Comparación de las aplicaciones de los escáneres láser

Los láseres, acrónimo de amplificación de la luz por emisión estimulada de radiación, son aparatos electrónicos que emiten uno o más haces de luz coherente. Coherente indica ondas electromagnéticas de idéntica frecuencia y forma de onda y diferencia de fase constante. Los láseres pueden ser usados para:

• Aplicaciones de corte, grabado, soldadura y rebanado - como en el grabado de precisión, perforación, acabado de semiconductores, revestimiento mecánico y (en el campo médico) cirugía ocular LASIK
• La imagen y la proyección, como en la holográfica, la microscopía confocal, la topografía de alta definición (para la creación de nubes de puntos), la espectroscopía láser
• Transmisión de datos, como en los lectores de códigos de barras así como en las tecnologías de fibra óptica y DVD
• Posicionamiento, como en los sistemas de seguridad de las células de trabajo, la impresión en 3D y los sistemas de detección de luz y alcance (LiDAR)

El escaneo láser, el uso de conjuntos de rayos láser barridos o desviados, es el núcleo de muchas de estas aplicaciones. En este artículo se revisarán varias aplicaciones de escaneo láser que son más comunes en la automatización industrial.

En su forma más simple, una señal láser se genera como una fuente puntual y luego es barrida a través de un ángulo activo por la reflexión de un espejo interno controlado con precisión. Un detector de luz interno lee la señal reflejada. Debido a que el ángulo de proyección del rayo láser y el tiempo de vuelo (ToF) son conocidos, la electrónica del escáner puede utilizar las señales devueltas para crear un mapa detallado de las estructuras dentro del rango del escáner.

De concepto simple, había una serie de desafíos de desarrollo que debían superarse para que la tecnología de exploración por láser funcionara en el mundo real. Entre los más difíciles estaban las variaciones de la luz ambiental, el movimiento de la plataforma, la calibración de las fuentes de luz para obtener una salida consistente, y la resistencia al polvo y la suciedad que se encuentran habitualmente en los entornos industriales.

Se han encontrado soluciones a estos desafíos técnicos; y ahora algunas de las aplicaciones más sofisticadas son las de los vehículos terrestres autónomos (AGV) que emplean escaneos tridimensionales en un rango de 360˚. Hoy en día también es común ver escáneres láser autonivelantes utilizados en la construcción para colgar con precisión el yeso o para nivelar el suelo. Otra aplicación del escáner láser es en los tránsitos de los topógrafos, que ayudan a los ingenieros civiles a planificar las pendientes de las carreteras con una resolución de milímetros. Estos son ejemplos de dispositivos de escaneo láser construidos para funciones especializadas, aunque la verdadera versatilidad de los escáneres láser está en la fábrica.

Escáneres láser para la seguridad industrial

Considere una aplicación esencial de los escáneres láser en la automatización: la protección de células de trabajo peligrosas. En las instalaciones básicas, un escáner láser se coloca en una posición fija mientras el láser explora a través de un solo plano. Estos escáneres son cortinas de luz que sirven como sistemas de control de seguridad. Una cortina de luz se coloca para proteger una pieza específica de equipo potencialmente peligroso y monitoriza cualquier interrupción del rayo de luz. En respuesta a una interrupción, ralentiza o detiene la pieza del equipo crítico o proporciona una señal de alarma.

El escáner debe estar ubicado y la geometría del haz debe ser consistente con la capacidad de monitorear cualquier punto de entrada potencial para un operador. Como se desprende de los modos de respuesta mencionados anteriormente, un escáner suele utilizarse junto con otros equipos de seguridad (guardas, alarmas e interruptores de apagado) para garantizar que no se produzca ningún daño al operador cuando se acerque al equipo.

