Arquitetura de Robôs e Sensores

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Os robôs têm vários sensores. Os robôs usam sensores para obter informações do

seu mundo em volta, para desempenhar as suas tarefas, e em especial no manuseio dos produtos. 2

Sensor• Sensor – um dispositivo elétrico/mecânico/químico que

mapeia um atributo do ambiente para uma medida quantitativa.

• Um sensor é geralmente definido como um dispositivo que recebe e responde a um estímulo ou um sinal.

• Em geral um sensor mede uma característica do ambiente ou espaço em que ele está e proporciona sinais elétricos.

• Estes dispositivos simulam os sentidos humanos, principalmente a visão, o tato, a audição e o olfato.

• Mas os robôs têm a vantagem de poder detectar características físicas que nós humanos não conseguimos detectar com os nossos sentidos, como por exemplo: os campos magnéticos, ondas ultra-sônicas etc.

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Percepção• As dificuldades que os sensores por vezes têm são

relacionadas com a interferência nas medidas que fazem, ou em outras. Ora o sensor pode sofrer a interferência, ora ele pode interferir em algumas grandezas do sistema. Por exemplo, os medidores de esforço ou pressão podem ser sensíveis à temperatura.

• Em geral um sensor dá a sua medida como um sinal elétrico. Se desejamos a medida em outra grandezas é necessário usar um transdutor (são dispositivos que transformam um determinado tipo de energia (ou grandeza física) num outro tipo diferente).

• Os sensores são largamente usados na “medicina”, na “indústria” e na “robótica”, além de outras aplicações.

Características dos SensoresParte 1

• Sensibilidade: taxa de mudança da saída para mudar a entrada.

• Linearidade: medida da constância da taxa de saída com relação à taxa de entrada.

• Faixa de medida: diferença entre máximos e mínimos valores possíveis de medida.

• Tempo de resposta: tempo necessário para uma mudança na entrada ser observada na saída.

Características dos SensoresParte 1

Limites máximos e mínimos

Histerese

Características dos SensoresParte 1

Repetibilidade dentro das mesmas especificações (tolerância)

Tempo de resposta

Características dos Sensores Parte 2

• Precisão: a diferença entre valores reais e medidos.

• Repetibilidade: a diferença entre medidas sucessivas da mesma entidade.

• Resolução: menor incremento observável na entrada.

• Tipo de saída (movimento mecânico, tensão, corrente, pressão, intensidade luminosa, etc.).

Classificação de SensoresEm relação ao tipo de informação:

• Sensores proprioceptivos (INTERNOS):– medem valores internos do sistema (robô), – Exemplo: velocidade do motor, direção do robô, carga da

bateria.

• Sensores exteroceptivos (EXTERNOS):– adquirem informação sobre o ambiente do robô.– Interferem ou não no ambiente.– Exemplo: distância de objetos, intensidade da luz do

ambiente.

Classificação de Sensores

Em relação a energia utilizada:

• Sensores PASSIVOS:– Energia vinda do ambiente.

• Sensores ATIVOS:– Emitem sua própria energia e medem a reação. – Melhor desempenho.

Sensorentrada saída

Energia Auxiliar

Classificação de Sensores

Sensor NPN Sensor PNP

+Vcc +Vcc

GNDGND

carga

carga

Alimentações mais frequentes nos sensores industriais

– 220 Vac e 110 Vac - 12 Vdc e 24 Vdc

Funções dos Sensores• Cinemáticos

– posição– orientação– velocidade– aceleração– Proximidade

• Dinâmicos– conjugado– força– tato

• Outros– presença– som– luz– temperatura– tensão e corrente

• Imagens- ccd - analógico- ccd - digital

Há sensores:• de posição,• de distância,• de visão,• acústicos,• e muitos outros.

E quanto a natureza destes sensores também há muitos tipos:

• ópticos,• fotoelétricos,• infravermelhos,• ultrasônicos,• etc. 13

Os sensores de infra-vermelho são usados para comportamentos simples dos robô, como por

exemplo, evitar obstáculos ou mesmo para os robôs se deslocarem. O robô emite um raio para

um obstáculo e e de a distância de maneira similar a um radar (em aviões) ou sonar (em

navios).

