Robotica Educativa

Robótica Educativa:
Su importancia en el aprendizaje de las ciencias.
Prof. José Miguel GarcíaLiceo Pedro Poveda.Escuela Integral Hebreo UruguayaE-mail: argos@cs.com.uyMontevideo - Uruguay

Introducción

Robótica Educativa significa poner al alcance de los niños las herramientas necesarias para que desarrollen dispositivos externos a las computadoras (físicas, reales) controlados por ésta y que interactúen con el medio. Este trabajo es posible mediante el uso de una interfase que permite traducir las órdenes generadas por el computador en señales utilizables para comandar los distintos elementos, así como transformar las provenientes de los sensores que detectan los estados de los mecanismos, en señales digitales que pueden ser procesadas por el computador.
La palabra Interfase proviene del idioma inglés: Inter Face (entre caras), surgiendo de su función como traductor entre la computadora y el robot.

La robótica tiene varios años de desarrollo, fundamentalmente en el área industrial. En el área de la educación es poco, sin embargo, lo que se ha investigado sobre este tema. La razón de ello es que hasta hace poco tiempo no se contaba con elementos que permitieran que los alumnos de nivel primario y secundario, sin especiales conocimientos en electrónica pudieran realizar sus proyectos. Con la aparición de las interfaces esta dificultad se disipó, debido al potencial de control del computador para manejar elementos externos a éste.
Fundamentación

La posibilidad de control del entorno, escapándose de los límites físicos impuestos por el computador, abre un enorme campo de trabajo.

En el proceso habitual de aprendizaje de las ciencias, los alumnos reciben una cantidad de información teórica brindada por el docente, o por el libro del cual estudian. Para fijar esos conocimientos se realizan ejercicios del tema, en los que se los enfrenta a situaciones específicas donde deben aplicar los conocimientos adquiridos o desarrollados a situaciones concretas. Los ejercicios son muy importantes para lograr una comprensión más acabada del tema que se estudia. Pero esto no alcanza, y por ese motivo se desarrollan trabajos de laboratorio. Se procura que los alumnos desarrollen métodos de investigación, realizando y analizando los experimentos.
En el trabajo con robótica, el alumno es enfrentado, por sus propios intereses, a situaciones concretas que requieren su resolución, así como a temas que son imprescindibles para el desarrollo de sus proyectos. Mediante este proceso el estudiante busca en su interior los conocimientos adquiridos que son aplicables a lo que investiga, logrando un nivel de concreción que de otra manera queda en la teoría.

Durante el desarrollo de los proyectos de robótica, los alumnos cumplen procesos que consideramos hacen aportes fundamentales para el aprendizaje de la ciencia.

Los alumnos:

· Imaginan lo que quieren construir.
· Lo diseñan, buscando la forma de transformar sus ideas en resultados concretos, realizables.
· Los construyen. Transforman los diseños en elementos físicos reales, encontrándose con las limitaciones propias de la plasmación de las ideas.

· Los programan. Le dan las órdenes necesarias para que cumplan con las funciones para las cuales fueron creado. Les dan vida.

Por supuesto que estas etapas no son escalones diferenciados, sino que se entremezclan durante todo el proceso. Las dificultades en la construcción provocan permanentes cambios de diseño, modificando asimismo las funciones que cumpliría en las instancias originales. De la misma manera, durante la programación aparecen complicaciones que generan cambios en las estructuras construidas.

Durante el desarrollo de los distintos proyectos los alumnos se ven enfrentados permanentemente a conceptos físicos que deben comprender. Ya sea para captar los funcionamientos mecánicos (por ej. torque para los engranajes) como para disponer de herramientas para el desarrollo de los mismos (por ej. relays para controlar instrumentos de gran potencia o diferente voltaje).

Motores Paso a Paso. Acercándonos a sistemas de control industriales
Los motores paso a paso (PaP) tienen un método de funcionamiento diferente al de los motores habituales. Los mismos están conformados por múltiples bobinas.

Cuando se cambia el sentido de la corriente en una de ellas el motor da un paso, cuyo ángulo depende de las características del mismo. Cambiando alternativamente las polaridades de ambas bobinas se logra que el mecanismo realice la cantidad de pasos que uno desee. Según el orden de estos cambios, el motor girará en un sentido o en el otro. Este sistema corresponde a motores PaP bipolares. Para los unipolares las conexiones son distintas, pero el principio de funcionamiento es el mismo.

La primera incursión realizada en el sistema de motores PaP fue realizada con la interface "argos", por un grupo de alumnos de primer año de secundaria del Liceo Poveda.

La importancia fundamental de este tipo de motores radica en que el usuario define la cantidad de pasos (o el ángulo de giro) del motor. Esto significa que se mantiene en cada momento el control de la posición de los móviles, partiendo de la posición inicial. Este tipo de motores se utiliza en las impresoras, y es muy claro su funcionamiento en las de matriz de puntos. Dichas impresoras, cuando se encienden, mueven el carro hacia la izquierda, hasta que llegan a un punto determinado por un pequeño interruptor, que indica la posición inicial. A partir de ese momento el cabezal no retorna al origen, y "sabe" a cada momento la ubicación que tiene. Si lo último que imprimió fue un carácter en la columna 25, y debe imprimir el siguiente en la 48, se posiciona exactamente en el sitio correcto.

