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UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
FACULTAD DE SISTEMAS MERCANTÍLES
CARRERA DE SISTEMAS
TESIS DE GRADO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE
INGENIERA EN SISTEMAS E INFORMÁTICA
Tema
Dispositivo autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que contribuya con la
investigación tecnológica del área de Robótica de Uniandes Tulcán
Autora:
Acosta Paucar Jeniffer Daniela
Asesor:
Ing. Darwin Becerra
Tulcán - Ecuador
2014
2
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE
LOS ANDES “UNIANDES”
Tulcán, 07 de Mayo del 2014
CONSTANCIA DE CERTIFICACIÓN POR PARTE DEL TUTOR
Ing. Darwin Becerra, en calidad de Asesor de Tesis, certifica que la señorita Jeniffer Daniela
Acosta Paucar, egresada de la escuela de Sistemas Mercantiles, ha culminado con su trabajo
de Tesis de Grado, con el tema: “Dispositivo autómata programado para la solución del
Cubo de Rubik que contribuya con la investigación tecnológica del área de Robótica de
Uniandes Tulcán”, quien ha cumplido con todos los requerimientos exigidos por los que se
aprueba la misma, cuyo estudio muestra la importancia que tiene el uso de la robótica como
una herramienta de aprendizaje; a través de prototipos robóticos y programas especializados
con fines científicos.
Es todo en cuanto puedo certificar, en honor a la verdad, facultando a la interesada hacer el
uso de la presente, así como también se autoriza la presentación para la evaluación por parte
del Jurado respectivo.
Atentamente,
------------------------------
Ing. Darwin Becerra
ASESOR
3
DECLARACIÓN DE AUTORÍA DE TESIS
Yo Jeniffer Daniela Acosta Paucar estudiante de la Facultad de Sistema Mercantiles de la
Universidad Regional Autónoma de los Andes “UNIANDES”, expreso en forma libre y
voluntaria que el presente trabajo de titulación, que versa sobre el tema“DISPOSITIVO
AUTÓMATA PROGRAMADO PARA LA SOLUCIÓN DEL CUBO DE RUBIK QUE
CONTRIBUYA CON LA INVESTIGACIÓN TECNOLÓGICA DEL ÁREA DE
ROBÓTICA DE UNIANDES TULCÁN” así como las expresiones vertidas en la misma son
de mi autoría, que lo he plasmado sobre la base de la investigación bibliográfica y consultas
en internet.
En consecuencia asumo la responsabilidad de la originalidad y el cuidado respectivo al
remitirme a las fuentes de investigación respectivas para fundamentar el contenido expuesto.
Atentamente
----------------------------
Acosta Paucar Jeniffer Daniela
040135905-4
4
DEDICATORIA
A Dios.
Porque ha estado conmigo en todo momento y me ha dado su apoyo para poder lograr
mis objetivos con su bondad y amor.
A mis padres
Irma Paucar y Julio Acosta
Quienes confiaron en mí, brindándome su apoyo a lo largo de toda mi vida ̧apoyándome en
los momentos que tenía dificultades, pero más que nada, por su amor.
A mis hermanas
Paola, Johana, Gabriela, Kimberly
Por haberme apoyado en todo momento con sus consejos y por motivarme cada día para
seguir adelante y no darme por vencida.
5
AGRADECIMIENTO
Al Ingeniero Darwin Becerra, quien fue mi tutor de tesis y a todos los docentes de la
Universidad Autónoma de los Andes “UNIANDES”, Facultad de Sistemas Mercantiles; a
quienes tuve la oportunidad de conocer al haberme impartido sus conocimientos y
experiencias.
A todas aquellas personas que me brindaron su tiempo, ayuda, apoyo y compresión
alentándome a realizar la presente Tesis.
ÍNDICE GENERAL
Constancia de certificación por parte del tutor
Responsabilidad de autoria de tesis
Dedicatoria
Agradecimiento
Resumen ejecutivo
Abstract
Introducción ------------------------------------------------------------------------------------------------- 1
Antecedentes investigativos ------------------------------------------------------------------------------ 1
Planteamiento del problema ------------------------------------------------------------------------------ 1
Formulación del problema -------------------------------------------------------------------------------- 2
Delimitación del problema -------------------------------------------------------------------------------- 2
Objeto de investigación y campo de acción ----------------------------------------------------------- 2
Identificación de la linea de investigación ------------------------------------------------------------- 2
Objetivos. ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 2
Objetivo general -------------------------------------------------------------------------------------------- 2
Objetivos específicos -------------------------------------------------------------------------------------- 2
Idea a defender ---------------------------------------------------------------------------------------------- 3
Justificación del tema -------------------------------------------------------------------------------------- 3
Variables ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
6
Variable Independiante ------------------------------------------------------------------------------------ 3
Variable Dependiente -------------------------------------------------------------------------------------- 3
Métodologia ------------------------------------------------------------------------------------------------- 3
Métodos ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 3
Breve explicación de la metodologia investigativa -------------------------------------------------- 3
Métodos empíricos ----------------------------------------------------------------------------------------- 3
Observación científica --------------------------------------------------------------------------------- 3
Validación por expertos ------------------------------------------------------------------------------- 4
Métodos teóricos -------------------------------------------------------------------------------------------- 4
Método analítico – sintético -------------------------------------------------------------------------- 4
Método inductivo – deductivo------------------------------------------------------------------------ 4
Método sistémico --------------------------------------------------------------------------------------- 4
Tecnicas e instrumentos de investigación-------------------------------------------------------------- 4
Metodología para el desarrollo del dispositivo autómata programado --------------------------- 4
Análisis y diseño ---------------------------------------------------------------------------------------- 4
Construcción --------------------------------------------------------------------------------------------- 4
Pruebas ---------------------------------------------------------------------------------------------------- 4
Resumen de la estructura de la tesis: breve explicación de los capítulos de tesis -------------- 5
Aporte teórico, significación práctica y novedad científica ---------------------------------------- 5
Aporte teórico ----------------------------------------------------------------------------------------------- 5
Significación práctica -------------------------------------------------------------------------------------- 5
Novedad científica ----------------------------------------------------------------------------------------- 5
Capítulo I ----------------------------------------------------------------------------------------------------- 6
1. Marco teórico. ------------------------------------------------------------------------------------------- 6
1.1.Origen y evolución de los procesos informáticos ----------------------------------------------- 6
1.2.Análisis de las distintas posiciones teóricas sobre los procesos informáticos-------------- 6
1.2.1.Generalidades --------------------------------------------------------------------------------------- 6
1.2.2.Procesos Informáticos ------------------------------------------------------------------------------ 6
1.2.3.Inteligencia Artificial ------------------------------------------------------------------------------- 7
1.2.4.Robótica ----------------------------------------------------------------------------------------------- 6
1.2.4.1.Definición ------------------------------------------------------------------------------------------ 7
7
1.2.4.2.Principios de la Robótica ------------------------------------------------------------------------ 7
1.2.4.3.Sistemas de Control------------------------------------------------------------------------------- 8
1.2.4.4.Característica de los Sistemas de Control --------------------------------------------------- 10
1.2.5.Sensores ---------------------------------------------------------------------------------------------- 10
1.2.5.1.Características de un sensor -------------------------------------------------------------------- 11
1.2.5.2.Tipos de sensores -------------------------------------------------------------------------------- 11
1.2.6.Desarrollos de la Investigación Tecnológica -------------------------------------------------- 13
1.2.7.Origen y evolución del Cubo de Rubik -------------------------------------------------------- 14
1.2.7.1.Soluciones ----------------------------------------------------------------------------------------- 14
1.2.7.2.Competencias ------------------------------------------------------------------------------------ 14
1.3.Valoración crítica ------------------------------------------------------------------------------------- 15
1.4.Conclusiones parciales del Capítulo I------------------------------------------------------------- 15
Capítulo II --------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
2. Marco metodológico. --------------------------------------------------------------------------------- 16
2.1. Caracterización de la Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes extensión
Tulcán -------------------------------------------------------------------------------------------------------- 16
2.2.Descripción del procedimiento metodológico para el desarrollo de la investigación --- 16
2.2.1.Modalidad de investigación ---------------------------------------------------------------------- 16
2.2.2.Tipos de investigación. ---------------------------------------------------------------------------- 17
2.2.2.1.Investigación bibliográfica --------------------------------------------------------------------- 17
2.2.2.2.Investigación de campo. ------------------------------------------------------------------------ 17
2.2.2.3.Investigación aplicada --------------------------------------------------------------------------- 17
2.2.3.Población y Muestra ------------------------------------------------------------------------------- 17
2.2.3.1.Población ------------------------------------------------------------------------------------------ 17
2.2.3.2.Muestra -------------------------------------------------------------------------------------------- 18
2.2.4.Métodos, técnicas e instrumentos de investigación ------------------------------------------ 18
2.2.5.Métodos Empíricos -------------------------------------------------------------------------------- 18
2.2.5.1.Observación científica -------------------------------------------------------------------------- 18
2.2.5.2.Validación de expertos -------------------------------------------------------------------------- 18
2.2.6.Métodos Teóricos ---------------------------------------------------------------------------------- 18
2.2.6.1.Método analítico- sintético --------------------------------------------------------------------- 19
8
2.2.6.2.Método inductivo- deductivo ------------------------------------------------------------------ 19
2.2.6.2.Método sistémico -------------------------------------------------------------------------------- 19
2.2.7.Técnicas de Investigación ------------------------------------------------------------------------ 19
2.2.7.1.Encuesta-------------------------------------------------------------------------------------------- 19
2.2.8.Instrumentos de Investigación ------------------------------------------------------------------ 19
2.2.8.1.Cuestionario --------------------------------------------------------------------------------------- 19
2.3.Interpretación de Resultados ------------------------------------------------------------------------ 20
2.4.Metodología del desarrollo del dispositivo ------------------------------------------------------ 23
2.4.1.Análisis/Diseño ------------------------------------------------------------------------------------- 23
2.4.2.Construcción ---------------------------------------------------------------------------------------- 24
2.4.3.Pruebas ----------------------------------------------------------------------------------------------- 25
2.4.4.Implementación ------------------------------------------------------------------------------------- 25
