viernes, 10 de agosto de 2012
TALLER DE ROBÓTICA EDUCATIVA
Ing. José L. del Canto A.
Laboratorio de Electrónica CFT. TWK.
Ufro. Temuco Chile.
Este trabajo pretende dar conocer la experiencia realizada en un Taller de robótica con alumnos del área tecnológica del Centro de Formación Técnica TWK de Temuco-Chile. Dicho taller se efectuó en el marco de Robótica Educativa, y para la construcción de los robots del tipo autónomos móviles se utilizó tecnología Picaxe
.
El Taller de Robótica consistió en un encuentro semanal en el Laboratorio de Electrónica de dos horas, durante el primer semestre del presente año, organizados en dos grupos de trabajo para la construcción de un determinado prototipo. Internamente cada uno de los grupos realizaba la distribución de tareas, como ser el diseñar la forma del robot, determinar los sensores a utilizar, desarrollar los algoritmos de control, etc. Los programas fueron realizados con diagramas de flujo y posteriormente llevados al lenguaje Basic para poder finalmente ser grabados en el microcontrolador del robot (de la familia de los Picaxe).
Objetivos
Adquirir la experiencia de la enseñanza de la Robótica Educativa (la actividad de diseño y construcción de robots con fines educativos, utilizando para ello un kit robótico que utiliza elementos accesibles y de bajo costo, y que permite una fácil programación mediante el uso de lenguaje Basic, facilitando de esta manera la posibilidad concreta y efectiva de incorporar la Robótica Educativa en el currículum.
Desarrollo
A) Introducción
Como docente de materias del primer año en carreras que comprenden a las ciencias básicas (Matemática, Electricidad y Electrónica), se comprobó empíricamente que un gran porcentaje de los alumnos que ingresan al CFT. no llegan con las competencias básicas necesarias para desarrollar el pensamiento lógico y la capacidad de abstracción, un objetivo fundamental de la enseñanza en el nivel de todas las carreras del área tecnológica. Así también las estadísticas muestran que sólo un tercio de los que ingresan se inclinan por las carreras que son consideradas estratégicas para el desarrollo de un país, y que son las que más demanda tienen en el mercado laboral a nivel mundial actualmente, como las telecomunicaciones y la informática.
Como complemento de esta situación podemos decir que tampoco se observa en la sociedad actual una “predisposición” a la abstracción y al pensamiento lógico, empezando por la Matemática y terminando en la Filosofía, y sin abstracción y pensamiento lógico no hay desarrollo tecnológico, ni tampoco tendremos ciudadanos reflexivos con sentido crítico y autonomía intelectual, que sean capaces de contribuir en la construcción de una sociedad más justa, democrática y solidaria.
El resultado entonces es que nuestros alumnos no aprenden a pensar, y en plena “era del conocimiento”, los que no sepan pensar serán los analfabetos de este nuevo milenio. Tampoco en la escuela logran desarrollar la comprensión lectora ni la expresión oral, lo que los transforma en
futuros discapacitados verbales, y si a estos resultados le sumamos los altos índices de repitencia y deserción, se llega a la conclusión de que la educación actual está en crisis. Y es en este contexto que debemos plantear la oportunidad de tender hacia una nueva educación, que responda a las necesidades de este nuevo siglo y a los retos que presenta la tecnología, y que tenga como objetivo final el desarrollar una “cultura del pensamiento” en un sistema educativo con inclusión, equidad y calidad. Como un pequeño aporte para tratar de revertir la situación planteada anteriormente, desde el Laboratorio de Electrónica del Centro de Formación Técnica TWK. Temuco, se decidió difundir la Robótica Educativa como una herramienta pedagógica, ya que ella representa un aporte válido y un ejemplo concreto de la utilización correcta, adecuada y pertinente de la tecnología en la educación, ya que fomenta el desarrollo de la capacidad de abstracción y el pensamiento lógico formal de los alumnos.
