Robótica Industrial
E. U. Politécnica de la
Universidad de Sevilla
Área de Arquitectura y Tecnología de Computadores
1
TEMA 1.
Introducción a la Robótica
2
¿Qué es un robot?
• Robot: término acuñado por Karel Capek en Rossum’s Universal
Robots (1921).
• “Robota”, palabra eslava que significa “trabajo de manera forzada”.
• Una máquina programable (computador) con capacidad de
movimiento y de acción.
• Diccionario RAE: Máquina o ingenio electrónico programable, capaz
de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas sólo a
las personas.
• Tipos de robots:
– En función del medio:
•
•
•
•
Terrestres (vehículos, robots con patas, manipuladores industriales)
Aéreos (dirigibles)
Acuáticos (nadadores, submarinos)
Híbridos (trepadores)
– En función del control del movimiento:
• Autónomos
• Teleoperados.
– Otras clasificaciones (más adelante)
3
¿Para qué sirven los robots?
• Reproducir ciertas capacidades de los
organismos vivos.
• Robots móviles: exploración, transporte.
• Robots fijos: asistencia médica,
automatización de procesos industriales.
• Otros: control de prótesis, entretenimiento.
4
Revisando la historia (i)
esculturas animadas
egipcias (2000 a.C)
Reloj, Piazza San Marco, Italia (s. XV)
5
Revisando la historia (ii)
Relojes, cajas
de música
(s. XVII-XVIII).
6
Revisando la historia (iii)
Autómatas (siglo XVIII).
Mecanismos coordinados.
Ej. bailarinas, acróbatas.
Mecanismos especializados.
Ej. dibujantes, músicos, escritores.
7
Revisando la historia (iv)
La cibernética (años 50)
• Tortugas de Grey Walter
(1950's).
– Burden Neurological Institute
(UK)
– 8 tortugas
– Un foto-tubo como ojo
– Comportamientos tropistas:
• Baile alrededor de una luz
– Recarga al detectar descarga
8
Revisando la historia (v)
• La electrónica (años 60)
– Johns Hopkins University
(USA)
– Transistores
– Centrado con sonar
– Brazo de recarga
– Células fotoeléctricas
(enchufes negros)
– Tarea: patrullar pasillos
9
Revisando la historia (vi)
• Los ordenadores (años 70)
Shakey
–
–
–
–
–
–
–
Stanford University (USA)
Ordenador externo planificación
Ordenador interno control
Cámara de TV
Encuentra objetos regulares
Entorno altamente controlado
Tarea: planificar movimientos
10
Revisando la historia (vii)
• Los ordenadores
empotrados (años 80)
– Stanford University (USA)
– Dos cámaras de TV
– Reconstrucción 3D
limitada
– Ordenador empotrado
– Entorno estructurado:
• Reconoce objetos regulares
– Tarea: navegación
– Muy lento (30 m  5 h)
11
Revisando la historia (viii)
•
Navegación en entornos
reales
•
Spirit, Opportunity
–
–
–
–
–
–
–
–
–
“Cuerpo”: Protege los “órganos
vitales”
“Cerebros”: Ordenadores para
procesar la información
Controles de temperatura:
Calentadores internos, capa de
aislamiento, etc.
Un “cuello y cabeza”: Un poste
para las cámaras que dan al robot
una vista a escala humana
“Ojos” y otros sentidos: cámaras e
instrumentos que dan información
del entorno
Brazo: Extensión del alcance
Ruedas y “piernas”: Dotan de
movilidad
Energía: Baterías y paneles
solares
Comunicaciones: Antenas para
“hablar” y “escuchar”
12
Revisando la historia (ix)
• El futuro
– 2005 manejo de mapas 3D
– 2010 Robots controlados
con técnicas de IA
– 2020 Robots de propósito
general
– 2030 Primates robóticos
– Nanotecnología
– Interacción con humanos
– Aprendizaje, adaptación,
reconfiguración
13
Esquema general de un robot
14
Clasificación de robots (i)
• Robots manipuladores
– Robot Institute of America: un robot industrial es un
manipulador programable multifuncional diseñado
para mover materiales, piezas, herramientas o
dispositivos especiales, mediante movimientos
variados, programados para la ejecución de distintas
tareas.
