http://www.dccia.ua.es/dccia/inf/asignaturas/ROB/optativos/Sensores/externos.html

http://www4.uji.es/~al051829/indice.html

2.2 SENSORES

Los sensores desempeñan un papel fundamental en la robótica, ya que a partir de las

informaciones captadas por ellos, el robot actúa en consecuencia. Para ello, convierte una

magnitud física en una señal eléctrica codificada, que puede ser analógica o digital.

Existen dos tipos de sensores: externos e internos.

2.2.1 Sensores externos [2]

TÁCTILES

o De contacto

o Analógicos e individuales

o Matriciales

o Ópticos

o Resistivos

DE PROXIMIDAD

VISUALES

o Exploración visual

o Cámaras de TV

Sensores táctiles

Éstos sensores proporcionan una cierta percepción del tacto al robot. Algunos de los

sensores táctiles son:

1. Sensores de contacto

Básicamente, consisten en un interruptor con dos posiciones, que según donde se

sitúe, proporciona mayor o menor información. Por ejemplo, situado en el brazo,

sólo da seguridad en relación con los obstáculos, mientras que, en la pinza puede

dar información más estratégica.

2. Sensores analógicos e individuales

Éstos sensores son un sistema de tecnología variable, que poseen una salida

proporcional a un esfuerzo local. Pueden ser utilizados para detectar posiciones o

fuerzas, al igual que los anteriores, su función varía según su posición en el robot.

3. Sensores matriciales

Están formados por varios sensores de los tipos anteriores, combinados en forma de

matriz. Une la información individual de todos los sensores, para obtener datos más

complejos sobre el entorno del robot (reconocimiento de formas).

4. Sensores ópticos

Tienen la misma disposición que los sensores matriciales, pero formados por

elementos optoelectrónicos. Estos elementos constan de un diodo fotoemisor, que

envía una señal, y uno fototransistor, que envía la información según reciba, o no, la

señal. A partir de la información de todos los fototransistores se reconocen las

formas del entorno.

En este tipo de sensores se utilizan rayos infrarrojos, para evitar los problemas

provocados por los cambios de iluminación externa.

5. Sensores resistivos

Son sensores táctiles, que actúan por presión, formando una piel artificial. Esta piel

artificial consiste en una matriz de electrodos en contacto con una superficie

resistiva, formada por caucho y cargas de grafito, o polvo metálico. La resistencia

de esta superficie varía según la presión. En función de la presión medida en cada

punto se envía una señal analógica, con la que se obtienen el perfil o características

del relieve de la superficie del objeto.

Sensores de proximidad

Los sensores de proximidad o presencia transmiten una señal lógica en presencia de cierto

tipo de objetos, detectando cuerpos u obstáculos.

Cualquiera de los tipos anteriores utilizados individualmente, pueden formar estos sensores

y además de estos, los sensores acústicos cuyo funcionamiento es igual a los fotoeléctricos,

aunque utilizando ondas sonoras (ultrasonidos), por lo que no pueden precisar la posición

de los objetos, sino determinar su presencia.

Sensores visuales

Exploran el entorno de trabajo a distancia. Algunos de estos sistemas de visión son:

exploración lineal, cámaras de TV…

1. Sistemas de exploración lineal

Están formados por un conjunto de fotodiodos o fototransistores en disposición

lineal sobre un plano de visión, que exploran por desplazamiento, obteniendo una

señal de vídeo, línea a línea, mediante sistemas de iluminación especiales. Por

ejemplo, la proyección de una franja luminosa sobre la línea de visión del sensor.

2. Cámaras de TV

Hay diversos tipos de cámaras, un tipo simple consiste en un tubo de rayos

catódicos, sobre el que se proyecta la imagen. La parte sensitiva del tubo, que recibe

la imagen está cubierta por una sustancia fotosensible.

Esta parte está formada por pixels ordenados en filas por toda la pantalla, que según

el grado de iluminación que captan, forman los puntos componen la imagen.

La sensación de movimiento se obtiene gracias a la frecuencia con que se refrescan

los pixels. Se transmite en un tren de impulsos, con los que se obtiene el código de

un pixel. Para obtener la información de la pantalla se precisan tantos impulsos,

como número de pixels.

2.2.2 Sensores internos [3]

Los sensores internos aportan información sobre el propio robot acerca de su movimiento,

posición, velocidad aceleración y fuerza.

