La web del profe

Sensors

• Sensors interns
• Sensors externs

Per aconseguir que un robot realitzi la seva tasca amb l’adequada precisió, velocitat i intel · ligència, caldrà que tingui coneixement tant del seu propi estat com l’estat del seu entorn. La informació relacionada amb el seu estat (fonamentalment la posició de les seves articulacions) l’aconsegueix amb els anomenats sensors interns, mentre que la que es refereix a l’estat del seu entorn, s’adquireix amb els sensors externs. (Vegeu també sensors en robots mòbils).

Sensors interns

Entre els sensors interns es troben aquests diferents tipus:

• de posició
• de velocitat
• de presència

Sensors de posició

Per al control de posició angular s’utilitzen fonamentalment els anomenats encoders i resolvers. Els potenciòmetres donen baixes prestacions pel que no s’empren excepte en comptades ocasions (robots educacionals, eixos de poca importància).

• Codificadors angulars de posició (encoders)

Els codificadors òptics o encoders incrementals consten, en la seva forma més simple, d’un disc transparent amb una sèrie de marques opaques col·locades radials i equidistants entre si, d’un sistema d’il·luminació en què la llum és colimador de forma adequada, i d’un element fotoreceptor. L’eix la posició es vol mesurar va acoblat al disc transparent. Amb aquesta disposició, a mesura que l’eix giri s’aniran generant polsos en el receptor cada vegada que la llum travessi cada marca, i portant un compte d’aquests polsos és possible conèixer la posició de l’eix.

Existeix, però, el problema del desconeixement en un moment donat de si s’està realitzant un gir en un sentit o en l’oposat, amb el perill que suposa no estar comptant adequadament. Una solució a aquest problema consisteix en disposar d’una altra franja de marques, desplaçada de l’anterior de manera que el tren de polsos que amb ella es generi estigui desplaçat 90 ° elèctrics respecte al generat per la primera franja. D’aquesta manera, amb un circuit relativament senzill, és possible obtenir una senyal addicional que indiqui quin és el sentit de gir i que actuï sobre el comptador corresponent indicant que incrementi o redueixi el compte que s’està realitzant. És necessari a més de disposar d’una marca de referència sobre el disc que indiqui que s’ha donat una volta completa i que, per tant, s’ha de començar el compte de nou. Aquesta marca serveix també per poder començar a comptar després de recuperar-se d’una caiguda de tensió.

Esquema de funcionament del codificador angular de posició encoder

La resolució d’aquest tipus de sensors depèn directament del nombre de marques que es poden posar físicament al disc. Un mètode fàcil augmentar aquesta resolució és, no solament comptabilitzar els flancs de pujada dels trens de polsos, sinó comptabilitzar també els de baixada, incrementant així la resolució del captador, podent arribar, amb ajuda de circuits addicionals, fins a 100.000 polsos per volta.

El funcionament bàsic dels codificadors o encoders absoluts és semblant al dels incrementals. Es té una font de llum amb les lents d’adaptació corresponents, un disc graduat i uns fotoreceptor. En aquest cas, el disc transparent es divideix en un nombre determinat de sectors (potència de 2), codificats cadascun d’ells segons un codi binari cíclic (normalment codi de Gray) que queda representat per zones transparents i opaques disposades radial. No cal ara cap comptador o electrònica addicional per detectar el sentit del gir, doncs cada posició (sector) és codificat de manera absoluta. Seva resolució és fixa, i vindrà donada pel nombre d’anells que tingui el disc graduat. Les resolucions habituals van des 2 8 a 2 19 bits (des de 256 a 524288 posicions diferents).

Normalment els sensors de posició s’acoblen a l’eix del motor. Vist que en la major part dels casos entre l’eix del motor i el de l’articulació se situa un reductor de relació N, cada moviment de l’articulació es veurà multiplicat per N en ser mesurat pel sensor. Aquest augmentés així la seva resolució, multiplicant per N.

En alguns encoders absoluts s’utilitza un altre encoder absolut més petit connectat per un engranatge reductor al principal, de manera que quan aquest gire una volta completa, el codificat addicional avançarà una posició. Són els anomenats encoder absoluts multivoltes.

