Sensores de robôs: 7 fatos importantes que você deve saber

O que são sensores de robô? | Robótica guiada por sensor

Robô Sensores são os sensores que um robô usa para se comunicar com seu ambiente, calculando as quantidades físicas ao seu redor. Os sensores operam na teoria da transdução, que envolve a conversão de energia de uma forma para outra e os dados detectados são processados ​​por um controlador, que permite ao robô agir. Os sensores do robô também monitoram a condição de um robô junto com a situação ao seu redor.

Conforme mencionado anteriormente, os sensores do robô são usados ​​para avaliar a condição de um robô e seus arredores. Para permitir um comportamento aceitável, esses sinais são transferidos para um controlador. Os sensores robóticos são modelados a partir das funções dos órgãos sensoriais humanos. Para funcionar adequadamente, os robôs precisam de muito conhecimento sobre o que os rodeia.

Por que os sensores são importantes para os robôs?

Os sensores de robô podem ser de natureza mecânica, química ou elétrica e cada operação do sensor é baseada no princípio de transdução, que transfere energia de um tipo para outro. Os sensores do robô permitem que o robô responda ao ambiente de uma maneira flexível. Os robôs podem ver e sentir com o auxílio de sensores, o que os habilitará a realizar tarefas mais complexas.

Os sensores de robôs rastreiam a saúde dos robôs e seus arredores, enviando sinais eletrônicos aos controladores dos robôs. Sensores são necessários para que os robôs se monitorem. Os robôs precisam de conhecimento sobre a localização e o movimento de seus corpos e partes para monitorar seu comportamento.

Características dos sensores em robótica

As características dos sensores do robô nos ajudam a determinar o sensor apropriado para o robô em várias situações. Alguns dos atributos essenciais dos sensores do robô são descritos abaixo:

Precisão

A precisão de um sensor refere-se à proximidade do valor do sensor registrado em relação ao valor real. Isso geralmente é articulado como uma gama de valores. Por exemplo, +/- 1 mm. Observando a seção de calibração abaixo, muitas vezes podemos aumentar a precisão dos sensores do robô. Portanto, a precisão é a diferença entre a saída do sensor e o valor real, ou seja, erro = valor medido - valor verdadeiro.

calibragem

A precisão e resolução dos sensores do robô também podem ser aprimoradas calibrando-os. Uma parte separada foi dedicada à resolução. A calibração é o método de comparar o desempenho do sensor com algumas quantidades conhecidas, o que pode ser executado por um fornecedor ou por você e esta informação pode ser utilizada posteriormente para criar uma equação que conecte os dois.

Esta equação produzirá melhores resultados do que os valores padrão ao processar os dados do sensor. Você também deve entender quando o sensor fica sobrecarregado (quando você fica acima ou abaixo do limite do que ele pode medir) e os dados se tornam menos confiáveis ​​ou sem sentido.

Resolução

É crucial saber quão pequeno é o incremento que os sensores do robô podem detectar até que saibamos quão preciso é. Um sensor de temperatura com resolução de 5 graus, por exemplo, não consegue distinguir entre 30 e 32 graus. Como resultado, a resolução refere-se à menor quantidade de alteração na entrada que o sensor pode detectar e indicar com segurança. Por exemplo, qual é a resolução de uma régua regular ou dos compassos de calibre Vernier?

Linearidade

Quer o desempenho dos sensores do robô seja linear ou não, essa informação se torna útil ao alimentar a saída do sensor para um computador de baixo nível que não pode fazer muitos cálculos e projetar a equação de calibração. A curva de calibração determina a linearidade. Sob a condição estática, a curva de referência fixa plota a amplitude o / p versus a amplitude i / p e a semelhança com uma linha reta ou linearidade.

Repetibilidade

Uma característica crítica dos sensores do robô é que eles devem dar o mesmo resultado toda vez que você medir as mesmas condições. Isso fornece a repetibilidade dos sensores.