Sensores de distância

• (sem contato) Uma série de tecnologias podem ser aplicadas para captar as distâncias....

• Como o sinal é uma forma de energia, os sensores/ transdutores podem ser classificados de acordo com o tipo de energia que detectam. Por exemplo:

• sensores de partículas subatômicas: cintilômetro, câmara de nuvens, câmara de bolhas.

• sensores de (resistência, corrente, tensão e potência) elétrica

• sensores magnéticos: bússola magnética, bússola de fluxo de porta, magnetômetro, dispositivo de efeito Hall.

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• sensores de pressão: barômetro, barôgrafo, pressure gauge, indicados da velocidade do ar, variômetro (indicador de velocidade vertical).

• sensores de fluxo de gás e líquido: sensor de fluxo, anemômetro, medidor de fluxo, gasômetro, aquômetro, sensor de fluxo de massa.

• sensores químicos: elétrodo seletivo, elétrodo de vidro para medição de pH

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• sensores de movimento: arma radar (radar gun), velocímetro, tacômetro, hodómetro, coordenador de giro sensores de orientação: giroscópio(Sensores de direção, que mantêm a orientação em relação a uma referência fixa: mecânicos e ópticos), horizonte artificial, giroscópio de anel de laser (ring laser gyroscope)

• sensores mecânicos: sensor de posição• sensores de proximidade: Um tipo de sensor de distância

porém menos sofisticado, apenas detecta uma proximidade específica. Uma combinação de uma fotocélula e um LED ou laser. Suas aplicações são nos telefones celulares, detecção de papel nas fotocopiadoras entre outras. Elemento chave para localização e modelagem do ambiente.

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• sensores de luz: células solares, fotodíodos, fototransístores, tubos fotoeléctricos, CCDs (charge-coupled device, ou dispositivo de carga acoplado, sensor para a gravação de imagens), radiómetro de Nichols, sensor de imagem.

• sensores de som: microfones, hidrofone (transdutor eletroacústico que responde a fontes sonoras e as transforma em impulsos elétrico equivalentes), sensores sísmicos.

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• sensores de temperatura: termômetros, termopares, resistências sensíveis a temperatura (termístores), termômetros bi-metálicos e termostatos.

• sensores de calor: bolómetro (instrumento elétrico p/ a detecção do calor radiante), calorímetro.

• sensores de radiação: contador Geiger, dosímetro (p/ a medição da exposição diária ao ruído).

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Captação auto inicializável e livre• Varredura por laser - Um raio de laser é enviado ao alvo por um

espelho. Um sensor de luz responde quando o raio é refletido de um objeto ao sensor, então a distância é calculada por triângularização.

• Acústicos: usam o retorno do eco de ultra sons que se propagam na velocidade do som. Usada nas câmaras polaróide do meio do século XX e também aplicado na robótica. Sistemas mais antigos como Fathometros (e localizadores de peixes) e outros sistemas Sonar (Sound Navigation And Ranging) em aplicações navais utilizavam em sua maiorias freqüências de sons audíveis.

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Captação auto inicializável e livre

• Foco. Lentes de grande abertura são focalizadas por um sistema motorizado. A distância de um elemento "em foco" pode ser determinada pela posição das lentes.

• Binocular. Duas imagens são obtidas em uma base conhecida e colocadas em coincidência por um sistema de espelhos e prismas. O ajuste é utilizado para determinar a distância. Usado em algumas câmaras (chamadas câmara detectores de distância) e em escala maior em detectores de distância em navios de guerra

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Captação auto inicializável e livre

• Tempo-de-voo proximidade Servem para indicar se o robô está próximo de algum objeto do mundo. Sensores ultrasônicos como sensores laser fazem uso da propagação da velocidade do som ou ondas eletromagnéticas, respectivamente.

