el robot moway, una herramienta para el aprendizaje basado

El robot Moway, una herramienta para el aprendizaje basadoen proyectos

Miguel Pagola Edurne Barrenechea Javier Fernández Humberto BustinceDaniel Paternain Jose Antonio Sanz

Departamento de Automática y ComputaciónUniversidad Pública de Navarra

31006 Pamplona, [email protected]

ResumenEn este trabajo se presenta la experiencia docente desa-rrollada en la asignatura ”Sistemas Inteligentes. Apli-caciones” mediante la metodología de aprendizaje ba-sado en proyectos. Para el desarrollo del proyecto se hautilizado el robot móvil Moway. Se describen las fasesdel proyecto, los resultados y las conclusiones obteni-das tras una experiencia de dos años.

AbstractIn this work is presented the teaching experience wehave had in the subject ”Intelligent Systems. Applica-tions” using the project-based learning methodology.The projects were developed using the Moway mobilerobot. The different steps of the project, the results andthe conclusions reached after a two-year experience aredescribed.

Palabras claveAprendizaje Basado en Proyectos, Robot, InteligenciaArtificial, Sistemas Inteligentes

1. IntroducciónLa asignatura “Sistemas Inteligentes. Aplicaciones”

(SIA) es una asignatura optativa del quinto semestrede la mención “Sistemas Inteligentes y Computación”del Grado en Ingeniería Informática de la UniversidadPública de Navarra. La competencia específica de laasignatura es:

• Conocimiento y aplicación de los principios fun-damentales y técnicas básicas de los sistemas in-teligentes y su aplicación práctica.

Además, durante la asignatura se deben desarrollar lascompetencias transversales de capacidad para resol-ver problemas con iniciativa, toma de decisiones, au-tonomía y creatividad, capacidad para saber comu-nicar y transmitir los conocimientos y el trabajo enequipo. Nuestro objetivo es desarrollar las competen-cias transversales y profesionales siguiendo una meto-dología aprendizaje basado en proyectos (ABPy) [?].La enseñanza basada en ABPy se fundamenta en eldesarrollo de un proyecto de cierta envergadura en gru-po. Su consecución exigirá el aprendizaje de conceptostécnicos y la adquisición de habilidades.

Los estudiantes de esta asignatura han debido cursarpreviamente, en el cuarto semestre, la asignatura obli-gatoria/troncal ”Inteligencia Artificial”. Esta asignatu-ra pretende proporcionar al estudiante los principios yconceptos básicos de la Inteligencia Artificial con unenfoque teórico-práctico aplicado a la Ingeniería. Loscontenidos de esta asignatura son la representación enel espacio de estados, las búsquedas exhaustivas, bús-quedas heurísticas, aprendizaje automático, la toma dedecisión y el procesamiento de imagen.

Además, el estudiante que puede matricularse en laasignatura ya cuenta con habilidades de programación.Se pretende que al completar la asignatura SIA el estu-diante consolide y aumente su conocimiento y dominiode los temas básicos de Inteligencia Artificial. Princi-palmente se pretende afianzar el conocimiento de la re-presentación en espacio de estados, las búsquedas heu-rísticas e introducir al alumno en la representación y elmanejo de la incertidumbre con técnicas probabilísti-cas, la planificación con incertidumbre y las máquinasde estado finitas. Bajo estas premisas se diseñaron loscontenidos de la asignatura y se impartieron en los cur-sos 2011-2012 y 2012-2013 usando metodologías tra-dicionales. En dichos cursos se utilizó la robótica comoaplicación principal de los contenidos del temario. Sealternaban las clases expositivas con las prácticas en ellaboratorio utilizando un simulador de robot.

Actas de las XXII Jenui. Almería, 6-8 de julio 2016ISBN: 978-84-16642-30-4Páginas: 43-49

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Actualmente existen muchos ejemplos de la uti-lización de la robótica como herramienta educativa[?, ?, ?]. El sistema “LEGO MINDSTORM” es el másextendido y está siendo utilizado principalmente en laeducación secundaria [?] y universitaria. El reto quesupone para un alumno diseñar y trabajar con un siste-ma físico le permite adquirir los conceptos con ciertaprofundidad y le anima a entrar en una dinámica deaprendizaje autónomo. Debido a la amplitud de cam-pos de aplicación de la robótica es relativamente fácilproponer proyectos didácticos [?]. En definitiva, todasestas características hacen que la robótica sea idóneapara una implantación de la metodología de ABPy [?].En la literatura hay varios trabajos como [?, ?, ?], don-de se presentan experiencias relacionadas con la utili-zación de robots en el marco de ABPy.