Banda Morta e Histerese

Em sistemas mecânicos como os robôs, algum deslizamento nas engrenagens sempre causa um valor diferente dependendo da direção do movimento (histerese) ou uma banda morta quando os sensores do robô não detectam algum movimento.

Drift

O cálculo de sensores específicos do robô tem uma deriva intrínseca. Isso é particularmente verdadeiro para giroscópios de taxa. Você vai querer um modelo com baixo desvio (quanto menor o desvio, mais custa), bem como a capacidade de filtrar a saída dos sensores. Por exemplo, o robô está estacionário; entende-se que o sensor não está girando, então você pode ignorar o giroscópio e fazer coisas fantasiosas como ignorar o sensor e / ou determinar taxas de deriva e aplicá-las para aumentar o desempenho do sensor.

Temperatura

A temperatura possui dois componentes que levam em consideração as características dos sensores do robô. O primeiro é a capacidade de manter o controle da temperatura. Um problema comum com muitos sensores é se o valor do sensor oscila / muda conforme a temperatura muda ou não. Existem duas seções da segunda especificação de temperatura também:

1. Temperatura utilizável - Quais são as faixas de temperatura mínima e máxima do sensor?
2. Temperatura de armazenamento - Qual é a temperatura mais baixa / mais alta que os sensores podem ter até serem danificados?

Campo de visão (FOV)

O FOV (campo de visão) é uma especificação crítica que indica qual área (geralmente angular) os sensores do robô podem ver. Componentes horizontais (hFOV) e verticais (vFOV) são freqüentemente mencionados. Por exemplo, 70 × 30 graus representa hFOV x vFOV respectivamente.

tamanho de ponto

Trata-se principalmente de lasers, mas saber o quão grande é o tamanho do ponto a uma determinada distância é significativo (o ponto fica maior com o espaço). Esse tamanho de ponto é crítico para decidir o tamanho dos itens que podem ser vistos. Para ver através de poeira, chuva e neve, o tamanho pequeno do local é essencial. Tanto uma escala de ponto horizontal quanto vertical podem ser usadas para expressar isso. É comum que o fabricante de sensores de robô publique apenas um dos dois valores porque o outro é maior.

Formulário de Saída

É preciso entender a forma de saída do sensor. Para saída analógica, por exemplo, você pode querer saber qual é a faixa de tensão ou resistência. Se a produção estiver em um estágio superior, certifique-se de ter a entrada apropriada. 4-20 mA, voltagem, USB, ethernet, serial e CAN são todos os tipos de saída comuns. Lembre-se de que as câmeras Gigabit Ethernet geralmente usam um pacote jumbo (MTU grande) que é incompatível com os padrões sem fio 802.11 e requer um link com fio.

Potência

É preciso saber quanta energia os sensores do robô consomem e que faixa de tensão eles podem aceitar para alimentar o sistema corretamente. Alguns sensores de robô terão um amplo alcance, enquanto outros precisarão apenas de um DC-DC para uma tensão de entrada rigidamente controlada.

Confiabilidade

Confiabilidade é um parâmetro complexo para avaliar sensores de robô. Vários fatores influenciam a confiabilidade. O programa é bem desenvolvido e robusto? O sensor é robusto em termos de resistência física? É bem construído? Existe alguma segurança elétrica (diodos de proteção, fusíveis, etc.)? Os conectores estão em bom estado? Os conectores vão cair? É resistente à água? Possui selo à prova de poeira? A lista de tais questões nunca pode ser insuficiente.

Como os sensores são classificados? | Tipos de sensores de robô

Sensores Proprioceptivos e Exteroceptivos em Robótica

A classificação primária dos sensores do robô é feita com base na localização dos estímulos

Sensores proprioceptivos | Sensores Internos em Robótica

Sensores proprioceptivos (PC) fornecem ao robô um senso de identidade. Eles calculam valores internos para o sistema do robô, como ângulo da junta, posição da roda, nível da bateria e assim por diante.

