Sensores

Universidad de Valladolid
E.T.S. de Ingenieros Industriales
Control y Programación de Robots
Morfología del robot:
Sensores
J.C. Fraile - ETSII - Universidad de Valladolid
Sensores en los robots
Sensores internos:
• Sensores de presencia:
– Inductivos, capacitivos, ópticos, ultrasonido, contacto
• Sensores de posición:
– Analógicos: potenciometro, resolver
– Digitales: encoder (absoluto, incremental)
• Sensores de velocidad:
– Tacómetros
Sensores externos:
• Sensores de presencia
• Sensores de distancia
• Sensores avanzados: imagen, esfuerzo
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Sensores de posición angular
Encoders ópticos incrementales
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Encoders ópticos incrementales
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Encoders ópticos incrementales
• Disco transparente con marcas opacas colocadas radialmente y
equidistantes entre sí.
• Sistema de iluminación con un diodo led emisor
• Un elemento fotorreceptor
• El eje cuya posición se quiere medir va acoplado al disco
transparente.
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Encoders ópticos incrementales
• Cuando el eje gira, se generan pulsos en el elemento
fotorreceptor cada vez que la luz atraviesa cada marca, contando
estos pulsos se puede conocer la posición del eje.
• Es necesario disponer de una marca de referencia sobre el disco
que indique que se ha dado una vuelta completa.
•La resolución de este tipo de sensores depende del número de
marcas que se pueden poner físicamente en el disco.
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Encoders ópticos incrementales
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Encoders ópticos incrementales
Fijación
automática
Basa del
encoder
Alineación
Fijación
automática
Motor
Basa del
encoder
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Cuerpo del
encoder
Encoders ópticos incrementales
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Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
Los encoders incrementales disponen de una banda de marcas
transparentes y opacas repartidas a lo largo del disco y separadas por un
paso que llamaremos “p”
Banda de marcas transparentes
o opacas (512 ranuras)
Pulso de índice
Detalle de los captadores ópticos
Disco del encoder del
SCORBOT ER-IX
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Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
• En el estator existen dos pares de emisor-receptor óptico
separados un número entero de pasos.
• El encoder utilizado por el SCORBOT ER-IX contiene un
diodo (LED) que sólo sirve de fuente de luz. La luz es
después convertida en un rayo unidireccional mediante un
lente de polycarbonato situada directamente sobre el LED.
• Enfrente, hay un circuito integrado detector de luz. Este
circuito integrado se compone de varios juegos de
fotodetectores y del circuito que genera la señal digital de
salida
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Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
• El disco metálico dentado que gira con el eje se sitúa entre
el circuito integrado emisor y el detector. Al girar el rotor, el
disco gira también entre el emisor y el detector. El rayo de
luz está interrumpido por la pista del disco, transparente u
opaca, lo que crea una serie de pulsos recibidos por los
detectores.
• El disco tiene 512 ranuras.
• Cada detector óptico genera una señal cuadrada. Estos
detectores son espaciados de manera que un período de luz
sobre un par de detectores corresponda a un período de
sombra sobre el par adyacente de detectores.
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Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
• La salida del fotodiodo está después tratada por el circuito
de tratamiento de señal lo que da como resultado:
nota :
Q es la suma de todos
los pulsos dados por
el sistema
Señales de salida
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• la salida digital del canal A
está en cuadratura de fase con
la del canal B (90º de desfase).
Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
• El desfase de ¼ de división de los captadores genera:
- las señales de salida tengan entre sí un desfase de ¼ de
período cuando el rotor gira en un sentido,
- ¾ de período cuando gira en sentido contrario, lo cual se
utiliza para discriminar el sentido de giro.
• Cuando, el eje gira en sentido contrario a las agujas del reloj, el
canal A está delante del canal B. En la dirección de las agujas del
reloj, el canal B está delante del canal A.
A
A
B
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B
Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
Resolución del encoder
La resolución es el menor incremento que el sistema de control puede
identificar y teóricamente controlar.
SE = 360º / N
SE : Resolución del encoder.
N: Número de pulsos en un giro de encoder.
El encoder del Scorbot tiene un disco con 512 pares transparentes y
opacos. Como el sistema detecta 4 pulsos por cada par, el encoder genera
2048 pulsos por cada giro completo del motor, por tanto la resolución de
los encoders del SCORBOT ER-IX es:
SE = 360º / 2048 = 0.176º
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Encoders ópticos incrementales en el robot Scorbot
Resolución del movimiento de giro
El encoder está montado sobre el eje. Teniendo en cuenta el rendimiento de los
engranajes de cada eje del robot, podemos obtener la resolución del movimiento de giro (Sjoint)
con la formula siguiente:
Sjoint = SE / Naxis
“Naxis” es el rendimiento del eje.
Numero del eje
1
2
3
4
5
SE
0.176
0.176
0.176
0.176
0.176
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Naxis
214.13
243.8
213.33
180
100
Sjoint
0.000821º
0.000721º
0.000825º
0.000977º
0.00176º
Encoders ópticos absolutos
• Estructura similar: fuente de luz, disco graduado y fotorreceptores.
