robotica educativa con lego

Desarrollo de Proyectos

Educativos utilizando

Robots Lego Mindstorms

Presenta

M en C. José Manuel Romero Orta

Abril 2012

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Contenido Historia de la Robótica

Clasificación de los Robots

Robótica Educativa

Tecnología Lego Mindstorms

Ejemplo de Proyecto

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Historia de la Robótica La robótica como hoy en día la conocemos, tiene sus orígenes

hace miles de años.

Desde el principio de los tiempos, el hombre ha deseado crear

vida artificial. Se ha empeñado en dar vida a seres artificiales

que le acompañen en su morada, seres que realicen sus

tareas repetitivas, tareas pesadas o difíciles de realizar por un

ser humano.

3

….continuación

Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos

muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas

características de robots.

Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño

humano.

Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz

de hacer dibujos.

4

….continuación

Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución

industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las

cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil:

La hiladora giratoria de Hargreaves (1770).

La hiladora mecánica de Crompton (1779).

El telar mecánico de Cartwright (1785).

El telar de Jacquard (1801).

5

….continuación

La palabra Robot fue utilizada por primera vez en el año de

1921 por el escritor checo Karel Capek (1890-1938) en su

obra Rossum´s Universal Robot (R.U.R) presentada en el

teatro nacional de Praga.

Su origen es la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo

realizado de manera forzada.

6

…continuación

Pero fue el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov

(1920-1992) quien dio mayor impulso a la palabra robot.

En 1945 publicó en la revista Galaxy Science Fiction, en la

que define por primera vez las tres leyes de la robótica :

7

…continuación

Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su

inacción, permitir que un ser humano sufra daño.

Un robot a de obedecer las órdenes recibidas de un ser

humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la

primera ley.

Un robot debe de proteger su propia existencia mientras tal

protección no entre en conflicto con la primera o segunda

ley.

8

…continuación

Actualmente, la mayoría de la sociedad asocia la palabra robot

con cualquier máquina hecha por el hombre que desarrolle el

trabajo y tareas pertenecientes a los humanos.

Para la Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA), los

robots son dispositivos capaces de moverse de modo flexible

análogo al que poseen los organismos vivos, con o sin

funciones intelectuales, permitiendo operaciones en respuesta

a las órdenes humanas.

9

…continuación

Para el Instituto de Robótica de América (RIA), un robot

industrial es un manipulador multifuncional y reprogramable

diseñado para desplazar materiales, componentes,

herramientas o dispositivos especializados por medio de

movimientos programados variables con el fin de realizar

tareas diversas.

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Robótica Educativa


Ejemplo de Proyecto

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Clasificación de los Robots Los robots han sido clasificados de acuerdo a :

Su generación

Su nivel de inteligencia

Su nivel de control

Su nivel de lenguaje de programación.

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Clasificación por generaciones

La generación de un robot se determina por el orden histórico

de desarrollos en la robótica. Cinco generaciones son

normalmente asignadas a los robots industriales.

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Clasificación por generaciones

1º Generación: El sistema de control está basado en la

“paradas fijas” mecánicamente. Como ejemplo de esta primera

etapa están los mecanismos de relojería que mueven las cajas

musicales o los juguetes de cuerda.

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Clasificación por generaciones 2º Generación: El movimiento se controla a través de una

secuencia numérica almacenada en disco o cinta magnética.

Por regla general, este tipo de robots se utiliza en la industria

automotriz y son de gran tamaño.

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Clasificación por generaciones 3º Generación: Utilizan las computadoras para su control y

tienen cierta percepción de su entorno a través del uso de

sensores. Con esta generación se inicia la era de los robots

inteligentes y aparecen los lenguajes de programación para

escribir los programas de control.

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Clasificación por generaciones 4º Generación: Se trata de robots altamente inteligentes con

más y mejores extensiones sensoriales, para entender sus

acciones y captar el mundo que los rodea. Incorporan

conceptos “modélicos” de conducta.

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Clasificación por generaciones 5º Generación: Actualmente en desarrollo. Esta nueva

generación de robots basará su acción principalmente en

modelos conductuales establecidos.