Sensores Exteroceptivos | Sensores Externos em Robótica

Sensores que fornecem conhecimento sobre o estado externo, como observações do ambiente e seus objetos, são conhecidos como exteroceptivos (CE).

Sensores ativos e passivos em robótica

Outro conjunto de classificação é baseado na forma de dissipação de energia -

Sensores Ativos em Robótica

Sensores ativos, como sensores baseados em radar, operam emitindo radiação (A).

Sensores passivos em robótica

Sensores passivos são sensores que obtêm energia passivamente, como uma câmera (P).

Diferentes tipos de sensores usados ​​em robôs | Sensores e transdutores de robôs

Alguns dos sensores de robô padrão podem ser classificados em proprioceptivos e exteroceptivos e ativos e passivos, respectivamente, conforme indicado na tabela a seguir:

Como os robôs usam sensores? | Quais problemas os robôs podem resolver usando sensores ?

Aplicações de sensores em robótica

Os robôs, ao contrário de humanos e animais, não têm sentidos que ocorrem naturalmente. Os engenheiros terão que desenvolvê-los como sensores para robôs. Os robôs usam sensores para construir uma visão do mundo em que estão. LIDAR é um exemplo de sensor usado em alguns robôs (Light Detection And Ranging).

LiDAR é um dispositivo de medição de distância que utiliza um laser. Os lasers iluminam os objetos na atmosfera e os espelham de volta. O robô usa esses reflexos para construir um mapa de seus arredores. LiDAR diz aos robôs o que está acontecendo em seu ambiente e onde está.

Quais sensores são usados ​​em robôs?

Tipos de sensores de visão usados ​​em robótica | Sensores Visuais Robótica

Sensores de visão usam imagens para avaliar a presença, orientação e precisão de objetos próximos. A aquisição e o processamento de imagens são combinados em sensores de visão, e as inspeções multiponto podem ser realizadas com apenas um sensor. Os dados também são trocados entre a câmera de vídeo e a unidade de processamento do computador por meio de sensores de visão. Os sensores de visão monocromáticos e coloridos são as duas formas de sensores de visão.

As câmeras são necessárias para que os robôs atravessem o ambiente e evitem a colisão com objetos próximos, pois são sensores que capturam e analisam dados. Imagens 2D, detecção 3D, ultrassom e infravermelho são exemplos de tecnologia de câmera.

Imagem 2D

As câmeras digitais têm a aparência de câmeras de filme, mas são baseadas em conceitos científicos muito diferentes. Uma câmera digital, ao contrário de uma televisão, que cria imagens por pixels, captura fótons e os converte em sinais elétricos, que podem ser processados ​​como números. O CCD e o CMOS são os dois tipos de câmeras digitais bidimensionais.

Detecção 3D

A detecção 3D é uma ferramenta eficaz para a navegação do robô, pois fornece dados sobre o volume, forma, localização, orientação e distância de um objeto. Processos diferentes, como visão estéreo, luz organizada e triangulação a laser, podem produzir dados 3D.

Ultrassônico

As câmeras ultrassônicas, também conhecidas como câmeras de sonar, calculam o lapso de tempo entre a transmissão e a detecção de ondas sonoras para determinar a distância entre a câmera e um objeto. Outros sensores ultrassônicos ou robôs com sensores ultrassônicos também podem ser detectados usando câmeras ultrassônicas.

Robô com sensor infravermelho

Os sensores infravermelhos do robô detectam os raios infravermelhos (IR) emitidos por um objeto. Eles também podem usar luz infravermelha para projetar em direção a um objeto alvo e receber a luz refletida para determinar sua distância ou proximidade. Os sensores infravermelhos são econômicos e podem rastrear a luz infravermelha em uma ampla área. Eles também funcionam em tempo real. Eles são melhores do que os sensores ultrassônicos para descrever a borda de um objeto e distinguir uma coisa da outra.