Aquesta mateixa circumstància originarà que en el cas dels codificadors incrementals el senyal de referència o marca de zero, sigui insuficient per detectar el punt origen per compte de polsos, doncs caldrà N possibles punts de referència per a un gir complet de l’articulació. Per distingir quin d’ells és el correcte se sol utilitzar un detector de presència anomenat sincronisme, acoblat directament al baula del robot que es consideri. Quan es connecta el robot des d’una situació d’apagada, cal, executar un procediment de recerca de referències per als sensors (sincronitzat). Durant la seva execució es llegeixen els detectors de sincronisme que detecten la presència o absència de baula del robot. Quan es detecta la presència o absència de peça, o viceversa, s’atén el encoder incremental, prenent com a posició d’origen la corresponent al primer pols de la marca de zero que aquell generi.
Els encoders poden presentar problemes mecànics a causa de la gran precisió que s’ha de tenir en la seva fabricació. La contaminació ambiental pot ser una font d’interferències en la transmissió òptica. Són dispositius particularment sensibles a cops i vibracions, estant el seu marge de temperatura de treball limitat per la presència de components electrònics.

• Captadors angulars de posició (sincro-resolvers).

L’altra alternativa en sensors de posició per robots la representen els resolvers i els sincroresolvers, també anomenats sincros. Es tracta de sensors analògics amb resolució teòricament infinita. El funcionament dels resolvers es basa en la utilització d’una bobina solidària a l’eix excitada per una portadora, generalment amb 400Hz, i per dos bobines fixes situades al seu voltant.

El gir de la bobina mòbil fa que l’acoblament amb les bobines fixes variï, aconseguint que el senyal resultant en aquestes depengui del sinus de l’angle de gir. La bobina mòbil excitada amb tensió V sense (wt) i girada un angle Ø indueix a les bobines fixes situades en quadratura les següents tensions:

V1 = V sen (wt) sense Ø
V2 = V sen (wt) cos Ø

que és anomenada representació de l’angle Ø en format sincro.

El canvi de l’anomenat format sincro a format resoldre o viceversa és immediat, ja que es pot passar d’un a l’altre a través de l’anomenada xarxa de Scott, o transformador de Scott, o funcionament bidireccional. Per poder tractar el sistema de control, la informació generada pels resolvers i els sincros cal convertir les senyals analògiques en digitals. Per això s’utilitzen els anomenats convertidors resoldre / digital (r / d), que tradicionalment es basen en dos tipus d’estructures diferents: traking i mostreig (sampling).

Ambdós captadors són del tipus absolut a cada volta de l’eix acoblat a ells. Entre els seus avantatges destaquen la seva bona robustesa mecànica durant el funcionament i la seva immunitat a contaminació, humitat, altes temperatures i vibracions. Degut a la seva reduït moment d’inèrcia, imposen poca càrrega mecànica del funcionament de l’eix.

Atès el caràcter continu del senyal, la resolució dels resolvers és teòricament infinita. També és veritat que depèn en la majoria de les ocasions d’una electrònica associada, el que limita la precisió de forma pràctica. El rang dinàmic és més limitat en el cas dels codificadors òptics; la resolució ve limitada pel nombre de seccions opac-transparents que s’utilitzin.

• Sensors lineals de posició (LVDT)

Entre els sensors de posició lineals destaca el transformador diferencial de variació lineal (LVDT) a causa de la seva gairebé infinita resolució, poc fregament i alta repetibilitat. El seu funcionament es basa en la utilització d’un nucli de material ferromagnètic unit a l’eix el moviment es vol mesurar. Aquest nucli es mou linealment entre un devanado primari i dos secundaris, fent amb el seu moviment que variï la Inductància entre ells.

Els dos debanat secundaris connectats en oposició sèrie veuen com la inducció de la tensió alterna del primari, en variar la posició del nucli, fa créixer la tensió d’un devanado i disminuir la de l’altre. De l’estudi de la tensió es dedueix que aquesta és proporcional a la diferència de Inductància mútues entre el debanat primari amb cadascun dels secundaris, i que per tant depèn linealment del desplaçament de la tija solidari al nucli.

A més dels avantatges assenyalades, el LVDT presenta una alta linealitat, gran sensibilitat i una resposta dinàmica elevada. El seu ús està àmpliament estès, a pesar de l’inconvenient de poder ser aplicat únicament en la mesura de petits desplaçaments.

Altres sensors lineals que també s’empren amb relativa freqüència són les anomenades regles òptiques (equivalents als codificadors òptics angulars) i les regles magnètiques o Inductosyn. El funcionament del Inductosyn és similar a la de l’resoldre amb la diferència que el rotor llisca linealment sobre l’estator.

L’estator es troba excitat per una tensió coneguda que indueix al rotor depenent de la seva posició relativa una tensió Vs.

Sensors de velocitat

La captació de la velocitat es fa necessària per a millorar el comportament dinàmic dels actuadors del robot. La informació de la velocitat de moviment de cada actuador es realimentades normalment a un bucle de control analògic implementat en el propi accions de l’element motor. No obstant això, en les ocasions en què el sistema de control del robot ho exigeixi, la velocitat de gir de cada actuador és portada fins a la unitat de control del robot.

