Como ya señalamos en la introducción, los
sensores externos son los elementos que permiten al robot
interactuar con su ambiente de una manera flexible. Aunque michos
de los robots actuales ( sobre todo los de las industrias)
trabajan de una forma preprogramada, el uso de los sensores
externos como apoyo en la ejecución de tareas es cada día más
amplio. Los sensores externos dan al robot mayor independencia
del entorno concreto en el que se mueven, lo que se traduce en un
mayor grado de "inteligencia". Dentro de este capítulo
podemos encontrar infinidad de sensores difrente; en realidad,
tantos como variables externas se puedan enumerar. Hay sensores
para la temperatura, para la luminancia, el sonido, la humedad,
presión ...
Sin embargo, en este apartado nos vamos a centrar en tres tipos
de sensores externos que suelen ser utilizados por los robots de
forma general, para gran diversidad de tareas. Estso son los
senosres táctiles, los de proximidad o presencia y los de
alcance.
Los sensores táctiles son
dispositivos que indican el contacto de algún objeto sólido con
ellos mismos. Suelen ser empleados en los extremos de los brazos
de robot (pinzas) para controlar la manipulación de objetos. A
su vez se pueden dividir en dos tipos: de contacto y de fuerza.
Pasamos a continuación a hablar de cada uno de los dos tipos.
Sensores de Contacto.
Los sensores de contacto nos indican
simplemente si ha habido contacto o no con algún objeto, sin
considerar la magnitud de la fuerza de contacto. Suelen ser
dispositivos sencillos cuyo uso es muy variado. Se pueden
situar en las pinzas de los brazos de robot para determinar
cuando se ha cogido un objeto, pueden formar partre de sondas
de inspección para determinar dimensiones de objetos, o
incluso pueden situarse en el exterior de las pinzas para ir
tanteando un entorno.
Estos sensores suelen ser interruptores de límite o
microinterruptores, que son sencillos dispositivos
eléctricos que cuando se contacta con ellos cambian de
estado.
Sensores de fuerza.
Los sensores de fuerza
determinan ,además de si ha habido contacto con un objeto
como los anteriores, la magnitud de la fuerza con la que se
ha producido dicho contacto. Esta cpacidad es muy útil ya
que permitirá al robot poder manipular objetos de diferentes
tamaños e incluso colocarlos en lugares muy precisos.
Para detectar la fuerza con la que se ha contactado con un
objeto existen diversas técnicas; acontinuación pasamos a
describir brevemente tres de las mas importantes:
- Muñeca detectora
de fuerza.
Consta de un célula de carga que se situa entre la
muñeca y las pinzas del brazo. Su objetivo es
proporcionar información sobre las tres componentes
de la fuerza (Fx,Fy,Fz) y sobre sus tres momentos
en el extremo del brazo. En la figura se puede
observar una posible configuración de un dispositivo
de detección utilizando muñecas detectoras.
Este sistema para medir fuerzas tiene una serie de
inconvenientes. Por un lado, los cálculos necesarios
para procesar la información que proviene de las
muñecas son bastante complejos y requieren un tiempo
considerable. Además, cuando la velocidad con la que
se mueve el brazo es considerable, resulta díficil
poder controlar sus movimientos lo suficientemente
rápido como para que no provoque ninguna catastrofe
(como el aplastamiento de algún objeto).
- Detección de
artículaciones.
Esta técnica se basa en la medida del par de
torsión de la articulación. La medida de este par
puede resultar sencilla, ya que es proporcional a la
corriente que circula por el motor que provoca dicha
torsión.
A pesar de que está técnica pueda parecer sencilla
y fiable, tiene un problema importante. La medida del
par de torsión se realiza sobre las articulaciones
del brazo y no sobre el efector final (la pinza) como
sería deseable, por lo que dicha torsión no solo
refleja la fuerza que se ejercerá en la pinza, sino
también la fuerza utilizada para mover la
artículación.
- Sensores de array
táctil.
Es un tipo especial de sensores de fuerza ya que en
realidad está constituido por una matriz de
pequeños sensores de uerza. Debido a esta
característica, permiten además reconocer formas en
los objetos que se está manipulando. Este tipo de
dispositivos suelen montarse en las pinzas de los
brazos de robot.
Cada uno de los sensores de fuerza que componen la
matriz suele ser una almohadilla elastomérica, que
cuando se comprime cambia su resistencia eléctrica
de manera proporcional a la fuerza aplicada. 
Midiendo
esa resistencia es cuando podemos obtener la
información aceca de la fuerza. La resolución de
este tipo de sensores vendrá dada lógicamente por
las dimensiones de la matriz de sensores.
Podemos apreciar en la figura un ejemplo de su
utilización, en el proceso de introducción de un
objeto en un agujero. En un momento concreto, el
robot puede conocer la posición en la que se
encuentra el objeto gracias a la información de los
arrays táctiles, como se puede ver en los dos
patrones.
Un factor muy importante y que puede resultar un
problema al diseñar este tipo de sensores es el
grado de desgaste de la superficie de conatcto.
Los sensores de presencia tienen como finalidad
determinar la presencia de un objeto en un intervalo de distancia
especificado. Este tipo de sensores se pueden utilizar en
relación con la forma de agarrar o evitar un objeto. Se suelen
basar en el cambio provocado en alguna característica del sensor debido a la proximidad del objeto.
A continuación pasamos a describir algunos de los tipos más
importantes de sensores de presencia.
- Sensores Inductivos
Este tipo de sensores se basan en el cambio de
inductancia que provoca un objeto metálico en un campo
magnético.