• Tempo-de-voo eletromagnético. Gera um impulso eletromagnético, o envia,depois mede o tempo que o pulso leva para retornar. Comumente conhecido como - RADAR (Radio Detection And Ranging) são agora acompanhados pelo análogo LIDAR (Light Detection And Ranging, veja o item a seguir), todos sendo ondas eletromagnéticas. Note que os sensores acústicos (acima) são um caso semelhante em que um transdutor é usado para gerar uma onda a partir da compressão de um fluído médio (ar ou água).

• Tempo-de-voo por luz. Usado em equipamentos de investigação modernos, um curto pulso de luz é emitido e retornado por um retroreflector. O tempo de 3 retorno do pulso é proporcional à distância e é relacionado à densidade atmosférica em um modo previsível.

• Roda ou faixas por código Gray - uma certa quantia de foto detectores pode sentir uma imagem, criando um número binário. O código Gray é uma imagem modificada que garante que apenas um bit de informação mude a cada passo medido, desse modo evitando ambigüidades.

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Sistemas inicializados. Estes requerem um começo de uma distância conhecida e acumulam mudanças na medida.

• Laser coerente - a interferência entre uma onda de luz transmitida e refletida é contada e a distância é calculada. Possui uma alta precisão.

• Roda Quadratura (Quadrature wheel) - método mais comum usado para direção em que um rato, de computador, de esfera está se movimentando. Uma máscara em formato de disco é movida por um conjunto de engrenagens. Duas foto-célula detectando a passagem de luz através da máscara podem determinar o giro da máscara e a direção desta rotação. 23

Global Positioning System (GPS) • Desenvolvido para aplicações militares.• Recentemente tornou-se acessível para aplicações

comerciais.• 24 satélites (incluindo 3 reservas) orbitam a terra a uma

altura de 20.190 km. • Posição de qualquer receptor de GPS é determinada através

do tempo de vôo da medida.

Global Positioning System (GPS)

Global Positioning System (GPS)

O robô Caesar II da Universidade de Frankfurt na

Alemanha é equipado com habilidades visuais e

sensoriais. Ele tem um par de câmaras stéreo, vários

sensores ultra-sônicos e infra-vermelhos.

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Sensores ópticos se difundiramlargamente nos últimos anos e

hoje são usados até nos mouses.

Sensores óticos• Hoje sensores ópticos podem medir quase todas as grandezas

físicas e um grande número de espécies químicas de interesse prático.

• Alguns exemplos destas grandezas são:

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• temperatura;• pressão;• caudal;• nível de líquidos;• deslocamento;• posição;• velocidade;• aceleração;• vibração;• rotação;• campo magnético;

•força;•esforço;•espécies químicas;•radiação;•ph•umidade,•campo elétrico;•campo acústico;•etc.

Caudal – Volume de água que passa numa determinada secção do rio, por unidade de tempo. caudal ou fluxo,

que é o volume de fluido que atravessa uma dada área por unidade de tempo. O caudal definido desta forma é chamado caudal volumétrico

Sensores óticos e não óticos:• Estes sensores são chamados de

ópticos porque usam técnicas magnético ópticas, ou de laser, ou com fibras ópticas, ou de reflexão de luz ou outras radiações eletromagnéticas.

• As vantagens dos sensores ópticos (sobre os sensores não ópticos ou convencionais) são:

• maior sensibilidade;• passividade elétrica;• livre de interferência

magnética;• larga amplitude dinâmica;• configuração de ponto e

distribuída (isto é, podem medir localmente ou uma região grande);

• capacidade multiplexadora (isto é, podem receber ou enviar vários sinais).

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A visão robótica: Os sensores fotoelétricos de luz são uma forma de visão para a robótica e têm diferentes formas: Fotoresistências, fotodiodos e fototransistores. Ex. eliminar um produto defeituoso de uma linha de produção.

• Estes sensores mudam a resistência, do transistor conforme detecta luz.

• Ou seja, quando um feixe de luz é detectado eles respondem seja criando ou trocando um sinal elétrico que será analisado e o dispositivo tomará uma decisão.

• Com o uso de filtros um sensor de luz pode criar respostas seletiva com as quais o robô unicamente poderá ver determinadas cores.