Normalment, i atès que el bucle de control de velocitat és analògic, el sensor utilitzat és una tac generatriu que proporciona una tensió proporcional a la velocitat de gir del seu eix (10 mV per rpm).

Una altra possibilitat, utilitzada per al cas que la unitat de control del robot cal conèixer la velocitat de gir de les articulacions, consisteix a derivar la informació de posició que aquesta posseeix.

Sensors de presència

Aquest tipus de sensor és capaç de detectar la presència d’un objecte dins d’un radi d’acció determinat. Aquesta detecció pot fer-se amb o sense contacte amb l’objecte. En el segon cas s’utilitzen diferents principis físics per detectar la presència, donant lloc als diferents tipus de sensors. En el cas de detecció amb contacte, es tracta sempre d’un interruptor, normalment obert o normalment tancat segons interessi, actuant mecànicament a través d’una tija o un altre dispositiu. Els detectors de presència s’utilitzen en robòtica principalment com a auxiliars dels detectors de posició, per a indicar els límits de les articulacions i permetre localitzar la posició de referència de zero d’aquests en el cas que siguin incrementals.

A més d’aquesta aplicació, els sensors de presència s’usen com sensors externs, sent molt senzills d’incorporar al robot pel seu caràcter binari i el seu cost reduït. Els detectors inductius permeten detectar la presència o comptar el nombre d’objectes metàl·lics sense necessitat de contacte.Presenten l’inconvenient diferent comportament segons del tipus de metall de què es tracti. El mateix tipus d’aplicació tenen els detectors capacitat, més voluminosos, encara que en aquest cas els objectes a detectar no necessiten ser metàl · lics. En canvi presenten problemes de treball en condicions humides i amb posades a terra defectuosa.

Els sensors basats en l’efecte Hall detecten la presència d’objectes ferromagnètics per la deformació que aquests provoquen sobre un camp magnètic. Els sensors òptics, però, poden detectar la reflexió del raig de llum procedent de l’emissor sobre l’objecte.

Els sensors / commutadors Reed de proximitat (sovint anomenats sensors magnètics) són molt tolerants al desaliñado i s’ajusten bé a entorns contaminats per pols i líquid. Consten de dues parts, el commutador reed i l’actuador magnètic. El commutador reed canvia el seu estat quan l’actuador magnètic s’apropa a ell, sense necessitat que hi hagi contacte físic entre ambdós. La distància d’operació pot variar amb una adequada elecció de l’actuador magnètic. Les configuracions del commutador amb contactes normalment oberts o intercanviables.

Sensor Reed en miniatura

Sensors externs

La utilització de mecanismes de detecció exteriors permet a un robot interaccionar amb el seu ambient d’una manera flexible. Això contrasta amb el funcionament preprogramada en què a un robot se li ensenya a realitzar tasques repetitives mitjançant una sèrie de funcions preprogramada. Encara que això està bastant lluny de la forma més predominant de funcionament dels robots industrials actuals, la utilització de la tecnologia de detecció per proporcionar a les màquines un major grau d’intel·ligència en relació amb el seu ambient és, en realitat, un tema actiu de recerca i desenvolupament en el camp de la robòtica.

Un robot que pot veure i sentir és més fàcil d’entrenar en l’execució de les tasques complexes mentre que, al mateix temps, exigeix mecanismes de control menys estrictes que les màquines preprogramada. Un sistema sensible i susceptible d’entrenament és també adaptable a una gamma molt més àmplia de tasques, amb el que s’aconsegueix un grau d’universalitat que es tradueix, a la llarga, a més baixos costos de producció i manteniment. La funció dels sensors del robot pot dividir en dues categories principals: estat intern i estat extern.

Els sensors d’estat intern operen amb la detecció de variables, com ara la posició de l’articulació del braç, que s’utilitzen per al control del robot. Per contra, els sensors d’estat extern operen amb la detecció de variables com ara:

• l’abast
• la proximitat
• el contacte

La detecció externa, s’utilitza per al guiat del robot, així com para la manipulació e identificació d’objectes per a la manipulació i identificació d’objectes.

Els sensors d’estat extern poden classificar també com sensors de:

• contacte
• no contacte

Com el seu nom ho indica, la primera classe de sensors respon al contacte físic, tal com el tacte, esllavissada i torsió. Els sensors de no contacte es basen en la resposta d’un detector a les variacions en la radiació electromagnètica o acústica.
Els exemples més destacats dels sensors de no contacte mesuren l’abast, la proximitat i les propietats visuals d’un objecte.