El objetivo de este trabajo es presentar cómo se haimplementado esta asignatura durante los cursos 2013-2014 y 2015-2016 mediante la metodología ABPy uti-lizando el robot Moway para realizar el proyecto.

El artículo está divido en 5 secciones. En la sección2 se presenta el proyecto. En la sección 3 se describeel desarrollo de la metodología ABPy a lo largo delproyecto, es decir, el escenario, las partes del proyecto,la evaluación, etc. Los resultados y la evaluación de lametodología ABPy se exponen en la sección 4 y final-mente en la sección 5 mostramos las conclusiones dela experiencia.

2. El proyectoEl proyecto constituye el elemento central del pro-

ceso de enseñanza-aprendizaje en ABPy y su elecciónno es trivial. El proyecto debe ser lo suficientementeatractivo para que el alumno vea la necesidad del au-toaprendizaje para poder desarrollar el proyecto satis-factoriamente. El hecho de trabajar con robots sirve derevulsivo, ya que los alumnos del Grado de Informáticano están habituados a las prácticas con sistemas reales.El proyecto que han de desarrollar los alumnos es unrobot explorador que entra en un laberinto completa-mente desconocido y tiene que encontrar un objeto omarca y volver a la salida del laberinto por el caminomás corto posible. Para la realización del proyecto losestudiantes disponen del robot Moway.

2.1. El robot Moway

El robot Moway [?] es un robot móvil sencillo tal ycomo se puede ver en la figura 1. El robot tiene lossiguientes componentes: dos ruedas motrices, cuatrosensores infrarrojos anti-colisión, sensor de intensidadde luz direccional, dos sensores optorreflectivos infra-rrojos para el suelo, acelerómetro de 3 ejes, micrófono,

Figura 1: Robot Moway.

altavoz y módulo de radiofrecuencia para la comunica-ción inalámbrica.

Fue diseñado como herramienta educativa de edu-cación secundaria y ciclos formativos ya que se pue-de programar utilizando Scratch. Sin embargo, Mowaytiene una interfaz de programación en Python que per-mite abordar proyectos más complejos de nivel univer-sitario. Con esta biblioteca se puede acceder fácilmen-te a la información de los sensores y se pueden enviarórdenes de movimiento. La programación del script dePython se realiza en un PC y las órdenes se envían alrobot a través de radiofrecuencia. Es decir, no hace fal-ta compilar el programa ni cargarlo en el microproce-sador del robot. Por lo tanto hace que la programacióny prueba de los algoritmos de movimiento, control, etc.del robot sea muy rápida. La principal ventaja para uti-lizar el robot Moway es su bajo precio (un pack de dosunidades cuestan menos de 400e). Sin embargo tienemuy pocos sensores de proximidad y la precisión delos sensores es bastante baja.

2.2. Relación del proyecto con los resulta-dos de aprendizaje de la asignatura

Para completar el proyecto satisfactoriamente hacefalta desarrollar varios algoritmos y conocer técnicasque coinciden con los resultados de aprendizaje de laasignatura. En la siguiente lista se muestran las dife-rentes técnicas y algoritmos y su relación con los obje-tivos del proyecto:

• Estructuras de datos. El laberinto, por ejemplo losmostrados en las figuras 2 y 3, se puede represen-tar como un grafo en donde cada nodo es un crucey los arcos representan los caminos entre los cru-ces.

• Búsqueda exhaustiva. La exploración inicial dellaberinto, se puede realizar mediante una búsque-da en profundidad. De esta forma, si no existeningún objeto que encontrar, se explora comple-tamente el laberinto.

44 XXII Jornadas sobre la Enseñanza Universitaria de la Informática

• Búsqueda heurística. Una vez que el robot ha en-contrado el objeto y tiene que salir del laberintopuede utilizar la búsqueda A* para encontrar elcamino más corto.