Sensor IR trabalhando em linha do robô seguidor

Sensores de navegação de robôs

Na navegação baseada em visão ou óptica, um algoritmo de visão de computador e sensores ópticos de robô, como telêmetros baseados em laser e câmeras fotométricas com matrizes CCD, são utilizados para extrair os recursos visuais necessários para a localização no mundo circundante, embora haja outras variedades de sistemas de navegação baseados em visão e técnicas de localização. A seguir estão os componentes críticos de cada método:

• Representações do mundo natural
• Modelos para detecção
• Algoritmos para localização

A maneira mais simples de fazer um robô ir a um local específico é direcioná-lo de maneira simples. Isso pode ser feito de várias maneiras, incluindo enterrar um laço indutivo ou ímãs no chão, desenhar linhas no chão ou inserir faróis, marcadores ou códigos de barras no ambiente. Em cenários industriais, tais veículos guiados automatizados (AGVs) são usados ​​para tarefas de transporte. Os robôs podem navegar em ambientes internos usando sistemas de posicionamento interno baseados em IMU.

Sistemas de navegação baseados em sonar também foram desenvolvidos. Os robôs também podem usar a navegação por rádio para avaliar sua localização. O controlador de vôo a bordo utilizou GPS para navegação e estabilização, e sistemas de aumento baseados em satélite (SBAS) e sensores de altitude, como sensores de pressão barométrica, são frequentemente usados ​​para as medições e sensores inerciais são usados ​​em alguns sistemas de navegação de robôs aerotransportados. Os sistemas de posicionamento acústico subaquático podem direcionar veículos subaquáticos autônomos.

Sensores de força em robótica

Sensor de força do braço do robô

Sensores de força são usados ​​para detectar forças entre a base do sensor e a camada de detecção. Os sensores FT, ou sensores de torque de força, detectam forças e torques. Eles são normalmente montados um pouco antes do efetor final com um braço do robô. Os sensores podem ser usados ​​em uma ampla gama de aplicações e há sensores de pressão analógicos baratos até os mais populares sensores FT de 6 eixos.

Como não são sensores táteis, não podem ser usados ​​para detectar forças de deslizamento. No entanto, eles podem ser usados ​​para detectar energia. Dada a variedade de sensores de força disponíveis conforme fornecido abaixo, pode ser difícil decidir qual deles você precisa.

• Sensor de pressão simples.
• Sensor piezoelétrico.
• Sensor baseado em Strain Gauge.
• Sensores FT capacitivos.
• Sensores Capacitivos e Resistivos de Força Flexível.

Sensor de temperatura em robótica

Sensores de temperatura são usados ​​para detectar mudanças na temperatura ambiente e é baseado na ideia de que uma mudança na tensão teria o mesmo valor de temperatura que o ambiente para uma mudança de temperatura. TMP35, TMP37, LM34, LM35 e outros são alguns dos ICs de sensores de temperatura mais comumente usados.

Quais sensores um robô industrial possui?

Sensores visuais 2D, sensores visuais 3D, sensor de força ou torque e sensores de detecção de colisão são os sensores mais amplamente usados ​​para robôs industriais. Alguns deles explicados a seguir:

Sensor de visão 2D

Um bidimensional sensor de visão é uma câmera que pode rastrear objetos em movimento e localizar peças em uma esteira, entre outras coisas. Isto é capaz de detectar e auxiliar o robô na determinação de sua localização, e o robô pode então alterar seu movimento de acordo com as informações obtidas.

Sensor de visão 3D

Para detectar a terceira dimensão do objeto, o dispositivo de visão 3D deve ter duas câmeras ou scanners a laser em ângulos diferentes. A coleta e colocação de peças, por exemplo, requer o uso da tecnologia de visão 3D para identificar objetos e produzir imagens 3D, bem como a análise e seleção do melhor processo de coleta.

