introducción a la robótica educativa

CURSOS VIRTUALES

Desarrollo de modelos robóticos para el nivel

primaria Unidad 1: Introducción a la Robótica

El curso de “Desarrollo de modelos robóticos para el nivel primaria” está dirigido a los docentes del nivel primario que laboren en instituciones educativas públicas que cuenten con el kit de robótica educativa proporcionado por el Ministerio de Educación.

Cursos Virtuales Desarrollo de modelos robóticos para el nivel primaria

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Tabla de contenido INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS................................................................................................................. 3

LA TECNOLOGÍA ..................................................................................................................................... 4

EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS ...................................................................................... 6

Edad de piedra .................................................................................................................................... 6

Edad de los metales ............................................................................................................................ 6

Las Revoluciones Industriales .............................................................................................................. 8

Primera Revolución Industrial ............................................................................................................. 9

Segunda Revolución Industrial ...........................................................................................................11

Mecanización .................................................................................................................................12

Tercera Revolución Industrial .............................................................................................................13

Automatización ..............................................................................................................................13

Robotización ..................................................................................................................................14

ROBÓTICA .............................................................................................................................................15

¿Qué es un robot? .............................................................................................................................15

¿Cómo trabaja un robot? ...................................................................................................................17

¿Qué es la Robótica?..........................................................................................................................17

ESQUEMA GENERAL DE UN ROBOT .......................................................................................................19

Subsistema de Sensores .....................................................................................................................19

Subsistema de Control .......................................................................................................................20

Subsistema de Actuadores .................................................................................................................20

Subsistema Eléctrico ..........................................................................................................................21

Subsistema Mecánico ........................................................................................................................21

Elementos Terminales ........................................................................................................................21

Ejemplo: Identificación de un robot ...................................................................................................22


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INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

La robótica educativa, es un medio de aprendizaje que esta impactando positivamente en la educación de nuestro país y es por ello necesario conocer cómo ha evolucionado. Su aplicación en la educación tiene enormes beneficios porque

permite al estudiante desarrollar su creatividad, característica indispensable en la nueva sociedad del conocimiento. Construir representaciones de las cosas que rodean al estudiante, ayuda a motivarlos por entender cómo funcionan y facilita la adquisición de conocimientos (un mejor entendimiento del mundo real).

En esta labor, la acción docente debe estar enmarcada por un conocimiento de la robótica educativa, su empleo transversal (en todas las áreas del DCN) y el desarrollo de habilidades que le permitan orientar y aplicar la robótica educativa a su quehacer educativo.

La presente unidad hace un repaso sobre la evolución de los sistemas automáticos hasta llegar a la robotización, se define diversos conceptos sobre la robótica y se hace una descripción detallada sobre

las fases de la robótica educativa: Diseñar, Construir, Programar, Probar, Documentar y Compartir.

Los objetivos son:

Conocer la evolución de los sistemas automáticos.

Describir las características de un robot e identificarlos.

Entender el funcionamiento de un robot y describir sus principales partes.

Entender la robótica educativa y su aplicación en la educación.

Describir las fases de la robótica educativa y su aplicación en los procesos de aprendizaje.

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LA TECNOLOGÍA

El término tecnología se refiere a todas las diversas “formas” que utilizamos para modificar nuestro ambiente. Cuando hablamos de tecnología incluimos tanto a objetos físicos como a técnicas; por ejemplo, la labranza del campo. Desde los inicios de la agricultura o desde fines de la Edad del Hierro hasta la actualidad, la cultura humana ha producido tecnología, es decir, la capacidad de modificar la

naturaleza en un grado u otro.

Vamos a citar la definición de tecnología que se hace referencia en el curso virtual “Integración de las TIC en la Educación”:

La tecnología es una actividad social humana que mejora u optimiza procesos para realizar dos valores fundamentales: la eficiencia y la eficacia. Para lograr esto, tiene una relación de retroalimentación con el entorno, sea "imaginando posibilidades" (virtualización) o "realizando ideas" (concretización). Para hacer posible estos procesos, la tecnología tiene como marco conceptual la ciencia.