• Representación de la incertidumbre con técnicasprobabilistas. Uno de los apartados más impor-tantes para la navegación del robot es conocer entodo momento su ubicación. Sin embargo, esta in-formación se desconoce y hay que obtenerla a tra-vés de los sensores. Se pueden utilizar los senso-res de proximidad así como los que nos informandel color del suelo. No obstante, estos sensoresdan una información imprecisa. El algoritmo ”fil-tro partículas” utiliza esta información imprecisade los sensores y obtiene una distribución de pro-babilidad de la posición del robot.

• Máquinas de estado finitas. Las órdenes de con-trol del movimiento o navegación del robot a tra-vés del laberinto se pueden representar como unamáquina de estados finita. Por ejemplo, el robot seencuentra moviéndose a través de un pasillo y elsensor izquierdo indica que ya no hay pared, porlo tanto, se pasa al estado girar esquina.

• Planificación con incertidumbre. Una vez que elalgoritmo A* calcula la ruta de salida hasta la sa-lida, el robot comienza a hacer la serie de movi-mientos. Sin embargo puede colisionar o patinar,de tal forma que debe volver a calcular la trayec-toria.

3. Desarrollo de la metodologíaABPy

El proyecto tiene una duración de 10 semanas, condos sesiones de dos horas presenciales a la semana. Laprimera sesión se desarrolla en un aula de teoría y la se-gunda sesión en el laboratorio con los robots. Además,los estudiantes disponen de varias horas a la semanapara poder trabajar en el laboratorio por su cuenta.

3.1. La pregunta motriz y el escenario departida

A los estudiantes se les ha descrito el siguiente es-cenario: "Vuestro grupo pertenece al departamento derescate de accidentes de una empresa de robótica.Vuestro objetivo es crear un prototipo de robot de res-cate con el robot Moway que sea capaz de entrar enuna mina de la cual no se conoce el mapa, ni en quélugar está la víctima. Con el prototipo demostraremoscómo el robot es capaz de encontrar a la víctima ras-treando todo el espacio y salir de la mina". A partirde este escenario surge la pregunta motriz que se haexpuesto a los estudiantes: ¿Cómo harías para que un

robot autónomo rescate a una persona en una mina enla que ha habido un accidente?

3.2. Organización de los gruposUno de los principales obstáculos para el éxito del

trabajo cooperativo es que el alumnado raras vecescuenta con oportunidades para gestionar el hábito denegociar, tomar decisiones y organizar un reparto detareas en grupo. Por este motivo los estudiantes tie-nen que formar grupos de tres o cuatro personas. Esun tamaño de grupo que permite afrontar proyectos debastante entidad sin peligro de parasitismo.

3.3. Identificación de objetivos de apren-dizaje

La primera tarea que tiene cada grupo de trabajo esidentificar las técnicas o algoritmos que necesitaríanpara poder desarrollar el proyecto. Para realizar estaprimera tarea los grupos disponen de una semana y rea-lizan una presentación para poner en común sus con-clusiones. En la presentación tienen que exponer tantolas habilidades y algoritmos que ya dominan (progra-mación, algoritmos de búsqueda) como los que todavíano conocen (librería Python del robot, navegación delrobot, algoritmos de localización, etc). Además, conunas breves aportaciones por parte de los profesores enese mismo día, se consigue identificar definitivamentelas técnicas que necesitan aprender para desarrollar elproyecto. La siguiente tarea a la que se enfrentan eshacer una planificación y el reparto temporal, así comouna asignación de tareas a cada componente del grupo.Este documento consiste en el ”entregable 0” que pue-de ser modificado en las primeras semanas del desa-rrollo del proyecto, conforme los estudiantes adquie-ran más conocimiento de la programación del robot yde las complejidades de los algoritmos.

3.4. Los hitos del proyectoBásicamente los apartados en los que se puede divi-

dir el proyecto son: construcción del laberinto, navega-ción del robot, representación del mapa o laberinto, lo-calización del robot dentro de un mapa, exploración deun laberinto y cálculo de una trayectoria óptima hastala salida. En las figuras ?? y ?? se muestran dos labe-rintos creados por dos grupos. En lugar de marcar unosentregables y unas fechas fijas por cada hito del pro-yecto, se deja total libertad a los grupos para hacer suplanificación. Todos los documentos y el material rea-lizado deben entregarse en la fecha tope de finalizacióndel proyecto. Durante el desarrollo del mismo las se-siones que se hacen en el aula de teoría están pensadaspara resolución de problemas en grupo, planteamiento

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Figura 2: Laberinto 1 creado por un grupo de estudian-tes

Figura 3: Laberinto 2 creado por un grupo de estudian-tes

de dudas a los profesores y discusión entre los miem-bros del grupo. Los temas a tratar deben estar guiadospor las necesidades de los grupos.