– Funcionamiento repetitivo. Precisos, rápidos y de alta
repetibilidad, con percepción limitada.
– Morfología
•
•
•
•
Sistema mecánico: articulaciones.
Actuadores: motores.
Sensores: comunicación, percepción (visión, etc.).
Sistema de control: servocontrol, generación de trayectorias,
planificación.
15
Clasificación de robots (ii)
• Robots móviles y de servicios
– Incremento de autonomía: Sistema de navegación
automática (planificación percepción y control)
– Generalmente son robots autónomos (perciben,
modelan el entorno, planifican y actúan con mínima ó
nula intervención humana).
• Telerrobots
– Teleoperados. El hombre realiza su percepción,
planificación y manipulación.
16
TEMA 2.
Morfología del Robot Manipulador
17
Índice: Morfología del Robot
Manipulador
• Estructura mecánica de un robot
–
–
–
–
–
Elementos y enlaces. Grados de libertad
Tipos de articulaciones
Configuraciones básicas
Elementos finales
Volumen de trabajo
• Transmisiones y reductoras
• Actuadores:
– Eléctricos
– Hidráulicos
– Neumáticos
• Modelos físicos
18
Estructura mecánica de un robot (i)
• Un robot manipulador está típicamente formado por una serie de
elementos (segmentos, eslabones o links) unidos mediante
articulaciones (joints) que permiten un movimiento relativo entre cada
dos eslabones consecutivos. Este movimiento es producido por los
actuadores. El último elemento se denomina“elemento terminal” (pinza,
herramienta...)
• El movimiento de la articulación puede ser:
•
– De desplazamiento
– De giro
– Combinación de ambos
Grado De Libertad (GDL) “Degree Of Freedom” (DOF):
– Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada
articulación con respecto a la anterior. El número de GDL del robot viene
dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen.
– Los grados de libertad equivalen al número de parámetros independientes
que fijan la situación del elemento terminal.
• Variables de estado:
– Parámetros que definen la configuración (posición, orientación, etc) del
elemento terminal
19
Estructura mecánica de un robot (ii)
• Tipos de articulaciones:
20
Estructura mecánica de un robot (iii)
• Empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en
un robot, implica:
– Diferentes configuraciones
– Tener en cuenta las característica específicas del robot a la hora del
diseño y construcción del mismo, y del diseño de las aplicaciones.
21
Estructura mecánica de un robot (iv)
• Elementos terminales
– Son los encargados de interaccionar directamente con el
entorno del robot.
– Pueden ser tanto elementos de aprehensión como
herramientas.
– Normalmente son diseñados específicamente para cada tipo de
trabajo.
• Volumen de trabajo
– Volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot.
– Volumen determinado por:
• el tamaño, forma y tipo de los segmentos que integran el robot.
• Las limitaciones de movimiento impuestas por el sistema de control
• Nunca deberá utilizarse el elemento terminal para la obtención del
espacio de trabajo. Las razones son:
– El elemento terminal es un añadido al robot
– Si variase se tendría que calcular de nuevo el espacio de trabajo
22
Transmisiones y reductoras:
• Transmisiones: elementos encargados de
transmitir el movimiento desde los actuadores
hasta las articulaciones.
• Reductoras o engranajes: elementos
encargados de adaptar el par y la velocidad de
la salida del actuador a los valores adecuados
para el movimiento de los elementos del robot.
Generalmente se reduce la velocidad del
actuador (de ahí el nombre).
23
Actuadores
• Los actuadores generan el movimiento de los elementos
del robot
• La mayoría de los actuadores simples controlan
únicamente 1 GDL (izq-der, arriba-abajo)
• Un cuerpo libre en el espacio en general se representa
mediante 6 variables de estado:
– 3 de traslación (x,y,z)
– 3 de orientación (P.ej. Los ángulos de Euler).
• No siempre Nº GDL = Nº Variables estado.
– Para la representación de la posición de un automóvil se usan 3
variables de estado: 2 de traslación (x,y) y 1 de orientación.
– Sin embargo, sólo tiene 2 GDL: acelerador (adelante y atrás) y
dirección (volante).
