Hardware y sensores de robots

El ROMEO-4R: Universidad de Sevilla

ESTRUCTURA (CAD)

Ejemplo: Roboworks

Simulación 3D e interfaz Matlab

Virtual Reality Toolbox

Simulación 3D

Robotic Studio: Visual Simulation Environment

Sojourner

Justificación de Sistemas CAD

Retos de experimentos en robots:• Hardware puede ser caro• Dificultades en reparación y puesta a punto• A menudo existe un único prototipo: limita uso y experimentos

Ventajas de la simulación:• Acceso más general• Costo reducido • Puede evaluarse si un diseño de robot es el más adecuado• Ausencia de datos ruidosos

Sistema de dirección

Universidad de Sevilla: ROMEO 3R

Sistemas de dirección

Robot Universidad Central Florida (UCF) Robot Austin

Detalle Robot Austin

• Motor sin escobillas: Quicksilver 34HC-1 I-Grade• Alimentación: 12-48V DC• Encoder integrado de 16000 pulsos/rev• Factor de reducción: 10:1

Sistema de frenos

Robot Austin:•Actuador linear BUG (Ultramotion)

Robot Caltech:• 4 pistones 0-15 posiciones

Sistemas integrados

Espíritu de Berlin:• Aceleración y freno

Espíritu de Berlin:• Control de dirección

Drive-by-wire: Las acciones del conductor se convierten a señales electrónicas que se transmiten para el control de los servos EMC_AEVIT

E-Stop

Robot StanfordRobot Universidad de Utah

Interruptores

Computador central (vibraciones)

Robot Universidad de Cornell (2005)

Fuente de alimentación

Robot Austin:•12V del alternador del vehículo•24V 150A de alternador adicional•Por espacio: Batería en compartimiento del vehículo

Fuente de alimentación (II)

Robot: Victor Tango(Escape Hybrid)• Utiliza voltage de la batería híbrida

MIT: Generador

Berlin: Inversor 12V-1600W (230V)+ 2 baterías en maletero

Partes del Sojourner

Computador central

Baterías

Sensores

Cámara

Diseñadores del Sojourner

Conectores y baterías

Alimentación del hardware: Baterías, 24V Alimentación de motores: Baterías, 36V

Conectores

1.- Rápida reparación del sistema

2.- Reducen fallos

3.- Facilitan la implementación del sistema detector de fallos

4.- Reducen cantidad de cables exteriores

5.- Aumenta la fiabilidad del sistema

Otras consideracionesSoftware diagnóstico

1.- Diagnóstico por Software2.- Diagnóstico por Hardware3.- Preferiblemente almacenado en ROM

Otras consideraciones

Uso de cables apantallados para la protección de señales débiles frente a la interferenciaPares trenzados para anular las interferencias electromagnéticasMantener alejadas las zonas por la que circula señales débiles de las fuentes de alimentaciónAmplificar las señales débiles cerca de las fuentes de señal (reduce ruído)

Ejemplo de módulos

Sensores

• Adquieren información del entorno

• Sensor: Dispositivo eléctrico, mecánico o químico que convierte un atributo del entorno a una magnitud cuantitativa

• Se basan en el principio de conversión de un tipo de energía en otra

Órganos sensoriales humanos

• Visión: ojos (óptica, luz)– CCD

• Audición: oídos (sonido,acústica)– Micrófono

• Táctil: piel (mecánica, calor)– Presión, fuerza, temperatura

• Olor: nariz (química fase vapor)– Nariz electrónica

• Sabor: lengua (química fase líquida)

Clasificación de sensores

• Sensores internos: Miden variables internas del robot– Nivel de la batería– Ángulo de las articulaciones– Velocidades de los servos, etc.