Código Gray
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Código
binario
• El disco transparente se
divide en un número
determinado de sectores
(potencia de 2), utilizando
un código binario cíclico
(código de Gray)
representado por zonas
transparentes y opacas
dispuestas radialmente.
Encoders ópticos absolutos
• NO es necesario detectar el sentido de giro pues cada detector es
codificado de forma absoluta.
• La resolución viene determinada por el número de anillos que
posee el disco graduado (valores típicos de 28 a 219 bits).
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Encoders ópticos absolutos
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Problemas con los encoders
• Problemas mecánicos debido a la gran precisión que se debe tener
en su fabricación.
• La contaminación ambiental puede ser una fuente de interferencias
en la transmisión óptica.
• Son dispositivos muy sensibles a golpes y vibraciones.
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Sensores de posición angular: resolvers
• Son captadores analógicos de resolución “teóricamente” infinita.
• Utiliza una bobina, solidaria al eje, excitada por una portadora, y
dos bobinas fijas situadas a su alrededor, desfasadas 90º.
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Sensores de posición angular: resolvers
• El giro de la bobina móvil hace que el acoplamiento con las
bobinas fijas varíe, con lo que la señal de tensión en éstas depende
del seno del ángulo de giro.
• La bobina móvil excitada con tensión V•sen(ωt) y girada un
ángulo θ, induce en las bobinas fijas situadas en cuadratura, las
siguientes tensiones:
V1 = V • sen(ωt) • sen(θ)
V2 = V • sen(ωt) • cos(θ)
que permite determinar el ángulo “θ”
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Sensores de posición lineal: inductosyn
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Sensores de posición lineal:
LVDT - Transformador diferencial de
variación lineal
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Sensores de velocidad: tacómetro
• Permiten determinar la velocidad de los actuadores del robot.
• Necesario para mejorar el comportamiento dinámico del robot.
• La velocidad del movimiento de cada actuador se realimenta a
un bucle de control analógico.
• El captador proporciona una tensión proporcional a la velocidad
de giro del eje (10 milivoltios por revolución).
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Sensores de velocidad: tacómetro
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Sensores de velocidad: tacómetro
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores capaces de detectar la presencia de un objeto
dentro de un intervalo de distancia determinado.
Esta detección puede hacerse con o sin contacto con el objeto.
En el caso de detección con contacto, se trata de un
interruptor mecánico, como pueden ser los finales de carrera.
• Los detectores de presencia se utilizan en robótica
principalmente como auxiliares de los detectores de posición,
para indicar los límites de movimiento de las articulaciones y
permitir localizar la posición de referencia de cero de éstos, en
el caso de que sean incrementales.
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores inductivos:
Para detectar la presencia de un objeto sin contacto, se utilizan
sensores inductivos, los cuáles constan básicamente de una
bobina y un imán. Cuando un objeto ferromágnetico penetra o
abandona el campo del imán el cambio que se produce en
dicho campo induce una corriente en la bobina. Su
funcionamiento es sencillo: si se detecta una corriente en la
bobina, algún objeto ha entrado en el campo del imán.
Presentan el inconveniente de distinto comportamiento según
del tipo de metal del que se trate.
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores de efecto HALL:
Los sensores basados en el efecto Hall detectan la presencia de
objetos ferromagnéticos por la deformación que estos provocan
sobre un campo magnético. El efecto Hall relaciona la tensión
entre dos puntos de un material conductor o semiconductor con
un campo magnético a través 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, pudiéndose determinar
así la proximidad de un objeto.
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores capacitivos:
Los sensores capacitivos, permiten detectar cambios de
capacidad inducidos por superficies cercanas, sin necesidad de
que los objetos a detectar sean metálicos. Constan de dos
elementos principales: el elemento cuya capacidad se altera
(que suele ser un condensador formado por electrodos) y el
dispositivo que detecta el cambio de capacidad (un circuito
electrónico conectado al condensador). Este tipo de sensores
tiene la ventaja de que detectan la proximidad de objetos de
cualquier naturaleza, sin embargo, la sensibilidad disminuye
bastante cuando la distancia es superior a algunos milímetros.
Presentan el problema de trabajo en condiciones húmedas y
con puestas a tierra defectuosas.
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores ópticos de barrera:
Los sensores ópticos tipo barrera, se caracterizan por que el
objeto intercepta la línea entre el emisor y el receptor. El
principio de funcionamiento se basa en el empleo de diodos
emisores de luz y fotodetectores (fotorresistores, fotodiodos o
fototransistores).
También existen sensores ópticos que pueden detectar la
reflexión de la luz procedente del emisor sobre el objeto.
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Sensores de presencia y proximidad
• Sensores de infrarrojo:
Son sensores sensibles a longitudes de onda, tales como
880nm, inmediatamente inferiores a la visible. Éstos no aportan
ninguna medida de distancia, sino solo una señal binaria
indicando si existe o no un objeto próximo en un rango de
distancia característico del sensor.
•Sensores de ultrasonido:
Utiliza un transductor electroacústico que emite unas ondas
ultrasónicas; a continuación pasa a modo de espera, hasta que
recibe 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
(tiempo que está esperando) de detecta un grado de
proximidad u otro.
