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Percepción

Cómo funcionan los sensores de los robots: LiDAR, cámaras de profundidad, IMU y sensores de fuerza

Los robots ven y sienten el mundo a través de sus sensores. Entiende qué son el LiDAR, las cámaras de profundidad estéreo y de luz estructurada, las unidades de medición inercial y los sensores de fuerza-par, y para qué se usa cada uno.

Los sensores le dan al robot su imagen del mundo y de su propio cuerpo. Las especificaciones suelen limitarse a decir «LiDAR: sí» o «cámara de profundidad: sí»; esta guía explica qué significa eso en la práctica.

LiDAR

Un LiDAR mide distancias con luz: emite pulsos láser y mide cuánto tardan en volver (tiempo de vuelo). Al hacer girar o barrer el haz se obtiene una nube de puntos, miles de puntos 3D alrededor del robot. El LiDAR funciona en la oscuridad y da distancias precisas, lo que lo convierte en el sensor principal para cartografiar y evitar obstáculos en robots móviles y cuadrúpedos. La lluvia, la niebla, el cristal y las superficies muy oscuras pueden confundirlo.

Diagrama de un pulso de luz que viaja desde un sensor hasta un objetivo y vuelve, con la fórmula distancia igual a velocidad de la luz por tiempo dividido entre dos.
Diagrama del principio de tiempo de vuelo: un pulso de luz viaja hasta un objetivo y vuelve, así que la distancia es igual a la velocidad de la luz por el tiempo de ida y vuelta dividido entre dos. (RCraig09 (se abre en una pestaña nueva), CC BY-SA 4.0 (se abre en una pestaña nueva))

Cámaras de profundidad

Las cámaras de profundidad dan una imagen en la que cada píxel tiene una distancia.

  • Las cámaras estéreo comparan dos imágenes, como los ojos humanos; funcionan al aire libre, pero necesitan textura en la escena.
  • Las de luz estructurada proyectan un patrón conocido y leen cómo se deforma; son muy precisas a corta distancia y se usan a menudo para coger objetos.
  • Las cámaras de tiempo de vuelo miden el tiempo de los pulsos de luz en cada píxel.
Dos planos de imagen de cámara que miran al mismo punto del espacio, con las líneas de visión y la línea epipolar trazadas entre las vistas.
Diagrama de la geometría epipolar estéreo que muestra cómo un punto 3D se proyecta en las vistas de las cámaras izquierda y derecha, y cómo la ambigüedad de profundidad a lo largo de un rayo de una vista se corresponde con una línea epipolar en la otra. (Arne Nordmann (norro) (se abre en una pestaña nueva), CC BY-SA 3.0 (se abre en una pestaña nueva))

IMU: equilibrio y orientación

Una unidad de medición inercial combina acelerómetros y giroscopios (a menudo chips MEMS) para medir la aceleración y la rotación. Los robots que caminan dependen de ella para saber dónde está el suelo y a qué velocidad se están inclinando; los robots móviles la combinan con la odometría de las ruedas para estimar su movimiento entre dos escaneos del LiDAR.

Sensores de fuerza-par

Un sensor de fuerza-par, normalmente montado entre la muñeca de un brazo y su herramienta, mide las fuerzas de empuje y los pares de torsión en todas las direcciones. En su interior, unas galgas extensométricas o unos elementos capacitivos detectan deformaciones minúsculas de un cuerpo metálico. Permite a los robots pulir, montar e insertar piezas con suavidad, y ayuda a detectar colisiones.

Dibujo de una galga extensométrica de lámina con una pista metálica en zigzag, mostrada estirada y comprimida, con su resistencia subiendo o bajando.
Ilustración de una galga extensométrica de lámina cuya resistencia aumenta cuando el sustrato se estira y disminuye cuando se comprime. (Izantux (se abre en una pestaña nueva), CC0 1.0 (se abre en una pestaña nueva))

Tacto y más

Las pinzas y las manos robóticas incorporan sensores táctiles, y muchos robots llevan micrófonos, cámaras térmicas o sensores de gases para trabajos de inspección.

Consulta los LiDAR, las cámaras y los sensores de fuerza-par del catálogo de piezas, y los fabricantes en el directorio.

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