És d’interès destacar que la detecció d’abast i la visió solen proporcionar una informació de guiat aproximat per a un manipulador, mentre que la proximitat i el tacte estan associats amb fases terminals d’adherència de l’objecte.
Els sensors de força i torsió s’utilitzen com a dispositius de retroalimentació per controlar la manipulació d’un objecte un cop hagi fermat.

• Detecció d’abast
• Detecció de proximitat
• Sensors de contacte
• Detecció de força i torsió

Detecció d’abast

Un sensor d’abast mesura la distància des d’un punt de referència (que sol estar en el propi sensor) fins a objectes en el camp d’operació del sensor.Els éssers humans estimen la distància per mitjà d’un processament visual estereogràfic. Els sensors d’abast s’utilitzen per a la navegació de robots i per evitar obstacles, per a aplicacions més detallades en les que es desitgen les característiques de localització i forma en general d’objectes en l’espai de treball d’un robot.

• Triangulació

Un dels mètodes més senzills per mesurar abast és mitjançant tècniques de triangulació.Aquest procediment pot explicar amb facilitat fent referència a la figura. Un objecte s’il · lumina per un estret feix de llum, que barre tota la superfície. El moviment d’escombrat està en el pla definit per la línia des de l’objecte fins al detector i per la línia des del detector fins a la font. Si el detector s’enfoca sobre una petita part de la superfície, llavors, quan el detector vegeu la taca lluminosa, la seva distància a la part il·luminada de la superfície es pot calcular a partir de la geometria de la figura, ja que es coneixen l’angle de la font amb la línia de base i la distància entre la font i el detector.

El mètode anterior proporciona una mesura puntual. Si la disposició de font-detector es desplaça en un pla fix (cap amunt i avall i en sentit lateral en un pla perpendicular al paper i que contingui la línia de la base a la figura), serà possible obtenir una sèrie de punts les distàncies des del detector seran conegudes. questes distàncies es transformen amb facilitat en coordenades tridimensionals mantenint un registre de la localització i orientació del detector a mesura que s’exploren els objectes.

• Mètode d’il·luminació estructural

Aquest mètode consisteix a projectar una configuració de llum sobre un conjunt d’objectes i en utilitzar la distorsió de la soferta per calcular l’abast.

Una de les configuracions de llum de major difusió actual és una làmina de llum generada a través d’una lent cilíndrica o d’una galze estreta. La intersecció de la làmina de llum amb objectes, en l’espai de treball, proporciona una franja de llum que s’observa a través d’una càmera de televisió desplaçada a una certa distància des de la font de llum. La configuració de franges s’analitza amb facilitat per un ordinador per tenir informació de l’abast. Per exemple una inflexió indica un canvi de superfície i un trencament correspon a una separació entre superfícies. Els valors d’abast específics es calculen calibrant primer el sistema.

En una de les disposicions més simples, la font de llum és perpendicular a la línia que uneix l’origen d’aquesta làmina i el centro de la lent de la càmera. Al pla vertical que conté aquesta línia us trucarem pla de referència. És evident que el pla de referència és perpendicular a la làmina de llum i qualsevol superfície de pla vertical que tall produirà una franja vertical de llum, en la qual cada punt tindrà la mateixa distància perpendicular al pla de referència. L’objectiu de la disposició és situar la càmera de manera que cadascuna d’aquestes franges verticals aparegui també vertical en el pla de la imatge. D’aquesta manera, cada punt al llarg de la mateixa columna de la imatge serà reconegut com que té la mateixa distància al pla de referència.

• Telèmetre de temps de vol

En aquesta secció examinarem tres mètodes per determinar la distància basats en el concepte de temps de vol. Dos dels mètodes utilitzen un làser, mentre que el tercer aquesta basat en la ultrasònica.

Un mètode per utilitzar un làser per a determinar la distància que consisteix a mesurar el temps que triga un pols de llum emès per retornar de manera coaxial (és a dir, al llarg de la mateixa trajectòria) des d’una superfície reflectora. La distància a la superfície ve donada per la simple relació D = c T / 2, on T és el temps de trànsit del pols ic és la velocitat de la llum.
És d’interès destacar que, ja que la llum es desplaça a una velocitat aproximada d’1 peu / ns, la instrumentació electrònica de suport ha de ser capaç d’una resolució de temps de 50 PS per poder aconseguir una exactitud de ± ¼ polzada a distància.