2.5.Conclusiones parciales del capítulo II ------------------------------------------------------------ 25
CapítuloIII -------------------------------------------------------------------------------------------------- 26
3. Desarrollo de la propuesta --------------------------------------------------------------------------- 26
3.1.Título de la propuesta -------------------------------------------------------------------------------- 26
3.1.1.Caracterización de la Propuesta ----------------------------------------------------------------- 26
3.1.2.Objetivo de la Propuesta -------------------------------------------------------------------------- 26
3.1.3.Análisis de Requerimientos ---------------------------------------------------------------------- 26
3.2.Análisis y especificaciones técnicas de Lego Mindstorms EV3 ----------------------------- 26
3.2.1.Lego Mindstorms ----------------------------------------------------------------------------------- 27
3.2.2.Estructura General de Dispositivo Autómata ------------------------------------------------- 28
3.2.2.1.Partes electrónicas ------------------------------------------------------------------------------- 28
3.2.2.2.Cerebro --------------------------------------------------------------------------------------------- 28
3.2.2.3.Sentidos -------------------------------------------------------------------------------------------- 29
3.2.2.4.Estructura Externa ------------------------------------------------------------------------------- 29
3.2.2.5.Puertos de entrada y salida --------------------------------------------------------------------- 29
3.2.2.5.1.Puertos de entrada ----------------------------------------------------------------------------- 29
3.2.2.5.2.Puertos de salida ------------------------------------------------------------------------------- 30
3.2.3.Pantalla LCD ---------------------------------------------------------------------------------------- 30
3.2.4.Conexión USB -------------------------------------------------------------------------------------- 31
9
3.2.4.1.Pasos para la conexión USB ------------------------------------------------------------------- 32
3.2.5.Conexión Bluetooth -------------------------------------------------------------------------------- 32
3.2.5.1.Pasos para conectarse mediante el Bluetooth ----------------------------------------------- 32
3.2.6.Conexión inalámbrica ----------------------------------------------------------------------------- 33
3.2.6.1.Pasos para conectarse por la conexión inalámbrica --------------------------------------- 33
3.2.7.Alimentación Electrónica ------------------------------------------------------------------------- 34
3.3.Sensores Externos ------------------------------------------------------------------------------------ 34
3.3.1.Sensor de Contacto --------------------------------------------------------------------------------- 35
3.3.1.1.Características ------------------------------------------------------------------------------------ 35
3.3.2.Sensor de Infrarrojo -------------------------------------------------------------------------------- 36
3.3.2.1.Características ------------------------------------------------------------------------------------ 36
3.3.3.Sensor de luz o de color --------------------------------------------------------------------------- 36
3.3.3.1.Características ------------------------------------------------------------------------------------ 37
3.3.4.Sensor ultrasónico ---------------------------------------------------------------------------------- 37
3.3.4.1.Datos del Sensor Ultrasónico ------------------------------------------------------------------ 37
3.4.Servomotor --------------------------------------------------------------------------------------------- 38
3.4.1.Características --------------------------------------------------------------------------------------- 38
3.5.Cable de conexión USB ----------------------------------------------------------------------------- 38
3.5.1.Características --------------------------------------------------------------------------------------- 39
3.6.Funcionamiento del Lego Mindstorms EV3 ----------------------------------------------------- 39
3.6.1.Herramientas de Acción --------------------------------------------------------------------------- 39
3.6.2.Herramientas de control de Flujo ---------------------------------------------------------------- 40
3.6.3.Sensores ---------------------------------------------------------------------------------------------- 40
3.6.4.Herramientas para operaciones de datos ------------------------------------------------------- 40
3.6.5.Herramientas de Control Avanzado------------------------------------------------------------- 41
3.6.6.Mis Bloques ----------------------------------------------------------------------------------------- 41
3.7.Diseño --------------------------------------------------------------------------------------------------- 42
3.7.1.Pasos y casos pata armar el cubo de rubik ----------------------------------------------------- 42
3.7.2.Diseño o diagrama general de configuración del dispositivo automata que arme el cubo
de rubik ------------------------------------------------------------------------------------------------------ 55
3.8.Contrucción -------------------------------------------------------------------------------------------- 56
10
3.8.1.Procesos de ensamblaje --------------------------------------------------------------------------- 56
3.9.Pruebas -------------------------------------------------------------------------------------------------- 58
3.9.1.Primera prueba- sensor de luz -------------------------------------------------------------------- 59
3.9.2.Segunda prueba- sensor de infrarrojo ---------------------------------------------------------- 59
3.9.3.Tercera prueba- sensor de rotación ------------------------------------------------------------- 60
3.10.Implementación -------------------------------------------------------------------------------------- 61
3.11.Validación de la Propuesta ------------------------------------------------------------------------ 61
3.11.1.Resultados de la validación de la propuesta ------------------------------------------------- 62
3.12.Conclusiones parciales del capítuloIII ---------------------------------------------------------- 65
CONCLUSIONES GENERALES -------------------------------------------------------------------- 66
RECOMENDACIONES GENERALES -------------------------------------------------------------- 66
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
11
RESUMEN EJECUTIVO
El presente trabajo contiene información sobre el desarrollo y programación de un dispositivo
autómata, el cual contribuirá con el proceso de aplicaciones tecnológicas en la carrera de
sistemas en Uniandes Tulcán, las bases para esta investigación son la automatización, control
y robótica, la cual apoyara a que estudiantes y docentes a través de la creatividad y el intelecto
construyan nuevos y mejores dispositivos tecnológicos. El presente trabajo está dividido en
tres capítulos:
El primer capítulo contempla el marco teórico el cual contiene conceptos básicos de robótica
y análisis de las distintas posiciones teóricas.
En el segundo capítulo se desarrolla el marco metodológico utilizando la investigación
bibliográfica de campo y aplicada, como los métodos empíricos y los métodos teóricos tales
como observación científica, validación por expertos, analítico – sintético, inductivo –
deductivo; y, sistémico, entre las técnicas de investigación se aplica las encuestas a
estudiantes de la carrera de sistemas de la Universidad Autónoma de los Andes sede Tulcán,
además se analizaron e interpretaron los datos obtenidos aquellos que están plasmados en las
conclusiones y recomendaciones.
En el tercer capítulo se desarrolla la propuesta a través de un análisis de requerimientos lo
cual contribuyo al desarrollo del proyecto, este finaliza con la validación por expertos,
conclusiones y recomendaciones generales, bibliografía y anexos.
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Palabras claves: Robótica, dispositivo autómata programado.
EXECUTIVE SUMMARY
This paper contains information on the development and programming of a PLC device, which
will contribute to the process of technological applications in the race Uniandes Systems in
Johannesburg, the basis for this research is the automation, control and robotics. Which
supports and teachers to warp of to create and the intellect contributing new and improvement
device craft. The work is divided into three chapters:
The first chapter provides the theoretical framework which contains basic concepts of robotics
and analysis of the different theoretical positions.
In the second chapter the methodological framework was developed using the literature and
applied field research, and empirical methods and theoretical methods such as scientific
observation, expert validation, analytic - synthetic, inductive - deductive; and systemic
techniques between research surveys applied to students of career systems at the Autonomous
University of the Andes based Johannesburg, further is analyzed and interpreted data from
those reflected in the conclusions and recommendations.
The proposal was developed through a needs analysis which contributed to the development of
the project in the third chapter, this ends with the expert validation, conclusions and
recommendations, bibliography and appendices.
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Keywords: Robotic, PLC device program
1
INTRODUCCIÓN
Antecedentes de la investigación
Desde el año de la inversión del cubo de Rubik millones de personas han comprado este
rompecabezas tridimensional, con la intención de resolverlo, de las cuales la mayoría han
tenido dificultades en realizarlo, hasta algunas se han dado por vencido. Hoy en base a las
experiencias de las personas que lograron solucionar el cubo de Rubik se han podido
desarrollar diferentes formas que facilitan su resolución.
Cabe indicar que se revisaron tesis de grados y proyectos informáticos en la biblioteca de la
Universidad UNIANDES Tulcán, observando que hay temas similares al título de la presente
tesis, una de ellas la del Ingeniero Carlos Alfredo Palate Labre con el tema de “Robot
Inteligente que simule movimientos humanos”; cuyo objetivo fue desarrollar un robot que
simula movimientos humanos mediante sensores y motores, el cual facilito a los estudiantes
de la Universidad el conocimiento de este tipo de tecnologías usadas en la creación de robots
que nunca antes había sido desarrollado. Adicional a esto recalco que el presente tema es
nuevo en la Institución y no ha sido presentado anteriormente.
Planteamiento del problema
En la Universidad Regional Autónoma de los Andes “Uniandes” el principal problema es que
no existe un estudio en el área de robótica de manera práctica, por lo cual los estudiantes no
hacen uso de dispositivos autómatas únicamente se remiten a la Doctrina.
En la actualidad existe una amplia gama de rompecabezas que requieren algún tipo de
estrategia para poder resolver, uno de los más conocidos es el cubo de rubik, este
rompecabezas presenta un interesante y complejo problema matemático que simplemente no
puede ser resuelto por la fuerza bruta, sino que requiere ingenio y aplicación de un algoritmo
para encontrar una solución. Es fácil identificar como el ser humano emplea una de sus
principales capacidades sensoriales como es el sentido de la vista, para identificar los colores
de las piezas del cubo y con el complejo movimiento de las manos gira las caras del mismo
para resolverlo.
2
Sin embargo la complejidad que hay en armar el cubo ha llevado a que técnicos en sistemas y
robótica creen dispositivos autómatas que brindan una mejor utilidad y contribuyen al avance
de la tecnología.
Formulación del problema.
¿Cómo contribuir al desarrollo investigativo y tecnológico en el área de robótica de la carrera
de sistemas de UNIANDES - Tulcán?
Delimitación del problema
Lugar: Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes- Tulcán
Tiempo: Tiempo estimado para la tesis de grado es de 5 meces desde abril hasta agosto del
2014.
Objetivo de investigación y de campo de acción
Objetivo de investigación: Procesos Informáticos
Campos de Acción: Robótica
Identificación de la línea de investigación
Automatización y control
Objetivos
Objetivo general
Desarrollar un dispositivo autómata programado para la solución del cubo de rubik que
contribuya con el desarrollo investigativo y tecnológico en el área de robótica de la carrera de
sistemas de Uniandes Tulcán.
