Aplicación y desarrollo de sensores de imagen en robótica y automatización
Las aplicaciones de robótica y automatización están transformando industrias en todo el mundo, desde almacenes hasta instalaciones de salud, mejorando la productividad, la eficiencia, la seguridad y la visibilidad operativa. En el núcleo de estas aplicaciones se encuentran los sensores de imagen, que permiten a los robots percibir e interactuar con su entorno. Este artículo explora el papel de los sensores de imagen en la robótica y destaca los avances de onsemi en tecnología de imagen, junto con sus soluciones relacionadas.
El papel de los robots móviles en la industria moderna
Durante la última década, la automatización y la robótica han revolucionado muchas industrias, haciendo que los procesos tradicionales sean más seguros y eficientes. Entre estas innovaciones, los robots móviles están a la vanguardia de la automatización, ayudando a optimizar las operaciones en diversos sectores. Los robots móviles se pueden categorizar en dos tipos principales: Robots Móviles Autónomos (AMRs, por sus siglas en inglés) y Vehículos Guiados Automáticamente (AGVs, por sus siglas en inglés). Los AMRs están diseñados para operar de manera independiente, adaptándose a entornos dinámicos sin intervención humana. Utilizando tecnologías avanzadas de sensores, como la Localización y Mapeo Simultáneos (SLAM, por sus siglas en inglés), los AMRs pueden mapear su entorno, identificar obstáculos y navegar de forma autónoma, lo que los hace ideales para aplicaciones como la automatización de fábricas y almacenes. En contraste, los AGVs dependen de sistemas de guía externos, como cintas magnéticas o seguimiento visual, para seguir caminos fijos. Aunque los AGVs destacan en entornos estructurados como las líneas de ensamblaje y la gestión de inventarios, carecen de la flexibilidad de los AMRs. Los AGVs son similares a trenes que operan en vías predeterminadas, mientras que los AMRs se asemejan a automóviles capaces de maniobrar alrededor de obstáculos. Esta diferencia hace que los AMRs sean la opción preferida para industrias que requieren soluciones dinámicas y adaptables.
Cómo los sensores de imagen permiten la autonomía de los AMR
Los AMRs operan sin guía, adaptándose dinámicamente a nuevos entornos. Sin embargo, para moverse de manera autónoma, necesitan capacidades de Localización y Mapeo Simultáneos (SLAM, por sus siglas en inglés). A través de SLAM, los robots crean mapas de su entorno y determinan su propia ubicación. Los AMRs dependen de sensores de imagen para realizar tareas como la navegación ambiental, el mapeo en 3D, la evitación de colisiones y la lectura de códigos, todas las cuales requieren capacidades de detección precisas y eficientes. Para el mapeo en 3D, los AMRs utilizan tecnologías como la imagen estereoscópica, Tiempo de Vuelo Indirecto (iToF, por sus siglas en inglés) y LiDAR para medir la profundidad y crear mapas detallados del entorno. La detección de profundidad permite a los AMRs identificar objetos, incluyendo humanos, y evitar posibles peligros, una característica crítica para garantizar la seguridad en entornos donde humanos y robots trabajan lado a lado. La evitación de colisiones es otra función crucial habilitada por los sensores de imagen o sensores de profundidad. Los sensores equipados con obturador rodante y/o obturador global, velocidades de procesamiento rápidas y Rango Dinámico Alto (HDR, por sus siglas en inglés) permiten a los AMRs identificar y responder a obstáculos en tiempo real. La tecnología HDR es particularmente importante en entornos con iluminación mixta, como fábricas o almacenes, donde los reflejos y las sombras complican la percepción visual. Además, los sensores de imagen desempeñan un papel clave en la lectura de códigos, una tarea común en la manufactura y la logística. Los sensores con obturadores globales y bajo consumo de energía destacan en estas aplicaciones, permitiendo a los AMRs escanear y procesar códigos rápida y precisamente. La capacidad de operar de manera eficiente durante períodos prolongados mejora aún más su valor en entornos industriales exigentes. Si bien los AMRs y AGVs dominan el espacio de la robótica móvil, los robots estacionarios también desempeñan un papel vital en la automatización. Estos robots, fijados en un lugar, realizan tareas como recoger y clasificar objetos. Al igual que los robots móviles, los robots estacionarios dependen de sensores de imagen para la detección de profundidad y el control preciso. Las tecnologías de detección avanzada aseguran que estos robots ejecuten tareas con alta precisión, incluso en entornos industriales complejos.
La productividad como un factor clave para el crecimiento de la robótica
Varios factores están impulsando la rápida adopción de la robótica en diversas industrias, siendo la productividad una de las principales motivaciones. Los robots pueden realizar tareas repetitivas incansablemente durante períodos prolongados. La eficiencia es otra ventaja importante, ya que los robots eliminan retrasos ocasionados por la intervención humana, permitiendo que los trabajadores se centren en actividades de mayor valor. La seguridad también es crucial, ya que los robots pueden asumir tareas peligrosas que podrían poner en riesgo a los trabajadores humanos. Para mejorar la productividad, la eficiencia y la seguridad, la mayoría de los clientes buscan datos completos para visualizar las tasas operativas. Estos datos permiten un análisis exhaustivo y la identificación de estrategias eficaces para la mejora. Al aprovechar datos visuales detallados, los clientes obtienen información valiosa sobre sus operaciones, lo que conduce a una mejor toma de decisiones y un rendimiento optimizado. El mercado de la robótica está experimentando un crecimiento significativo, especialmente en el sector de los AMR (Robots Móviles Autónomos). Los analistas de la industria predicen una Tasa de Crecimiento Anual Compuesta (CAGR) del 16 % al 20 % para los AMR entre 2024 y 2030. Este crecimiento está impulsado por avances en inteligencia artificial (IA) y tecnologías de automatización, que están ampliando las capacidades de los robots y abriendo nuevas oportunidades para la innovación.