Con la finalidad de hacer viable y accesible este objetivo, y como una alternativa al uso de los kits robóticos comerciales, se desarrolló esta actividad, bajo la modalidad “open source” (tanto a nivel hardware como software), una tecnología económica que tiene las características de: modular, polimórfico, reconfigurable, de fácil programación y que utiliza materiales y componentes reciclables y de bajo costo, y que pueden ser empleado en la enseñanza del nivel técnico e incluso ser utilizado en cursos de Introducción a la programación a nivel superior, posibilitándose de esta manera la implementación y puesta en práctica de los conceptos teóricos de la robótica
Para completar el objetivo de difundir la Robótica Educativa con el material desarrollado, se implementó un Taller de Robótica para alumnos del área tecnológica del CFT. El taller consistió en un encuentro semanal en el Laboratorio de Electrónica de dos horas de duración, durante el primer Semestre del presente año, contando con un cupo de veinticinco alumnos. Los temas abordados en el Laboratorio fueron los siguientes:
¿Qué es un Robot?
Reseña Histórica de la Robótica Componentes de un Robot Sensores y Actuadores Programación de Robots
El lenguaje Basic
Resolución de Problemas con Robots
Diseño y Construcción de un Robot Seguidor de Líneas
B) ¿Qué es un Robot?
En la literatura especializada abundan las definiciones sobre lo que es un robot, pues cada autor propone su propia definición. En el caso de este Taller y conjuntamente con los alumnos, elaboramos la siguiente definición: “Un robot es una máquina con componentes electrónicos y mecánicos, dotado de elementos para percibir su entorno diseñado para actuar en el mismo con una determinada capacidad de decisión
De la definición propuesta surge que un robot tiene las “capacidades” de percepción, decisión y acción, que están relacionadas como se muestra en la Figura 1.
Figura 4: Pasos para la Resolución de Problemas
Construcción de un robot rastreador
MONTAJE
O sea que básicamente, el robot constantemente está sensando y actuando con el entorno en el que se encuentra (Figura 2). Esa capacidad de percepción está dada por el uso de sensores que pueden captar determinados parámetros del ambiente, como ser: luz, temperatura, presión, proximidad, etc. El hecho de decidir de manera autónoma la acción a realizar, en un determinado instante, está dada por el programa de control que posee. Esto implica que si cambiamos el programa de control, el robot podrá realizar una tarea totalmente distinta, lo que nos brinda infinitas posibilidades de aplicación. Y la utilización de elementos denominados actuadores, permiten al robot desarrollar alguna acción como ser: desplazarse, girar, manipular algún objeto.
La Capa de Entrada/Salida permite interactuar al robot con su entorno (el mundo real), y que está compuesta por los sensores (de luz, de contacto, infrarrojos, ultrasonidos, etc.) y los actuadores (motores, brazos, pinzas, etc.).-
Desde un punto de vista esquemático (Figura 3), un robot está compuesto por tres capas, las cuales son:
La Capa Física contiene el hardware del robot, esto es, la estructura mecánica (chasis, ruedas, etc.) y los circuitos electrónicos (de control, de potencia, etc.).-
La Capa de Control implementada en el programa (software) de control que permite dotar al robot de la capacidad de realizar alguna tarea en su medio ambiente.-
La Capa de Entrada/Salida permite interactuar al robot con su entorno (el mundo real), y que está compuesta por los sensores (de luz, de contacto, infrarrojos, ultrasonidos, etc.) y los actuadores (motores, brazos, pinzas, etc.).-
C) Marco Teórico de la Robótica Educativa
El uso de la tecnología en la educación es una tendencia irreversible que se acentúa cada vez más, pero “más tecnología” no implica “mejor educación” pues aquella es en última instancia una herramienta, constituyendo lo más importante el abordaje pedagógico que se utilice para su incorporación en el proceso de aprendizaje. En ese sentido la RE es una propuesta válida para lograr el “aprender a pensar” por parte de los alumnos utilizando la
tecnología (robots en este caso), pues tiene como basamento un conjunto de sólidas teorías educativas elaboradas durante el siglo XX, las cuales son:
El Constructivismo de Piaget: El conocimiento se construye progresivamente gracias a la interacción entre el alumno y el medio….