Sensor de força | Sensores de torque em robótica

Se o sensor visual fornece olhos ao robô, o sensor de força / torque fornece ao robô uma sensação de toque. A força efetora final é detectada pelo robô usando sensores de força / torque. Na maioria das situações, o sensor de força / torque é colocado entre o robô e o aparelho, permitindo que o robô rastreie todas as forças que retornam ao aparelho.

Sensor de detecção de colisão

Este sensor está disponível em uma variedade de formas e tamanhos e seu objetivo principal é fornecer um ambiente de trabalho seguro para os operadores, do qual os robôs colaborativos mais precisam.

Quais sensores os robôs assistivos possuem?

Um robô auxiliar é um computador que pode sentir, processar e realizar atos na vida cotidiana de pessoas com deficiência e idosos. O uso mais popular de sensores de robô é o uso de sonar ultrassônico para auxiliar pessoas cegas. Por anos, os robôs usaram sonares ultrassônicos como um sistema de alcance.

Sensor de alcance em robótica | Robô Sensor de Proximidade

Os sensores de alcance são usados ​​para determinar a distância entre o objeto e o lado do robô. Seu alcance operacional é limitado. O processamento visual é usado para calcular a distância. Os robôs usam sensores de alcance para navegar e evitar obstáculos em seu caminho. Aplicações especiais para os sensores de alcance são para determinar a posição e as características gerais da forma do componente no envelope de trabalho do robô. A fonte de iluminação nessas situações pode ser uma fonte de luz, um feixe de laser ou ultrassônico.

Sensores de posição em robótica

Qualquer sensor que mede a localização de um objeto para uso em aplicações de controle é chamado de sensor de posição. Eles têm uma ampla gama de sensores e têm uma variedade de aplicações, variando de robótica a máquinas de ressonância magnética. Este é um dos sensores mais poderosos e é usado em quase todos os veículos autônomos que se movem.

Tanto o movimento rotativo quanto o linear podem ser medidos usando sensores de posição. Eles podem ser usados ​​para calcular a localização absoluta ou relativa. Os motores sem escova são controlados por sensores rotativos, que geralmente rastreiam as áreas angulares de vários dispositivos mecânicos no sistema. Codificadores de motor são sensores usados ​​em robótica para rastrear a localização em um disco circular, convertendo a posição em pulsos elétricos que uma entidade controladora pode usar.

Controle de posição do braço do robô

Seis servo motores individuais são capazes de mover cada junta em um robô de seis eixos típico. Um codificador de motor é usado na parte traseira desses servo motores para manter a posição. Para acompanhar as rotações produzidas pelo servo motor, um codificador de motor usa recortes em um disco. Pulsos de luz são produzidos por esses cortes, que são então convertidos em pulsos elétricos.

Sensor óptico de posição em robótica

Sensores ópticos são usados ​​para rastrear, contar e posicionar peças sem usar nenhum toque. Sensores ópticos internos ou externos estão disponíveis. Sensores internos são normalmente usados ​​para medir curvas e outras mudanças sutis de direção, enquanto sensores externos coletam e transmitem uma quantidade especificada de luz.

Sensores de velocidade em robótica

Um sensor de velocidade ou velocidade faz várias medições de posição em intervalos regulares e calcula a taxa de mudança nos valores de posição ao longo do tempo. Um dos sensores de velocidade essenciais usados ​​em robótica é o tacômetro.

Tacômetro

O tacômetro é um dos dispositivos mais críticos para fornecer feedback de velocidade. Ele também é usado como um contador de rotações e um medidor de rpm. Em um motor, um tacômetro é usado para medir a velocidade de rotação de um eixo. Em uma unidade analógica, a saída é mostrada como RPM (revoluções por minuto).

Sensores de aceleração em robótica

A aceleração e a inclinação são medidas usando um sensor de aceleração, um dispositivo que mede a aceleração conhecido como acelerômetro. Força estática e força dinâmica são os dois tipos de forças que influenciam um acelerômetro.