MOVIMENTO Y POSICIÓN

o Movimiento rectilíneo

Potenciómetros

Transformadores variables

o Rotación

Digitales

Incrementales

Absolutos

Analógicos

Sincros

Resolvers

VELOCIDAD

o Analógicos

o Digitales

ACELERACIÓN

FUERZA

Sensores de movimiento y posición

Existen dos tipos de movimientos: rectilíneos o translaciones, y angulares o rotacionales.

1. Sensores de movimiento rectilíneo

Se puede dividir este tipo de sensores en potenciométricos y variables o

transformadores diferenciales.

o Sensores potenciométricos

Dividen el voltaje en función del movimiento rectilíneo de un cursor

conectado a la articulación del robot permitiendo así, obtener su posición.

o Transformadores variables o diferenciales

Están formados por una bobina principal y dos secundarias idénticas,

acopladas magnéticamente al primero, mediante un núcleo móvil, que se

desplaza de uno a otro.

2. Sensores de movimiento de rotación

o Digitales

Encoders ópticos

Son unos dispositivos formados por un rotor, con uno o varios

grupos de bandas opacas y translúcidas, que gracias a unos

captadores ópticos, detectan, o no, la presencia de banda opaca.

Hay dos tipos diferentes de encoders:

Los incrementales, suelen tener una sola banda de marcas

opacas y transparentes, distribuidas a lo largo del disco rotor

y separadas por un paso.

Los absolutos, que suministran directamente el código,

disponen de varias pistas concéntricas, con zonas opacas y

transparentes, dispuestas, de tal forma, que en sentido radial,

el rotor queda dividido en sectores, siguiendo un código

Gray, que se transcodifica fácilmente en binario.

o Analógicos

Sincros

Se trata de un transductor de posición angular, de tipo

electromagnético, que tiene uno de sus devanados rotativo.

Las formas de configuración más normales de los sincros son con el

primario en el rotor y monofásico, y el segundo en el estator y con

tres devanados situados a 120º, uno de otro, y con tres voltajes, que

modulados determinan su ángulo.

Para determinar la posición de los devanados secundarios, se aplica

tensión al primario y según la posición del rotor, variará el valor de

amplitud y fase de éstos.

Se pueden utilizar para copiadoras, pilotos automáticos o servos de

seguimiento con una configuración llamada 'maestro-esclavo' o

'emisor-receptor'.

Ésta configuración funciona de la siguiente manera: el rotor alimenta

al sincro emisor, lo que hará que se genere una tensión trifásica. Este

sistema de tensión trifásico alimenta al devanado secundario del

sincro receptor y crea una tensión, que dependerá de la desviación

angular relativa entre los dos rotores, y que con un sistema regulador

de posición se pondrá a cero. Con esto, el sincro esclavo seguirá los

mismos movimientos que el maestro.

Resolvers

Está formado por un devanado primario en el estator y bifásico, y

otro secundario en el rotor, que puede ser monofásico o bifásico.

Se trata de un sistema muy parecido al sincro, solo que en éste, la

configuración de los devanados es distinta.

Funciona de esta manera: los devanados del estator se alimentan

en serie, generando así, un campo estacionario sobre el eje 0, y

recogiendo, los devanados del rotor bifásico, esas tensiones.

Sensores de velocidad

Se utilizan para controlar la dinámica de los robots, normalmente los industriales. Hay dos

tipos:

1. Analógicos

Se trata de un generador de corriente continua o dinamo tacométrica, excitación a

partir de imanes permanentes, donde la tensión generada al girar el rotor es

proporcional a la velocidad angular de giro.

2. Digitales

Se basan en la detección de frecuencia de generadores de impulsos a base de

captadores ópticos o inductivos, de forma análoga a la indicada para un encoder

incremental. La velocidad es directamente proporcional a frecuencia de la señal

obtenida.

F= n * N/60

Estos generadores han sustituido en muchas aplicaciones a los tacométricos, por sus

excelentes características (robusto, adaptable a sistemas de control digitales y buena

relación coste/precio.)

Sensores de aceleración

Normalmente, para controlar la aceleración se necesita calcular como variación de la

velocidad en le tiempo.

Aunque, para medirla de manera más directa se utilizan los acelerómetros, que miden la

fuerza de inercia que actúa sobre una masa conocida, para ello miden la deformación del

muelle, que está unido al sistema.

Sensores de fuerza

Para calcular la fuerza de forma indirecta, se mide la deformación que experimenta un

sólido, bajo la acción de dicha fuerza.