Objetivos Específicos
Fundamenta teóricamente sobre el cubo de rubik, robótica, inteligencia artificial y
desarrollo investigativo tecnológico.
Diagnosticar el estado actual del dispositivo autómata programado que solucione el cubo de
rubik en el área de robótica de la carrera de sistemas de la universidad Uniandes Tulcan.
Determinar los elementos constitutivos del dispositivo autómata programado con el fin de
solucionar el cubo de rubik.
Validar la propuesta por la vía de expertos.
3
Idea a defender
Con el desarrollo del dispositivo autómata programado se aplica los conocimientos de
programación, robótica e inteligencia artificial que va a contribuir con la investigación en el
área de robótica en la universidad Uniandes Tulcán.
Justificación del Tema
Ante la carencia de estudios sobre robótica en la universidad Uniandes, se pensó en el
desarrollo de un dispositivo autómata programado que contribuya en el desarrollo de
aplicaciones tecnológicas e industriales en el ámbito local.
La propuesta de esta investigación está dirigida a la carrera de sistemas, ya que ayuda a la
institución y a los estudiantes en su desarrollo que permitirá el aporte de conocimientos en
robótica y el uso de nuevas tecnologías para que sirva de ayuda en casas abiertas dentro y
fuera de la institución.
Variables
Variable Independiente: Dispositivo autómata programado.
Variable Dependiente: Solución del cubo de rubik para el desarrollo de la investigación
tecnológica.
Metodología
Métodos
Breve explicación de la metodología investigativa
La presente tesis de grado se llevara a cabo bajo los paradigmas cuantitativo y cualitativo,
teniendo en cuenta algunos tipos de investigación tales como; descriptiva, bibliográfica, de
campo y aplicada. Además se empleara diferentes métodos de investigación de carácter
empírico y teórico del conocimiento.
Métodos empíricos: Entre los metidos empíricos de investigación a utilizar tenemos:
Observación científica
Este método se lo utiliza para detectar con precisión el problema de investigación y realizar la
propuesta de solución al mismo.
4
Validación por expertos
La validez se la realiza mediante expertos en el área de sistemas.
Métodos teóricos: Entre los principales métodos teóricos a emplearse tenemos:
Método analítico – sintético
Este método permite el análisis y la síntesis de los elementos teóricos relacionados con la
temática de la tesis de grado.
Método inductivo – deductivo
Este método parte de estudios generales para llegar a estudios particulares o viceversa. En la
presente tesis, su aplicación se basa en la elaboración del marco teórico, el mismo que se lo
hace de manera deductiva y el desarrollo de la propuesta de manera inductiva.
Método sistémico
Este método permite aplicar la teoría de sistemas de información en la elaboración y
estructuración del informe final de la tesis de grado.
Técnicas e instrumentos de investigación
Las técnicas para recopilación de datos a utilizarse son la encuesta y la entrevista. Para la
encuesta se utiliza el cuestionario o test y para la entrevista se emplea la guía de entrevista.
Metodología para el desarrollo del dispositivo autómata programado
Análisis y diseño
El objetivo de esta fase es desarrollar el diseño arquitectónico de los sistemas, utilizando los
requerimientos obtenidos. En el diseño arquitectónico se engloba dos componentes: los datos;
y, los procesos, los cuales serán analizados y diseñados desde una perspectiva conceptual a
una física.
Construcción
Desarrolla y organiza la infraestructura que permite cumplir las tareas de construcción de la
forma más productiva posible.
Pruebas
Da inicio a las diferentes unidades de diseño que han sido desarrolladas y probadas por
separado.
5
Resumen de la estructura de la tesis: breve explicación de los capítulos de la tesis.
Capítulo I. Marco Teórico:
En este capítulo se analizan todas las teorías utilizadas para la elaboración de la presente tesis
de grado.
Capítulo II. Marco metodológico:
Se refiere a la metodología de investigación utilizada en la ejecución de la presente tesis.
Capítulo III. Desarrollo de la propuesta.
En este capítulo se detalla cómo está elaborado el dispositivo autómata, así como las
respectivas pruebas del mismo.
Aporte teórico, significación práctica y novedad científica
El aporte teórico de la tesis de grado, son los conceptos y los elementos constitutivos del
dispositivo autómata que solucione el cubo de rubik en la Universidad UNIANDES Tulcán.
La significación práctica aplicada en la presente tesis contribuye al desarrollo de la
investigación científica en el área de robótica que cumple un propósito en la facultad, el cual
es incentivar a los estudiantes en realizar sus propios robots para que sirva de ayuda en la
institución como un medio de investigación de nuevas tecnologías.
Novedad científica la propuesta radica en que la institución educativa, a través de dispositivos
autómatas mejore la carrera de sistemas, brindando a sus docentes y estudiantes mayor apoyo
práctico para la resolución de problemas mediante la aplicación de la robótica.
6
CAPÍTULO I
1. MARCO TEÓRICO
1.1. Origen y evolución de los procesos informáticos
Un proceso informático es una unidad de actividad que se caracteriza por la ejecución de una
secuencia de instrucciones, un estado actual, y un conjunto de recursos del sistema asociado.
Son creados y eliminados por el sistema operativo, así como también este se debe hacer cargo
de la comunicación entre procesos, pero lo hace a petición de otros procesos.
En la actualidad la robótica se conoce por sus orígenes hace miles de años y en la ciencia
ficción, desde el principio de los tiempos el hombre ha deseado crear vida artificial, seres que
realicen sus actividades a través de tareas pesadas que son difíciles de realizar por ellos
mismo.
1.2. Análisis de las distintas posiciones teóricas sobre los procesos informáticos
1.2.1 Generalidades
En este capítulo se presenta los procesos informáticos y también conceptos básicos sobre la
robótica que intervienen en el desarrollo del presente proyecto.
1.2.2 Procesos Informáticos
Un proceso informático puede informalmente entenderse como un programa en ejecución.
Formalmente un proceso es una unidad de actividad que se caracteriza por la ejecución de una
secuencia de instrucciones, un estado actual, y un conjunto de recursos de sistemas asociados.
Los procesos informáticos son gestionados por el sistema operativo y están formados por:
Las instrucciones de un programa destinadas a ser ejecutadas por el microprocesador.
Su estado de ejecución en un momento dado, esto es, los valores de los registros de
la unidad central de procesamiento para dicho programa.
Su memoria de trabajo, es decir, la memoria que ha reservado y sus contenidos.
Otra información que permite al sistema operativo su planificación.
7
Los procesos informáticos son creados y eliminados por el sistema operativo, así como
también este se debe hacer cargo de la comunicación entre procesos, pero lo hace a petición de
otros procesos.
1.2.3 Inteligencia artificial
La inteligencia artificial es un área multidisciplinaria que, a través de ciencias como la
informática, lo lógica y la filosofía, estudia la creación y diseño de entidades capaces de
razonar por sí mismo utilizando como paradigma la inteligencia humana.
En ciencias de la computación se denomina inteligencia artificial a la capacidad de razonar de
un agente no vivo. “Es la ciencia e ingenio de hacer máquinas inteligentes,
especialmente programas de cómputo inteligentes”. (John McCarthy, 1956)
También existen distintos tipos de percepciones y acciones, que pueden ser obtenidas y
producidas, respectivamente, por sensores físicos y sensores mecánicos en máquinas, pulsos
eléctricos u ópticos en computadoras, tanto como por entradas y salidas de bits de un software
y su entorno software.
1.2.4 Robótica
1.2.4.1 Definición
La robótica es la ciencia y la técnica que está involucrada en el diseño, la fabricación y la
utilización de robots, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar
tareas realizadas por el ser humano o que requieren del uso de Inteligencia Artificial.
(UNSAAC, 2006)
La robótica permite la combinación de diversas disciplinas como: la electrónica, informática,
inteligencia artificial y la ingeniería de control. Actualmente la robótica ha ido evolucionando
a pasos agigantados y ha dado lugar al desarrollo de una serie de disciplinas como sería el caso
de la cirugía robótica.
8
1.2.4.2 Principios de la robótica
Los robots no deben ser diseñados para matar o dañar a los humanos.
Los robots son herramientas diseñadas para lograr los objetivos humanos.
Los robots deben ser diseñados de forma que aseguren su protección y seguridad
Siempre debe ser posible averiguar quién es el responsable legal de un robot.
Los robots tienen el potencial de proporcionar impacto positivo inmenso para la sociedad.
La mala práctica nos perjudica a todos.
1.2.4.3 Sistemas de control
Los sistemas de control, según la teoría cibernética, se aplican en esencia para los organismos
vivíos, las máquinas y las organizaciones. Un sistema de control está definido como un
conjunto de componentes que pueden regular su propia conducta o la de otro sistema con el fin
de lograr un funcionamiento predeterminado, de modo que se reduzcan las probabilidades de
fallos y se obtengan los resultados buscados. (Norbert Wiener, 1948)
Los sistemas de control deben conseguir los siguientes objetivos:
Ser estables y robustos frente a perturbaciones y errores en los modelos.
Ser eficiente evitando comportamiento bruscos e irreales
Recordamos que los automatismos y los robots son capaces de iniciar y detener procesos sin la
intervención manual del usuario. Para ello necesitarán recibir información del exterior,
procesarla y emitir una respuesta; en un automatismo dicha respuesta será siempre la misma
pero en un robot podemos tener diferentes comportamientos según las circunstancias. A esto
se le llama un sistema de control.
Existen dos tipos de sistemas de control de un robot:
Sistemas de control de lazo abierto
Sistemas de control de lazo cerrado
9
Sistemas de control de lazo abierto
Sistemas de lazo abierto o sistemas sin realimentación. La salida no tiene efecto sobre el
sistema. Requiere un conocimiento preciso del proceso a controlar y la garantía del correcto
funcionamiento del controlador, que no tiene acceso a la salida de proceso. (Angulo Cecilio,
Raya Cristóbal, 2006).
