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| Todos
los robots son sistemas, lo que equivale a decir que constan de componentes
que forman un todo. El sistema robótico se puede analizar de
lo general a lo particular utilizando el análisis sistemático.
El primer paso es considerar al sistema como una "caja negra",
donde no sabemos que hay en su interior, pero podemos identificar
la entrada y salida del sistema. La entrada genuina al robot está
constituida por las órdenes humanas; la salida está
formada por diversos tipos de trabajo realizado automáticamente.
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Unidades
Funcionales
La
segunda etapa o paso de análisis es mirar dentro de la caja negra
donde encontramos los subsistemas o unidades funcionales del robot. Cada
unidad funcional realiza una función específica y tiene
su propia entrada y salida. Los robots tienen cuatro unidades funcionales
principales:
Controlador, motores y transmisión, alimentación y sensores.
Cuatro
grandes.... Los Subsistemas
La
función del controlador es gobernar el trabajo de los motores
(actuadores: los dispositivos que originan el movimiento) y la transmisión
(modificador del movimiento).
La alimentación proporciona la energía necesaria
para todo el sistema. Además de estos tres subsistemas, los robots
de segunda generación incorporan sensores que reciben la
señal de realimentación procedente de los actuadores pasando
la información al controlador que debe calcular la corrección
del error.
El entorno proporciona también información que reciben los
sensores y se envía de nuevo al controlador para hacer los ajustes
necesarios para la realización de la tarea.
MÁS
SOBRE SENSORES
Percepción
Los humanos no damos, a menudo, importancia al funcionamiento de nuestros
sistemas perceptuales. Vemos una taza sobre una mesa, la tomamos automáticamente
y no pensamos en ello, al menos no somos conscientes de pensar mucho en
ello. De hecho, el conseguir beber de una taza requiere una compleja interacción
de sentidos, interpretación, conocimiento y coordinación,
que, en la actualidad, entendemos mínimamente.
Por tanto, infundir a un robot prestaciones de tipo humano resulta ser
tremendamente difícil. Los juegos de ordenador que derrotan a los
campeones de ajedrez son comunes en nuestros días, mientras que
un programa que reconozca una silla, por ejemplo, en una escena arbitraria
aún no existe. El "ordenador paralelo" que todos tenemos
en nuestra cabeza dedica grandes cantidades de materia gris a los problemas
de la percepción y la manipulación.
¿Transducción
o entendimiento?
A pesar de que nos gustaría que entendiera y fuera consciente de
su entorno, en realidad, un robot está limitado por los sensores
que le damos y el programa que le escribimos. Sentir no es percibir. Los
sensores son meramente traductores que convierten algunos fenómenos
físicos en señales eléctricas que un microprocesador
pueda leer. Esto se podía hacer mediante un convertidor analógico
– digital (A/D) en el microprocesador, cargando el valor de un puerto
de entrada – salida (I/O), o usando una interrupción externa.
Siempre se necesita que haya alguna interfaz electrónica entre
el sensor y el microprocesador para acondicionar o amplificar la señal.
Niveles
de abstracción
Con el software podemos crear diferentes núcleos de abstracción,
para que nos ayude como programadores a pensar acerca de los datos de
los sensores de diferentes modos. En el nivel más alto, el sistema
inteligente, para parecer “listo” necesita tener algunas variables
para hacer malabares con ellas: ¿Está esta habitación
a oscuras? ¿Acaba de entrar alguien? ¿Hay una pared a la
izquierda?.
Sin
embargo, las únicas cuestiones que el robot es capaz de plantearse
son tales como: ¿Ha caído la resistencia en el fotosensor?
¿Ha subido la tensión en el sensor piroeléctrico
conectado al cuarto canal A/D por encima del umbral? ¿Ha cambiado
el nivel en la salida del detector de proximidad infrarrojo?
No
obstante, es posible infundir muchas capacidades en un robot móvil.
El Robot II construido en el Naval Ocean Systems Center. El Robot II sirve
de centinela móvil (patrullando un edificio, evitando obstáculos,
observando intrusos) y es capaz de encontrar su puesto de recarga para
enchufarse.
Este
robot contiene un gran número de sensores, tales como detectores
de infrarrojos de proximidad para evitar obstáculos, sensores para
localización, sensores de microondas para detectar movimientos,
sensores piroeléctricos para detectar intrusos y temperatura, y
sensores de terremotos e inclinaciones para identificar desastres.