La tecnología se encuentra en una constante evolución; los objetos o técnicas que no se adaptan a este proceso simplemente desaparecen. Es decir, a medida que las necesidades son mayores y más complicadas, se necesita crear un objeto o técnica que pueda llenar el vacío para reemplazar el anterior.

En un inicio la tecnología estaba orientada al trabajo manual (en las fábricas, las máquinas facilitaron el trabajo de los obreros, por ejemplo.), sin embargo, poco a poco esto comenzó a cambiar. Con el avance

de la ciencia, la tecnología tuvo un gran aliado y la industria comenzó a girar hacia un trabajo más intelectual. Es en estos momentos que aparece la sociedad de la información.

Una sociedad de la información es aquella en la cual las tecnologías que facilitan la creación, distribución y manipulación de la información juegan un papel importante en las actividades sociales, culturales y económicas.

La sociedad de la información hace referencia a la creciente capacidad tecnológica para almacenar cada vez más información y hacerla circular cada vez más rápidamente y con mayor capacidad de difusión.

La sociedad de la información surge a partir del uso e innovaciones intensivas de las Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (TIC). El incremento en la transferencia de información modificó la forma en que se desarrollan muchas actividades en la sociedad moderna. La sociedad de la información

es vista como la sucesora de la sociedad industrial.

“En la Sociedad de la Información los trabajadores del conocimiento serán los nuevos artesanos creativos.”

Peter Drucker

Sin embargo, la información no es lo mismo que el conocimiento, ya que la información es un instrumento del conocimiento, pero no el conocimiento mismo. El conocimiento obedece a aquellos elementos que pueden ser comprendidos por cualquier mente humana razonable.

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Para la UNESCO el concepto de sociedades del conocimiento va más allá de la sociedad de la información ya que apunta a transformaciones sociales, culturales y económicas que promueven el desarrollo sustentable. Los pilares de las sociedades del conocimiento son el acceso a la información para todos, la libertad de expresión y la diversidad lingüística.


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EVOLUCIÓN DE LOS SISTEMAS AUTOMÁTICOS

Edad de piedra La Edad de Piedra es el primer periodo de la prehistoria durante el cual los hombres fabricaron herramientas de piedra, tecnología que fue la más avanzada en ese entonces. La madera, los huesos y otros

materiales también fueron empleados (cuernos, cestos, cuerdas, etc.).

Edad de los metales La Edad de los Metales se caracteriza por el trabajo metalúrgico que fue trascendental para el progreso humano.

El primer metal que trabajaron los hombres fue el cobre, el cuál paulatinamente sustituyó a la piedra. Cuando el ser humano

descubre que al aliar el cobre con el estaño se produce el bronce, accedió a un material más resistente y de mejor calidad al ser trabajado, de esta manera se da inicio a la Edad de Bronce en donde la mayoría de los instrumentos y recipientes se fabrican con dicho material.

Más tarde, al conocerse el hierro y emplearlo en producir utensilios y armas, surge la llamada Edad del Hierro, que se distingue por el auge económico, social y cultural que experimentaron las poblaciones al emplear dicho material.

Un metal sometido a altas temperaturas se hace líquido y por lo tanto, maleable. En este estado puede ser vertido sobre un molde. Luego, al solidificarse, el metal adoptará la forma del recipiente. A esta forma de trabajar el metal se le denomina sistema de fundición. Así se fabricaban herramientas cada vez más fuertes y resistentes como las espadas.


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Hasta finales del siglo XVIII el hombre solamente había utilizado herramientas, instrumentos inertes cuya eficacia dependía por completo de la fuerza y la habilidad de la persona que los manejaba.