– Luego hay movimientos imposibles (movimiento lateral).
– Aunque maniobrando pueda adquirir cualquier configuración.
24
Holonomía y redundancia
• Cuando el número de GDL es igual al número de variables de estado,
el robot es holónomo.
• Si el número es menor, el robot es no-holónomo (ej. Coche).
• Si el número es mayor es redundante. Ejemplo, un brazo humano
– Tiene 7 GDL: 3 en el hombro, 1 en el codo y 3 en la muñeca (no
contamos los dedos)
– Un objeto en el espacio sólo tiene 6 variables de estado.
– Eso hace que haya varias formas de colocar la mano de la misma forma.
– Aunque la redundancia dé más “riqueza” al movimiento, complica la
manipulación. Actualmente resolver la redundancia está en plena
investigación.
• Un robot no-holónomo posee ligaduras, que típicamente se deben a
un contacto de un elemento con el mundo.
• Normalmente un robot móvil tiene ligaduras: la condición de rodadura
ideal de las ruedas en contacto con el suelo (no pueden patinar).
Ciertos robots móviles son omnidireccionales: en la práctica son
holónomos.
25
Actuadores eléctricos (i)
• Interacción entre dos campos magnéticos (uno de ellos
al menos, generado eléctricamente) provoca
movimiento.
• Los motores de corriente continua (DC) son los más
utilizados en la actualidad debido a su facilidad de
control, mayor potencia/peso, rendimiento, precio, etc.
– Controlados por inducido (usado en robótica)
– Controlados por excitación
• La velocidad de giro es (en iguales condiciones de
carga) proporcional al voltaje.
• Eficientes para girar con poco par y gran velocidad:
añadiendo una reductora se consigue más par aunque
menos velocidad.
26
Actuadores eléctricos (ii):
Inducido
L
R
θ
eb
ea
τ
J
i
B
Inductor
if
27
Actuadores eléctricos (iii)
• Motores paso-a-paso
– Normalmente, no han sido considerados dentro de los accionamientos
industriales.
• Pares muy pequeños.
• Pasos entre posiciones consecutivas eran grandes.
• Actualmente, han mejorado considerablemente estos dos aspectos.
– Existen 3 tipos de motores paso-a-paso
• De imanes permanentes.
• De reluctancia variable.
• Híbridos.
– Ventajas
• Gran capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto. El control
se realiza en bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación.
• Pueden girar de forma continua, con velocidad variable.
• Motores muy ligeros, fiables y fáciles de controlar.
– Desventajas
•
•
•
•
Funcionamiento a bajas velocidades no es suave (discretizado por los pasos).
Existe el riesgo de pérdida de alguna posición por trabajar en bucle abierto
Tienden a sobrecalentarse trabajando a velocidades elevadas
Presentan un límite en el tamaño que pueden alcanzar.
28
Actuadores eléctricos (iv)
29
Actuadores hidráulicos (i)
• Ejercen presiones aplicando el principio de la prensa
hidráulica de Pascal.
• Fluido que circula por tuberías a presión.
• Útil para levantar grandes cargas.
• Se controlan con servoválvulas que controlan el flujo que
circula.
• Servoválvula: Motor eléctrico de baja velocidad y alto
torque.
• El flujo mueve un pistón (lineal).
• El movimiento lineal puede pasarse a rotacional con una
biela.
• Problemas: Complejos, peligrosos (inflamables), difícil
mantenimiento (fugas).
30
Actuadores hidráulicos (ii)
31
Actuadores neumáticos (i)
•
•
•
•
•
Fluido compresible: generalmente aire.
Suelen mover pistones lineales.
Se controlan con válvulas neumáticas.
Son muy seguros y robustos.
Poca exactitud en la posición final: típicamente
para todo/nada.
• Pinza de sólo dos posiciones: abierta/cerrada.
• Difíciles de controlar:
– Aire es demasiado compresible.
– Presión del compresor inexacta.
