5.2: Propiocepción de Cinemática de Robot y Fuerzas Internas

La propiocepción se refiere a la percepción de los estados internos de un robot. Esto es diferente de la exterocepción, que describe la detección de cualquier cosa fuera del robot. La propiocepción incluye la conciencia de los ángulos de las articulaciones del robot, sus velocidades, así como los pares y las fuerzas.

El sensor interno principal es, por lo tanto, el codificador. Los codificadores se pueden utilizar para detectar la posición y la velocidad de la articulación, así como, cuando se usan junto con un resorte, un sensor de fuerza simple. Hay codificadores incrementales y absolutos. Estos últimos se utilizan principalmente en aplicaciones industriales, pero no son comunes en la robótica móvil. Hay codificadores magnéticos y ópticos, que ambos se basan en una baliza magnética u óptica que gira junto con el motor y es percibida por un sensor apropiado que cuenta cada paso a través. El codificador más común en robótica es el codificador de cuadratura óptica. Se basa en un patrón que gira con el motor y un sensor óptico que puede registrar transiciones negro/blanco. Mientras que esos patrones pueden fabricarse con precisión, se pueden hacer codificadores simples simplemente cortando con láser un patrón como el que se muestra en la Figura 5.1.1 y leyéndolo con un sensor de luz.

Si bien un solo sensor sería suficiente para detectar la rotación y su velocidad, no permite determinar la dirección del movimiento. Por lo tanto, los codificadores en cuadratura tienen dos sensores, A y B, que registran un patrón de intercalado con una distancia de un cuarto de fase. Si A conduce B, por ejemplo, el disco gira en el sentido de las agujas del reloj. Si B conduce A, entonces el disco gira en sentido contrario a las agujas del reloj. También es posible crear codificadores absolutos, un ejemplo de los cuales se muestra en la Figura 5.1, derecha. Este patrón codifica 3 bits, codificando 8 segmentos diferentes en un disco. Observe que el patrón está dispuesto de tal manera que solo hay un bit cambiando de un segmento a otro. Esto se conoce como “código gris”. La función de los codificadores lineales es análoga, tanto para codificadores incrementales como absolutos.

Si se combina con un resorte, como en un actuador elástico en serie, los codificadores rotativos y lineales se pueden usar como sensores simples de fuerza/par usando la ley de Hooke (F = kx, la fuerza es igual a la distancia por la constante del resorte). Mientras que el actuador elástico en serie es el ejemplo más ilustrativo, la mayoría de las células de carga operan bajo la premisa de medir desplazamientos dentro de materiales de propiedades conocidas. Aquí, medir los cambios en la resistencia o capacitancia podrían ser opciones más fáciles.

Otros medios para medir la fuerza real en el efector final o los pares de torsión de la junta es medir la corriente real consumida en cada junta. Conocer la postura de un mecanismo permite calcular las fuerzas y pares resultantes a través del mecanismo, así como las corrientes requeridas para condiciones de carga vacía. Las derivaciones de éstas corresponden entonces a fuerzas adicionales que de ahí se pueden calcular.

Finalmente, existen otros medios de propiocepción, como sensores simples que pueden detectar cuando un robot es recogido, p.