Herramientas de uso manual

Nombre Herramienta Fuerza + Habilidad manual

Martillo

Lima

Berbiquí

Desarmador


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Luego consigue utilizar la energía de la naturaleza para generar movimiento circular:

Molino de viento Elemento: Aire Tipo de energía: Eólica

Las Revoluciones Industriales

Las revoluciones industriales son el cambio en la producción y consumo de bienes debido a la utilización de máquinas herramientas, las cuales son la unión de una herramienta y un motor.

La aparición y aplicación de la máquina de vapor a los transportes, tanto terrestres como marítimos, tuvo una inmediata repercusión no solo en procesos de comercialización, sino también en la calidad de la vida al permitir el desplazamiento rápido y cómodo de personas a gran distancia. Esto produjo un cambio profundo de los métodos de trabajo y en la propia sociedad, en general.

Las Revoluciones Industriales surgieron con el fin de conseguir que la producción fuese más rápida y abundante.

Se buscaba la mecanización, reemplazar el trabajo manual del hombre por una máquina que realizará la misma función.


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Primera Revolución Industrial Lo que conocemos como Primera Revolución Industrial se inició en Inglaterra durante la segunda mitad del siglo XVIII. Fue posible gracias a una serie de transformaciones en las estructuras:

Económicas: Producción en serie, desarrollo del capitalismo, aparición de las grandes empresas

(sistema fabril), etc.

Demográficas: Traspaso de la población del campo a la ciudad (éxodo rural), migraciones internacionales, crecimiento sostenido de la población, etc.

En este contexto, la agricultura enfrentó diversos cambios, los modelos demográficos sufrieron alteraciones y los esquemas sociales experimentaron modificaciones sustanciales.

El carbón constituyó el principal recurso energético y el ferrocarril se convirtió en el medio de transporte emblemático de esta era.

El carbón

El petróleo

El algodón


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Las máquinas más importantes empleadas en esta etapa son:

La Máquina de Vapor que influyó en los transportes, los modelos de fabricación, etc.

El Telar Mecánico o Lanzadera Volante cuyo uso fue común en el mundo textil.


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Segunda Revolución Industrial En esta etapa se desarrollan materias primas derivadas del petróleo y otras que no provienen de la naturaleza. Se comienzan a producir materias primas químicas como el plástico (empleado en la industria textil). A pesar de que el carbón se seguía empleando, porque era el combustible de la máquina de vapor, fue sustituido paulatinamente por nuevas fuentes energéticas como el agua (energía

hidráulica), el viento (energía eólica), electricidad (energía eléctrica), entre otras. Esta revolución industrial estuvo marcada por la búsqueda de la mecanización.

A lo largo de esta etapa se siguen realizando grandes inventos:

Dinamo: Transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Motor de explosión: Extrae la energía a partir de la combustión del petróleo. Fue el responsable de la invención del automóvil.

Cinematógrafo: Permite filmar y proyectar imágenes en movimiento. Fue la primera máquina capaz de grabar y proyectar películas de cine.

Teléfono: Es un dispositivo de telecomunicación diseñado para transmitir señales acústicas por medio de señales eléctricas a distancia.


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Mecanización La mecanización aparece en la Primera y Segunda Revolución Industrial. Promueve la obtención de piezas mediante el empleo de las máquinas.

Se llama mecanización a la incorporación de máquinas en la realización de determinadas tareas.

Se habla de la mecanización del campo la realización de las tareas

agrícolas han incorporado máquinas por todos conocidas, como el tractor, el arado o la cosechadora.

Se habla del mecanizado de piezas en un taller cuando para la fabricación de un determinado producto se utilizan máquinas como tornos o fresadoras, es decir, cuando se abandona la fabricación manual y se sustituye por procesos mecanizados que permiten mejores acabados y

mayor rapidez en la confección de elementos.

La creación de las máquinas facilitó notablemente la obtención de piezas con mayor precisión, en menor tiempo y por menor costo. Algunas de las técnicas utilizadas en la fabricación de piezas son:

Torneado Fresado

Las máquinas empleadas en la mecanización son el torno, la fresadora, el taladro, la sierra, etc.