32
Actuadores neumáticos (ii)
33
Tabla resumen
Neumático
Hidráulico
Eléctrico
Energía
• Aire a presión (5-10
bar)
•Aceite mineral (50-100 bar)
•Corriente eléctrica
Opciones
•Cilindros
•Motor de paletas
•Motor de pistón
•Cilindros
•Motor de paletas
•Motor de pistones axiales
•Corriente continua
•Corriente alterna
•Motor paso a paso
Ventajas
•Baratos
•Rápidos
•Sencillos
•Robustos
•Rápidos
•Alta relación potencia-peso
•Autolubricantes
•Alta capacidad de carga
•Estabilidad frente a cargas
estáticas
•Precisos
•Fiables
•Fácil control
•Sencilla instalación
•Silenciosos
Desventajas
•Dificultad de control
continuo
•Instalación espacial
(compresor, filtros)
•Ruidosos
•Difícil mantenimiento
•Instalación especial (filtros,
eliminación aire)
•Frecuentes fugas
•Caros
•Potencia limitada
34
Modelo eléctrico: motor DC
• Esquema de funcionamiento de un motor DC controlado por
inducido:
– La intensidad del inductor es constante.
– Tensión del inducido utilizada para controlar la velocidad
• En los controlados por excitación se actúa al contrario
R
Inducido
L
θ
ea
eb
τ
J
i
B
Inductor
if
35
Control de motores DC
• A más intensidad más par. Típicamente: T = Kp * I
• Sistemas digitales lo modulan con PWM (Modulación de la anchura
del pulso, “Pulse Width Modulation”):
• Voltaje proporcional a la componente de continua (el motor
actúa de filtro paso de baja; sólo “ve” la continua) y ésta
proporcional al “duty cycle” porcentaje de actividad
• Periodo no importa: se escoge una frecuencia alta para evitar
sonidos audibles.
media
media
36
Modelo dinámico de un motor DC
controlado por inducido
• Para el control del motor se incluyen las etapas de
potencia y control, utilizándose realimentación de
intensidad y velocidad.
37
Modelo físico: motor DC (iii)
–Ecuaciones del motor (todas las variables son en transformada de Laplace).
sa
e b  k b 
G1  k
( Ls  R ) i  e b  e a
G2  k2
  k pi
L  0
 
 
p
Js  B
sb
 k1
J , B : Inercia y rozamiento viscoso equivalentes
vistos a la salida del eje del rotor
38
TEMA 3.
Sensores
39
Índice: Sensores
• Introducción
• Clasificación de los sensores
– Sensores internos
• Posición y orientación
• Velocidad
• Aceleración
– Sensores externos
•
•
•
•
Proximidad
Fuerza-par
Táctiles
Visión artificial
• Tratamiento de imágenes
• Integración de sensores
40
Introducción (i)
• Los sensores son los dispositivos que permiten a un robot percibir
su entorno.
• Un sensor es un transductor que convierte algún fenómeno físico en
señales eléctricas que el micro-procesador del robot puede leer.
• La misma propiedad física puede medirse por varios sensores.
• En general son limitados e inexactos.
• La sensorización de un robot implica diversas disciplinas:
– Electrónica: Un sensor de colisión (detectar si pasa o no corriente)
– Procesamiento de señales: Un micrófono (separar la voz del ruido)
– Informática: Una cámara devuelve un imagen (reconocer los objetos
que la forman)
• Un diseñador de robots generalmente no puede crear nuevos
sensores.
– Nuestro trabajo consistirá en integrar los sensores existentes
– Esta integración debe hacerse sin perder de vista la tarea a realizar.
41
Introducción (ii)
• Algunas definiciones que debemos conocer:
– Sensibilidad: Es una medida del grado de variación
de la señal enviada conforme el fenómeno medido ha
cambiado.
– Precisión: Diferencia entre el valor real y el medido.
– Repetitividad: Diferencia entre sucesivas medidas
de la misma entrada.
– Resolución: Incremento mínimo observable en la
entrada.
– Rango: Diferencia entre el máximo y mínimo valor
medible.
42
Clasificación de los sensores
• Vamos a clasificar los sensores en dos grandes grupos:
– Sensores internos: Nos da información sobre el propio robot.
• Posición y orientación
• Velocidad
• Aceleración
– Sensores externos: Nos da información sobre el entorno del
robot.