Antes de la existencia de las tecnologías de exploración óptica, se empleaban bloqueos mecánicos para salvaguardar las celdas de trabajo peligrosas. Durante el mantenimiento, la electricidad de la celda de trabajo se desactivaría y se establecerían procedimientos de bloqueo. Los humanos son notoriamente poco confiables, y se sabe que la gente se salta las medidas de seguridad. Los enclavamientos ópticos son más fiables, especialmente junto con un reajuste duro o un panel de dos operadores para asegurar que ningún operador pueda iniciar un reinicio. Lea más sobre esto en el artículo de DigiKey "Escáneresláser de seguridad para proteger a los operadores humanos"

Figura 1: Este escáner láser de seguridad de la serie SX5 permite a los fabricantes de equipos originales o a los usuarios finales definir hasta seis zonas de seguridad y dos zonas de advertencia mediante un PC. (Fuente de la imagen: Banner)

Nota sobre las tecnologías de tiempo de vuelo (ToF): El uso de ToF permite un mapeo preciso de la ubicación de los objetos basado en las coordenadas polares: ángulo del haz de luz y distancia a un objeto en el área observada. Esta información puede ser usada para crear un mapa del área observable del escáner en zonas. Esto es crítico cuando se considera el próximo caso especial de trabajo con robots de colaboración (cobots).

Los cobots por diseño están destinados a trabajar junto con operadores humanos en actividades de colaboración. Esto requiere una estrecha proximidad y los riesgos que conlleva. Un escáner programado con un mapa del espacio de trabajo puede controlar los movimientos permitidos por el cobot dependiendo de su ubicación y del movimiento del compañero de trabajo. Esta es un área de crecimiento bastante nueva en el mercado de la robótica así como en el de los escáneres, por lo que las nuevas aplicaciones están en constante evolución.

Escáneres láser para AGV y tareas de localización

Ahora considere los beneficios y desventajas de la detección y alcance de la luz (LiDAR) basada en escáneres láser que utilizan ToF en una plataforma móvil. Utilizados en vehículos terrestres autónomos (AGV), estos sistemas se basan en mapas internos de la ubicación de los AGV, de modo que todas las detecciones de objetos tienen un contexto. Esta habilidad se llama localización y mapeo simultáneo o SLAM. Esto aumenta la complejidad del sistema porque los errores de localización de la posición afectan directamente a la localización cartográfica de los obstáculos o los objetivos. El uso de transpondedores locales, programación de enseñanza o pistas incrustadas en el suelo ayudan a aliviar este problema.

Figura 2: Este es un escáner láser de seguridad de 270° SEL-H05LPC para su uso en AGV, montacargas, robots y otros equipos móviles que se encuentran en instalaciones industriales. (Fuente de la imagen: IDEC)

Las tecnologías de exploración están sujetas a cambios en la relación señal-ruido (SNR) en función de los cambios de la luz ambiental. El peor de los casos es la luz solar completa, donde la luz puede ser varios órdenes de magnitud mayor que la iluminación de exploración. Existen varias soluciones posibles, entre ellas la modulación de la fuente, el escaneo estructurado y el uso de frecuencias estrechas junto con el filtrado. Afortunadamente, los AGV trabajan en su mayoría en almacenes de luz controlada, que no necesitan estas técnicas. En cuanto a los vehículos destinados a funcionar en el exterior, actualmente se están realizando intensos estudios e investigaciones para encontrar soluciones.

Los escáneres láser son por definición dispositivos de línea de visión. Esto significa que se limitan a la vista que está directamente delante de ellos. Si está de frente a una columna de pilares, el escáner solo verá el pilar de plomo en la fila. Se necesita un cambio de perspectiva para que el escáner detecte pilares adicionales, suponiendo que estén dentro del alcance.

El LiDAR en vehículos móviles puede ser muy valioso, especialmente cuando ese LiDAR se combina con otros sensores para responder a los cambios en tiempo real en los entornos de los almacenes. Aquí el LIDAR ayuda a aumentar las tasas de entrega, reducir las necesidades de personal y minimizar los accidentes.

Elegir las capacidades de escaneo correctas en un sistema LiDAR significa especificar el rango lineal, la ventana de escaneo angular y la resolución lineal y angular para estas mediciones. El ancho de banda o la tasa de actualización es otro elemento crítico ya que puede limitar la velocidad de operación del AGV. Por último, pero no menos importante, el consumo de energía fijará el tiempo entre recargas y también el número de unidades que pueden ser desplegadas en un momento dado.