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Tercera Revolución Industrial Se emplea la fibra óptica, nuevas cerámicas, aluminio, acero, cobre, mercurio, etc. En cuanto a las energías empleadas, en esta etapa se siguen usando las mismas que en la Segunda Revolución, pero se le añade: la energía atómica, así como energías alternativas (la eólica, la solar, etc.) Todas estas energías tienen en común que son naturales, inagotables y limpias.

Se busca la automatización y la robotización.

Automatización La automatización tiene sus inicios en el empleo de los autómatas. El término griego "automatos" alude a un objeto mecánico que se mueve por sí mismo. Durante el siglo XX, la automatización logra un gran auge debido a la electrónica. Consigue abaratar aún más los costos de fabricación. Los autómatas son un caso muy conocido de control, que se ha venido aplicando a aquella clase de máquinas en las que una fuente de energía acciona un mecanismo, que permite imitar los movimientos de los seres vivos. Uno de

los autómatas más conocidos fue el Pato de Vaucanson (Grenoble 1709-París 1782) construido en 1738, que era un pato artificial capaz de batir las alas, zambullirse, nadar, tragar grano e incluso expeler una sustancia parecida al excremento.

http://www.flickr.com/photos/rightwing/164057076/


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La automatización, es considerada como la supresión parcial o total de la intervención humana en la realización de tareas productivas, como las tareas agrícolas, industriales o administrativas.

La automatización es un sistema donde se trasfieren tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Se busca compatibilizar objetivos de eficiencia y flexibilidad en los sistemas productivos mediante la integración de computadoras y máquinas.

Antes, para manejar una máquina solo requeríamos de nuestra habilidad física. Ahora… ¡¡¡debemos programarlas!!!

Robotización La robotización es una automatización de procesos pero sin intervención humana. Ella involucra desplazamiento de cargas, manipulación de objetos y un fuerte componente de realimentación. Es decir, este tipo de automatización permite la manipulación automática y programable de acciones y objetos.

Finalmente, podemos resumir estos tres “peldaños” de la tecnología de la siguiente forma:

Proceso Características Mecanización Incorporación de máquinas:

Realizan procesos repetitivos. Reemplazan el esfuerzo humano. Son manejadas por operadores humanos.

Automatización Sustitución parcial de intervención humana. Sistemas capaces de autorregulación.

Robotización Reprogramación informática. Coordinación de automatismos. Adaptabilidad a diversas tareas (polivalencia).

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ROBÓTICA

¿Qué es un robot? Según el Diccionario de la RAE, un robot es una máquina o ingenio electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas solo a las personas.

Máquina: Conjunto de piezas acopladas entre sí que transforma una forma de energía en otra para hacer un

trabajo determinado. Es un conjunto de piezas que con su funcionamiento puede dirigir, regular, transformar energía

para realizar un trabajo determinado.

¿Solo las máquinas capaces de manipular objetos son robots?

¿Qué pasa con los robots bípedos o cuadrúpedos que no manipulan nada? ¿No son robots?

BigDog: Este robot ya lleva algún tiempo desarrollándose. Es un robot electro-hidráulico todoterreno. Camina, corre, escala y carga hasta 150 kilos. Posee visión estereoscópica (3D) lo que le permite calcular las distancias exactas para realizar sus movimientos. Está diseñado para misiones de reconocimiento en terreno hostil.

http://www.technofreakz.es/2009/08/bigdog-el-robot-mas-avanzado-para-terrenos-accidentados/

Un robot es un dispositivo electromecánico que desempeña tareas automáticamente, de acuerdo a un programa.