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Clasificación por nivel de inteligencia 1.- Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.

2.- Robots de secuencia arreglada.

3.- Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia fácilmente.

4.- Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a través

de la tarea.

5.- Robots de control numérico, donde el operador alimenta la programación del movimiento,

hasta que se enseñe manualmente la tarea.

6.- Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el medio

ambiente.

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Clasificación por nivel de control 1.- Nivel de IA, donde el programa aceptará un comando como "levantar

el producto" y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de

bajo nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.

2.- Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son

modelados, para lo que se incluye la interacción dinámica entre los

diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de

asignación seleccionados.

3.- Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los

parámetros de los mecanismos con el uso de una retroalimentación

interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada

sobre la base de los datos que se obtienen de sensores externos.

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Clasificación por nivel de lenguaje de

programación

1.- Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a través de

los movimientos a ser realizados.

2.- Sistemas de programación de nivel-robot, en los cuales el usuario

escribe un programa de computadora al especificar el movimiento y el

sensado.

3.- Sistemas de programación de nivel-tarea, en el cual el usuario

especifica la operación por sus acciones sobre los objetos que el robot

manipula.

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Robótica Educativa


Ejemplo de Proyecto

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Robótica Educativa

Es una disciplina que tiene por finalidad fomentar un ambiente de

aprendizaje innovador para los estudiantes, donde ellos pueden

diseñar, desarrollar, programar pequeños robots educativos y poner

en práctica diferentes proyectos que le permiten resolver problemas

prácticos y le facilita al mismo tiempo, cierto aprendizaje.

23

….. continuación

El diseño, desarrollo y programación de robots es hoy en día una

tarea relativamente sencilla que debe de incorporarse en las aulas

desde los primeros niveles de la escolarización.

Los estudiantes que participan en estos ambientes de aprendizajes

presentan logros tales como:

Desarrollan estrategias para la solución de problemas. Utilizan el

método científico par probar y general nuevas hipótesis sobre la

solución, de manera experimental y natural.

24

….. continuación

Construyen un vocabulario técnico relacionado con las nuevas

tecnologías y construyen sus propias concepciones acerca del

significado de cada objeto que manipulan.

A si mismo, desarrollar la capacidad de trabajo colaborativo; educarlos

para que puedan trabajar en equipos y tomar decisiones, aclarando,

discutiendo y respetando las ideas de los demás.

25

….. continuación

El uso de la robótica educativa en el ámbito curricular

de la enseñanza es una exigencia de los nuevos

tiempos, tanto para complementarlo, como para

potenciar un modelo de enseñanza aprendizaje más

activo y dinámico.

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Robótica Educativa


Ejemplo de Proyecto

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¿Qué es LEGO-Mindstorms?

Imagina poder construir un robot completo, con sensores,

motores, engranajes, reductoras, estructuras, poder

programarlo y configurarlo, y todo sin soldar, grapinar,

taladrar, pegar o taladrar tornillos. Pues eso es LEGO-

Mindstorms, una forma fácil y sencilla de aprender robótica y

construir tu propio robot.

28

….. continuación Lego Mindstorms fue uno de los resultados de la fructífera

colaboración entre Lego y el MIT.

El fruto de esta colaboración fue el desarrollo del MIT

Programmable Brick (Ladrillo programable).

29

….. continuación

Desde nuestro punto de vista los componentes más

importantes de Lego Mindstorms NXT son la Unidad de

Control basada en microcontrolador, los sensores electrónicos

y los actuadores.

30

….. continuación

La unidad de control, definida como ladrillo inteligente NXT, es

el cerebro de los robots Mindstorms.

Características Principales:

• Microcontrolador ARM7 de 32 bits

• 256 Kb de memoria Flash

• 64 Kb de RAM externa

• Conexión Bluetooth y USB

• Capacidad para conectar distintos

sensores

• Capacidad de conectar tres

motores

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….. continuación Sensor de Tacto

Este sensor aporta al robot el sentido del tacto. Su funcionamiento consiste en detectar cuando éste está siendo pulsado y cuando no.