•
•
•
•
Proximidad
Tacto
Fuerza
Visión
• Otra clasificación:
– Sensores pasivos: Miden señales del entorno.
– Sensores activos: Producen un estímulo y miden su interacción
en el entorno.
• El sensor consta de un emisor y un receptor.
• Necesitan más energía y en general más complejidad.
43
Sensores internos (i)
• Posición y orientación
– Indican en que posición se encuentra un elemento del robot.
– Potenciómetros.
• Un contacto que se mueve sobre una espiral.
• Dan bajas prestaciones (mucho ruido, poca precisión, etc.)
• No se suelen usar salvo en contadas ocasiones (robots educacionales, ejes
de poca importancia)
– Encoders (Codificadores angulares de posición)
• Diodo LED (emisor) más fototransistor (receptor)
• Miden el número de grados que gira algo (motor).
• Marcar el elemento que gira (p.e. haciendo agujeros a un disco)
– Resolución: número de agujeros
• Otra técnica: pintar sectores blancos y negros y medir reflexión
– Se obtiene una onda que puede procesarse
• ¿Cómo detectar el cambio de dirección?: dos canales.
• Ruido de los efectores (las ruedas patinan y deslizan)
– Resolvers y sincros
44
Sensores internos (ii)
• Funcionamiento de un codificador óptico incremental
45
Sensores internos (iii): usados
normalmente en campo abierto
– Brújulas: proporcionan información absoluta sobre la orientación
de un vehículo
• Una aguja imantada se alínea hacia el norte magnético
• Existen diversos tipos de brújulas
– Magnéticas
– Electrónicas (dispositivos de estado sólido)
– Inclinómetros: ayudan a determinar si el robot está inclinado.
– Giroscopios: determinan la velocidad de rotación y la distancia
rotada.
– GPS (Global Positioning System)
• sistema de orientación/navegación desarrollado y administrado por el
US DOD (Departament of Defense).
• La información enviada por al menos 4 satélites (señales codificadas),
son procesadas por un receptor GPS para calcular su posición (3D),
velocidad y tiempo.
• Principales usos: navegación aérea y marítima, seguridad vehículos
terrestres.
46
Sensores internos (iv)
• Velocidad
– Miden la velocidad (generalmente angular)
– Eléctricos:
• Dinamo (Una bobina que gira perpendicularmente a un campo
magnético)
• Se genera tensión proporcional a la velocidad de giro
• Varios nombres: tacogenerador, tacómetro, tacodinamo, etc
– Ópticos:
• Usan los sensores de posición, derivando para calcular la velocidad
• Aceleración
–
–
–
–
Usan la inercia: un muelle que se estira
Cada vez se usan más (uso clásico: aviones)
La integral numérica es mucho más exacta que la derivada
Problema de oscilación (falsas medidas)
47
Sensores externos (i)
• Proximidad
– Son usados para determinar la presencia de
objetos cercanos. Existen muchos tipos:
•
•
•
•
•
•
Ultrasonidos
Magnéticos
Inductivos
Micro-ondas
Ópticos
Capacitivos
48
Sensores externos (ii)
– Ultrasonidos
• Uno de los sensores más utilizados en robots móviles.
• Sensor activo de reflexión (el emisor y el receptor se colocan
juntos y detectan la reflexión de los objetos)
• Se emiten ultrasonidos (20-200 KHz) y se capta en un
micrófono el reflejo. La diferencia entre ambas señales indica
la distancia al objeto.
• Ultrasonidos viajan aprox. 35 cm/ms.
• Propiedades estándar:
–
–
–
–
Rango de 10 m (aprox.)
30 grados de amplitud
Devuelven distancia al objeto más próximo
Combinables en arrays con desfases entre ellos (más precisos)
49
Sensores externos (iii)
• Desventajas:
– La posición real del objeto es desconocida (cualquier
posición del cono a distancia d).
– Cuanto menor sea el ángulo, mayor es la probabilidad
de perderse y producir falsas medidas de gran longitud.
– Cuanto mayor es el ángulo, más probabilidad de que se
detecte un objeto no deseado.