• Sensores externos: Carácterísticas del entorno– Presencia de obstáculos (sónares, infrarrojos..)– Imagen del entorno– Mapa para la navegación (láser)

Sensores del PUMA 560

V

Puente deWheastone

Variables:•Posición•Velocidad

Sensores en algunos robots

controlador

cámara para tele operación emisora

rueda de dirección

panel de mandos

sónares

estructura de soporte

baterías

cámara de control con con posicionadorposicionador

controlador

cámara para tele operación emisora

rueda de dirección

panel de mandos

sónares

estructura de soporte

baterías

cámara de control con con posicionadorposicionador

• Comunicaciones: Control remoto

• Resistivos: Posición, deformación, peso

Sensores en algunos robots (II)

Sensores

Elastómetro: Incremento de la densidad

Fuerza aplicada

• Sensores táctiles:

Sensores en algunos robots (III)

CapacidadCarga

Fuerza

Elastómetro

Dieléctrico

Placas

Elastómetro

Elastómetrotransparente

Fibra transmisora

Fibra receptora

Ópticos

Capacitivos

Cargasde

esfuerzo

• Sensores ultrasónicos: Medición de distancias a través del tiempo que transcurre entre la transmisión y recepción de una onda ultrasónica (onda de presión, entre 40-500Khz)

• Micrófonos de alta frecuencia

Sensores en algunos robots (IV)

Distancia (cm)

Ángulo de percepción

Espectro electromagnético

Ondas de radio (parte del espectro)

    

         

    

 

    

             

    

      

    

             

    

    

                   

    

   

    

           

    

        

    

   

    

         

             

          

               

             

             

              

               

       

             

      

                                                                                                                  

                    

            

      

               

             

            

         

               

               

            

               

    

   

Longitud de onda: Distancia entre dos picosFrecuencia: Número de ondas por segundo

AM: 750KHz, 400mFM: 100MHz, 3m

Onda larga:

Barcos

Onda media:

AM,radiodifusión

Onda corta:

Policía,aviones

VHF:FM,

modelosradiocontrol

UHF:Televisión

Microondas:Celulares,TV satélite,

cocina

460MHz

Comunicaciones (Radio-Modem)

Cámaras infrarrojas

AnimalesRescate Bomberos Incendios

forestales

• Basados en intensidad

• Modulados (proximidad)

• Barrido (distancia)

Sensores en algunos robots (V): Infrarrojos

• Sensores inerciales: Segunda derivada de la posición– Acelerómetros– Giróscopos

• Sensores de orientación:– Compás– Inclinómetro

• Sensores láser, Visión, GPS...

Sensores en algunos robots (VI)

Comunicaciones: Conducción espacial remota

Radio-Modem (Sojourner)

Radio Modem

Enlace con la tierra

Enlace con la tierradurante el viaje

Enlace con el rover

Características del radio-modem

Características: Modulación- demodulación FM (analógico-digital)Frecuencia central: 459.7 MHzAncho de banda: 25KHzInterfase con computador: RS232 – TTLTensión alimentación: 9VTasa máxima de transferencia: 9600 (2600 efectivo)Radio modem en Estación base es idéntica, pero a 24V

Teleoperación:Radio-Modem

Interior Exterior

2.4GHz 180m 5Km

900MHz

450m 11Km

Sensores resistivos: Desplazamientos lineales y giros

10-15K

• Baja resistencia cuando hay gran

iluminación

• Interfaz: Puente de Wheastone

Sensores resistivos: Fotocélulas

RR

RVV ssal

24

)(

Sensores tactiles: Resistivos

Área activaExtremidad

Miden la fuerza aplicada

Sensores tactiles

Examinar mamas de forma remota

Romper huevos

Arreglo de sensores tactiles

Atención multiplexada a cada sensor:Semejante a la atención a un teclado

Sónares en Robots

Sónares

Mide distancia calculando el tiempo de rebote de la ondaUtilizados en cámaras para autofoco al objeto más próximoFrecuencia de 50kHz, no le afecta el ruido ambienteGenera corriente (4-20mA): 4mA distancias más cortasDistancias aproximadas (Siemens):

Corto alcance: 400-3000 milímetros (3RG6125-3BF00 )Largo alcance: 600-6000 milímetros (3RG6124-3BF00 )