Un sistema de làser premut descrit per Javis produeix una disposició bidimensional amb valors proporcionals a la distància: l’exploració bidimensional amb valors proporcionals a la distància. L’exploració bidimensional es realitza desviant la llum làser a través d’un mirall giratori.
El marge de treball d’aquest dispositiu és de l’ordre de magnitud d’1 a 4 m, amb una exactitud de ± 0.25cm. La llum detectada es visualitza com una imatge en la qual la intensitat en cada punt és proporcional a la distància entre el sensor i la superfície reflectora en aquest punt (més fosca com més propera aquesta). Les zones brillants al voltant dels contorns dels objectes representen la discontinuïtat en l’abast, determinada mitjançant un postprocessament en un ordinador.

Una alternativa a la llum premuda és utilitzar un làser de feix continu i mesurar el temps d’espera (és a dir, el desplaçament de fase) entre els feixos sortint i de retorn.
Suposeu que un feix de llum de làser de longitud d’ona l està dividit en dos feixos. Un d’ells denominat feix de referència es desplaça una distància L d’un dispositiu de mesurament de fase i l’altre es desplaça a una distància D d’una superfície reflectora. Atès que la longitud d’ona de la llum làser és petita (per exemple, 632.8 nm per un làser d’heli-neó), el mètode no resulta pràctic per a les aplicacions robòtica.
Una solució simple a aquest problema és modular l’amplitud de la llum de làser utilitzant una forma d’ona de longitud d’ona molt més gran (per exemple, una ona sinusoïdal moduladora de freqüència f = 10Mhz té una longitud de 30 m).

Però el senyal de referència és ara la funció modulant. El senyal de làser modulada s’envia al banc i el feix de retorn del senyal moduladora, que després es compara amb la de referència per determinar el desplaçament de fase.

Un avantatge important en la tècnica de la llum contínua enfront de la llum premuda és que la primera proporciona informació de la intensitat i l’abast. Tanmateix, els sistemes continus exigeixen una potència considerablement major. Les incerteses de les mesures de la distància obtingudes per una o altra tècnica exigeixen la mitjana el senyal de retorn per reduir l’error.

Un Telèmetre ultrasònica és un altre exponent important del concepte del temps de vol. La idea bàsica és la mateixa que s’utilitza amb un làser polsat.

Un senyal ultrasònica es transmet durant un curt període de temps i, ja que la velocitat de so es coneix per un mitjà de propagació especificat, un simple càlcul, que implica l’interval de temps entre l’impuls sortint i el ressò de retorn com proporciona una estimació de la distància a la superfície reflectora.

S’utilitzen principalment per navegació i per evitar obstacles.

Detecció de proximitat

Els sensors examinats anteriorment proporcionen una estimació de la distància entre un sensor i un objecte reflectant. Per contra, els sensors de proximitat solen tenir una sortida binària que indica la presència d’un objecte dins d’un interval de distància especificat. En condicions normals, els sensors de proximitat s’utilitzen en robòtica per a un treball en camp proper en relació a agafar o evitar un objecte.

• Sensors inductius

Els sensors basats en un canvi de Inductància causa de la presència d’un objecte metàl · lic estan entre els sensors de proximitat industrials de més freqüent ús. El principi de funcionament d’aquests sensors es pot observar en les següents figures.

La figura mostra un diagrama esquemàtic d’un sensor inductiu, que consisteix fonamentalment en una bobina atropellat, situada al costat d’un imant permanent empaquetat en un receptacle simple i robust.

L’efecte de portar el sensor a la proximitat d’un material ferromagnètic produeix un canvi en la posició de les línies de flux de l’imant permanent segons s’indica a la figura. En condicions estàtiques no hi ha cap moviment en les línies de flux i, per tant, no es indueix cap corrent en la bobina. Tanmateix, quan un objecte ferromagnètic penetra en el camp de l’imant o l’abandona, el canvi resultant en les línies de flux indueix un impuls de corrent, d’amplitud i forma són proporcionals a la velocitat de canvi de flux.

La forma d’ona de la tensió, observada a la sortida de la bobina, proporciona un mitjà efectiu per a la detecció de proximitat. La tensió mesura a través de la bobina varia com una funció de la velocitat a la qual un material ferromagnètic s’introdueix en el camp de l’imant. La polaritat de la tensió, fora del sensor, depèn de que l’objecte aquest penetrant en el camp abandonat.

Existeix una relació entre l’amplitud de la tensió i la distància sensor-objecte. La sensibilitat cau ràpidament en augmentar la distància, i el sensor només és eficaç per fraccions d’un mil·límetre.

Com que el sensor requereix moviment per generar una forma d’ona de sortida, un mètode per produir un senyal binària és integrar aquesta forma d’ona. La sortida binària es manté a nivell baix en tant que li valor integral estigui per sota d’un llindar especificat, i després es commuta a nivell alt (indicant la proximitat d’un objecte) quan es supera el llindar.