Muchos AGV en el mercado hoy en día utilizan LiDAR para navegar por su entorno de fábrica o almacén automatizado. (Fuente de la imagen: Gettyimages)

Consideraciones eléctricas y mecánicas para el LIDAR en AGV

El LIDAR sigue evolucionando, impulsado en gran medida por el mercado de vehículos autónomos. Por consiguiente, hay una amplia gama de capacidades, funciones y precios. También significa que aún no ha surgido ningún estándar de montaje o conectividad. Al contemplar el uso de AGV en una aplicación, el proceso sería ajustar las ofertas existentes a los requisitos del sistema y especificar la estructura física a partir de ahí. Varias empresas ejecutan la ingeniería de sistemas y ofrecen sistemas LiDAR completos o personalizables. Dependiendo de los requerimientos, una solución prediseñada puede ser solo el punto de partida hacia una solución más optimizada.

El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) ha tomado la delantera en el establecimiento de normas de seguridad para los AGV. En la actualidad se centran principalmente en la cuestión de las colisiones, entre otras:

• Parachoques plegables: En su mayoría en modelos antiguos, la intención es que los parachoques incluyan un sensor de fuerza e inicien una parada cuando choquen con un obstáculo, limitando la fuerza de contacto.
• Métodos sin contacto: Se espera que los modernos AGV detecten objetos y se detengan sin causar una colisión. Se han utilizado formas de prueba que se aproximan a la forma humana, aunque se proponen formas y poses más parecidas a las humanas para futuras pruebas.
• Obstáculos repentinos: La aparición inesperada de un obstáculo dentro de la zona de seguridad. Se espera que el AGV inicie una parada de emergencia, sin embargo, no se espera que evite la colisión.
• Anticipación de los obstáculos ocluidos: Estos obstáculos incluyen equipos o personas cerca de la ruta de conducción del AGV. La expectativa es que se designen zonas lentas en las que haya menos de 0.5 m de espacio libre en la ruta de conducción del AGV.

Anticipándose al futuro uso de los AGV, también están trabajando con las normas de seguridad de los robots para comenzar a desarrollar métodos de prueba que impliquen el uso de un brazo robótico asegurado a una base de AGV.

Una de las tendencias dominantes en LIDAR es el impulso para reducir el tamaño, el peso y el costo del LIDAR sin sacrificar el rendimiento. Se han hecho progresos en la última década, reduciendo estos atributos en un orden de magnitud. Mencionado antes, SLAM, o localización está recibiendo más atención. La solución idealizada permitirá a un AGV comenzar desde cualquier lugar y desarrollar su propio mapa interno del mundo en el que opera. Esta operación se basa en la integración de LiDAR con otros tipos de sensores, incluyendo GPS, sensores de velocidad de las ruedas y cámaras.

Escáneres láser para comunicaciones de datos

El concepto de un lector de código de barras lineal es simple: Una combinación de líneas y espacios crea una especie de código Morse que puede ser leído directamente por:

• Medir la luz del escáner cuando se refleja en el código de barras..
• Midiendo la luz ambiental cuando es reflejada de vuelta

Hay nueve variedades de código de barras lineal de uso regular en todo el mundo, dependiendo de la aplicación. Aunque los escáneres láser son la norma para la lectura de códigos de barras, estos no necesitan necesariamente la precisión de una fuente de luz láser, con algunas excepciones que se indican a continuación. En la mayoría de los casos la lectura y traducción del contenido del código de barras se hace dentro del escáner. Por lo general, el escáner de código de barras pasa los valores decodificados directamente a una base de datos.

Algunas áreas requieren la fina resolución de un láser de código de barras. En los lugares con limitaciones de espacio, las franjas de código de barras estándar se mantienen en un estándar físico más estrecho. Esto requiere un lector de buena resolución y los escáneres láser lo hacen bastante bien. Una situación similar se da cuando el código de barras está más alejado (en la estantería de un almacén, por ejemplo), lo que reduce efectivamente el tamaño angular del código.