Dispositivo: Mecanismo o artificio dispuesto para producir una acción prevista. Mecánico: Ejecutado por un mecanismo o máquina. Electromecánico: Dicho de un dispositivo o de un aparato mecánico accionado o controlado por medio de corrientes eléctricas. Mecanismo: Conjunto de las partes de una máquina en su disposición adecuada. Estructura de un cuerpo natural o artificial y combinación de sus partes constitutivas. Automático: No requiere de un operador para realizar sus tareas.


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Ejemplo: Una máquina autónoma es un automóvil que carga su propio combustible y tiene autonomía para desplazarse por varios kilómetros, pero no es automático porque requiere de un conductor que lo maneje.

Un cajero electrónico, también conocido como ATM (Automated Teller

Machine), cumple con la definición, pero… ¿es un robot?

En general, un robot, para ser considerado como tal, debería cumplir los siguientes requisitos:

Ser un dispositivo electrónico mecánico: No es natural, sino que ha sido creado artificialmente.

Tener movimiento: Puede interactuar con su entorno.

Tener percepción: Reconocer lo que ocurre a su alrededor.

Ser automático: No requiere de un operador para realizar sus tareas. Trabaja en forma independiente. Está dotado de sistemas internos (embebidos) y de inteligencia computacional,

de esta manera puede realizar sus tareas por sí solo.

Tener Inteligencia computacional: Es la implementación de algoritmos que doten al robot de capacidades vinculadas con la inferencia, toma de decisiones, aprendizaje, evolución, etc.

Es programable: Programar es “dar órdenes”. Decimos que un robot es capaz de obedecer estas

órdenes y actuar en consecuencia con ellas. Estas órdenes deben ser dadas en un lenguaje que tanto el programador como el robot entiendan. Un lenguaje artificial con esta característica se conoce como lenguaje de programación.

Decir que un dispositivo es programable significa que tiene un elemento inteligente llamado microprocesador (uP) o microcontrolador (uC).

Un robot es un dispositivo electrónico mecánico con capacidad de movimiento y acción, con cierto grado de autonomía, que desempeña tareas en forma automática y que demuestra inteligencia computacional y es programable.

Entiéndase tarea a cualquier actividad física (que interactué con su entorno o la naturaleza).

Se dice en algunas definiciones, que un robot puede percibir su entorno, esto hace referencia a que tiene sensores (electrónica).

Cuando se dice que es programable se puede entender que trabaja con un programa

predefinido o utilizando técnicas de inteligencia artificial.

La palabra robot puede referirse tanto a mecanismos físicos como a sistemas virtuales de software, aunque suele aludirse a los segundos con el término de bots. En este curso emplearemos la palabra robot para referirnos a mecanismos físicos.


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¿Cómo trabaja un robot? Un robot trabaja realizando tres etapas:

Percibir: Es la manera en que el robot detecta lo que hay en su entorno.

Procesar: Procesa la información y, en función a su programación, toma decisiones.

Actuar: Medio por el cual realiza una acción física.

¿Qué es la Robótica? La robótica es una ciencia aplicada que se ocupa del estudio, desarrollo y aplicaciones de los robots. Una característica de la robótica es que es un área interdisciplinaria; es el resultado de la interacción de varias disciplinas:

Procesar

ActuarPercibir


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La mecánica permite el diseño de los sistemas de transmisión de movimiento.

La electrónica le permite al robot recoger información, procesarla y actuar coordinando

impulsos eléctricos que hacen que el robot pueda efectuar sus movimientos. También es la que le otorga la “inteligencia computacional”.

La informática provee de programas necesarios para el procesamiento de la información y lograr la coordinación mecánica requerida en los movimientos del robot y otorgarle cierto grado de inteligencia.

Actualmente, la mayoría de las aplicaciones de la robótica están materializadas en máquinas que

trabajan en una situación muy específica y controlada como, por ejemplo, recogiendo las piezas de una cadena de montaje, soldando en un punto concreto de un automóvil, siempre del mismo modo exacto, miles de veces al día.