• O uso de sensores de luz permite aos robôs se comunicarem.• Para sistemas mais complexos os sensores de luz não são

suficientes. 30

Sensores e Inteligência artificial (IA)

Esta é uma tarefa que os humanos fazem com certa facilidade mas porque não usam somente a visão, mas

sobretudo o cérebro, na tomada de decisão.Nestes casos os robôs necessitam do auxílio do computador

para fazer a seleção com base em informações que os sensores de luz produzem.

Para isto o computador muitas vezes tem que usar técnicas de Inteligência Artificial que simulam o funcionamento

do nosso cérebro na tomada de decisões.O computador processa e envia uma informação de volta

para o dispositivo robótico com uma ordem (de aceitar ou rejeitar o produto).

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A robótica móvel tem exigido cada vez mais que os robôs possuam a capacidade de tomar decisões. Estes robôs

pertencem a categoria dos robôs inteligentes cujas características são: Possuírem sensores que irão fornecer

dados para seus sistemas de controle e desta forma permitir que tomem decisões.

• Primórdios da IA tiveram forte impacto nos primórdios da robótica.

• Foco no conhecimento, modelos internos, e raciocínio / planejamento.

• 1980s robótica desenvolveu técnicas mais apropriadas => controle comportamental e híbrido.

• Mas, mesmo antes disso, primeiros robôs usaram controle deliberativo.

Inteligência Artificial (IA)

Robôs que se deslocam automaticamente dependem da visão robótica. Estes robôs são chamados AGV (Automated Guided Vehicles) e LGV

(Laser Guided Vehicle), freqüentemente usados para fazer o transporte de materiais na indústria (caso das fotos acima).

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A visão robótica: pura e simples é ainda muito imperfeita e portanto, um dos grandes desafio para a engenharia de hoje.

• Para poder gerar imagens tridimensionais a partir de 2 imagens muito semelhantes em um tempo curto se requer uma grande quantidade de memória e de um processador muito poderoso.

• É difícil programar um robô para que ele saiba o que deve ignorar e que não deve ignorar das imagens que ele “vê”.

• Além disso, para poder ter percepção da profundidade é necessário que tenham visão estereoscópica, como nós humanos que temos dois olhos.

• Outro dos grandes inconvenientes é ter que interpretar imagens tridimensionais.

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Sensores de tato e de posiçãoSensores de tato e de posição• Os sensores de tato também ajudam aos robôs (que não têm

capacidade de visão) a caminhar.• Os sensores constatam e enviam um sinal para que o robô saiba

que tocou em algum objeto.• Os sensores mais comuns para isto são os do tipo pizzoelétrico.• Com os sensores de posição tornam possível ensinar a um robô a

fazer uma função repetitiva em função dos seus movimentos.• Os sensores localizados em certos pontos do próprio robô

guardam informações sobre as trocas de posições.• Desta forma o robô poderá então recordar a informação e repetir

o trabalho na forma exata que foi realizado inicialmente.

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Com ajuda de sensores de tato e de posição os robôs podem memorizar os movimentos de uma tarefas e depois repeti-la por

vezes e vezes sem fim e sempre da mesma forma.

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Outros tipos de Outros tipos de sensores robóticos, ou combinação sensores robóticos, ou combinação dos já mencionados dos já mencionados acima:acima:

• Acelerômetro: Detecta movimentos, vibrações, e ângulos com respeito à gravidade.

• Bússola digital: Detecta orientação com respeito ao campo magnético terrestre. Não é viável para ambientes internos

• Encoders: (Linear ou translacional, Rotary ou de rotação e Slot ou de ranhura): Usado para determinar distância translacional, velocidade rotacional e/ou ângulo das partes móveis do robô.

• Sensor piroelétrico: Detecta fogo e outras fontes de calor (como velas acesas, chamas, etc.). Também é usado para detectar movimento de pessoas e animais, pois irradiam calor do seu corpo.

• Sensor whisker: Um tipo de sensor de toque e proximidade.

• Emissor e detector infra-vermelho: Emite e detecta raios infra-vermelho. Pode ser usado para sinalizar, para evitar obstáculos, e para detectar cor.

• Sensores de carga e de momento (torque): Mede momentos e outras forças do robô.

