se localizan y cuánto
duran las perturbaciones.
 La onda D es una ventana de tiempo para
diferenciar las ondas entrantes y salientes.

 La onda E está a nivel alto siempre y
cuando se reciba un eco cuando la
onda D esté a nivel alto.
 La onda E está a nivel bajo después de
esto si encuentra que la onda A está a
nivel bajo.
 La onda F está a nivel alto cuando lo
esté E.

 La onda F estará a nivel bajo si E está
a nivel bajo y se produce una
conmutación en A.
 De esta manera F está a nivel alto
siempre que exista un objeto cercano y
se localizará mediante la forma de onda
D, pues conocemos los intervalos de
tiempo y la velocidad del sonido.

Potenciómetros
Sensores de desplazamientos lineales y
giros
 Distintas diferencias de
potencial para distintos
desplazamientos.
 Desplazamiento ->
potenciometro lineal
 Giro -> potenciómetro
rotatorio

giros
Potenciómetros lineales
Ve
Vs
LL
L
Vs
L
Ve
CL
Vs
CL
Ve
CL
Vs
R
Vs
IIRVs
CL
Ve
R
Ve
IIRV
T
T
T
TT
Te
=
=
=
==→=
==→=
1
1
1
11
1
1LLL T −=

giros
Potenciómetros rotatorio
Ve
Vs
VsVe
r
Vs
L
Vs
R
Vs
IIRVs
r
Ve
L
Ve
R
Ve
IIRV
T
T
TTT
Te
θθ
θθ
θ
θ
=
=
===→=
===→=
1
1
111
1
1θθθ −= T
 Bajo coste
 Problema de fiabilidad debido
a desgaste, fricción, polvo...

 Disco con orificios
 Luz colimada de
forma correcta
 fotorreceptor
giros
Encóders ópticos

 Problemas:
 ¿Y si da más de una
vuelta?
 ¿Gira en un sentido o
en otro?
giros
Encóders ópticos

giros
Encóders ópticos absoluto
 El disco en lugar de
agugeros tiene zonas claras
y oscuras
 En cada sector lo que
detectan los foto... es único
 Se codifica en código Gray
 No mide lo que gira sino que
mide donde está.
 Está dividido en 4 zonas.
 Conbinaciones distintas:
RV(2,3)=2^3=8

giros
Encóders ópticos absoluto
RV(2,4)=2^4=16
Cientos de celdas por grado
de rotación
-Mucha precisión
-Demasado sensible a variables
ambientales, golpes ...

Sensores de tacto
 Con éstos se obtiene información sobre
el contacto del manipulador y el objeto,
permitiendo conocer su localización y la
fuerza ejercida sobre el objeto.
 Se distinguen dos clases de sensores
de tacto: binarios y analógicos.

Sensores binarios
 Constan de interruptores que al
cerrarse indican la presencia de un
objeto.
 Se utilizan en el manipulador para
agarrar al objeto.
 Si están colocados en el exterior del
manipulador sirven para desenvolverse
en el espacio de trabajo.

Sensores analógicos
 La salida que presentan es proporcional a la
fuerza ejercida sobre ellos.
 El sensor analógico más simple de este tipo
es una varilla con resorte que está conectada
a una rueda dentada.
 Si se ejerce una fuerza sobre la varilla la
rueda se moverá y mediante un
potenciómetro o una rueda de código
sabremos cuál ha sido la rotación.

 Normalmente los
sensores analógicos se
encuentran en la parte
interior del manipulador
y los binarios en el
exterior del mismo.
 Los sensores
analógicos se agrupan
en una unidad llamada
array.

 Existe un método basado en utilizar un
array de electrodos en contacto
eléctrico con un material conductor
dúctil cuya resistencia varía en función
de la compresión.
 Estos dispositivos se denominan pieles
artificiales.

 En el caso A los electrodos poseen una
configuración de ventana y están
conectados todos a un conductor que
los separa de una masa común.
 Cualquier compresión hará que la
corriente circule desde la masa común
hasta los electrodos.

 En el caso B los electrodos están
enlazados y en el mismo plano que
circuitos activos. Los electrodos están
en contacto con un material conductor.
 Las deformaciones del material son
interpretadas por los circuitos.

 El caso C consta de dos arrays de
detección mediante electrodos largos y
estrechos que se cruzan y están
separados por un material conductor.
 Una compresión se medirá excitando
eléctricamente a cada uno de los
electrodos y viendo la diferencia de
valores medidos con los de referencia.

 El caso D presenta un medio que es
conductor en una sola dirección.
Separado por una malla se encuentra
el array lineal de electrodos.
 La deformación hace que la malla no
impida el contacto entre el conductor y
el array.

 En los casos C y D necesitamos diodos
para ignorar los efectos de inducción
que se producen en las intersecciones.
 Otro método consistiría en poner a
masa todos los electrodos no
excitados, midiendo así todas las
contribuciones.

 El método de Bejczy nos permite medir las
fuerzas laterales que se producen en el
sensor.
 Se utiliza una esfera dentada que al moverse
desplaza a una varilla insertada en un disco.
El disco toca a unos circuitos localizando así
el sentido y la frecuencia con que se produce
el contacto, conociendo así la fuerza
aplicada.

Sensores de luz  emisor
receptor
Diodos LED (emisor)
LED (Light Emitting Diode)
 ¿Por qué no se utiliza como
bombilla?
 Suele emitir en una lambda
característica.
 Una unión p-n
 Al ponerle una AV se
recombinan y disminuye la
energía
Corriente  Luz

receptor
Fotodiodos y fototransistores (receptores)
Luz  Corriente
 La luz le da a los e- la
energía suficiente como para
arrancarlos de los átomos
 El amplificador amplifica la
señal

receptor
Fotodiodos y fototransistores (receptores)
 a,b) Detecta
obstáculo por
interrupción
 c) Mide distancias

Medias de fuerza y par
 Se utilizan las galgas extensiométricas que
relacionan las deformaciones con la variación
de resistencia.
 Es necesario conocer la sensibilidad de cada
material a la hora de construir las galgas.
 Las de semiconductor son más sensibles,
pero sus variaciones no son lineales y
dependen de la temperatura.

Medidas de fuerza y par
 Estos dispositivos se
utilizan en las
articulaciones del robot.
 Las tensiones medidas
se relacionan con la
fuerza y el par mediante
una matriz obtenida por
calibración.

Medidas de fuerza y par
 Generalmente, la matriz obtenida no es
cuadrada, por lo que habrá que calcular
su pseudoinversa.
 Estos dispositivos deben ser bastante
rígidos para desenvolverse en medios
hostiles a la vez que deben ser
sensibles para detectar pequeñas
fuerzas.

Sensores de velocidad y aceleración
Sensores de velocidad
temporalperiodo
angularciadis
rpm
tan
=

 Si conocemos la
deformación de muelle
 Podemos hallar la
aceleración
Sensores de velocidad y aceleración
Sensores de aceleracion
xa
kxma
KxF
m
K=
=
−=
 ¿Cómo medimos la
deformación?
S
l
R ρ=  Midiendo R podemos
conocer l=x

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