El Construccionismo de Papert: Y la mejor manera de lograr dicha construcción es construyendo algún “objeto para pensar”….
El Aprendizaje Significativo de Ausubel: Que posea un contenido de real interés para el alumno…
La Zona de Desarrollo Próximo de Vigotsky: Y con la ayuda recíproca de sus compañeros.-
A) Resolución de Problemas con Robótica Educativa
Si miramos el proceso de creación del robot que resolverá un determinado problema como un proyecto, entonces deberemos seguir una serie de pasos predefinidos que constituyen el “ciclo de vida” del proyecto, denominado así porque el “producto” (robótico) inicialmente se concibe, luego se desarrolla y mantiene, hasta que finalmente es retirado (ya no se lo utiliza). Existen en la ingeniería diversos métodos (o modelos) de desarrollo de un producto, y en nuestro caso adoptaremos por su sencillez conceptual el “modelo lineal” más conocido como “modelo en cascada”, denominado así porque la salida de una etapa constituye la entrada de la etapa siguiente (Figura 4).
Figura 4: Pasos para la Resolución de Problemas
Las etapas ó pasos que constituyen el modelo en cascada son los que se detallan a continuación:
(1) Organizar: Primeramente los alumnos deberán distribuirse en grupos de N integrantes (por ejemplo N ≈ 5) para conformar los equipos de trabajo que tendrán la tarea de crear el robot. Una vez formados los grupos, ellos deberán organizarse internamente y planificar el desarrollo del proyecto. Realizarán un “cronograma de actividades”, en donde distribuirán el tiempo asignado para el ejecución del proyecto entre las actividades a realizar; y también se organizarán en subgrupos (en donde cada integrante tendrá diferentes responsabilidades y funciones) para crear cada uno de ellos una “parte” del robot, por lo que se hace necesario establecer una coordinación entre los subgrupos.-
(2) Analizar: Definir de manera clara los requerimientos que plantea el problema, en base a su enunciado (esto es, determinar el “qué”).-
(3) Diseñar: Determinar cuáles serán y qué características tendrán los componentes que serán utilizados en cada una de las “capas” que componen un robot: la Física, la de Control y la de Entrada/Salida (esto es, determinar el “cómo”).-
(4) Construir: La implementación (o fabricación) del robot consta de dos pasos básicos, que podrán realizarse de manera secuencial o en paralelo (simultáneamente), por sendos subgrupos de trabajo:
Ensamblar los componentes físicos del robot, tanto mecánicos como electrónicos.
Programar el algoritmo de control.
(5) Probar: Como todo producto que es fabricado, éste debe ser sometido a pruebas para poder descubrir posibles errores en su funcionamiento (ó comportamiento en éste caso) ya sea originados por problemas mecánicos, electrónicos o de programación.-
(6) Corregir: En base a las pruebas realizadas, deberemos proceder a realizar las modificaciones necesarias para corregir los errores detectados.-
(7) Documentar: Esta etapa, que deberá realizarse a lo largo de todo el proceso de desarrollo del robot, consiste en escribir lo que podría denominarse una “bitácora” o “diario del proyecto” en donde se detallan todas las acciones (ó actividades) realizadas en cada una de las etapas para la concreción del proyecto: explicitación de los requerimientos, decisiones de diseño adoptadas, detalles constructivos, etc.-
Al finalizar el proyecto, cada equipo de trabajo deberá realizar una presentación de lo construido, transformándose de esta manera el robot en una “entidad pública”, lo que permite a sus creadores compartir con el resto de sus compañeros lo aprendido. Como se muestra en la Figura 4, las salidas de todos los pasos tienen un camino de retorno a las etapas anteriores, pues siempre es posible revisar lo realizado y modificarlo si cambiamos de opinión, o corregirlo si se observan errores.
A) El lenguaje Basic
Para la programación de los robots construidos por los alumnos se decidió la utilización del lenguaje Basic por su bajo nivel de dificultad de distribución libre y gratuita. Esta decisión se basa en que lo consideramos como el lenguaje adecuado para que los alumnos de ese nivel puedan aprender a programar los movimientos del robot, de una manera natural e intuitiva.