3.5. EvaluaciónUno de los aspectos más complicados en la meto-

dología de ABPy es la concepción de un sistema deevaluación que sea equitativo entre todos los alumnos.En principio se pensó en evaluar a cada integrante delgrupo según las tareas que tenía asignadas en el entre-gable 0. Sin embargo, al tratarse de los primeros añosde utilizar la metodología ABPy, se ha puntuado a todoel grupo con la misma calificación.

El día de finalización del proyecto se debe entregarel siguiente material:

• Entregable 2: debe contener el material generadodurante el desarrollo del proyecto, apuntes, ejer-cicios resueltos, ejemplos, pruebas de concepto,etc.

• Entregable 3: debe contener el conjunto de archi-vos de código Python. Debe estar creado de talforma que si se descomprime en un ordenador dellaboratorio de prácticas y se lanza el script princi-pal el robot ejecuta las tareas del proyecto.

• Entregable 4: informe técnico del proyecto, carac-terísticas principales, diseño, algoritmos y todo elmaterial necesario que los componentes del grupoconsideran adecuado para la mejor interpretacióndel desarrollo que han hecho del proyecto plan-teado.

Además, cada grupo debe realizar una presentacióndel trabajo. En la presentación se debe describir princi-palmente el entregable 4, los algoritmos de movimien-to, cálculo de la trayectoria y localización. El momentomás importante es la demostración final en la que uti-lizando los archivos del entregable 2 se evalúa el fun-cionamiento real del proyecto. Hay dos pruebas P1 yP2.

• P1: consiste en localizar el objetivo y volver a lasalida por el camino más corto en una posiciónfácil de la maqueta.

• P2: consiste en localizar el objetivo y volver a lasalida por el camino más corto en una posicióndifícil de la maqueta.

Cada grupo dispone de tres intentos en cada una delas pruebas. Si se superaba cada una de las pruebas segana un porcentaje de la nota final. La valoración delproyecto se realiza siguiendo el cuadro ??.

3.6. Jornada de recapitulaciónUna vez que los proyectos hayan sido entregados se

realiza una sesión de debate y reflexión sobre el desa-


1 Realizar satisfactoriamente P1 15 %2 Realizar satisfactoriamente P2 15 %3 Calidad y claridad del código 10 %4 Entregable 4 20 %5 Calidad y complejidad del prototipo 10 %6 E2. Material complementario 15 %7 Presentación 15 %

Cuadro 1: Evaluación del proyecto.

rrollo de los proyectos con el fin de reforzar el apren-dizaje del trabajo en grupo. Se plantean las siguientescuestiones a debatir por los estudiantes.

• ¿Habéis seguido la planificación que hicisteis enel entregable 0?

• ¿Habéis seguido el reparto de las tareas?• ¿Qué roles de trabajo había dentro del equipo?• ¿Cuál ha sido la mayor dificultad del proyecto?,

¿era posible preverla?• Si tuvieses que hacer de nuevo el proyecto, ¿qué

planificación harías?• ¿Habéis utilizado algún software de manejo de

versiones?• Cada vez que completabas una función; ¿hacías

pruebas para comprobar que funcionaba en todoslos casos posibles?

Con este debate se pretende que los estudiantes se con-ciencien sobre la importancia de las metodologías deplanificación de los proyectos software, las herramien-tas para la gestión del software y el trabajo en equipo.

4. ResultadosLa valoración de esta experiencia es cualitativa y se

basa en la opinión de los alumnos así como en la per-cepción personal del profesorado.

Los resultados en la evaluación son similares a cur-sos anteriores y no son representativos ya que el nú-mero de alumnos ha variado mucho durante los cuatroaños en los que se ha impartido la asignatura (curso2012-13, 10; curso 2013-14, 15; curso 2014-15, 8; cur-so 2015-14, 37).