A veces la luz ambiental no es suficiente para asegurar un buen contraste entre las barras y los espacios. En este caso, una fuente de luz conocida como un láser es adecuada para iluminar el código y hacerlo fácilmente legible.

Incluso los consumidores que frecuentan las tiendas de comestibles están familiarizados con los escáneres de mano en los carriles de las cajas registradoras. Debido a que los escaneos de códigos de barras pueden presentarse en un número infinito de orientaciones, los escáneres en estas configuraciones deben producir una matriz apretada de líneas de escaneo láser cruzadas. Esto asegura que no importa cómo se presente el código de barras, al menos una de las líneas de escaneo interceptará todo el código.

Figura 4: Esta placa de códigos de barras MIKROE-2913 puede leer códigos de barras 1D y 2D adheridos a varios protocolos. Incluye un puerto micro-USB para trabajar como un dispositivo autónomo o con otras placas. (Fuente de la imagen: MikroElektronika)

Escáneres 2D de código de barras: Los códigos bidimensionales (2D) difieren de los códigos lineales mencionados anteriormente. Han crecido en popularidad debido a su alta densidad de información, comprobación de errores y legibilidad incluso si están dañados. La complejidad de los códigos de barras 2D significa que no son adecuados para su uso con escáneres láser y dependen de cámaras para su decodificación. Hay cuatro tipos de códigos de barras 2D de uso común, aunque la mayoría de los consumidores estarán familiarizados con el código de respuesta rápida (QR), que se lee fácilmente en la mayoría de los teléfonos inteligentes.

Cuando los constructores de máquinas y los usuarios finales sopesan las opciones de códigos de barras y escáneres, hay tres aspectos principales a considerar:

1. ¿Dónde se utilizará el escáner? ¿Es para el inventario en un almacén, el seguimiento de las piezas de producción en una línea de fabricación, o el uso en el punto de venta?
2. ¿Cuántos datos se necesitan y cuál es el espacio físico disponible en el artículo para colocar el código de barras?
3. ¿En qué superficie se imprimirá el código de barras y qué resolución de impresión es capaz de mantener esa superficie?

Una vez que se hayan respondido estas tres preguntas, debería haber una serie de alternativas viables entre las que elegir.

Figura 5: Este lector de códigos 950 (CR950) escáner láser de códigos de barras de Brady Corporation tiene un sensor de imagen de área amplia para facilitar el escaneo. El resultado es la lectura omnidireccional de los códigos de barras 1D y 2D, incluso los de las superficies brillantes. (Fuentes de la imagen: Brady Corporation)

Otras alternativas basadas en el lector y la cámara: La mayoría de las variaciones del escáner de código de barras se han tratado anteriormente. Cabe mencionar que algunos escáneres de códigos de barras utilizarán una larga fila de LED para iluminar el código junto con una fila correspondiente de detectores de dispositivos de acoplamiento de carga (CCD) para detectar la luz reflejada. Estos se llaman lectores de LED.

También hay sistemas de cámaras específicamente diseñados y configurados para leer de forma efectiva y rápida los códigos 2D.

Conclusión sobre las aplicaciones de los escáneres láser

La proliferación de dispositivos y usos basados en el láser desde la invención del láser en 1960 ha sido alucinante. Aunque el código de barras precede al láser en 11 años, el uso del escaneo con luz coherente para leer la información se ha convertido en el estándar de oro. El rastreo de posición basado en láser y el escaneo de detección también se han convertido en soluciones en los entornos industriales. Tanto si se diseña un sistema desde cero, como si se aumenta un proceso existente, es muy probable que alguna variación en el enfoque del escaneo láser tenga valor para la mayoría de las aplicaciones de fabricación industrial o de seguimiento. Considerando lo lejos que ha llegado la tecnología, las probabilidades son buenas de que si la configuración exacta no está disponible hoy, algo adecuado está en el horizonte.