En el ejemplo del servidor de Refrescos que se detalla más adelante, los alumnos determinaron que el motor debía dar 50 pasos para pasar de la posición de un vaso a la del siguiente. Por lo tanto, le hacían dar la cantidad de pasos necesaria de acuerdo al movimiento que necesiten. El programa registra la posición actual. Si el sistema está ubicado en el vaso 1, y debe servir el vaso 4, deberá dar (4-1)*50=150 pasos. Si luego debe regresar al vaso 2, dará (2-4)*50=-100 pasos. O sea, hará 100 pasos en sentido inverso.

La utilización de este tipo de motores disminuye notoriamente la cantidad de sensores que deben utilizarse en el sistema, porque basta con uno por cada movimiento para registrar la posición inicial del mismo.

A diferencia del sistema de funcionamiento de los motores estándar, los sistemas Paso a Paso necesitan un control permanente para su funcionamiento. Esto significa que mientras el programa ejecuta las órdenes para que el motor funcione, no puede realizar otras órdenes. Como resolver estas situaciones se describen en el ejemplo del servidor de bebidas Cola.

Robótica en el aprendizaje de Ciencias.

Entre los múltiples temas que son investigados por los estudiantes en estos procesos, podemos destacar
· Sistemas eléctricos. Necesarios para todo tipo de control a través del computador.
· Conductores y aislantes.
· Circuitos en serie y el paralelo. Por ej. en el servidor de refrescos se contaba con lámparas y sensores conectados en paralelo, para lograr duplicar la cantidad de información que puede ser recibida.
· Electroimanes.
· Motores. Imprescindibles para el desarrollo de los movimientos.
· Motores Paso a Paso. Analizan fenómenos de electromagnetismo, para lograr movimientos controlados.

· Relays. Utilizados para comandar elementos de gran potencia o mayor voltaje. Permite comandar sistemas de 220 V.
· Torque. Permite comprender el funcionamiento de las transmisiones a través de los engranajes, relacionándolo con la velocidad de giro.
· Estudio de diferentes sistemas de referencia. Lineales y angulares, según el tipo de mecanismo que los rija.
· Posición de un cuerpo. Variaciones de posición. En función de la posición inicial y final, deben programar el mecanismo para que realice el movimiento entre ellas.
· Trayectorias de diferentes puntos en el movimiento de un rígido. En el control de movimiento por ruedas independientes, la trayectoria del cuerpo depende de los movimientos relativos de ambas ruedas.
· Relación entre velocidad angular y tangencial en un movimiento circular. Relacionando el ángulo de giro del motor con el recorrido que realizará la rueda que está solidario con él.
· Ionización del agua. En el cebador de mate, para controlar la existencia de agua en el interior del mismo.
Proyectos realizados por los alumnos.

Servidor de Refrescos

Este proyecto fue realizado por un grupo de alumnos de 1er. año de Secundaria del Liceo Pedro Poveda. Inspirados en el Cebador de Mate que realizaran alumnos antecesores del mismo liceo, quisieron realizar un Servidor de Bebidas. Para simplificar el control del nivel de líquido se utilizaron sensores de luz, lo que obliga a servir bebidas de color oscuro. El mismo fue desarrollado con al interface "argos" y programado en Turbo Pascal. El desafío mayor fue lograr que se sirviera bebida en cuatro vasos ubicados en posiciones diferentes, utilizando para posicionarse frente a los mismos un motor Paso a Paso (PaP). La interface no estaba preparada para el control de este tipo de motores, lo que constituyó un importante proceso de investigación y adaptación, trabajando con Relays.

El sistema consiste en :

· Un carro que contiene la botella, que puede ser desplazado horizontalmente con un motor PaP que mueve una correa a la que está sujeto. Este es el que posiciona la botella frente al vaso.
· Un motor PaP que enrolla un hilo para levantar la caja que contiene la botella. Este es el que inclina la botella sobre el vaso.
· Cuatro casilleros donde se colocan los vasos. En los mismos se encuentran lámparas (led de alto brillo) de un lado, y sensores de luz del otro. Se distribuyeron dos por cada vaso: uno en la parte inferior para detectar la presencia del mismo (que debe tener una faja opaca) y uno en la parte superior para detectar si el líquido llegó al nivel del mismo.
· Un sensor de contacto que detecta la presencia del carro en la posición inicial.
Las lámparas están conectadas en dos circuitos paralelos independientes: uno para las inferiores y uno para las superiores. Las mismas son led de alto brillo, conectados cada uno en serie con una resistencia de 470W .

Los sensores están colocados en paralelo de a parejas por cada vaso. Uno en la parte superior y otro en la inferior.