• Sensors d’efecte Hall

L’efecte Hall relaciona la tensió entre dos punts d’un material conductor o semiconductor amb un camp magnètic a través del material. Quan s’utilitzen per si mateixos, els sensors d’efecte Hall només poden detectar objectes magnetitzat. Tanmateix, quan s’utilitzen en conjunció amb un imant permanent en la configuració tal com la indicada a la figura, són capaços de detectar tots els materials ferromagnètics.

Quan es fan servir d’aquesta manera, un dispositiu d’efecte Hall detecta un camp magnètic intens en absència d’un material ferromagnètic en el camp proper.

Quan aquest material es porta a la proximitat del dispositiu, el camp magnètic s’afebleix en el sensor degut a la curvatura de les línies del camp a través del material.

Els sensors d’efecte Hall estan basats en el principi d’una força de Lorentz que actua sobre una partícula carregada que es desplaça a través d’un camp magnètic. Aquesta força actua sobre un eix perpendicular al pla establert per la direcció de moviment de la partícula carregada i la direcció del camp. És a dir, la força de Lorentz ve donada per F = q (v x B), on q és la càrrega, v és el vector de velocitat, B és el vector del camp magnètic yx indica el producte vectorial.

Al portar un material ferromagnètic prop del dispositiu d’imant semiconductor disminuirà la intensitat del camp magnètic, amb la consegüent reducció de la força de Lorentz i, finalment, la tensió a través del semiconductor.
Aquesta caiguda en la tensió és la clau per detectar la proximitat amb sensors de efecte Hall. Les decisions binàries pel que fa a la presència d’un objecte es realitzen establint un llindar de la tensió fora del sensor.

A més, la utilització de materials semiconductors permet la construcció de circuits electrònics per amplificació i detecció directament en el propi sensor, amb el que es redueix la mida i el cost del mateix.

• Sensors capacitiu

A diferència amb els sensors inductius i d’efecte Hall que detecten només materials ferromagnètics, els sensors capacitiu són potencialment capaços (amb diversos graus de sensibilitat) de detectar tots els materials sòlids i líquids. Com el seu nom indica, aquests sensors estan basats en la detecció d’un canvi en la capacitat induït per una superfície que es porta a prop de l’element sensor.

L’element sensor és un condensador constituït per un elèctrode sensible i un elèctrode de referència. Aquests elèctrodes poden ser, per exemple, un disc i una anella metàl · lics separats per un material dielèctric. Una cavitat d’aire sec es col · loca darrere de l’element capacitiu per proporcionar aïllament. La resta del sensor està constituït per circuits electrònics que poden incloure com una part integral de la unitat, en aquest cas solen estar embebidos en una resina per a proporcionar suport mecànic i segellat.

Hi ha diversos mètodes electrònics per a detectar la proximitat basats en canvis de la capacitat. Un dels més simples inclou el condensador com a part d’un circuit oscil · lador dissenyat de manera que l’oscil · lació s’iniciï només quan la capacitat del sensor sigui superior a un valor llindar preestablert. La iniciació de l’oscil · lació es tradueix després en una tensió de sortida, que indica la presència d’un objecte. Aquest mètode proporciona una sortida binària, la sensibilitat de xut dependrà del valor llindar.

La capacitat varia com una funció de la distància per un sensor de proximitat basat en els conceptes anteriors. És d’interès destacar que la sensibilitat disminueix molt quan la distància és superior a uns pocs mil · límetres i que la forma de la corba de resposta depèn del material objecte de detecció. En condicions normals, aquests sensors són accionats en un mode binari, de manera que un canvi en la capacitat major que en un llindar preestablert T indica la presència d’un objecte, mentre que els canvis per sota del llindar indiquen l’absència d’un objecte amb respecte als límits de detecció establerts pel valor de T.

• Sensors ultrasònics

La resposta de tots els sensors de proximitat fins ara examinats depèn, en gran mesura, del material objecte de la detecció. Aquesta dependència pot reduir molt utilitzant sensors ultrasònics.

En l’estructura d’un transductor ultrasònics típic utilitzat per a la detecció de proximitat l’element bàsic és un transductor electroacústic, sovint del tipus ceràmic piezoelèctric. La capa de resina protegeix el transductor contra la humitat, pols i altres factors ambientals i també actua com un adaptador de impedància acústica. Atès que el mateix transductor se sol utilitzar per a la transmissió i la recepció, un amortidor ràpid de l’energia acústica és necessari per detectar objectes a petita distància. Aquesta operació es realitza proporcionant absorbidor acústics i desacoblar el transductor del seu receptacle. Aquest últim està dissenyat de manera que produeixi un feix acústic estret per a una eficaç transferència d’energia i una millor direccional del senyal.