– Las superficies pulidas agravan el problema (las rugosas
producen reflejos que llegan antes).
– En resumen: las medidas de objetos lejanos pueden ser
muy erróneas.
– Ejemplo: un robot que se acerca a una pared con muy
poco ángulo puede “no verla”.
– ¿Qué ocurre cuando varios robots usan ultrasonidos?.
50
Sensores externos (iv)
• Ópticos
– Muy utilizados en aplicaciones industriales
– Sensor activo de reflexión (existen tambien de barrera, pero
estos no pueden ser considerados de proximidad)
– Se emite luz y se captan los rebotes mediante fotodiodos o
fototransistores (las fotoresistencias son más lentas)
– Se utilizan para:
• Detectar la presencia de objetos
• Medir la distancia a los objetos
• Detección de características: encontrar una marca, seguir una
línea, etc.
• Lectura de códigos de barras
– Existen distintos tipos de sensores, en función del tipo de luz
con la que trabaja:
• Luz en el espectro visible
• Infrarrojos
• Láser
51
Sensores externos (v)
– Luz en el espectro visible
• La reflexión depende del color y de las características del material.
• En principio, los colores claros reflejan más que los más oscuros:
– Es más difícil (menos fiable) detectar objetos oscuros.
– Los objetos claros “parecen” estar más cerca y los oscuros más lejos
de lo que realmente están.
• La luz ambiente es una fuente de ruido:
– Calibrar: restar la luz ambiente (p.e. leer en modo pasivo).
– La luz ambiente cambia: es necesario calibrar cada cierto tiempo
– Infrarrojos
• Quizá son los sensores de no-contacto más extendidos
• Utiliza la parte del espectro del infrarrojo
• Para distinguir la reflexión del infrarrojo ambiente se suele modular
(100 Hz usualmente)
• Se usan profusamente porque hay menos interferencias, son
fácilmente modulables y no son visibles.
• Problema: objetos que no reflejan el IR, tiene un rango máximo
entre 50 y 75 cm.
• La distancia aproximada se calcula por el ángulo de la luz reflejada
52
Sensores externos (vi)
– Láser
• Para medir grandes distancias, se utiliza el mismo principio que los
anteriores sensores cuando trabaja en modo TOF (Time of Flight).
• Para medir distancias menores, trabajan estudiando el desplazamiento
de fase (luz modulada).
• Son de una gran precisión.
• Normalmente, estos sensores funcionan mediante un barrido del
emisor. El receptor recoge los ecos de las distintas posiciones del
barrido, obteniendo el contorno de la escena.
• Gran inconveniente: precio.
53
Sensores externos (vii)
• Fuerza y par
– Galgas extensiométricas: se relacionan las deformaciones
producidas por la aplicación de fuerzas con las variaciones de
resistencia eléctrica.
• Táctiles
– Sensor sencillo, pasivo.
– Comunes como fin de carrera.
– Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no
pasa)
– Necesitan poco procesamiento a nivel electrónico
– Usos variados:
• Contacto: el robot choca con algo.
• Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (ej.
Pinza abierta)
• Contador: cada vez que se abre/cierra (ej. Contador de vueltas)
54
Sensores externos (viii)
• Visión artificial
– Uso de cámaras como sensores
– Imitan los ojos (que son mucho más sofisticados).
– Principio: Luz reflejada en los objetos pasa a través
de una lente (iris) en un “plano de imagen” (retina)
formando una imagen que puede ser procesada.
– Ese procesamiento suele ser muy costoso
computacionalmente. Aunque hoy día es abordable
con los nuevos microprocesadores.
– Campo tan complejo que tradicionalmente se ha
considerado como un campo de la informática (como
la IA).
55
Visión artificial (i)
• Funcionamiento biológico
– La luz reflejada en los objetos incide en la retina
produciendo el plano de imagen.
– La retina tiene muchas terminaciones nerviosas
fotosensibles: conos y bastones.
– Llamaremos imagen a la proyección del plano sobre
las terminaciones.
– Terminaciones unidas a nervios que realizan el
procesamiento previo (visión preliminar).
– Los nervios pasan la información al cerebro que
realiza el procesamiento de alto nivel.