Otro
robot móvil cubierto de sensores es Attila, del tamaño de
una caja de zapatos, con seis patas para explorar en todo terreno. Los
sensores de las patas se emplean para detectar obstáculos y pasar
por encima de ellos. Lleva galgas extensométricas a lo largo de
sus espinillas para detectar colisiones, potenciómetros en los
motores de sus articulaciones para la calibración de su posición
y sensores de contacto en sus pies para asegurar pisadas estables. Sobre
el chasis están montados varios sensores. “Bigotes” en
el frente para la detección de colisiones, un sensor de proximidad
de largo alcance mide el espacio libre y una pequeña cámara
recoge imágenes.
Interfaz
con los sensores
Nos centraremos en varios tipos de sensores simples y en como realizar
la interfaz entre ellos y el microprocesador. Veremos varios ejemplos
de interfaces de sensores y de controladores de sensores (fotosensores,
interruptores de impacto, micrófonos, sensores piroeléctrico
de personas, sensores de proximidad de infrarrojo cercano, sonars, sensores
de flexión, giróscopos, acelerómetros, sensores de
fuerza, brújulas y cámaras) se pueden comprar a bajo coste
para interfaz en un pequeño robot móvil.
Al
final de este tema podremos entender más de la parte del cerebro
del robot “Rug Warrior” que tiene la interfaz con los sensores.
La circuitería de los controladores de los motores se verá
en el tema de motores.
Controladores
software
Una vez relacionados los sensores y la interfaz adecuado diseñado
para conectar los sensores al microprocesador, este ha debido ser programado
para leer los sensores. Estos trozos de código se escriben a menudo
en lenguaje ensamblador y se conocen como “software drivers”
o controladores software.
Los
controladores software son fragmentos de código que proporcionan
una interfaz bien definida entre un dispositivo hardware y un programa
que necesita utilizar a ese dispositivo. Daremos aquí varios ejemplos
de código de controladores que hacen fácil usar el hardware.
Los
controladores software tratan con el interfaz hardware – software.
Estas rutinas podrían constantemente consultar un contacto A/D,
esperando el disparo de un sensor piroeléctrico, o podrían
estar implementadas como manejadores de interrupciones que solo son llamadas
cuando la señal devuelta, por ejemplo, por un sensor infrarrojo
de proximidad de nivel alto.
El
código del controlador de sensores podría tomar estos datos
y almacenarlos en una posición de memoria. Empleado de esta manera,
se puede d
Estos datos entonces se convierten en alimento para un nivel de abstracción
más alto. Por ejemplo, otra parte del sistema de inteligencia podría
usar esa señal o variable para disparar un comportamiento o quizás
lo combine con otra información en un tipo de sensor virtual. No
olvidar los diferentes niveles de abstracción, cuando los sensores
raramente alcancen el grado de perfección que nos gustaría.
Sensibilidad
y Alcance
Hay dos conceptos importantes a entender cuando se analiza la sensibilidad
y el alcance de cualquier tipo de sensor. La sensibilidad es una medida
de hasta qué grado la salida de la señal cambia a la vez
que las cantidades de las magnitudes medidas. Llamemos a la salida del
sensor r y a la cantidad física medida x. Por ejemplo un fotodetector
podría tener una tensión de salida de, digamos, 0.87 V (r)
cuando es bombardeado por 2.3 x 1013 fotones por segundo (x). La sensibilidad
del sensor se define como:
Un
pequeño cambio en la cantidad medida, dx, se relaciona con un pequeño
cambio en la repuesta del sensor, dr, mediante la sensibilidad S.
Un dispositivo sensor reacciona a la variación de niveles de algunos
estímulos físicos produciendo una tensión característica
de salida (o corriente, o frecuencia, etc.). Casi siempre, la circuitería
asociada al sensor después amplifica o transforma esta tensión
y la introduce en un convertidor analógico-digital conectado a
un microprocesador. El convertidor A/D es sensible sólo a rangos
limitados de tensiones, frecuentemente 0 á 5 V. En el caso del
convertidor A/D de 8-bits, este voltaje se convierte en 256 (28) niveles
discretos. Esta es por tanto la ventana del microprocesador al mundo.
No
importa lo complejos y sutiles que sean todos los fenómenos se
reducen a un número, o conjunto de números, con valores
entre 0 y 255.
Es, por tanto, importante tener en cuenta cuidadosamente cómo una
cantidad física se transforma en un valor digital accesible por
el microprocesador. Por ejemplo, existen opciones lineales y logarítmicas
para hacer la correspondencia de tensiones a números. Supóngase
que el movimiento de un brazo robótico se restringe a un alcance
bien definido, de 0 á 90 grados. Deseamos conocer su posición
con igual sensibilidad en todas las partes de su alcance. Bajo estas circunstancias,
una correspondencia lineal de los ángulos de las articulaciones
con las lecturas A/D, como la que proporciona un sencillo circuito de
potenciómetro es adecuada.