Es aquel sistema en que solo actúa el proceso sobre la señal de entrada y da como resultado
una señal de salida independiente a la señal de entrada, pero basada en la primera. Estos
sistemas se caracterizan por:
Ser sencillos y de fácil concepto.
La salida no se compara con la entrada.
Éstas pueden ser tangibles o intangibles.
La precisión depende de la previa calibración del sistema.
Sistema de control de lazo cerrado
Sistemas de lazo cerrado o sistemas con realimentación o feedback. La toma de decisiones del
sistema no depende sólo de la entrada sino también de la salida. Son los sistemas en los que la
acción de control está en función de la señal de salida. La salida del proceso es utilizada para
regular la amplitud de su entrada, razón por la que se denomina sistema de control en lazo
cerrado. (Angulo Cecilio, Raya Cristóbal, 2006).
El sistema es más flexible y capaz de reaccionar si el resultado que está obteniendo no es el
esperado; los sistemas a los que podemos llamar robots casi siempre son de lazo cerrado.
El control en lazo cerrado es imprescindible cuando se da alguna de las siguientes
circunstancias:
Cuando un proceso no es posible de regular por el hombre.
Una a gran escala que exige grandes instalaciones y el hombre no es capaz de manejar.
Vigilar un proceso es especialmente difícil en algunos casos y requiere una atención que
el hombre puede perder fácilmente por cansancio o despiste, con riesgos que pueda ocasionar
al trabajador y al proceso.
10
Sus características son:
Ser complejos, pero amplios en cantidad de parámetros.
La salida se compara con la entrada y le afecta para el control del sistema.
Su propiedad de retroalimentación.
1.2.4.4 Característica de los sistemas de control
Señal de corriente de entrada: Considerada como estímulo aplicado a un sistema desde
una fuente de energía extrema.
Señal de corriente de salida: Respuesta obtenida por el sistema que puede o no
relacionarse con la respuesta que implicaba la entrada.
Variable manipulada: Es el elemento al cual se le modifica su magnitud, para lograr la
respuesta deseada. Es decir, se manipula la entrada del proceso.
Variable controlada: Es el elemento que se desea controlar. Se puede decir que es la salida
del proceso.
Variaciones externas: Son los factores que influyen en la acción de producir un cambio de
orden correctivo.
Fuente de energía: Es la que entrega la energía necesaria para generar cualquier tipo de
actividad dentro del sistema.
Retroalimentación: Es una característica importante de los sistemas de control de lazo
cerrado. Es una relación secuencial de causas y efectos entre las variables de estado.
1.2.5 Sensores
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como son el
acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc. Los datos de entrada y de
retroalimentación de los sistemas de control se introducen mediante unos dispositivos,
normalmente electrónicos, que se denominan sensores. Un sensor es un dispositivo capaz de
detectar magnitudes físicas o químicas, llamadas variables de instrumentación, y
transformarlas en variables eléctricas. (Estela Díaz López, 2006)
11
1.2.5.1 Características de un sensor
Rango de medida: dominio en la magnitud medida en el que puede aplicarse el sensor.
Precisión: es el error de medida máxima esperado.
Resolución: mínima variación de magnitud de entrada que puede detectarse a la salida.
Rapidez de respuesta: puede ser un tiempo fijo o depende de cuánto varié la magnitud.
1.2.5.2 Tipos de sensores
Existen diferentes tipos de sensores, en función del tipo de variable que tengan que medir o
detectar.
De contacto
Ultrasónicos
Ópticos
Térmicos
De humedad
Magnetismo
De infrarrojos
Sensores de contacto
Sensores de contacto también conocido como bumper es un conmutador de 2 posiciones con
muelle de retorno a la posición de reposo y con una palanca de accionamiento más o menos
larga según el modelo elegido. Se usan para detección de obstáculos por contacto directo.
(Estela Díaz López, 2006).
Se emplean para detectar el final del recorrido o la posición límite de componentes mecánicos.
Los principales son los llamados fines de carrera. Se trata de un interruptor que consta de una
pequeña pieza móvil y de una pieza fija que se llama NA, normalmente abierto, o NC,
normalmente cerrado.
La pieza NA está separada de la móvil y sólo hace contacto cuando el componente mecánico
llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil haciendo que pase la corriente por el
circuito de control.
12
La pieza NC hace contacto con la móvil y sólo se separa cuando el componente mecánico
llega al final de su recorrido y acciona la pieza móvil impidiendo el paso de la corriente por el
circuito de control. Según el tipo de fin de carrera, puede haber una pieza NA, una NC o
ambas.
Sensores ultrasónicos
El sensor ultrasónico es uno de los sensores que le dan visión al robot, es decir, permite al
robot ver y detectar objetos. Los sensores que detectan la proximidad de algún objeto a cierta
distancia, emitiendo un sonido y midiendo el tiempo en el que la señal demora en regresar,
para esto usa el eco del objeto para transformarlo en información. Es decir emiten un pulso
ultrasónico contra el objeto a censar y al detectar el pulso reflejad, se para un contador de
tiempo que inicio su conteo al emitir el pulso. (Sandria Julio, 2007)
Sensores ópticos
Detectan la presencia de una persona o de un objeto que interrumpen el haz de luz que le llega
al sensor. Los principales sensores ópticos son las fotorresistencias, las LDR. Las LDR son
muy útiles en robótica para regular el movimiento de los robots y detener su movimiento
cuando van a tropezar con un obstáculo o bien disparar alguna alarma. También sirven para
regular la iluminación artificial en función de la luz natural. El circuito que aparece en la
imagen superior derecha nos permitiría controlar la puesta en marcha de una alarma al
disminuir la intensidad luminosa que incide sobre un LDR.
Sensores térmicos
La principal aplicación de los sensores térmicos es, como es lógico, la regulación de sistemas
de calefacción y aire acondicionado, además de las alarmas de protección contra incendios. Es
un dispositivo eléctrico o electrónico que detecta temperatura y cuando esto sucede el cambia
su estado enviando una señal a un circuito electrónico que lo informa, puede ser:
Sensores bimetálicos
Sensores termoeléctricos
Sensores monolíticos o de silicio
Sensores piro eléctricos
13
Sensores de humedad
Se basa en que el agua no es un material aislante como el aire sino que tiene una
conductividad eléctrica; por esa razón el reglamento de baja tensión prohíbe la presencia de
tomas de corriente a la bañera. Por lo tanto un par de cables eléctricos desnudos van a
conducir una pequeña cantidad de corriente si el ambiente es húmedo; si colocamos un
transistor en zona activa que amplifique esta corriente tenemos un detector de humedad.
Sensores magnéticos
Detecta los campos magnéticos que provocan los imanes o las corrientes eléctricas. El
principal es el llamado interruptor Reed; consiste en un par de láminas metálicas de materiales
ferromagnéticos metidas en el interior de una cápsula que se atraen en presencia de un campo
magnético, cerrando el circuito. El interruptor Reed puede sustituir a los finales de carrera para
detectar la posición de un elemento móvil, con la ventaja de que no necesita ser empujado
físicamente por dicho elemento sino que puede detectar la proximidad sin contacto directo.
Esto es muy útil cuando interesa evitar el contacto físico.
Sensores infrarrojos
Existen diodos capaces de emitir luz infrarroja y transistores sensibles a este tipo de ondas y
que por lo tanto detectan las emisiones de los diodos. Esta es la base del funcionamiento de los
mandos a distancia; el mando contiene diodos que emiten infrarrojos que son recibidos por los
fototransistores del aparato.
1.2.6. Desarrollo de la investigación tecnológica
Una mayor inversión en la educación se fundamenta en que ésta hace parte del desarrollo
tecnológico, y es esencial en las decisiones de los empresarios para alcanzar mayores
aumentos de productividad. El progreso técnico consiste en diversificar la economía
acrecentando los bienes que se saben producir. El desarrollo tecnológico que conlleva un
cambio del mismo tipo ocurre cuando las acciones de individuos que persiguen su propio
interés pueden generar mejoras en las tecnologías, de las cuales se benefician otros sin ningún
costo adicional es decir, que no se presenta exclusión.
14
1.2.7. Origen y evolución del Cubo de Rubik
El Cubo de Rubik ocubo mágico, como se conoce en algunos países es un rompecabezas
inventado por el escultor y profesor de arquitectura húngaro. Se trata de un conocido
rompecabezas cuyas caras están divididas en cuadrados de un mismo color que se pueden
cambiar de posición. El objetivo de resolver el rompecabezas se consigue al colocar todos los
cuadrados de cada cara del cubo con el mismo color. (Ernö Rubik, 1974)
Se ha estimado que se han vendido más de 350 millones de cubos de Rubik o imitaciones en
todo el mundo. Su sencillo mecanismo sorprende tanto desde el punto de vista mecánico, al
estudiar su interior, como por la complejidad de las combinaciones que se consiguen al girar
sus caras. En el cubo típico, cada cara está cubierta por nueve cuadrados de un color sólido.
Cuando está resuelto, cada cara es de un mismo color.
1.2.7.1. Soluciones
Muchassoluciones para el cubo de Rubik se han descubierto de manera independiente. El
método más popular fue publicado en el libro “Notas sobre el Cubo Mágico de Rubik”. Esta
solución consiste en resolver el cubo capa por capa. (David Singmaster, 1981)
Se han desarrollado soluciones rápidas para resolver el cubo lo más rápido posible. La
solución rápida más común fue desarrollada por Jessica Fridrich. Es un método muy eficiente
capa por capa que requiere una mayor cantidad de algoritmos, especialmente para orientar y
permutar la última capa.
Las soluciones siguen una serie de pasos e incluyen un conjunto de algoritmos para cada paso.
Un algoritmo, también conocido como proceso u operador, es una serie de giros que lleva a
cabo un objetivo específico.
1.2.7.2. Competencias
Se hanllevado a cabo muchas competiciones en buscar la solución más rápida del cubo de
rubik. El primer torneo mundial lo organizó Guiness de los records, y se llevó a cabo en
Múnich en 1981.
15
El primer torneo mundial internacional se llevó a cabo en Budapest el 5 de junio de 1982, y lo
ganó Mihn Thai, un estudiante vietnamita de Los Ángeles con un tiempo de 22.95 segundos.