Por ejemplo:

La célula de carga:

o Se trata de un cilindro deformable, que se encuentra en el núcleo de un

transformador diferencial.

o Se mide la deformación lineal de una zona, producida por la flexión o

torsión de alguna pieza elástica.

Pantallas táctiles

Cada vez es más necesaria una buena comunicación Hombre-Máquina (HMI), y una de las formas de

mejorar dicha interacción es mediante sensores táctiles. La iconografía es un método muy utilizado

por los fabricantes de software, ya que permite una excelente comprensión por parte de cualquier

usuario sin necesidad de tener conocimientos informáticos.

Los sensores táctiles sustituyen los teclados en la mayoría de aplicaciones ya que funciona como un

ratón y además permiten diseñar un teclado virtual en pantalla. Todos los sensores táctiles, también

conocidos como “touch screen” funcionan basados en el mismo principio: medir coordenadas mediante

alteración de flujo.

Ventajas:

Funcionamiento estable con una respuesta rápida.

Asequibles por el tipo de construcción.

El polvo o agua no afectan su funcionamiento.

Tratamiento antirreflejos.

Inconvenientes:

Suelen provocar una perdida de brillo de un 25%.

Frágiles al contacto con objetos afilados o ambientes agresivos.

Con el tiempo es necesario recalibrar.

Resistivo 4 hilos

Un sensor táctil resistivo está formado por varias capas o membranas separadas entre sí. Éstas

pueden ser flexibles, rígidas o una combinación de ambas. Las más usadas son de un material

conductor. La activación se puede producir con cualquier tipo de objeto (un dedo, con o sin guantes,

un puntero, etc.). El principio de funcionamiento se basa en la medición de voltaje en el punto de

contacto, aplicando un voltaje en una de las capas (se genera un gradiente de tensión en toda la

superficie), realizando una medición en la otra capa y obteniendo una coordenada. Para obtener la

otra, se hace la misma operación pero invirtiendo las capas. Véase la Figura 1.

Este tipo de construcción se suele utilizar en aplicaciones industriales (ambientes no

agresivos), aplicaciones domesticas, PDA’s, terminales portátiles, etc.,y son las más utilizadas en

tamaños pequeños (<10,4”).

Ventajas:

Las mismas que con el de 4 hilos, sin necesidad de recalibrar al cabo del tiempo. Una vez realizado el

primer calibrado, éste no se pierde.

Una rayada en el sensor afecta tansolo la zona rayada.

Inconvenientes:

Los mismos que los de 4 hilos excepto la re-calibración.

Resistivo 8 hilos

Esta solución es una variante del touch screen de 4 hilos. La diferencia que hay es que se añaden 4

hilos “sensores”. La medición del toque se referencia a la diferencia de voltaje generada en la pantalla

táctil y los hilos sensores proveen a la controladora con el valor del voltaje detectado a través del

sensor táctil. Véase la Figura 2.

Este tipo de construcción se usa en aplicaciones que necesitan un sensor resistivo pero que requieren

algo más de dureza y precisión. Su construcción se realiza en sensores medianos de 8,4” o superior.

Resistivo 5 hilos

Se trata de otra variante de la tecnología resistiva. En este caso, su construcción se basa en una capa

resistiva y otra conductora. Cuando se toca la pantalla, las capas hacen contacto generando un voltaje

eléctrico y obteniendo la coordenada del punto pulsado. (figura 3).

La activación se realiza igual (dedo, con o sin guantes, puntero, etc.).

Esta solución es empleada en aplicaciones industriales, POS, medicina, etc.

Ventajas:

Son más estables y duras que las de 4 hilos.

Resistente al agua y al polvo (más resistentes a la contaminación)

Inconvenientes:

Son también frágiles a objetos punzantes o cortantes.

Capacitivo

Consiste en una membrana con una capa metálica en la que se aplica una corriente eléctrica que se

altera cuando se toca con un dedo. Se aplica un voltaje a las cuatro esquinas del sensor y los

electrodos reparten el voltaje, creando un campo uniforme. El toque del dedo provoca un cambio de

corriente en cada lado en proporción a la distancia a la esquina y la controladora calcula la posición del

dedo a partir del cambio de flujo. En la Figura 4 se ilustra el principio de funcionamiento de este tipo

de pantalla táctil.

Esta tecnología se emplea en aplicaciones que trabajan bajo condiciones de dureza u hostiles. Por

ejemplo en terminales industriales, restaurantes, kioscos informativos, etc.

Ventajas:

Los elementos externos no afectan en el funcionamiento. Resistencia a rayadas y abrasiones.