Se combinan de corto y largo alcance

Sónar SRF-04

•Se le genera un pulso de disparo•El sensor genera 8 períodos con frecuencia de 40 KHz•Se devuelve el Eco, su ancho es proporcional a la distancia del obstáculo (distancias de hasta 10m)

Fusión sensorial de sónares

Creación de mapas usando sensores ultrasónicos

chair

Robot

chair

Doorway

Scan moving from left to right

Leng

th o

f Ech

o

Silla Long

itud

del e

co

Puerta

Silla

Barrido sónar de izquierda a derecha

Sónares en aplicaciones marinas

Medición de un escáner ultrasónico

Frecuencia Amplitud Precisión

Valores típicos:200 metros o más: 150KHz

50-200 metros: 300KHz20-75 metros: 600KHz

La frecuencia de operación determina la precisión y la

amplitud de la zona de barrido

Sensores infrarrojos basados en intensidad

Aplicaciones del conmutador optoelectrónico

Sensores infrarrojos reflexivos

LED transmisor Fotodiodo o fototransistor

•Luz emitida es infrarroja (no visible)•Aplicaciones : Detección de obstáculos, Seguimiento de líneas, Seguimiento de paredes•Desventajas: Sensibles a luz ambiente y reflectividad de objetos

• Modulación y Demodulación– Fuente intermitente de luz a determinada frecuencia– Un demodulador sintonizado a la frecuencia de

intermitencia (32kHz~45kHz)– Menos susceptible a la luz ambiente y reflexibidad de

los objetos – Usados en la mayoría de sensores de proximidad

Sensores infrarrojos modulados

Sensores infrarrojos (distancia)

Sensor infrarrojo Sharp GP2D02 • Alcance: 10cm ~ 80cm   • Immune a la luz ambiente• Resistente a cambios de colores y reflectividad

Sensores para odometría

A

B A adelanta a B

LED

Fotodiodo

Circuíto decodi- ficador

Encoder incrementales

Encoder incrementales

• Características:– A adelanta a B en sentido horario– Z indicador absoluto de una revolución– Pulsos por revolución: Número de pulsos que

genera un canal para girar 360 grados– Resolución real: 360/(4PPR), dos canales

Encoder absoluto

Codificadores absolutos:

Posición determinada por lectura del código, que es única

No pierden la posición cuando se corta la alimentación

Problemática captación de un código a otro en código binario: 0111-1000

Código Gray: Sólo un bit cambia de estado de uno a otro código

Tacómetros

• El PUMA 560 no tiene tacómetros, la velocidad se calcula como incrementos de posición

• Tacómetro: Mide la velocidad rotacional del motor, a través de convertidor frecuencia a voltaje

Velocidad y posición

Tiempo (segundos)

Dis

tanc

ia r

ecor

rida

(met

ros)

Ejemplo de tacómetro y configuración básica

Aceleración

• Concepto: Variación de velocidad con respecto al tiempo

• Unidades: (m/s)/s=m/s2

• “g”: Unidad de aceleración, corresponde a la gravedad de la tierra al nivel del mar

• 1g=9.81m/s2

Aceleración y velocidad

Tiempo (segundos)

Vel

ocid

ad (

met

ros/

segu

ndo)

Acelerómetros angulares

Cada eje (x, y, z) tieneun acelerómetro

LateralFrontal

Superior

Principio de funcionamiento: Se basan en la capacidad diferencial, la aceleración provoca el desplazamiento de una estructura de silicio, cambiandola capacidad, los cambios de capacidad se convierten en cambios de voltaje, proporcionales a la aceleración

Acelerómetro de tres ejes

Analog Devices: ADXL312

Giróscopos

Eje rotor, que mantienesu orientación debido alal momento angular

que genera la masa dela rueda giratoria

Potenciómetros

Miden la velocidad angular (rad/s)