Desde 2003, las competiciones se determinan por el promedio de tiempo de 5 intentos; pero el
mejor tiempo único de todos también lo registra la World Cube Association, que mantienen el
registro de los récords mundiales.
1.3. Valoración critica
La robótica es una de las herramientas educativas donde los estudiantes ponen en práctica los
conceptos adquiridos en el diseño y la programación de los sistemas robóticos. Con la
implementación del dispositivo autómata programado para la solución del cubo de rubik
contribuye con la investigación tecnológica del área de robótica de Uniandes Tulcán, los
estudiantes utilizan estrategias integradoras para la enseñanza y el aprendizaje que permite un
desarrollo basado en el trabajo de proyectos donde los estudiantes desarrollan ideas para
implementar un robot.
El desarrollo del presente proyecto de tesis tiene con finalidad dar a conocer los diferentes
dispositivos y con su respectiva configuración en el área de robótica, es con el fin de que la
universidady los estudiantes de la carrera de Sistemas, se incentiven con la investigación en
esta área.
1.4. Conclusiones parciales del capítulo I
Este capítulo hace referencia a los diferentes aspectos teóricos en los que se define y se
analiza temas sobre la robótica, inteligencia artificial lo que ayuda al desarrollo de la tesis en
el ámbito de investigación.
La robótica cumple un rol muy importante, ayuda a implementar, mejorar y desarrollar
sus propias tecnologías.
Ofrece a los estudiantes nuevos conocimientos tecnológicos, el cual permite que
desarrollen la creatividad, diseñado e implementado dentro de la institución.
16
CAPÍTULO II
2. MARCO METODOLÓGICO
2.1. Caracterización de la Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes
extensión Tulcán.
La Universidad Regional Autónoma de los Andes extensión Tulcán, está ubicada en el Sector
de Santa Rosa de Taques, es una institución de educación que tiene características de entidad
de derecho privado y laico, con personería jurídica, autonomía administrativa y financiera, que
ofrece una formación integral a sus estudiantes nacionales y extranjeros. Cuya visión es ser
una institución reconocida a nivel nacional e internacional por su calidad, manteniendo entre
sus fortalezas un cuerpo docente de alto nivel académico y un proceso de formación
profesional centrada en el estudiante.
Actualmente la universidad UNIANDES extensión Tulcán, brinda carreras debidamente
abalizadas por el Senescyt tales como:
Sistemas e informática
Contabilidad y auditoria
Derecho; y,
Enfermería
2.2. Descripción del procedimiento metodológico para el desarrollo de la investigación
2.2.1. Modalidad de investigación
La presente tesis de grado, adoptan las modalidades de investigación cualitativa y cuantitativa.
En el paradigma cuantitativo se destacan elementos propios de la investigación de campo
como: población, muestra, variables y parte de la estadística. Los datos se los obtuvo a través
de encuestas aplicadas a los estudiantes de la carrera de sistemas de la universidad Uniandes.
En el paradigma cualitativo se realiza un análisis de investigación teórica y síntesis de la
información recopilada. Después de haberse analizado los datos obtenidos se ve la necesidad
de implementar un laboratorio de robótica, el cual ayudara a los estudiantes de la carrera de
sistemas de la Universidad Regional Autónoma de los Andes de la ciudad de Tulcán a abordar
nuevos conocimientos en sistemas robóticos.
17
2.2.2. Tipos de investigación
En el desarrollo de la tesis, se emplean diferentes tipos de investigación que se detallan a
continuación:
2.2.2.1. Investigación bibliográfica
Se realizan investigaciones basadas en libros e internet, los mismos que permiten desarrollar el
marco teórico de la presente tesis.
2.2.2.2. Investigación de campo
En este tipo de investigación se realiza un estudio cuantitativo-cualitativo, recopilando datos y
fundamentando la propuesta.
2.2.2.3. Investigación aplicada
Esta investigación integra la teoría con la práctica, permitiendo el desarrollo de la propuesta.
Esta investigación se la encuentra en la construcción del dispositivo autómata, aplicando
conocimientos adquiridos en el transcurso del nivel académico.
2.2.3. Población y muestra
2.2.3.1. Población
La población es objeto de investigación que comprende a dos semestres de la carrera de
sistemas de la Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes extensión Tulcán, los
cuales son:
ESTUDIANTES Nro.
Sistemas VI 12
Sistemas VIII 9
Total 21
Tabla Nº 01
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
18
2.2.3.2. Muestra
Para la presente investigación se recogeuna pequeña población de 21 estudiantes de la carrera
de sistemas de la Universidad Regional Autónoma de los Andes extensión Tulcán.
2.2.4. Métodos, técnicas e instrumentos de investigación
Los métodos de investigación empleados son de carácter empírico y teórico del conocimiento.
2.2.5. Métodos empíricos
La investigación empírica es un modelo de investigación que se basa en la experimentación y
la lógica empírica, es el más utilizado en el campo de las ciencias sociales y en las ciencias
naturales.
Entre los métodos empíricos de investigación, se tiene:
2.2.5.1. Observación científica
Este método se lo utiliza para detectar con precisión el problema de investigación y plantear la
propuesta de solución al mismo. Es un elemento fundamental para obtener la mayor cantidad
de información, ya que gran parte de los conocimientos se los adquiere a través de la técnica
de la observación.
2.2.5.2. Validación por expertos
La validación de la tesis se la realiza mediante expertos del área de sistemas, con el fin de
darle una valoración cualitativa y cuantitativa al mismo.
2.2.6. Métodos teóricos
A través de los métodos teóricos se definen las relaciones esenciales del objetivo de
investigación, los cuales son utilizados para la compresión de los hechos y para la formulación
de la hipótesis de la investigación. Entre ellos tenemos:
19
2.2.6.1. Método analítico- sintético
Este método permite el análisis y la síntesis de los elementos teóricos relacionadoscon la tesis
de grado.
2.2.6.2. Método inductivo- deductivo
Este método parte de estudios generales para llegar a estudios particulares o viceversa. En la
presente tesis, la aplicación de este método, se basa en la elaboración del marco teórico, el
mismo que se lo hace de manera deductiva y el desarrollo de la propuesta de manera
inductiva.
2.2.6.3. Método sistémico
Este método permite aplicar la teoría de sistemas de información en la elaboración y
estructuración del informe final de la tesis de grado.
2.2.7. Técnicas de investigación
Las técnicas para recopilación de datos son la encuesta y la entrevista. Para la encuesta se
utiliza el cuestionario o test y para la entrevista se emplea la guía de entrevista. En la presente
tesis de utiliza únicamente la técnica de la encuesta.
2.2.7.1. Encuesta
Esta técnica se utiliza para adquirir información de los diversos puntos de vista de los
estudiantes de la carrera de sistemas.
2.2.8. Instrumentos de investigación
2.2.8.1. Cuestionario
Este instrumento de investigación es un conjunto de preguntas sobre hechos o aspectos que
permite obtener información oportuna y necesaria, la cual se obtuvo gracias a la colaboración
de los estudiantes de la carrera de sistemas.
20
2.3. Interpretación de Resultados
Encuesta dirigida a los estudiantes de la carrera de sistemas de la Universidad Regional
Autónoma de los Andes extensión Tulcán.
Pregunta Nº 01: ¿Considera que la creación de un laboratorio de robótica en la Universidad
seria?
Identificador Oportuno Poco
Oportuno
Nada
Oportuno
Total
Frecuencia 19 2 - 21
Porcentaje 95% 5% - 100%
Tabla Nº 02
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Como se observa la gran mayoría de la población encuestada está de acuerdo en que se
implemente un laboratorio en el área de robótica, ya que contribuye con el futuro de los
estudiantes y de la misma Universidad. El resto de la población piensa que es poco oportuno
que se cree un la laboratorio en el área de Sistemas.
Pregunta Nº 02: ¿Le gustaría diseñar y programar su propio robot?
Identificador SI NO Total
Frecuencia 20 1 21
Porcentaje 98% 2% 100%
Tabla Nº 03
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Se observa que a la mayoría de los estudiantes les gustaría diseñar su propio robot ya que les
permitiría dotar a la universidad de diferente dispositivos autómatas, con esto el docente
podría utilizar el robot como una herramienta educativa de aprendizaje, para impartir los
conocimientos en diseño y programaciónde una forma más técnica.
21
Pregunta Nº 03: ¿Considera que la robótica, contribuye con el desarrollo tecnológico y
académico en los estudiantes de Uniandes de la carrera de sistemas?
Identificador Mucho Poco Nada Total
Frecuencia 19 2 - 21
Porcentaje 95% 5% - 100%
Tabla Nº 04
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Se observa que la mayoría de la población encuestada considera que la robótica si contribuye
con el desarrollo tecnológico en la carrera de sistemas, y pocas personas piensan que no
contribuye con el desarrollo del mismo.
Pregunta Nº 04: ¿Usted como estudiante de la carrera de sistemas conoce los proyectos o
tesis de robótica que se han desarrollado en la Universidad?
Identificador SI NO Total
Frecuencia 7 14 21
Porcentaje 13% 87% 100%
Tabla Nº 05
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Se observó que la mayoría de la población encuestada no tiene ningún conocimiento sobre los
proyectos de robótica y pocos de ellos conocen de que se trata o como fueron desarrollados.
Con la creación de un laboratorio en la carrera de sistemas se ayudaría a que los estudiantes
puedan obtener nuevos conocimientos sobre los proyectos.
22
Pregunta Nº 05: ¿Tiene conocimientos sobre los proyectos de robótica como su funcionalidad
o la programación que se ha utilizado?
Identificador SI NO Total
Frecuencia 4 17 21
Porcentaje 8% 92% 100%
Tabla Nº 06
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
La gran mayoría de los estudiantes encuestados no tienen ningún conocimiento de que
programación se utiliza para los proyectos de robótica, es necesario que se incentive a los
estudiantes con un laboratorio, para que con su capacidades puedan desarrollar un robot a
través de la programación y los actuales conocimientos tecnológicos.
Pregunta Nº 06: ¿Cómo estudiante de la carrera de sistemas le gustaría que se aplique
conocimientos de robótica e inteligencia artificial en la creación de sistemas robóticos?