4.1. Evaluación de la metodología ABPypor parte de los estudiantes

Para evaluar la experiencia de la metodología ABPyse realizó, en el curso 2015-2016, una encuesta a losestudiantes con las preguntas de la figura ??. Parte deestas preguntas son idénticas a las usadas en [?] queson proporcionadas por el Servicio de Asesoramien-to Educativo de la UPV/EHU. Cada pregunta se de-be puntuar entre 1 (en desacuerdo) y 5 (totalmente de

acuerdo). Además, en una caja de texto libre, los alum-nos podían dejar sus comentarios o sugerencias.

En general, la valoración es muy positiva en todoslos aspectos. En particular, los estudiantes están es-pecialmente de acuerdo en que el ABPy ha mejoradosus capacidades de autoaprendizaje, que han adquiri-do competencias que les servirán en su práctica profe-sional y que ha influido en aumentar su interés por laasignatura. La primera pregunta es la que menor pun-tuación obtiene, es decir, que en opinión de los estu-diantes este tipo de metodología no les ha ayudado acomprender mejor los conceptos teóricos. En cuantoa los comentarios que dejaron los estudiantes, el quemás se repetía era la dificultad de planificar el proyec-to correctamente y muchos de ellos pedían que los en-tregables se distribuyeran a lo largo del desarrollo delproyecto.

4.2. Evaluación de la metodología ABPypor parte del profesorado

Desde la percepción del profesorado la experienciaha sido muy positiva en tanto que la participación yla motivación de los estudiantes ha sido muy alta. Es-to ha sido respaldado por el resultado de las encues-tas. Después del primer curso utilizando el robot Mo-way, en el segundo curso 2015-2016, la matrícula seha incrementado notablemente, de 8 estudiantes a 37.Al ser una asignatura optativa muchos estudiantes deotras menciones han decidido cursarla. Respecto a lascompetencias transversales de capacidad para resolverproblemas con iniciativa, toma de decisiones, autono-mía y creatividad, capacidad para saber comunicar ytransmitir los conocimientos y el trabajo en equipo, lapercepción es que se han trabajo y adquirido satisfac-toriamente.

Por su parte, el profesorado considera que la meto-dología ABPy es estimulante. El nivel de comunica-ción entre el profesor y los alumnos es elevado, y secrea un entorno de aprendizaje marcado por una buenapredisposición de los alumnos. El nivel de absentismose redujo de forma significativa y los alumnos han en-contrado alicientes para ir al laboratorio en horas nolectivas.

El carácter abierto del proyecto ha permitido a losestudiantes tener enfoques distintos para sus solucio-nes (laberintos con características diferentes), origi-nando así auténticos debates sobre las posibles solucio-nes. En definitiva, los estudiantes se han sentido comoverdaderos ingenieros que han participado en la con-cepción de un sistema complejo.


5. ConclusionesEn este trabajo, se ha presentado una experiencia

práctica de implantación de la metodología ABPy utili-zando el robot móvil Moway. El desarrollo del proyec-to ha permitido a los alumnos desarrollar habilidadesrelacionadas con el trabajo en grupo, autoaprendizaje,toma de decisiones, etc. y además han adquirido losconocimientos que estaban reflejados en los resultadosde aprendizaje de la asignatura.

Evidentemente existen varios puntos de mejora. Elmás importante es intentar que los estudiantes profun-dicen en el autoaprendizaje. Al final, las sesiones en elaula de teoría se convirtieron en auténticas sesiones deteoría porque ningún grupo había dado importancia aaspectos básicos como la localización o el tratamien-to de la incertidumbre. Como se ha comentado ante-riormente, los estudiantes creyeron que con los cono-cimientos teóricos que poseían les bastaba para desa-rrollar el proyecto. Otro aspecto a mejorar es la inclu-sión de entregas parciales, como pedían varios grupos,para ayudarles en su planificación y orientarles sobrelas prioridades en las primeras semanas del proyecto.

Los sensores del robot Moway tienen muy poca pre-cisión y existe bastante variabilidad respecto a los va-lores que miden los sensores entre diferentes robots.Este problema causó bastante retraso y frustración en-tre los alumnos al fallar programas que días antes lesfuncionaban. Se puede solucionar trabajando siemprecon el mismo robot.

Después de esta experiencia se puede concluir que elrobot Moway se podría utilizar para impartir parte deotras materias como por ejemplo, programación, algo-ritmia o inteligencia artificial del Grado de IngenieríaInformática siguiendo la metodología ABPy.

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Figura 4: Encuesta realizada a los estudiantes.


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