– La mayor parte del cerebro humano se dedica al
procesamiento de la visión.
56
Visión artificial (ii)
• Visión artificial digital
– En vez de terminaciones se usan cámaras CCD (Charge Coupled
Devices)
• El receptor CCD es un mosaico de diodos sensibles a la luz: cuanto más
brillante es la luz recibida, más elevada es su carga eléctrica.
• Este mosaico es sensible a la luz, pero insensible a los colores.
• Para recuperar los colores de una imagen, antes de que la luz llegue al diodo
se le obliga a pasar por filtros de los colores.
– El plano se suele dividir en partes iguales (píxeles, contracción de los
términos ingleses “picture element”) típicamente en forma rectangular
– Número típico de pixeles: 800x600, 1752x1168, hasta 4096x4096.
– El valor de cada píxel es proporcional a cantidad de luz reflejada por la
parte de la superficie del objeto que se proyecta sobre ese píxel.
– Depende:
• Material del objeto.
• Posición de las luces en la escena.
• Reflejo de otros objetos en la escena.
– El valor de cada píxel depende de la reflexión especular (reflejada
directamente) y la reflexión difusa (absorbida y reemitida por el objeto).
57
Tratamiento de imágenes (i)
• Visión preliminar: detección de bordes
• ¿Qué es un borde? Cambio brusco en la intensidad.
• Aproximación preliminar:
– Definir como curva y buscar áreas donde la derivada sea grande
– Produce puntos espúreos: ruido
– No permite distinguir sombras de bordes de objetos físicos
• Eliminar ruido: convolución elimina los puntos aislados
• La convolución aplica un “filtro matemático” a la imagen
(de hecho para detectar bordes se convolucionan varios
filtros en varias direcciones).
58
Tratamiento de imágenes (ii)
• Una vez determinados los bordes se trata de
distinguir “cosas”
– Visión basada en modelos:
• Segmentación: proceso de dividir la imagen en partes que
corresponden a objetos.
• Comparar con las posibles combinaciones de bordes con
modelos previos (muchos ángulos, escalas). Proceso muy
costoso.
– Visión basada en movimiento:
• Los objetos físicos responden a leyes físicas conocidas.
• Saber cuanto movemos la cámara entre dos imágenes
consecutivas en relación a la escena.
• Saber que nada se mueve en la escena entre las dos
imágenes.
• Permite restar las dos imágenes para encontra objetos.
59
Tratamiento de imágenes (iii)
• Visión binocular:
– La visión humana es estereoscópica: detecta las distancias
aproximadas comparando y procesando la visión de los dos ojos
– Carnívoros: ojos en la misma dirección. Herbívoros: ojos
opuestos.
– Tener dos cámaras, conociendo la diferencia entre ellas
– Tomar dos imágenes a la vez.
– Restar una de la otra
• Uso de texturas
– Una misma textura tiene la misma intensidad.
– Asumir que texturas uniformes corresponden al mismo objeto.
• Conclusiones:
– Es difícil reconocer objetos nuevos.
– El movimiento nos ayuda a distinguir: carnívoros.
60
Tratamiento de imágenes (iv)
• Visión en tiempo real
– Simplificar el problema de la visión artificial para uso p.e. en
robótica industrial (entorno prefijado).
– Técnicas:
• Usar el color: buscar sólo por determinado color.
• Usar geometrías simples (piezas, herramientas, etc.)
• Reducir la imagen: Usar una línea en vez de una matriz (linear
CCD).
• Cámaras simplificadas: cámaras IR para detectar personas.
• Uso de información del entorno: uso de las líneas de una carretera.
– Aplicación: conducción automática.
– Se pueden construir robots sin visión, como siempre depende
de la tarea. El abaratamiento de CPU está extendiendo el uso
de la visión artificial.
61
Integración de sensores
• Fusión de información sensores
• Diferentes sensores devuelven diferentes
tipos de información
• No es precisamente sencillo fusionar
sensores: campo de investigación actual
(ej. Neuronal)
• Suele requerir gran capacidad de
procesamiento de información
• Puede llevar a conclusiones peligrosas
62
Descargar

Robótica Industrial - Departamento de Arquitectura y Tecnología de