Identificador SI NO Total
Frecuencia 21 - 21
Porcentaje 100% - 100%
Tabla Nº 07
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Se observa que todos los estudiantes encuestados están de acuerdo en que la carrera de
sistemas aplique conocimientos de robótica e inteligencia artificial en la creación de robots, ya
que así se obtiene nuevos conocimientos tecnológicos y los estudiantes se incentivan en
realizar un robot como tesis de grado, aplicando los conocimientos aprendidos a lo largo de la
carrera.
23
Pregunta Nº 07: ¿La implantación de un dispositivo que solucione el cubo de rubik permitirá
utilizar estrategias integradoras para la enseñanza- aprendizaje de esta ciencia?
Identificador Muy De
acuerdo
De Acuerdo Desacuerdo Total
Frecuencia 16 5 - 21
Porcentaje 90% 10% - 100%
Tabla Nº 08
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis e interpretación de datos
Se observa que la gran mayoría de estudiantes encuestados están muy de acuerdo en que el
dispositivo que arma el cubo de rubik utiliza estrategias integradoras para la enseñanza y el
aprendizaje de los estudiantes, y sirve de ayuda a los decentes a poder incrementar más
dispositivos en proyectos de tesis, que en un futuro podrían ser presentados en casas abiertas
fuera y dentro de la institución.
2.4. Metodología del desarrollo del dispositivo
2.4.1. Análisis/diseño
El objetivo es desarrollar el diseño arquitectónico de los sistemas, utilizando los
requerimientos obtenidos. El diseño arquitectónico se engloba dos componentes: los datos y
los procesos, los cuales serán analizados y diseñados desde una perspectiva conceptual a una
física.
El análisis es un conjunto o disposición de procedimiento o programas relacionados de manera
que juntos forman una sola unidad. Un conjunto de hechos, principios y reglas clasificadas y
dispuestas de manera ordenada mostrando un plan lógico en la unión de las partes.
En el diseño se define el proceso de aplicar ciertas técnicas y principios con el propósito de
definir un dispositivo, un proceso o sistema, con suficientes detalles como para emitir su
interpretación y realización física.
24
Se encuentra 4 actividades:
Analizar y diseñar procesos: En las operaciones del negocio y los requerimientos de
funcionamiento, se toma en cuenta el propósito de determinar la forma en que debe funcionar
el sistema.
Analizar y diseñar los datos: Con los requerimientos de información se debe organizar
los distintos modelos de datos que nos ayudan a diseñar la base de datos que hagan falta para
que el sistema funcione de acuerdo al modelo de funcionamiento.
Diseñar y organizar los componentes físicos: Todo componente físico como plantilla,
base de datos hacen posible la función del sistema de acuerdo al modelo de funcionamiento.
Planificar el desarrollo de los componente físicos: Actividad en la cual planificamos la
forma en que pueden ser construidos e implementados los componentes físicos de una forma
rápida y productiva.
2.4.2. Construcción
Dentro de esta fase de construcción existen diferentes actividades:
Dentro de infraestructura: Se desarrolla y organizara la infraestructura que permite
cumplir las tareas de construcción en la forma más productiva posible.
Adaptación de paquetes: Cada componente del paquete será revisado en forma
exhaustiva por el equipo analista- usuario, con el fin de conocer y comprender todos los
aspectos del paquete.
Desarrollo de unidades de diseño interactivas: Las unidades de diseño interactivas, son
procedimientos que se cumplen o se ejecutan a través de un dialogo usuario/ sistema.
Desarrollo de unidades de diseño manuales: Incluyen las tareas que se ejecutan en
forma manual que se incluyen dentro de los procedimientos administrativos. Las actividades
tienen como objetivo central del desarrollo todos los procedimientos administrativos que
rodean y gobernarán la utilización de los componentes computarizados desarrollados en la fase
de diseño detallado y construcción.
25
2.4.3. Pruebas
En esta fase, las diferentes unidades de diseño han sido desarrolladas y probadas por separado.
Durante su desarrollo, el sistema se emplea de forma experimental para asegurar que el
software no falle y funcione de acuerdo a sus especificaciones de la manera que los usuarios
esperan que lo haga. Para evaluar el desenvolvimiento del sistema, en esta fase se llevan a
cabo varios niveles de prueba.
Funcionalidad: Prueba desde el punto de vista de los requerimientos funcionales
De sistema: Prueba desde los niveles de calidad del sistema y de desempeño.
De integración: Prueba de interfaces
2.4.4. Implementación
En esta fase una vez implementado el dispositivo se procederá a programar en Lego EV3, este
una vez se encargara de controlar el cerebro lo cual permitirá realizar diferentes ejecuciones a
través de los sensores y los servomotores instalados en el robot.
2.5. Conclusiones parciales del capítulo II
Este capítulo describe la metodología empleada, los tipos de investigación utilizados y los
diferentes métodos, técnicas e instrumentos aplicados, los cuales son de gran importancia para
la elaboración del diagnóstico y la propuesta de investigación.
Se aplica la integración de ambos paradigmas que explican la esencia paradigmática
metodológica entre lo cuantitativo y lo cualitativo, la modalidad cualitativa se caracteriza por
la aplicación de los métodos teóricos, mientras que la modalidad cuantitativa aplica métodos
empíricos de recolección de información y de interpretación mediante modelos matemáticos
estadísticos en los cuales se ha utilizado tablas para el análisis e interpretación de resultados.
En lo referente a las encuestas realizadas a estudiantes de los niveles superiores de la
carrera de sistemas, el 95% destaca la importancia de elaborar un dispositivo autómata
programado que permita armar y solucionar el cubo de rubik, y la necesidad de implementar
un laboratorio de robótica que contribuya al avance en la investigación tecnológica.
26
CAPITULO III
3. DESARROLLODE LA PROPUESTA
3.1 Título de la propuesta
Cubo de Rubik
3.1.1. Caracterización de la propuesta
En la presente investigación se realizó el ensamblaje de un dispositivo autómata, que arma el
cubo de rubik de manera correcta y servirá como materia de investigación en la carrera de
sistemas tanto para estudiantes como para docentes y la comunidad en general.
3.1.2. Objetivo de la propuesta
Contribuir con el desarrollo investigativo y tecnológico en el área de robótica de la carrera de
sistemas de la Universidad Uniandes Tulcán.
3.1.3. Análisis de requerimientos
Problemas Requerimientos
No existe un laboratorio de robótica
en la carrera de sistemas de Uniandes.
Implementar un laboratorio de robótica.
La carencia de robots Incentivar en los estudiantes la necesidad de la
robótica y su estudio en la actualidad
Los estudiantes no tienen lo
suficientes conocimientos en robótica
Profundizar los conocimientos en robótica a través de
capacitaciones y talleres permanentes a docentes y
estudiantes de la carrera de sistemas.
Tabla Nº 09
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.2 Análisis y Especificaciones Técnicas del Hardware Utilizado, Lego Mindstorms EV3.
La plataforma robótica que se utilizó para desarrollar esta investigación es el Lego
Mindstorms EV3.
27
3.2.1 Lego Mindstorms
Los Mindstorms son un o kits de Lego que permiten construir robots uniendo diferentes
piezas, sensores y actuadores, todo ello controlado por un cerebro al que se conoce como
ladrillo inteligente. Programado dicho ladrillo, podemos conseguir que nuestro robot realice
diferentes acciones o se comporte de un modo u otro frente a determinados eventos. Lego
Mindstorms puede ser usado para construir un modelo de sistema integrado con partes
electromecánicas controladas por computador.
Es una plataforma para el diseño y desarrollo de robots, la construcción de un robot se basa en
la unión de bloques de plástico con características de Lego, junto con piezas plegadas y
algunas piezas que permitan la rotación de ruedas o piezas.
Grafica Nº1
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Características:
Ladrillo o “Brick”, unidad central de procesamiento
Procesador ARM9 más potente y rápido
16 MB de memoria Flash para guardar los programas
64 Mo de memoria RAM para guardar datos
1 pantalla LCD
Compatible con sistemas móviles IOS y Android
Cuatro puertos para motores
28
Cuatro puertos para sensores
2 motores de gran potencia
1 motor de potencia media
1 sensor táctil
1 sensor de color y de iluminación
1 sensor infrarrojo con un alcance de 2m que sirve también como mando a distancia
Comunicación Bluetooth 2.1
Puerto USB 2.0 que permite conectar un comunicados Wifi
Usa seis baterías (pilas) tipo AA
Display con resolución 178 x 128 pixels
Grafica Nº2
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.2.2 Estructura general de dispositivo autómata
Los elementos que conforman el diseño del dispositivo autómata son:
3.2.2.1 Partes electrónicas
3.2.2.2 Cerebro
Es la parte principal del robot, ya que hay se encuentran toda la parte lógica y electrónica que
permite la mayoría de acciones del robot, hay almacena programas que se pueden cargar en su
memoria interna y guardarlos allí.
29
3.2.2.3 Sentidos
Los sentidos se colocan estratégicamente sobre la estructura del robot, que dispone de varios
sensores, como son: sensor ultrasónico y sensor de luz, los cuales envían al cerebro la
información necesaria para ver si el dado está ubicado y que se proceda a detectar los colores.
3.2.2.4 Estructura externa
3.2.2.5 Puertos de entrada y salida
Como medio de entradas posee tres conectores que permite capturar la información que
proviene de los distintos sensores. Las entradas se conforman por un bloque de 2x2, que sus
cabezas se encuentran rodeadas de un material conductor que permite la lectura del sensor.
Las entradas se ubican en la parte superior de la pantalla de LCD, son de color gris y se
distinguen por los números 1, 2,3 y 4.
Las salidas del bloque RCX son para energizar los motores que se pueden conectar al robot y
así darle movimiento. El voltaje que se provee es de 9 volts, haciendo que cada motor que se
conecte al bloque pueda moverse acorde a las instrucciones del programa. Las salidas de
energía se encuentran en la parte inferior de la pantalla LCD, son de color negro y se
distinguen por las letras A, B, C y D.
3.2.2.5.1 Puertos de entrada
Puertos 1, 2, 3, 4 son puertos de entrada que mediante base conectora de 2x2 módulos, permite
capturar por separado la información enviada por los diferentes sensores.