Sensors de proximitat òptics
Els sensors de proximitat òptics són similars als sensors ultrasònics en el sentit que detecten la proximitat d’un objecte per la seva influència sobre una ona propagador que es desplaça des d’un transmissor fins a un receptor. Un dels mètodes més utilitzats per detectar la proximitat per mitjà de òptics es mostra a la figura. Aquest sensor està constituït per un díode emissor de llum d’estat sòlid (LED), que actua com un transmissor de llum infraroja i un fotodíode d’estat sòlid que actua com el receptor.

Els cons de llum formats enfocant la font i el detector en el mateix pla s’intersecten en un volum llarg en forma de llapis. Aquest volum defineix el camp d’operació del sensor, ja que una superfície reflectora que intersect el volum s’il · lumina per la font i és vista simultàniament pel receptor.
Dit d’una altra manera, una superfície localitzada en qualsevol lloc en el volum produirà una lectura. Encara que és possible calibrar la intensitat d’aquestes lectures com una funció de la distància per característiques reflectors i orientacions de l’objecte conegudes, l’aplicació típica està en un mode on un senyal binària rep una intensitat de llum superior a un valor llindar.

Sensors de contacte

Aquests sensors s’utilitzen en robòtica per obtenir informació associada amb el contacte entre una mà manipuladora i objectes en l’espai de treball.
Qualsevol informació pot utilitzar, per exemple, per a la localització i el reconeixement de l’objecte, així com per controlar la força exercida per un manipulador sobre un objecte donat. Els sensors de contacte poden subdividir en dues categories principals:

• Binaris
• Analògics

Els sensors binaris són essencialment commutadors que responen a la presència o absència d’un objecte. Per contra els sensors analògics proporcionen a la sortida un senyal proporcional a una força local.

• Sensors binaris

Els sensors binaris són dispositius de contacte tals com micro interruptors. A la disposició més simple, un commutador està situat a la superfície interior de cada dit d’una mà de manipulació. Aquest tipus de detecció és d’utilitat per determinar si una peça està present entre els dits. Desplaçant la mà sobre un objecte i establint seqüencial contacte amb la superfície, també és possible centrar la mà sobre l’objecte per a la seva adherència i manipulació.

Sensors de contacte binaris múltiples poden emprar, en la superfície interior de cada dit, per proporcionar informació tàctil. A més, solen estar muntats en les superfícies exteriors d’una mà de manipulació per proporcionar senyals de control d’utilitat per guiar la mà a través de tot l’espai de treball. Aquest últim mode de detecció per contacte és anàleg al que els éssers humans senten quan es desplacen a través d’un recinte completament fosc.

• Sensors analògics

Un sensor de contacte analògic és un dispositiu la sortida és proporcional a una força local. El més simple d’aquests dispositius està constituït per una vareta accionada per ressort que aquesta mecànicament enllaçada amb un eix giratori, de tal manera que el desplaçament de la vareta a causa d’una força lateral dóna lloc a una rotació proporcional de l’eix.
La rotació es mesura després, de manera contínua, utilitzant un potenciòmetre o de manera digital, amb l’ús d’una roda de codi. El creixement de la constant del ressort proporciona la força que correspon a un desplaçament donat.

En els darrers anys s’ha dedicat un esforç considerable al desenvolupament de conjunts de detecció tàctil, capaços de proporcionar una informació de contacte sobre una àrea més àmplia que la proporcionada per un sensor únic. L’ús d’aquests dispositius s’il · lustra a la figura, que mostra una mà de robot en la qual la superfície interior de cada dit ha estat recoberta amb una solució tàctil de detecció.

Les plaques detectors exteriors solen ser dispositius binaris.
Encara que poden formar matrius de detecció utilitzant sensors individuals múltiples, una de les solucions més prometedores a aquest problema consisteix a utilitzar una matriu d’elèctrodes en contacte elèctric amb un material conductor dúctil (per exemple, substàncies basades en grafit) la resistència varia com una funció de la compressió. En aquests dispositius, que solen anomenar pells artificials, un objecte que pressiona contra la superfície produeix deformacions locals que es mesuren com variacions contínues de la resistència. Aquestes últimes es transformen amb facilitat en senyals elèctriques, d’amplitud és proporcional a la força que s’aplica a qualsevol punt donat sobre la superfície del material.