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Sensores de presencia y proximidad
•Sensores láser:
Son sensores ópticos de distancia que se basan en la
determinación del tiempo entre los pulsos emitidos y los que se
reciben después de ser reflejado en el objeto.
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Sensores para medir esfuerzos y pares
• Se trata de transductores pasivos, empleados para medir
tensiones mecánicas. La tensión a medir provoca deformación
de la pieza de estudio, la cual se transmite a la galga,
modificando ésta su resistencia en función de la deformación, a
partir de la cual se puede determinar la tensión sobre la pieza.
•Mediante estos transductores de tipo resistivo o piezorresistivo
es posible medir las deformaciones axiales, radiales o
tangenciales, estáticas y dinámicas, que tiene lugar en la
superficie de un cuerpo como consecuencia de las solicitaciones
mecánicas a las que está sometido.
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Sensores para medir esfuerzos y pares
El principio de las galgas extensiométricas es el siguiente:
Si a un hilo conductor se le somete a un esfuerzo de tracción,
se alarga, aumentando su longitud en ∂L, y no se rebasa el
límite elástico del material, el cambio de longitud es
proporcional a la carga, y el hilo recupera su longitud original
cuando se le retira la carga aplicada. Simultáneamente, con
este aumento de longitud hay una ligera reducción de la
sección transversal del hilo, y dado que la resistencia de un
conductor es:
R = ρL / A
ρ = resistividad del material
L = longitud
A = área de la sección transversal
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Sensores para medir esfuerzos y pares
• Tanto el material de longitud como la reducción del área
contribuyen a un aumento de la resistencia del hilo tensado.
Además de cambiar las dimensiones, también cambia la
resistividad del material (piezorresistividad), siendo este efecto
pequeño para los metales, pero también contribuye al cambio
de resistencia.
Para ρ=cte se tiene:
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Sensores para medir esfuerzos y pares
• El alargamiento relativo será:
• Y para deformaciones pequeñas:
•Luego:
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Sensores para medir esfuerzos y pares
• Como normalmente el módulo de Poisson es constante:
lo que indica que la variación unitaria de resistencia de la galga
es proporcional a la deformación unitaria local que sufre el
material objeto de medida en la zona donde está pegada la
galga y en la dirección de su eje activo.
La constante “k” se denomina “factor de galga” o sensibilidad y
es un dato que debe proporcionar el fabricante así como el
valor de la R.
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Sensores para medir esfuerzos y pares
• La medida de la variación de la resistencia de las galgas
extensiométricas se realiza mediante un puente de Wheatstone:
Ve: tensión de entrada
Vs: tensión de salida
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Sensores de esfuerzos para manipuladores
(multi-axis force/torque sensor)
Sensores ATI
(www.ati-ia.com)
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Sensores ATI
(www.ati-ia.com)
J.C. Fraile - ETSII - Universidad de Valladolid
Sensores ATI
(www.ati-ia.com)
¿ Como determinar qué
sensor es el más
adecuado ??
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Sensores ATI
(www.ati-ia.com)
¿ Como determinar qué
sensor es el más
adecuado ??
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Sensores de esfuerzos para manipuladores
(multi-axis force/torque sensor)
Sensores JR3
(www.jr3.com)
Soporta esfuerzos de un 125% del
esfuerzo nominal, aplicadas a todos
los ejes simultáneamente.
•
• Si el esfuerzo es sólo sobre un
eje, soporta cargas mucho mayores.
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Sensores JR3
(www.jr3.com)
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Sensores JR3
(www.jr3.com)
Robot ABB IRB 4400 + sensor
de esfuerzos JR3
Conexión del sensor de
esfuerzos en un robot tipo
Scara con bus VME
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Sensores JR3
(www.jr3.com)
Robot ABB IRB 4400 + sensor
de esfuerzos JR3 + pinza
neumática
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Sensor JR3 para el robot Staubli RX 90 B
(www.jr3.com)
Robot Staubli RX 90B
Sensor JR3 67M25A
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Sensor JR3 para el robot Staubli RX 90 B
(www.jr3.com)
Robot Staubli RX 90B
Instrucciones del lenguaje V+ en el robot Staubli,
para la gestión del sensor de esfuerzos JR3
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Bibliografía:
• Barrientos, A., L.F. Peñín, C. Balaguer y R. Aracil. "Fundamentos de robótica". Editorial McGraw-Hill. 1997
• Ollero A. "Robótica, manipuladores y robots móviles". Editorial Marcombo. 2001.
• Fu K.S., R.C. GonzÁlez y C.S.G., Lee. "Robótica: control, detección visióne inteligencia". McGraw-Hill. 1988
• Roque J. Saltaren y otros. Prácticas de robótica utilizando MATLAB. Univ. "Miguel Hernández" - Elche. 2000
• Iñigo R., Vidal E. “Robots industriales manipuladores”. Ediciones UPC. 2002
• Romeo A.. Robótica industrial. Universidad de Zaragoza
• Garcia M. Universidad de Vigo.