Grafica Nº3
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
30
3.2.2.5.2 Puertos de salida
Puertos A, B, C, D son puertos de salida; es decir, en estos puertos se conectan los
servomotores. Las salidas son de nueve voltios y permite mover motores y otros actuadores
para dar movimiento al robot, cada uno actúa de acuerdo al movimiento que le manda el
programa.
Grafica Nº4
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.2.3 Pantalla LCD
Grafica Nº5
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
La pantalla grafica LCD de 100 x 64 pixel blanco y negros, con una rea de visión de 26 x 40,6
mm se maneja el EV3 de una manera sencilla. El LCD se lo controla mediante un ultra chip
1601 que se conectan mediante un bus SPI de 2 MHz de velocidad, al ARM7.
31
El Software de control de la pantalla LCD del dispositivo presenta una configuración
avanzada que permite interactuar con otros dispositivos como los teléfonos móviles, mediante
el Bluetooth, permite la conexión al computador mediante el cable USB y también permite
interactuar con otros dispositivos infrarrojos.
Cuando está en funcionamiento, la pantalla LCD muestra la rutina de la ejecución del
programa, movimientos o el tiempo de ejecución.
Grafica Nº6
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se visualiza en la pantalla el estado de los sensores y se crean programas.
Tiene cuatro botones en la parte superior para utilizar los programas, los mismos que serán
configurados y ejecutados.
Superior, detección en las entradas de los sensores y el nivel de carga de las baterías.
Central, zona alfanumérica que permite ver el contador, temporizador o valores
registrados por un sensor.
Inferior, indica el sentido de movimientos de los motores.
Lateral izquierdo, muestra si hay conexión inalámbrica mediante el puerto infrarrojo.
3.2.4 Conexión USB
Permite la conexión, programación y manipulación del bloque EV3, que mediante el USB
conectado al computador manipula fácilmente al robot.
32
3.2.4.1 Pasos para la conexión USB
Asegúrese de que el Bloque EV3 este encendido.
Conecte el cable USB, que recibió con el Bloque EV3, al equipo y al Bloque EV3.
La conexión se estableció. En la pantalla del Bloque EV3 aparecerá „USB‟ para confirmar
la conexión.
Grafica Nº7
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.2.5 Conexión Bluetooth
Permite la conexión, programada y manipulada de bloqueo EV3 desde otros dispositivos
cercanos como celulares, computadores, etc. Mediante este puerto se puede manipular
fácilmente el robot.
3.2.5.1 Pasos para conectarse mediante el Bluetooth
Asegúrese de que el bloque EV este encendido.
Asegúrese de que el Bluetooth este activo en el bloque EV3.
Haga clic en Expandir/Contraer la página de hardware en el Software de EV3 para
expandir la página del hardware.
Seleccione la pestaña Bloqueos disponibles. Si el bloque EV3 no está en la lista, verifique
la casilla BT y haga clic en actualizar para ubicar el dispositivo.
Acepte la conexión en el Bloque EV3, ingresado manualmente la contraseña.
Si la conexión se estableció un icono de Bluetooth aparecerá en la pantalla de bloque EV3
para confirma la conexión.
33
3.2.6 Conexión inalámbrica
Puede configurar una conexión inalámbrica en su bloque EV3 con las herramientas de
configuración inalámbrica.
Grafica Nº8
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se accede a la herramienta de configuración inalámbrica a través del menú herramientas o
haciendo clic en el botón configuración inalámbrica que se encuentra en la pestaña
información de su página de hardware.
Para agregar o editar una conexión, selección la red que desea eliminar y haga clic en eliminar.
3.2.6.1 Pasos para conectarse por la conexión inalámbrica
Asegúrese de que el Bloqueo EV· este encendido.
Asegúrese de que el Wifi este encendido en el Bloqueo EV3.
Conecte el cable USB, que recibió con el Bloqueo EV3, al equipo y al Bloqueo EV3.
Acceda a la herramienta de configuración inalámbrica en la página de hardware de
software de EV3 (que se muestra a continuación) o ábrala desde el menú Herramientas.
Grafica Nº9
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
34
Seleccione la red a la que desea conectarse y haga clic en conectar para configurar la
conexión.
o Haga clic en agregar para agregar una red que no esté transmitiendo su SSID
o Haga clic en editar para editar las configuraciones de una red configurada
previamente.
Seleccione la red a la que desea conectarse y haga clic en conectar para configurar la
conexión.
o Haga clic en agregar para agregar un red que no esté transmitiendo su SSID
o Haga clic en editar para editar las configuraciones de una red configurada
previamente.
Haga clic en aceptar para establecer la conexión inalámbrica.
3.2.7 Alimentación electrónica
Como fuente de alimentación se puede utilizar 6 baterías AA de 1,6 voltios, y se las coloca en
la parte inferior del bloque EV3. Las baterías proporcionan energía tanto para el
funcionamiento del bloque EV3 como también para los servomotores y los sensores que se
conectan.
Grafica Nº10
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.3 Sensores externos
El bloqueo EV3 recibe información del exterior através de sus sensores periféricos conectados
a los puertos de entrada del EV3, los cuales son:
35
Sensor de contacto
Sensor infrarrojo
Sensor de luz o de color
Sensor ultrasónico
Grafica Nº11
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.3.1 Sensor de contacto
Permite detectar si el bloque que posee ha colisionado o no con algún objeto que se encuentre
en su trayectoria inmediata. Al tocar una superficie, una pequeña cabeza externa se contrae,
permitiendo que una pieza dentro del bloque cierre un circuito electrónico comience a circular
energía, provocando una variación de energía 0 a 5 V.
Grafica Nº12
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.3.1.1 Características:
Detecta cuando el botón es activo o liberado
Cantidad por Kit: 2
Puede detectar acciones sencillas o múltiples
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3.3.2 Sensor de infrarrojo
Permite enviar y recibir ultrasonidos para verificar la presencia de un objeto a ciertas
distancias. El sensor es prácticamente los ojos del robot, detecta si un objeto está cerca y los
obstáculos que el entorno presenta.
3.3.2.1 Características:
Sensor de tecnología infrarroja IR
Distancia de detección de 50-70 cm
Rango de distancia desde el control (“Beacon”): 2mts
Recibe comandos infrarrojos remotos
Grafica Nº13
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.3.3 Sensor de luz o de color
El sensor de luz permite tomar muestra de luz mediante un bloque modificado que un extremo
trae un conductor electrónico y por el otro lado una cámara oscura que capta los colores. Esta
cámara es capaz de detectar la luces entre rangos 0,6 a 760 lux. El EV3 escala las medidas en
porcentajes de 0-100.
Grafica Nº14
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
37
3.3.3.1 Características:
Sensor digital
Distingue entre 7 diferentes colores y detecta ausencia de color
Funciona también como un sensor de luz
Puede ser usado en robots seguidores de línea.
Razón de muestreo de KHz
3.3.4 Sensor ultrasónico
Su principal función es detectar las distancias y el movimiento de un objeto que se interponga
en el camino del robot. Este sensor es capaz de detectar objetos que se encuentren desde 0 a
255 cm. Mediante el principio del eco, el sensor es capaz de recibir la información de los
distintos objetos que se encuentren en el camino de detención. El sensor funciona mejor
cuando las señales ultrasónicas que reciben, provienen de objetos que sean grandes, planos o
de superficies duras.
Grafica Nº15
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.3.4.1 Datos del sensor ultrasónico
El sensor puede proporcionar los siguientes datos:
Datos Tipo Alcance Notas
Distancia en
centímetros
Numérico Entre 0 y 255 Distancia al objeto en centímetros.
Distancia en
pulgadas
Numérico Entre 0 y 100 Distancia al objeto en pulgadas.
38
3.4 Servomotor
También llamado motor servo es un dispositivo similar a un motor de corriente continua que
tiene la capacidad de ubicarse en cualquier posición dentro de un rango de operación, y
mantenerse estable en dicha posición.
Un servomotor es un motor electrónico que consta con la capacidad de ser controlado, tanto en
velocidad como en posición.
Grafica Nº16
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.4.1 Características:
Velocidad de rotación de 240-250 rpm
Torque de giro de 8 N/cm (aproximadamente 17 oz/in)
Torque del eje de 12 N/cm
Especialmente para cargas de bajo poder y velocidades de reacciones rápidas
Sensor de rotación incluido
3.5 Cable de conexión USB
Mediante el USB permite la conexión entre el CPU y el robot.
Grafica Nº17
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
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3.5.1 Características
Cable USB-Mini
Cantidad por Kit: 1
Conecta el Brick a un PC para programar
Longitud de 1 metro
3.6 Funcionamiento del Lego Mindstorms EV3
Es un Software diseñado para emplear el Lego. Para programar Lego EV3 se necesita un
computador con procesador con sistema operativo Windows XP, con puertos USB y
bluetooth.
A continuación se muestra la barra de herramientas.
Grafica Nº18
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.6.1 Herramientas de acción
En esta barra se muestra todas las opciones de movimiento de servo motores y su respectiva
configuración.
Grafica N19
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
40
3.6.2 Herramientas de control de flujo
En esta barra de herramientas se muestra las herramientas de repetición como: case, while, etc.
Grafica Nº 20
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.6.3 Sensores
Se muestra herramientas que permiten controlar los diferentes sensores de robot, como son:
sensor de luz, sensor de color, sensor de contacto, sensor ultrasonidos, sensor infrarrojo, etc.
Grafica Nº 21
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.6.4 Herramientas para operaciones de datos
Se muestra todas las herramientas para realizar diferentes operaciones donde intervienen
datos.
Grafica Nº22
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
41
3.6.5 Herramientas de control avanzado
Muestra las herramientas para procesos avanzados, como son: control mediante bluetooth,
Wifi, infrarrojo, inalámbrica, etc.
Grafica Nº23
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.6.6 Mis bloques
Se muestra bloques creados para nuestra área de trabajo. Para poder crear estos bloques se
utiliza la herramienta seleccionar; y, se selecciona todos los bloques que desea encerrar con
un cuadro de selección.
Seleccione “Constructor de Mi Bloque” en el menú herramientas para iniciar digite un nombre
y describa brevemente el bloque.