Aplicaciones de acelerómetros y giróscopos

• Mantener balanceado un robot, prótesis

GPS

• Longitud, latitud y altitud (precision de 4-20 metros)• GPS diferencial: 1-3 metros (referencia adicional en tierra)• Son los únicos que brindan la posición absoluta• Posición de GPS en Google Maps (programa)

GPS (Robotics Studio)Dirección Web: Definido por Service uri

Valores adquiridos en Virtual Earth Servicio en MRS

Sensores de orientación: Compás

Existe un campo magnético

terrestre de 0.6 Gauss al aire libre,

del polo sur al norte magnético

El vector de orientación al polo norte es totalmente

horizontal sólo en el ecuador

Esencia de la orientaciónpor compás magnético: Se miden

las componentes del vectorque apunta al campo magnético

terrestre (x,y).

Compás magnético de tres ejes

Honeywell: HMR3000

Unidades de medida inercial (IMU) y Sistemas de navegación inercial (INS)• Unen la aceleración (acelerómetros) y los cambios de

velocidad angular (giróscopos) para establecer la posición en el espacio, a partir de la soluciónde un conjunto de ecuaciones diferenciales

• Dan medida de posición relativa

• Errores acumulativos (igual que odometría)

• Pueden unirse a otros sensores (GPS, compases..) para corregir desviaciones en la posicíón estimada

Procesador de unidad de medida inercialMEMSense: nIMU

GPS + IMU

Crossbow NAV420

Estimación de los seis grados de libertad con la IMU

Aceleración en tres ejes

Corrección del sistemade referencia relativo

a la tierra

Medición deorientación

(magnetómetro)

Posición absoluta(GPS)

Unidad de correción/Filtro de Kalman

PosVel

6 grados de libertadpara navegación

IMU

IMU de Analog DevicesADIS16367

Giróscopo y acelerómetro de tres ejes

Applanix POSLV

Sistema de Medición Inercial+ GPS

Applanix POSLV en un vehículo

Devuelve:• Posición y orientación en tres ejes (6 GDL)• Posición basada en GPS• Distancia recorrida por rotación de rueda

Aplicaciones: Navegación en vehículos no tripulados

UUV UAV UGV

• LIDAR: Light Detection and Ranging

• Sensor optoelectrónico

• Principio de funcionamiento basado en rayo láser reflejado por espejo rotatorio (esquema)

• Mide “tiempo de vuelo”: Intervalo de tiempo desde que se emite la luz a que es reflejada

• Utiliza zona del espectro con longitud de onda inferior al radar, por lo que detecta pequeñas partículas

• Usando el tiempo de vuelo y el ángulo del espejo, se determina la localización del objeto

Escaner láser de proximidad (PSL)

Escaner láser de proximidad (PSL)

• Rango 2-500 metros• Resolución : 10 mm• Ángulo de visión : 100 - 180 grados• Resolución angular : 0.25 grados• Tiempo de barrido : 13 - 40 mseg• Devuelve distancia y ángulo de cada punto

Escáner de barrido láser

Escáner PB-9 (fabricado por Hokuyo Electric)

Rango de detección es de 3 metros, en un ángulo de 162 grados con 91 bloques de resolución

Información disponible

Muestra de posibles trayectorias

Escaner láser de proximidad (PSL)

Interpretación de las celdas: Mapa de celdas ocupadas

Alta probabilidad de obstáculos: celdas agrupadas

P(x,y): Celda ocupada P(x,y): Celda no ocupada

I = imread('celdas_laser.jpg');

imshow(I)

background = imopen(I,strel('disk',15));

I2 = imsubtract(I,background);

level = graythresh(I2);

bw = im2bw(I2,level);

imshow(bw)

Escaner láser de proximidad (PSL)

Interfaz (LM 200)

Telegramas

Respuesta a un Telegrama de

solicitud de envío de datos

Telegramas (LM 200)

Telegrama para verificar conexión con el LIDAR:Status_Chk = uint8([2 0 1 0 49 21 18]);fwrite(s,Status_Chk);Status_Ack = fread(s,161,'uint8');