Para detectar la presencia de cada vaso, se enciende la luz inferior y se pregunta por el estado del sensor del vaso que se busca. Si hay vaso, el sensor no recibe luz.
Para detectar el nivel del líquido, se apaga la luz inferior y se enciende la superior. Se pregunta por el estado del sensor correspondiente al vaso que se investiga. Si el sensor recibe luz, significa que el líquido no llega al nivel del mismo.

Invernadero: trabajando con sensores analógicos

Este proyecto pretende mostrar una aplicación de las características analógicas de los sensores.
Se trata de un invernadero en el que se desea mantener una temperatura estable y controlada entre los 22ºC y los 27ºC.
El sistema consiste en:
· Un invernadero (caja)
· Extractor de aire
· Calentador con removedor de aire
· Sensor térmico (termistor)
Se realizaron mediciones de los valores de una resistencia sensible a la temperatura. Los valores obtenidos para ese elemento indicaban que a 22ºC la resistencia es de 5,7 KW , y a los 27ºC es de 4,4kW . Con estos valores se infiere que si la temperatura es superior a los 27ºC la resistencia será inferior a los 4,4KW . Si la temperatura es inferior a los 22ºC, la resistencia será superior a los 5,7 KW .
Se parte de la base que la temperatura exterior es inferior a los 22 ºC.
El proceso consiste en controlar el valor de la resistencia. Si la misma desciende de los 4,4KW se activa el extractor de aire. Si supera los 5,5KW , se activa el calentador. En caso de que esté entre ambos valores, los dispositivos permanecen apagados.

Ratón de Laboratorio

El sistema consiste en un ratón controlado a través de la computadora. Los alumnos se plantearon la construcción de un robot "inteligente" que sea capaz de "aprender" lo que le enseñan los usuarios. Como ejemplo decidieron construir un ratón de laboratorio al que le enseñarían a salir de un laberinto. Una vez que ellos le mostraran el camino, la primera vez, el sistema debía ser capaz de reproducirlo.
Para la construcción del mecanismo usaron dos motores PaP, colocados en la parte inferior a los que se anexaron directamente las ruedas. Una tercera rueda "loca" sirve de tercer punto de apoyo para el sistema.
El principio de funcionamiento es simple. Si ambas ruedas giran en el mismo sentido, el ratón avanzará o retrocederá. Si ambas ruedas giran en sentidos opuestos, el ratón girará sobre sí mismo. De esta manera, los alumnos confeccionaron una serie de programas que generan todos los movimientos: adelante, atrás, derecha e izquierda.

Vistas superiores del sistema
El sistema implica que un usuario realice a "mano", es decir orden por orden, los movimientos necesarios para que el ratón se mueva a través de un laberinto. Estos movimientos son registrados, de manera que el sistema puede, más adelante, reproducirlos exactamente como fueron realizados en la forma original. Esta forma de programar los movimientos de un robot realizándolos manualmente en primera instancia es muy utilizada en los robots industriales.

Otros proyectos llevados a cabo por los estudiantes de diferentes cursos.
· Radar. Controla la velocidad de un auto, y saca una foto del mismo si se superan los valores permitidos.
· Repartidor de cartas para el truco. Con control de posición de cada jugador.
· Auto con conducción automática, usando como referencia la línea del camino.
· Pintor automático de paredes.
· Baño automático
· Sistemas de trenes y barreras.
· Cultivo Lunar, con control de agua, luz y temperatura
· Sistemas de servicio para fiestas: Reparto de comida.
· Promotora que entrega folletos (tamaño natural)
· Lanzadores de penales y de tiros de Basquet
· Entrega de tarjetas de felicitación, con detector de gente.
· Cunas mecedoras automáticas
· Alarmas varias
· Sistemas despertadores. Con sonido, luces, agua, etc.
· Réplicas de sistemas de energía.
· Ascensores
· Grúas con diversas funciones.
· Levanta monedas del piso y las guarda en una caja sobre la mesa
· Lavaderos de autos. Varios modelos.
· Perro automático
· Compactador de basura
· Garajes automáticos varios.
· Realidad virtual: juego en el monitor según movimientos de la mano
· Papeleras automáticas
· Autitos chocadores
Conclusiones
En su libro Desafío a la Mente, Seymound Papert escribe:

"Creo que mi trabajo con diferenciales contribuyó más a mi desarrollo matemático que cualquiera de las cosas que me enseñaron en la escuela primaria. Los engranajes, sirviendo como modelos, metieron en mi cabeza muchas ideas que de otro modo hubieran sido abstractas. Recuerdo claramente dos ejemplos de matemática escolar. Yo veía las tablas de multiplicar como si fueran engranajes, y mi primer encuentro con ecuaciones de dos variables (por ej. 3x + 4y = 10) inmediatamente trajo a mi memoria el diferencial. Para cuando hube construido mentalmente un modelo de engranaje para la relación entre x e y, calculando cuantos dientes necesitaba cada engranaje, la ecuación se había convertido en una agradable amiga."
Los adolescentes en el taller de robótica asimilan conceptos de física y química en la medida que éstos se integran en un proyecto personal y no como un caudal informativo que les es trasmitido desde otro lugar. Se apropian del conocimiento a través de un proceso de descubrimiento al servicio de su creatividad.