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….. continuación Sensor Ultrasónico

Proporciona al robot un sentido de visión. El sensor emite un sonido y

mide el tiempo que la señal tarda en regresar, para luego calcular la

distancia, a la cual se encuentra el objeto u obstáculo


•Rango de 0 a 255 cm

• Presición de +/- 3 cm.

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….. continuación Sensor de Luz

Este sensor le permite a nuestro robot distinguir entre luz y obscuridad, midiendo la intensidad de la luz le permite a nuestro robot "ver" en blanco y negro.


Da una lectura desde 0 (completa a

obscuridad) hasta 100 (muy

brillante).

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….. continuación

Sensor de Sonido

Este sensor lee el sonido ambiental y nos regresa una medida de 0 a 100%. Podemos configurarlo para que lea Decibeles o Decibeles Ajustados.


4-5% Una casa silenciosa.

5-10% Alguien hablando lejos.

10-30% Es una conversación cerca

del sensor o música en un volumen

normal.

30-100% Gente gritando o música a

volumen alto.

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….. continuación

Motor o Actuador

Todo Kit Mindstorms contiene 3 motores de corriente continua que incorporan sensores de rotación con una precisión de +/- 1 grado.


No requieren requisitos de

instalación para su

funcionalidad.

36

….. continuación Ventajas de Lego Mindstorms

Fácil de montar y desmontar, no es necesario usar

soldadura, ni tornillo. Todo lo que se arma se puede desarmar rápidamente. Además, eso permite usar las piezas en múltiples diseños distintos.

Muy extendido por todo el mundo, lo que permite encontrar gran cantidad de información e ideas por Internet, diseños, soluciones, participar en foros, competiciones.

No es un pack cerrado, es decir, se puede comprar más ampliaciones de lego, adquirir piezas deterioradas o perdidas, o añadir piezas echas manualmente, como por ejemplo, sensores o motores, e incluso circuitos neumáticos.

37

….. continuación

Ventajas de Lego Mindstorms

Múltiples posibilidades y lenguajes de programación, desde

el nivel más básico e intuitivo, como el Robolab, asi como el uso de lenguajes conocidos como C, Java, Phyton, Visual Basic.

Es escalable, es decir, que a partir de un material básico hay opciones de ampliación.

Muy indicado para entornos educativos, desde colegios a universidades, pues se puede aprender de forma fácil tanto mecánica como electrónica.

38

….. continuación

Desventajas de Lego Mindstorms

La principal desventaja de LEGO es su estructura. Está

formada por bloques de LEGO, que se unen por simple

presión. Cierto que se pueden añadir elementos de refuerzo

y sujeción, pero para diseños exigentes, no es

recomendable. Golpes, caídas, pueden debilitar rápidamente

la estructura, llegando a desarmar el robot.

No se pueden construir estructuras circulares, pues todas las

piezas y ladridos de LEGO son rectangulares.

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Robótica Educativa


Ejemplo de Proyecto

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Ejemplo de Proyecto Resolver el problema de localización de un sistema multi-robot

utilizando técnicas de visión por computadora que nos permitan

saber dónde está el robot y poder corregir las trayectorias que

este debe de seguir.

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…. continuación

Características:

Tecnología LEGO Mindstorms NXT .

Una Estructura Organizacional Centralizada.

Tipos de Unidades Homogéneas.

Mecanismo de Locomoción por ruedas

Comunicación a través de Bluetooth

Localización a través de Cámara

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…. continuación Metodología de Solución:

1. Construir el mapa delimitando el entorno de cada objeto.

2. Identificar los robots dentro de la escena a través de marcas visuales invariantes en cuanto a rotación, escala y parcialmente a la luz.

3. Desarrollar un procedimiento para establecer la comunicación entre la computadora y el sistema multi-robot a través de bluetooth

4. Utilizar técnicas de visión para la navegación de los robots.

5. Planeación de la trayectoria en base a la posición de los robots y el objeto meta, utilizando un algoritmo de enrutamiento.

43

GRACIAS POR SU

ATENCION

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