• El sensor de pressió

Es pot utilitzar un sensor de pressió per a la retroalimentació mecànica d’una mà, per controlar la força d’adherència, indicació sensible quan la mà subjecta un objecte.
Un sensor òptic de pressió consisteix en una superfície dividida en cèl · lules per particions opaques. Una fibra òptica porta llum a cada cèl · lula; la llum és emesa per un díode o una altra font. Una altra fibra porta llum de la cèl · lula a un sensor, per exemple, un fotodíode o fototransistor. Les cèl · lules són cobertes per un material elàstic amb una superfície interior reflectant. La resta de la cèl · lula és d’un material no reflectant. El canvi en la reflexió interior de llum és detectat pel sensor i es produeix una senyal que indica a l’operador de contacte. Com més gran sigui la pressió, més gran és el canvi en la reflexió. Així, pot “sentir” la pressió fent servir circuiteria analògica. Si es desitja únicament una indicació de contacte, un sensor de llindar pot ser inclòs en l’electrònica.

Tots els sensors de contacte esmentats fins ara es refereixen a mesures de forces normals a la superfície del sensor, encara que la mesura del moviment tangencial per a determinar el lliscament és un altre aspecte important de la detecció de contacte.

Detecció de força i torsió

Els sensors de força i de torsió s’utilitzen principalment per mesurar les forces de reacció desenvolupades en la superfície de separació entre conjunts mecànics. Els mètodes principals per realitzar aquesta operació són els de detecció d’articulació i canell. Un sensor d’articulació mesura els components cartesians de la força i de la torsió que actuen sobre una articulació de robot i la suma de forma vectorial. Per una articulació impulsada per un motor de corrent contínua, la detecció es realitza simplement mesurant la corrent de l’induït.

Els sensors de canell estan muntats entre l’extremitat d’un braç del robot i l’actuador final.
Estan constituïts per galgues de deformacions que mesuren la desviació de l’estructura mecànica deguda a forces exteriors.

Els sensors de canell són petits, sensibles, de poc pes (aproximadament 12 unces) i d’un disseny relativament compacte, de l’ordre de 10 cm de diàmetre total i de 3cm de gruix.
Per poder reduir la histèresi i augmentar l’exactitud en la mesura, el maquinari es sol construir a partir d’una peça mecànica massissa, que sol ser d’alumini. Per exemple, el sensor mostrat a la figura utilitza vuit parells de galgues de deformacions de semiconductors muntades en quatre barres de deflexió (una galga a cada costat d’una barra de deflexió).
Les galgues en els extrems oberts oposats de les barres de deflexió estan cablejades, de manera diferencial, a un circuit potenciomètrica, la tensió de sortida és proporcional a la component de la força normal al pla de la galga de deformació.

La connexió diferencial de les galgues de deformació proporciona una compensació automàtica de les variacions en la temperatura.
Tanmateix, es tracta només d’una compensació de primer ordre aproximada. Com que els vuit parells de galgues de deformació estan orientats en sentit normal als eixos x, y, z del sistema de referència, les tres components del moment M poden determinar sumant i restant adequadament les tensions de sortida, respectivament.

La majoria dels sensors de força de canell funcionen com transductors per transformar les forces i els moments exercits en la mà en desviacions o desplaçaments mesurables en el canell generats pel sensor de força no afectin l’exactitud del posicionament del manipulador.

Per tant, les especificacions del rendiment poden resumir com segueixen:

• Alta rigidesa. La freqüència natural d’un dispositiu mecànic està relaciona amb la rigidesa; així, l’alta rigidesa assegura que les forces pertorbacions es amortigüen ràpidament per permetre lectures exactes durant curts intervals de temps. A més, redueix la magnitud de les desviacions d’una força / moment aplicat, el que pot afegir a l’error de posicionament de la mà.

• Disseny compacte. Aquest disseny assegura que el dispositiu no restringeixi el moviment del manipulador en una àrea de treball amb poc espai lliure. Amb el sensor de força compacte, és important col·locar el sensor el més proper possible a l’eina per reduir l’error de posicionament com a conseqüència del gir de la mà en petits angles.

A més, és desitjable mesurar una força / moment de la mà el més gran possible; així, al fer mínima la distància entre la mà i el sensor, es redueix el braç de la palanca per les forces aplicades a la mà.

• Linealitat. Una bona linealitat entre la resposta dels elements detectors de la força i les forces / moments aplicats permet resoldre la força i els moments mitjançant simples operacions matricials.

• Baixa histèresi i fregament intern. El fregament intern redueix la sensibilitat dels elements detectors de la força perquè les forces han de superar aquest fregament, o fricció, abans que pugui obtenir una desviació mesurable.

Produeix també efectes d’histèresi que no restablir els dispositius de mesura de la posició a les seves lectures originals.