Telegrama de solicitud de envío de datos:Send_Data = uint8([2 0 2 0 32 36 52 8]);fwrite(s,Send_Data);DataSet = fread(s);

Telegrama para detener el envío de datos:Stop_Data = uint8([2 0 2 0 32 37 53 8]);fwrite(s,Stop_Data);StopData_Ack = fread(s,10,'uint8');

Fuente: Olin Robotics

Dibujo de mapas

Programa en Visual Basic 6Fuente:Interfaz del LM 200

Interfaz con MRS

Ejemplo de Andreas Ulbrich:

•Descripción de la aplicación

Entorno en 3D

Robot: Gator Nation

Techo del vehículo (3600):Equipo Berlin

Cámara CCD

CCD (Charge-Coupled Device)

Cámara CCD: Pieza rectangular de silicio, formado por celdas sensibles a la luz, que representará el valor de un pixel. Se liberan electrones cuando inciden fotones (efecto fotoeléctrico).

Aplicaciones Imagen

Aplicaciones Imagen (I)

Cámaras

Identificación y seguimiento

Detección de peatones

Aplicaciones Imagen (II)

Detección de caminos

Reconocimientos de

caracteres

Reconocimientos de

personas

Aplicaciones Imagen (III)

Control de calidad

Spray nasal

Códigos y caracteres

Control de calidad

Aplicaciones Imagen (IV)

Cápsula para análisis

intestinal

Escáner huellas

dactilares

Quemaduras en

pacientes

Aplicaciones Imagen (V)

Referencias para el aterrizaje en Marte del Spirit

Grand Challenge: TormentaSensores para mapas: 1. Escáner Láser SICK LMS 220:

Próximo a la tierra, +/- 90 grados frente al vehículo, 80 metros. Detecta obstáculos

2. Escáner Láser SICK LMS 291-S14 : Techo del vehículo, 10 grados de inclinación al suelo. +/-45 grados, se intersecta en el suelo 10m. Irregularidades

3. Cámara estéreo: Videre Design DCAM, 30 fotos por segundo, 640x480 (gris), rango de visión de 10-80 metros

Tormenta (I)

Cámara Estéreo

Escáneres láser

Medición Inercial(IMU)

GPSDiferencial

Mapa, detección de

obstáculos

Posición

Planificación Controladores

Aceleración

Freno

Curvatura

Grand Challenge: StanleyPosición: Applanix POS LV 420 (Encoder, GPS, IMU)

Localización:SICK LidarLocalización: RIEGL LMS-Q120 Lidar

Radares BOSCH: 5

Grand Challenge: Stanley (I)Percepción: SICK LD-LRS Lidars

Servidores Rackmount: 2 Intel quad-core c/u

Grand Challenge: Stanley (II)

Velodyne HD:

•64 láseres (3600 CV)• 2.50 a -240

• 1.8 e6 puntos/seg• Ancho: 120 m• Precisión < 2 cm• Ethernet 100 MBPS

Percepción: Cámara (Bus IEEE-1394)

Grand Challenge: Carolo

Uso de Radar, Lidar y Laser Scanner

Ibeo Alaska XT (Berlin)

Campo de visión:• 2700 en la horizontal• 3.20 en la vertical (4 rayos láser)

Radar Delphi ACC3 (MIT)

Basada en el efecto Doppler, sólo detecta obstáculos en movimiento: • Campo de visión: 150 en la horizontal• Alcance: 150m

0fvv

vvf

f

r

Control de mobilidad electrónicaComputador para el control de mobilidad

Entradas muestreadas:• Ángulo de curvatura volante• Aceleración/freno• Control manual: E-Stop, luces, etc.• Bus-CAN: Odometría

Salidas:•Panel de Operador:Cambios de marcha, encendido, luces, etc.• Actuador de curvatura del volate• Actuador de Aceleración/freno• Otros controles conductor

Deben existir módulos que admitan interfaz a Ethernet

Sistema de percepción (MIT)

Puntos de paso (DARPA)

Vehículos marinos

Vehículos aéreos