El
caso de un fotodiodo es más complicada, ya que el nivel de iluminación
que produce la luz solar es varios órdenes de magnitud mayor que
el que ofrece la luz artificial. A nosotros nos gustaría que nuestro
robot fuera capaz de sentir las variaciones de luz tanto si está
en una habitación luminosa como si está en una habitación
oscura.
En
una escala de unidades de iluminación arbitrarias, supongamos que
la iluminación típica en una habitación luminosa
varía, digamos, de 10 á 1000 unidades, mientras que en una
habitación oscura es de 0.1 á 10. Si escogemos componentes
para el circuito de nuestro sensor de modo que los niveles de iluminación
entre 0.1 y 1000 se correspondan linealmente con los valores A/D de 0
á 255, entonces el robot tendrá una buena sensibilidad en
una habitación luminosa; sin embargo, cualquier nivel de iluminación
por debajo de 2 unidades se corresponderá con 0 unidades A/D. Por
ello, el robot será prácticamente incapaz de detectar cualquier
diferencia de nivel de iluminación en una habitación pobremente
iluminada.
Una
manera de corregir este problema es mediante la correspondencia logarítmica.
Un amplificador logarítmico produce una tensión proporcional
al logaritmo de la salida del fotodiodo. Este circuito tiene la propiedad
de incrementar la sensibilidad a pequeños cambios de intensidad
de luz cuando el robot está en una habitación oscura y de
disminuirla en habitaciones muy iluminadas. Así el robot puede
trabajar en un rango mucho mayor de niveles de iluminación.
En
general, la salida de un sensor no será ni lineal ni logarítmica
en sentido estricto, esto, sin embargo, no representa un problema en la
medida en la que el que construye un robot tenga una idea clara de la
respuesta del sensor y de las condiciones bajo las que el robot tiene
que trabajar.
Sensores
de Luz
Los sensores de luz visible y de infrarrojos cubren un amplio espectro
de complejidad. Las fotocélulas se encuentran entre los más
sencillos de todos los sensores para hacer su interfaz con el microprocesador,
y la interpretación de la salida de una fotocélula es directa.
Las cámaras de vídeo, por el contrario, requieren una buena
cantidad de circuitería especializada para hacer que sus salidas
sean compatibles con un microprocesador, además las complejas imágenes
que las cámaras graban son todo menos fáciles de interpretar.
Fotoresistencias
Los sensores de luz posibilitan comportamientos de un robot tales como
esconderse en la oscuridad, jugar con un flash, y moverse hacia una señal
luminosa. Los sensores de luz simples son fotoresistencias, fotodiodos
o fototransistores. Una fotoresistencia (o fotocélula) tiene una
interfaz con un microprocesador fácil de hacer. Las fotoresistencias
son simplemente resistencias variables con la luz en muchos aspectos parecidos
a los potenciómetros, excepto en que estos últimos varían
girando un botón.
Los
fototransistores dan mayor sensibilidad a la luz que las fotoresistencias.
Un fototransistor tiene una interfaz con un microprocesador casi tan fácil
como el de una fotoresistencia.
Los
fotodiodos tienen una gran sensibilidad, producen una salida lineal en
un amplio rango de niveles de luz, y responden con rapidez a los cambios
de iluminación. Esto les hace útiles en los sistemas de
comunicación para detectar luces moduladas; el mando a distancia
de casi todos los TV, equipos estéreos y reproductores de CD los
emplean. La salida de un fotodiodo requiere, no obstante, amplificación
antes de poder ser empleada por un microprocesador.
Detectores
de proximidad infrarrojos
Los comportamientos de seguimiento son fáciles de implementar en
un robot móvil, aunque los sensores de infrarrojos no nos dan la
distancia real a un objeto, sí nos dicen si está o no presente
en su cono de detección. Este tipo de sensores tiene un ancho de
haz mucho más estrecho que el de los sonar. El seguimiento de paredes
empleando dos detectores es muy corriente. Incluso es posible seguir una
pared usando sólo un detector moviéndose diagonalmente como
hacen los veleros respecto del viento. En este caso el robot tiene que
girar alejándose de la pared cuando detecta algo y girar acercándose
a la pared cuando no detecta nada.
Si
te interesa mucho este tema te recomendamos leer el artículo EL
SISTEMA SENSORIAL DE LOS ROBOTS que también se encuentra en
nuestra página de artículos. Es muy interesante!!
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