Sin embargo, en lo que se refiere a la locomoción, los humanos y otros animales somos difíciles de imitar. Usando una pequeña cantidad de energía podemos movernos con gran versatilidad sobre un terreno accidentado y responder a éste con un sofisticadísimo equilibrio que exige un control muy preciso de músculos y tendones. Tenemos diferentes maneras de manejar nuestras fuerzas, desde el

modo de actuar para mantener en un sitio fijo un objeto hasta la manera de lograr que no se vierta el contenido de una taza de café sostenida entre las manos durante el trayecto de un automóvil por una carretera con baches.


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ESQUEMA GENERAL DE UN ROBOT

Subsistema de Sensores El robot almacena información del medio ambiente donde se encuentra gracias a los sensores. Existen diversos tipos de sensores: de proximidad, de presión, de temperatura, de inclinación, etc.

Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas y transformarlas en magnitudes eléctricas.

Las magnitudes físicas o química es una propiedad o cualidad de un objeto o sistema físico a la

que se le pueden asignar valores como resultado de una medición cuantitativa. Entre los ejemplos de magnitudes físicas podemos nombrar: longitud, temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica es un tipo de magnitud física cuyo origen son las cargas eléctricas. Como ejemplo podemos nombrar a la resistencia eléctrica, el voltaje y la corriente.

Existe una variedad de sensores: o Sensores de proximidad o Sensores de temperatura o Sensores de humedad o Sensores de presión

o Sensores de velocidad o Sensores de caudal o Sensores de nivel

Subsistema de Actuadores

Proximidad

Subsistema de Control

Subsistema de Sensores

SonidoInclinación Presión

SwitchesMotores Pistones

Elemento terminal

Subsistema eléctrico

Subsistema mecánico


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Subsistema de Control Es la parte que le da “inteligencia” al modelo robótico. Es la que “lee” el estado de los sensores y en función a ciertos parámetros (valores) decide qué hacer y envía las órdenes a los actuadores. El elemento principal de este subsistema es la Unidad Central de Procesamiento (CPU), también denominada microprocesador (uP). Para funcionar, el microprocesador requiere de otros elementos

como la memoria ROM (Read-only memory) y la memoria RAM (Random-access memory), así como de las interfases respectivas para poder interactuar con el exterior. Actualmente se ha difundido el empleo de un componente electrónico denominado microcontrolador (uC) en el cual se tiene integradas la memoria ROM, RAM e interfases de entrada y salida (E/S).

uC = uP + RAM + ROM + Interfases de E/S

Subsistema de Actuadores Son los que ejecutan las tareas u órdenes dadas por el subsistema de control; por ejemplo, los motores, los pistones, etc.

Los actuadores son los elementos que dan movimiento a los modelos robóticos.

Se clasifican en tres grandes grupos según la energía que utilizan:

Neumáticos: Aire comprimido

La neumática es el empleo el aire comprimido como medio de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.


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Hidráulicos: Agua o aceite

La hidráulica es el empleo de los fluidos como el aceite como medio de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos.

Eléctricos: Corriente eléctrica

Subsistema Eléctrico Incluye todos los componentes eléctricos del robot.

La fuente de alimentación: encargada de transformar la corriente AC (alternating current) en corriente DC (Direct current).

Componentes de seguridad: Como fusibles, interruptor de encendido, cables, etc.

Subsistema Mecánico Incluye las partes mecánicas del robot, tales como las articulaciones y los elementos terminales.

Elementos Terminales Son los encargados de interactuar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de agarre como herramientas tipo: soplete, etc. Son diseñados específicamente para cada tipo de trabajo. Son denominados TCP (Tool Center Point).


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Ejemplo: Identificación de un robot

Equipo o dispositivo Electrónico mecánico

Movimiento y acción

Inteligencia computacional Programable

Automático (no tiene operador)

¿Es robot?

Sí Sí Sí Sí No No

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Sí Sí No Sí Sí No

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Sí No Sí Sí Sí No

introducción a la robótica educativa

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