Los sensores de imagen habilitados para HDR mejoran la precisión visual
Como líder en tecnología de imagen, onsemi ha desarrollado una gama de sensores de imagen innovadores para satisfacer las demandas de la robótica. Sus productos incluyen sensores de rolling shutter y global shutter, así como soluciones especializadas para aplicaciones de detección de profundidad y HDR. Estas tecnologías permiten a los robots realizar tareas con mayor precisión, eficiencia y confiabilidad. Los sensores de rolling shutter son conocidos por su menor tamaño de píxel y mayor sensibilidad, lo que los hace ideales para aplicaciones que requieren imágenes detalladas en condiciones de poca luz. Sin embargo, pueden introducir artefactos de movimiento, lo que limita su uso en entornos dinámicos. En contraste, los sensores de global shutter eliminan los artefactos de movimiento exponiendo todos los píxeles simultáneamente, haciéndolos adecuados para tareas que implican objetos en movimiento, evitación de colisiones y lectura de códigos. La detección de profundidad es otra área en la que onsemi destaca. Su tecnología iToF mide la diferencia de fase de la luz reflejada para determinar la profundidad. Las soluciones iToF de onsemi cubren distancias cortas (30 a 50 cm) y pueden extenderse hasta 20 metros con una precisión excepcional. El alto rango dinámico (HDR, por sus siglas en inglés) es crucial para los robots que operan en entornos de iluminación desafiantes. Los sensores HDR capturan múltiples exposiciones para crear una imagen equilibrada y precisa, asegurando que los robots puedan ver objetos claramente incluso en áreas con alto contraste o superficies reflectantes. HDR se puede implementar de varias maneras. Por ejemplo, HDR de múltiples exposiciones ofrece un excelente rendimiento en condiciones de poca luz, pero puede presentar artefactos de movimiento. El HDR de píxel con diodo dividido reduce los artefactos de movimiento, pero es propenso al parpadeo de LEDs. Una exposición con múltiples ganancias (modo de súper exposición) combina las fortalezas de ambos métodos. La elección de la tecnología HDR depende de los requisitos específicos de la aplicación. onsemi ofrece una diversa familia de sensores de imagen Hyperlux para satisfacer las variadas necesidades de los robots industriales. Estos sensores combinan bajo consumo energético, rango dinámico extendido y características avanzadas para ofrecer una calidad de imagen excepcional, superando condiciones de iluminación desafiantes. La serie Hyperlux LP se centra en el consumo de energía ultra bajo, haciéndola ideal para aplicaciones de alta eficiencia energética. La serie Hyperlux LH está diseñada para entornos industriales y comerciales, ofreciendo una impresionante calidad de video 4K con un NIR mejorado y eHDR, junto con 120 dB de HDR para un rendimiento superior en iluminación mixta. La serie Hyperlux SG es compacta y cuenta con una eficiencia de global shutter líder en la industria para escaneo preciso, lo que la hace perfecta para aplicaciones de escaneo, AR/VR y AMR. La serie Hyperlux ID, con resoluciones de hasta 1.2 MP, revoluciona la tecnología iToF al extender la medición de distancias en interiores/exteriores, abriendo nuevas posibilidades para la detección 3D y contribuyendo a avances en automatización industrial, robótica, seguridad y más. En julio de 2024, onsemi adquirió SWIR Vision Systems, que posee patentes para la tecnología de puntos cuánticos coloidales, permitiendo sensores SWIR (infrarrojo de onda corta) basados en CMOS. A diferencia de los SWIR convencionales basados en InGaAs (900 nm a 1700 nm), el SWIR de onsemi cubre un rango más amplio (400 nm a 2100 nm). Además, los sensores SWIR de onsemi están clasificados como EAR99, lo que los hace más fáciles de exportar en comparación con los sensores SWIR InGaAs clasificados como ITAR. Actualmente, el SWIR está disponible en cámaras BGA de 1 MP y 2 MP, con más productos en desarrollo.
Conclusión
El futuro de los sensores de imagen radica en lograr una mayor resolución, formatos ópticos más pequeños, un rango dinámico más amplio, un menor consumo de energía y una mayor precisión. Mirando hacia adelante, la integración de la inteligencia artificial (IA) con tecnologías avanzadas de sensores desbloqueará nuevas posibilidades para la robótica. Desde la atención sanitaria hasta la educación, estos avances permitirán que los robots realicen tareas cada vez más complejas en entornos diversos. A medida que el costo de la robótica continúe disminuyendo, podemos esperar una adopción más amplia en las industrias de servicios y aplicaciones domésticas. Los sensores de imagen son la piedra angular de la robótica moderna, permitiendo realizar tareas que van desde el mapeo 3D hasta la evitación de colisiones con una precisión sin igual. onsemi está abordando activamente estas necesidades a través de la innovación continua, asegurando que sus sensores permanezcan en la vanguardia de la industria. Las tecnologías de sensores de vanguardia de onsemi, incluidas las series Hyperlux, soluciones iToF y sensores SWIR, están impulsando la próxima ola de avances en robótica y automatización. A medida que estas tecnologías evolucionen, ampliarán las capacidades de los robots, creando nuevas oportunidades en diversas industrias y mejorando la manera en que trabajamos y vivimos.
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