Los senosres de este tipo constan básicamente de una
bobina y de un imán. Cuando un objeto ferromagnético
penetra o abandona el campo del imán el cambio que se
produce en dicho campo induce una corriente en la bobina;
el funcionamiento es sencillo: si se detecta una
corriente en la bobina, algún objeto ferromagnético a
entrado en el campo del imán.
Como podemos deducir rápidamente, el gran inconveniente
de este tipo de sensores es la limitación a objetos
ferromagnéticos, aunque en aplicaciones industriales son
bastante habituales.
- Sensores de efecto
Hall
El efecto Hall relaciona la
tensión entre dos puntos de un material conductor o
semiconductor con un campo mágnetico atraves 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.
Así se puede determinar la proximidad de un objeto
aunque, como en el caso anterior, sólo si es
ferromagnético.
- Sensores Capacitivos
Como su nombre indica, están basados en la detección de
un cambio en la capacidad del sensor provocado por una
superficie próxima a éste. Constan de dos elementos
principales; por un lado está el elemento cuya capacidad
se altera (que suele ser un condensador formado por
electrodos) y por otra parte el dispositivo que detecta
el cambio de capacidad ( un circuito electrónico
conectado al condensador).
Este tipo de sensores tienen la ventaja de que detectan
la proximidad de objetos de cualquier naturaleza; sin
embargo, hay que destacar que la sensibilidad disminuye
bastante cuando la distancia es superior a algunos
milimetros. Además, es muy dependiente del tipo de
material. Por ejemplo, a una distancia de 5 mm, la medida
del cambio de capacidad es el doble más precisa si el
elemento que se aproxima es Hierro que si es PVC.
- Sensores Ultrasónicos
El funcionamiento de estos sensores es bastante simple.
Su elemento principal es un transductor electroacústico.
Este elemento, en primer lugar, emite unas ondas
ultrasonicas; acontinuación pasa a modo de espera, en el
que, durante un cierto tiempo, espera la vuelta de las
ondas reflejadas en elgún objeto. Si las ondas llegan,
quiere decir que hay algún objeto en las proximidades.
Dependiendo del tiempo de conmutación del transductor (
el tiempo que está esperando) se detectará un grado de
proximidad u otro. Este tipo de sensores son más
independientes del tipo de material que los anteriores y
permiten deteción de proximidad a mayores distancias.
- Sensores Ópticos
Este tipo de sensores son muy parecidos a los anteriores.
En estos, las señales que se transmiten y detectan son
luminosas. En los sensores ópticos el emisor y el
receptor suelen ser elementos separados. El primero suele
ser un diodo emisor de luz (LED) y el receptor un
fotodiodo.
Los sensores de alcance miden la distancia
desde un punto de referencia ( que suele estar en el propio
sensor) hasta objetos que están dentro de un determinado campo
de referencia. La detección de alcance se suele usar para la
evitación de obstaculos en la navegación de robots móviles.
A continuación examinaremos varias técnicas de detección de
alcance.
- Triangulación
Este es uno de los métodos más
sencillos para medir el alcance. El sensor dispone de un
emisor y un detector de luz. Un objeto se ilumina por un
haz estrecho de luz que barre toda la superficie. Cuando
el detector detecta luz en la superficie del objeto se
puede calcular la distancia de la parte iluminadaddel
objeto al detector con una sencilla relación
trigonométrica ( suponiendo que conocemos la distancia
del emisor al detector y el ángulo con el que la luz
incide en el objeto).
- Iluminación
Estructural
Este método se basa en la proyección de una
configuración de luz sobre un conjunto de objetos, y en
la utilización de la distorsión de la luz para
determinar el alcance a los diferentes objetos. La
configuración de luz que suele transmitirse es de forma
cilíndrica. Una cámara de TV capta la distorsión que
se produce en la luz ya apartir del tratamiento de las
imagenes de la cámara se puede determinar la distancia
del emisor de la luz a los objetos.
El inconveniente principal de este método es que precisa
de un tratamiento más o menos complejo de información (
el de las imagenes) que ha de ser realizado por un
ordenador.
- Tiempo de Vuelo
En este tipo de sensores la estimación de la distancia a
un objeto se basa en el tiempo transcurrido entre la
emisión y recepción de un impulso sónico o luminoso(
análogamente al sistema usado por los murciélagos).
Este concepto es muy general, por lo que dentro de este
tipo vamos a estudiar tres métodos diferentes.
El primero de ellos utiliza láser para determinar esa
distancia. Se basa en la medida del tiempo que tarda en
en regresar de forma coaxial ( por la misma trayectoria)
un pulso de luz emitido. La distancia se podrá calcular
dividiendo ese tiempo por dos y multiplicando por la
velocidad de la luz. Este tipo de sistemas pueden tener
un alcance de hasta 4 metros y manejar una precisión de
0,25 cm.
El siguiente método basado en el tiempo de vuelo
también utiliza láser. A diferencia del método
anterior se emplea un haz continuo y lo que se mide es el
retardo ( desplazamiento en fase) entre los haces
saliente y entrante.
Por último, también podemos medir el tiempo de vuelo de
ondas ultrasónicas. Como en los casos anteriores,
apartir del tiempo que tarda la onda en regresar podemos
calcular fácilmente la distancia al objeto que la ha
reflejado. En este caso habremos de conocer la velocidad
del sonido para el medio en el que se esté desarrollando
la tarea (normalmente el aire). Sin embargo, este tipo de
sensores pueden inducir a errores en situaciones
concretas (como objetos puntiagudos o con entrantes)
debido a las reflexiones de las ondas ultrasónicas.