Mejor claridad que las resistivas (superior al 85%) debido al menor número de capas sobre el

monitor.

Mejor visibilidad de pantalla y más claridad en la imagen.

Inconvenientes:

No detecta el intento de activaciones con guantes.

Más caras que las resistivas debido al complejo control requerido.

Capacitivo proyectado

Es también una tecnología capacitiva, pero con una variante. En estas pantallas se pone una especie

de rejilla entre dos capas y se coloca detrás de un cristal protector (puede ser de hasta 18 mm de

espesor). Se genera un campo electroestático de baja potencia y, cuando el dedo se acerca al cristal

frontal, el campo se distorsiona (según la sensibilidad no es necesario que se llegue a tocar el cristal).

Dicha distorsión marca el punto de contacto calculado por la controladora. Véase la Figura 5.

Esta tecnología se suele utilizar en aplicaciones exteriores y que necesitan cierto nivel de protección a

condiciones extremas o vandalismo.

Ventajas:

Tiene un toque preciso y es capaz de operar con guantes o a través de humedad, suciedad u otros

contaminantes en la superficie (la sensibilidad se puede ajustar).

Aguanta ralladuras y otros daños en la superficie causados por abrasivos, productos químicos o

vandalismo (continua funcionando aunque la superficie esté dañada).

El cristal frontal puede ser antivandálico para darle seguridad al sistema.

Inconvenientes:

Difícil integración.

Precio elevado.

Aplicaciones limitadas debido a que tiene baja resolución.

Ondas acústicas

También denominada SAW (Surface Acoustic Wave), utiliza ondas de ultrasonido que se transmiten

sobre la pantalla. Cuando se produce la pulsación, una parte de la onda es absorbida y se consigue un

valor para poder procesar la posición del toque. Esta tecnología de pantalla táctil se ilustra en la

Figura 6.

La activación se puede producir con cualquier cosa: dedo, con o sin guantes, puntero, etc.

Esta aplicación se puede utilizar en muchos tipos de aplicaciones pero principalmente para equipos

donde se requiera utilizar cristales con un determinado grosor (protecciones elevadas).

Infrarrojo

Ventajas:

Posibilidad de diferentes grosores para evitar el vandalismo.

Inconvenientes:

El polvo y agua afectan el funcionamiento (tiene que trabajar en ambientes limpios).

Baja resolución.

Este tipo de tecnología consta de varios emisores y receptores de infrarrojos situados en los bordes

del cristal. En un lado están los emisores y en el otro los receptores (tanto en la coordenada horizontal

como la vertical) generando una matriz de rayos infrarrojos. Cuando con el dedo, o con cualquier

objeto, se toca la pantalla lo que hace es cortar un haz horizontal y otro vertical y la controladora

calcula el punto de contacto. Esta tecnología se detalla en la Figura 7.

Esta tecnología se usa en pantallas de gran formato debido básicamente a su baja resolución.

Otras soluciones disponibles son:

Ventajas:

Al no tener ningún tipo de capa o sustrato delante, ofrecen una excelente óptica.

Se pueden utilizar en ambientes adversos porque es casi imposible rallar el touch screen.

El toque se puede hacer con un dedo, con guantes o cualquier objeto.

Inconvenientes:

Son caras y voluminosas.

Sensibles a la suciedad y pueden provocar falsas pulsaciones.

1) Multi-touch: diseñada para poder controlar hasta 12 regiones individuales. Tamaños de 3” a 22”.

2) Glass-Film-Glass (GFG): se trata de un sensor resistivo montado entre dos cristales de forma que

protege contra ralladuras. Es fácil de limpiar, tiene buena sensibilidad y aguanta extremas

temperaturas. Esta tecnología se ofrece en 4, 5 y 8 hilos (tamaños de 3” a 19”).

3) Low Reflective (baja reflexión): para aplicaciones donde haya condiciones de luz extremas (por

ejemplo, bajo la luz del sol). El LR touch screen mejora la claridad y lectura mediante la reducción de

la reflexión y realzando la transmisión de luz. Esta solución está disponible de 2” a 17” para 4, 5 y 8

hilos.

4) High Light Transmisión (HLT): realza la claridad óptica de la aplicación. La transmisión de luz

tiene un rango de 86% a 90%.

Ofreciendo un funcionamiento cómodo para todo tipo de usuarios, las soluciones a través de las

pantallas táctiles son cada vez más corrientes. Existe una solución para cada tipo de aplicación.