• Rangefinder: Detecta limites de obstáculos de poucos centímetros até vários metros. Modulado para estar imune a irradiações de infra-vermelho do ambiente.

• Sonar ou sensor ultra sónico: Detecta obstáculos e pode determinar a dureza / maciez dos objetos pela eco-locação. Regiões de profundidade constante. Segmentos de um arco.

• Chaves táteis de choques: Detecta contacto físico do robô quando colide com algo.

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Fusão SensorialFusão Sensorial

• Fusão sensorial é o processo de utilizar informações fornecidas por vários sensores.

• Mesmo para tarefas não muito complexas, um sensor apenas, não é suficiente.

• Precisão limitada.

• Não confiável - falhas/redundância

• Ponto de vista do ambiente limitado: retorna uma descrição incompleta do ambiente.

• A escolha do sensor pode ser cara – pode ser mais barato escolher dois sensores não caros.

Fusão SensorialFusão Sensorial• Combina informações de:

– diferentes sensores.– diferentes posições.– diferentes tempos.

• Em geral usa uma técnica matemática que considera incertezas na informação (redes neurais, filtro de Kalman).

• o processo de utilizar informações fornecidas por vários sensores.

• Mesmo para tarefas não muito complexas, um sensor apenas, não é suficiente.

• Produz um conjunto de dados fundidos (como se houvesse um ‘sensor virtual’).

Um exemplo: o robô Neptune construído na Universidade Carnegie Mellon em New Jersey nos Estados Unidos para fazer exames do

interior de tanques e reservatórios de combustíveis.

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Este robô Neptune usa sensores acústicos para sua navegação e sensores de corrosão para avaliar a deterioração do fundo e das

paredes dos tanques e reservatórios que ele examina. Ele também usa sensores de visão (carrega uma câmara) para

permitir a inspeção das deteriorações visíveis que ficam registradas em vídeo.

Sensores Biológicos

• Os sensores acima seriam mais corretamente chamados de “sensores artificiais”.

Isto porque existem também os sensores naturais ou “biológicos”.

• Todos os organismos vivos contêm sensores biológicos com funções similares àquelas dos dispositivos descritos acima.

A maioria destes sensores biológicos são células especializadas que são sensíveis a:

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• luz, movimento, temperatura, campos magnéticos, gravidade, humidade, vibração, pressão, campos elétricos, som, e outros aspectos físicos do ambiente;

• aspectos físicos do ambiente interno, tais como alongamento, movimento do organismo, e a posição dos membros;

• um enorme grupo de moléculas ambientais, incluindo toxinas, nutrientes etc;

• muitos aspectos do metabolismo, tais como os níveis de glicose ou oxigênio (concentração de partículas em solução);

• um número variável de moléculas de sinal internas, tais como os hormônios, neurotransmissores e citocinas;

• e mesmo as diferenças entre proteínas do próprio organismo e do ambiente ou criaturas estranhas.

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Enquanto que células especializadas são sensores naturais ou “biológicos”, os

sentidos humanos são sensores neuronais especializados e exemplos

de instrumentos de medida naturais ou “biológicos”.

Sensores artificiais que imitam sensores biológicos usando componentes

biológicos, são chamados biosensores.

Reconhecimento de Padrões

• Um sistema completo de reconhecimento de padrões consiste de um sensor que obtém observações a serem classificadas ou descritas; um mecanismo de extração de características que computa informações numéricas ou simbólicas das observações; e um esquema de classificação das observações, que depende das características extraídas.

• Aplicações típicas do reconhecimento de padrões incluem reconhecimento de fala, classificação de documentos em categorias (por exemplo, mensagens de correio eletrônico que são spam ou não), reconhecimento de escrita e reconhecimento de faces (processamento de imagens).

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Reconhecimento de Caracteres Alfanuméricos para Identificação de Placas de Veículos

• O processo de reconhecimento da placa do veículo é feita de forma manual por pessoas que analisam as imagens. Recentemente, em um ponto da cidade de São Paulo, um desses guardas eletrônicos aplicou 2.200 multas em quinze dias de funcionamento.

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