• Força estática- É a força de atrito que existe entre duas coisas. Podemos calcular o quanto o robô está se inclinando calculando a força gravitacional. Esse cálculo ajuda a equilibrar o robô ou a decidir se ele está se movendo em uma colina ou em uma superfície plana.
• Força Dinâmica- Refere-se à quantidade de força necessária para mover um objeto. A velocidade / velocidade de um robô pode ser determinada medindo a força dinâmica com um acelerômetro.

Sensores de aspirador de pó robótico

Os aspiradores de pó do robô usam vários sensores para detectar obstáculos e monitorar seu progresso e descobrir novas áreas para explorar e esses sensores do aspirador de pó do robô acionam respostas programadas, que decidem como o robô deve reagir se enfrentar alguns obstáculos.

Sensores de Obstáculo

Para trabalhar em um ambiente doméstico, existem vários obstáculos, como pernas de cadeiras e mesas, sofás, outros suportes de eletrodomésticos e brinquedos perdidos, etc. Nos sensores do aspirador instalados em amortecedores de absorção de choque permitem que ele navegue por esses obstáculos de forma eficiente sem diminuir a velocidade para baixo e este sensor será ativado quando o pára-choque colide com uma barreira, e o robô é instruído automaticamente para virar e ir embora.

Sensores de penhasco

As escadas são talvez o obstáculo mais perigoso para aspiradores de robôs; uma queda pode danificar o vácuo e qualquer coisa em seu caminho. Como resultado, todos os aspiradores de robôs devem ter sensores de penhasco como um recurso de segurança. Eles usam sinais infravermelhos para calcular a distância até a superfície do chão continuamente.

Sensores de parede

Eles realmente os ajudam a detectar paredes usando luz infravermelha para que possam segui-los. Isso permite que eles limpem as bordas da parede onde ela encontra o chão. A melhor parte é que eles podem fazer isso sem arranhar a parede, como às vezes fazemos com aspiradores de pé.

Sensores de roda

A rotação da roda de um vácuo do robô é medida usando sensores de luz. Ele estimará a distância percorrida usando esse número e a circunferência da roda.

O que é sensor de toque na robótica?

O sensor de toque usado em robótica também é denominado sensor tátil. Para aprender mais sobre isso, clique aqui.

Sensores usados ​​em soldagem robótica

Para aprender sobre sensores de robô usados ​​em soldagem robótica clique aqui.

Robótica de fusão de sensores

Muitas indústrias e ambientes estão vendo um aumento na demanda por robôs rígidos e multifuncionais que são simples de configurar. Sensores para consciência contextual e interfaces intuitivas para facilidade de uso agora são necessários para robôs. Alguns aplicativos, por exemplo, podem usar o reconhecimento de gestos para manipular um dispositivo físico.

Ao mesmo tempo, proteção IoT, baixo consumo de energia, segurança e confiabilidade são requisitos estritos. Isso geralmente envolve o uso de sensores para monitorar corrente elétrica, temperatura e outras variáveis ​​para garantir que um sistema opere com eficiência e segurança. Em um futuro próximo, a robótica aumentará o número de motores e a versatilidade do ambiente, e mais robôs colaborativos serão vistos em todo o mundo. O número de sensores usados ​​por robôs aumentará à medida que mais sistemas de controle e configurações forem projetados.

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Esha Chakraborty

Tenho formação em Engenharia Aeroespacial, atualmente trabalhando na aplicação da Robótica na Indústria de Defesa e na Ciência Espacial. Sou um aprendiz contínuo e minha paixão pelas artes criativas me mantém inclinado a projetar novos conceitos de engenharia.
Com os robôs substituindo quase todas as ações humanas no futuro, gosto de trazer aos meus leitores os aspectos fundamentais do assunto de uma forma fácil, mas informativa. Também gosto de me manter atualizado com os avanços da indústria aeroespacial simultaneamente.