La utilización de Basic también posibilitó que los alumnos pudieran probar el funcionamiento de sus diagramas de flujo, y de esa manera realizar una validación de los mismos de manera “virtual”, es decir simulada, sin necesidad de tener que construir previamente el robot. De esta manera se facilita el proceso de “ensayo–error”, en donde el alumno puede observar concretamente los resultados que obtiene, convirtiéndose los errores en algo positivo, pues nos obligan a comprender lo que falló para realizar las correcciones necesarias.
B) Los Problemas Clásicos de la Robótica Educativa
En el área de la Robótica Edeucativa, existen una serie de problemas que podríamos llamar ar “clásicos”, pues ellos representan niveles de mediana a baja complejidad, y son muy enriquecedores desde el punto de vista de la experiencia que los alumnos obtienen al lograr (ó intentar) resolverlos. Esos problemas están referidos al diseño y construcción de los siguientes tipos de robots:
(1) Robot Evasor Obstáculos
(2) Robot Seguidor Líneas
(3) Robot Seguidor Luz
De estos problemas, se decidió plantear en el Taller la construcción de un robot seguidor de líneas, también conocido como robot “rastreador”, el que debe ser capaz de seguir un camino (representado por una línea negra de un determinado ancho) que consta de rectas y curvas dibujado sobre una superficie (de papel blanco) y corregir su dirección cuando se desvíe del camino (Figura 5).
Esquema:
Utilizando un proyecto de un rastreador con transistores se abordo su automatización mediante un PICAXE-18 y un Driver controlador de motores L293D.
Esquema:
Control del motor:
Motor Derecho
|
Motor Izquierdo
| |||
Acción
|
Output4
|
Output5
|
Output6
|
Output7
|
Motor derecho atrás
|
low
|
high
|
low
|
low
|
Motor derecho adelante
|
high
|
low
|
low
|
low
|
Motor izquierdo atrás
|
low
|
low
|
high
|
low
|
Motor izquierdo adelante
|
low
|
low
|
low
|
high
|
Adelante
|
high
|
low
|
low
|
high
|
Atrás
|
low
|
high
|
high
|
low
|
Paro
|
low
|
low
|
low
|
low
|
Giro rápido derecha
|
low
|
high
|
low
|
high
|
Giro rápido izquierda
|
high
|
low
|
high
|
low
|
Señales de entrada:
Los optoacopladores CNY70 generan un nivel alto en las entradas del PICAXE-18 (inputs 0 y 1) cuando el rastreador “ve” línea negra.
Input0
|
Input1
|
Acción
|
low
|
low
|
Buscar línea
|
low
|
high
|
Giro rápido derecha
|
high
|
low
|
Giro rápido izquierda
|
high
|
high
|
Adelante
|
MONTAJE
Código:
'*********************************************************************************
'************************ COCHE RASTREADOR ***********************************
'*********************************************************************************
inicio:
if input0 is off and input1
is off then buscalinea
if input0 is off and input1 is on then giraderecha
is off then buscalinea
if input0 is off and input1 is on then giraderecha
if input0 is on and input1 is off then gira izquierda if input0 is on and input1 is on then avanza
goto inicio
giraderecha:
lowoutput4 high output5 low output6 high output7 high output2 wait 1
low output2 gosub pitido
goto inicio
giraizquierda:
high output4 low output5 high output6
low output7
high output1 wait 1
low output1 gosub pitido goto inicio
avanza:
high output4 low output5 low output6 high output7 goto inicio
buscalinea:
low output4 high output5 high output6 low output7 goto inicio
paro:
pitido:
low output4 low output5 low output6 low output7 return
sound 0,(125,100)
pause 500 return
Conclusión:
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1 comentarios:
estimado profesor consulta y el listado de componentes necesario para fabricar la otra placa , por que ya tenemos la tarjeta de programacion pero falta la otra de control de los motores y la de rcepcion de la iluminacion
espero pueda facilitarla saluda atte david henriquez
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