Grafica Nº 24
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
42
Selecciona uno de los iconos “Mi Bloque” para identificarlo. En este ejemplo se muestra como
se convirtió el bloque. Todos los bloques que cree para su proyecto aparecerán en la planta
Mis Bloques.
Grafica Nº 25
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.7 Diseño
3.7.1 Pasos y casos para armar el cubo de Rubik
Paso 1: Cruz superior
Grafica Nº26 Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Un cubo de rubik está compuesto por seis caras de diferentes colores amarillo, azul, blanco,
rojo, verde y tomate; primero se elige con qué color se va a iniciar armar, como se muestra en
el grafico se inicia armando el color blanco y como se usa un cubo con colores estándares
terminaremos armando la parte amarilla, no hay un color fijo para iniciar el cubo se puede
comenzar con cualquier color.
43
En este paso se crear una cruz en la cara superior, de forma que los colores también coincidan
en las capas anexas. A continuación se explica cómo colocar cada una de las 4 aristas que
forman dicha cruz en su sitio.
Caso 1: Arista en la capa inferior con el blanco hacia abajo.
Grafica Nº 27 Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En este caso lo primero que se hace es, girar la capa inferior, colocar la arista justo debajo de
la posición donde debería estar. Una vez echo eso se gira 180 grados lateral donde este la
arista para colocar en su posición.
Caso 2: Arista en la capa inferior con el blanco hacia un lado.
Grafica Nº28
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se debe partir con la arista debajo de la posición donde debería estar.
44
Caso 3: Arista en la capa intermedia, se reduce a un caso anterior.
Grafica Nº 29
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En este caso simplemente se baja la arista a la capa inferior, sin deshacerlo.
Paso 2: Completar la capa superior
Grafica Nº 30
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Ahora se tiene que completar la primera capa, como en la gráfica se muestra. Para ello solo
hay que colocar los 4 vértices que faltan. No solo hay que poner el color blanco arriba, sino
también hay que procurar que coincidan los colores de las caras laterales.
Lo primero que se hace es buscar la capa de abajo, y girar estas hasta que dicho vértice quede
justo debajo de su posición. Una vez hecho esto se dará uno de los 3 casos siguientes.
45
Caso 1: El vértice tiene el color blanco en la cara frontal.
Grafica Nº 31
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En este caso movemos con la capa de abajo el vértice a la izquierda, bajamos el hueco a donde
va con la capa derecha, devolvemos el vértice a su sitio moviendo la capa de abajo a la
derecha y por último subimos el vértice con la capa derecha.
Caso 2: El vértice de color blanco en la cara derecha.
Grafica Nº 32
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Este caso es simétrico al anterior. Así que se mueve la capa de abajo el vértice a la derecha, se
baja el hueco a donde va con la capa frontal, se devuelve el vértice a su sitio moviendo la capa
de abajo a la izquierda y por último se sube el vértice con la capa frontal.
46
Caso 3: El vértice tiene el color blanco abajo.
Grafica Nº 33
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se gira la cara derecha bajando el hueco a donde debe ir la pieza (se va atrás), se gira la capa
de abajo 180º y se deshace el primer giro de la cara derecha. Ahora, tras poner el vértice bajo
su hueco, se puede aplicar el caso 2 para poner el vértice en su sitio.
Paso 3: Completar la segunda capa
Grafica Nº 34
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se coloca en su sitio 4 aristas. Como la parte de arriba ya está hecha, se gira el cubo dejando la
primera capa debajo. Ahora en la capa superior se busca una arista que pertenezca a la cara
central. Una vez localizada, se gira la cara superior hasta que la arista coincida en su lateral
con el centro de mismo color, es decir, hasta que se de alguno de los 2 casos que se muestra a
continuación.
47
Caso 1: La arista queda a la derecha del hueco donde va.
Grafica Nº 35
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Girando la cara de arriba 90º, se aleja la arista del hueco donde va, se gira la cara opuesta a la
arista (frontal) subiendo el hueco donde debería ir la arista. Se deshace el primer movimiento
acercando la arista a su hueco y deshace el segundo movimiento (se baja la frontal por la
derecha). Para terminar se mete este vértice como se explica en el paso 2.
Caso2: La arista queda al lado izquierdo donde va.
Grafica Nº 36
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Es simétrico al anterior, girando la cara de arriba 90º, se aleja la arista del hueco donde va,
ahora se gira la cara opuesta a la arista (derecha) subiendo el hueco donde debería ir. Se
deshace el primer movimiento acercando la arista a su hueco y se deshace el segundo
movimiento (se baja la derecha por el frontal). Para terminar se mete este vértice como se
explica en el paso dos.
48
Paso 4: Cruz en la última cara
Grafica Nº 37
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Para empezar se forma una cruz (en los ejemplos amarillos) en la última cara, pero sin
preocuparse porque coincida con las caras laterales. A veces con suerte se tendrá la cruz
hecha. Y si no, solo se puede dar alguno de los siguientes 3 casos:
Caso 1: Tenemos dos aristas opuestas bien orientadas.
Grafica Nº 38
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se coge el cubo de forma que las aristas correctas queden en la parte frontal y trasera de la
capa superior. Ahora se gira la capa derecha bajando su parte más cercana a nosotros, se gira
la frontal en sentido anti-horario y la de arriba en sentido anti-horario. Ahora se deshace estos
tres movimientos pero en distinto orden: se gira la capa frontal en sentido horario, la de arriba
en sentido horario y por último la capa derecha.
49
Caso2: Dos aristas “contiguas” están bien orientadas.
Grafica Nº39
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Lo primero que se hace es coger el cubo de forma que las aristas bien orientadas queden en la
parte izquierda y trasera de la capa superior. Se aplica 2 veces el movimiento explicado en el
caso 1 se terminará este paso.
Si se prefiere hacer en menos movimientos: se gira la cara derecha 90º bajando la parte más
cercana, se gira la cara de arriba en el sentido anti-horario y después la frontal en el sentido
anti-horario. Se devuelve a girar la de arriba ahora en sentido horario, la frontal en sentido
horario y por último la derecha subiendo la parte más cercana.
Caso 3: Todas las aristas están mal orientadas.
Grafica Nº 40
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
50
Simplemente se aplica el movimiento del caso 1 y quedará el caso 2. En este caso se gira la
cara superior 180º aplicando el movimiento del caso 2.
Paso 5: Extender la cruz a la última capa
Grafica Nº41
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Ahora se tiene que conseguir que la cruz coincida también con las caras anexas. Para ello lo
primero que se hace es girar la capa de arriba hasta que haya por lo menos 2 colores laterales
de dicha cruz en su posición correcta. En algunas ocasiones se puede poner así los 4 colores,
pero en la mayoría de los casos, solo se puede conseguir con dos colores, y entonces se tendrá
que resolver como en alguno de los dos siguientes casos:
Caso 1: Se consigue 2 aristas adyacentes colocadas en su sitio.
Grafica Nº 42
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se coge el cubo de forma que las aristas correctas queden en la parte frontal y derecha de la
capa superior. Ahora se gira la capa derecha bajando su parte más cercana se gira la de arriba
en el sentido anti-horario, girando la de la derecha hacia arriba, se girala de arriba de nuevo en
51
sentido anti-horario, se vuelve a bajar la de la derecha, ahora se da medio giro a la de arriba y
por último subimos la derecha. Ahora con un último giro en la capa superior se tiene la cruz
completada.
Caso 2: Seconsigue 2 aristas opuestas colocadas en su sitio.
Grafica Nº 43
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se coge el cubo de forma que las aristas correctas queden en la parte frontal y trasera de la
capa superior. Ahora nos basta con aplicar los movimientos del caso 1 a falta del último
movimiento (deshaciendo el último movimiento) y si se observa el cubo nos sale el caso 1.
Paso 6: Colocar los últimos vértices (sin orientar)
Grafica Nº 44
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En este penúltimo paso, se debe de colocar los 4 últimos vértices en su sitio, pero sin importar
si quedan como girados. Como se mira en la imagen, por ejemplo el vértice naranja-amarillo-
verde está en su sitio pero a falta de un giro. Se lo girará en el siguiente paso. Se puede dar
hasta 4 casos, aunque se puede reducir a los 2 primeros:
52
Caso 1: Un vértice está en su sitio y los otros 3 se deben intercambiar en sentido horario.
Grafica Nº 45
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En este caso lo primero que se hace es coger el cubo de forma que el vértice de la capa
superior que está en su sitio, quede en la posición frontal-derecha. Se gira entonces la capa de
la izquierda subiendo la parte más cercana hacia nosotros, se gira la capa superior en sentido
horario, subiendo la derecha y girado la superior en sentido anti-horario. Ahora se repite pero
bajando en vez de subiendo, es decir, se baja la izquierda, capa de arriba en sentido horario,
bajando la derecha y capa de arriba en sentido anti-horario.
Caso 2: Un vértice está en su sitio y los otros 3 se deben intercambiar en sentido anti-horario.
Grafica Nº 46
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
53
Ahora lo primero que se hace es coger el cubo de forma que el vértice de la capa superior que
está en su sitio, quede en la posición frontal-izquierda. El movimiento a aplicar ahora será
simétrico al del caso anterior, intercambiando derecha con izquierda y capa de arriba en
sentido horario con sentido anti-horario. Es decir, se gira la capa derecha subiendo la parte
frontal, girando arriba en sentido anti-horario, subiendo con la cara izquierda, arriba en sentido
horario, se baja por la derecha, arriba en sentido anti-horario, se baja por la izquierda, arriba en
sentido horario.
Caso 3: Los dos vértices traseros se deben intercambiar entre si y los dos frontales también. Si
no queremos aprendernos más movimientos, basta con aplicar primero alguno de los casos
anteriores, y fijarnos que podremos terminar este paso aplicando el otro caso. También se
puede resolver más rápido con el siguiente movimiento.
Grafica Nº 47
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se gira la capa frontal en sentido horario, repitiendo tres veces la secuencia "arriba horario,
frontal horario, arriba anti-horario, frontal anti-horario" y se gira la frontal en sentido anti-
horario.
Caso 4: Los vértices se deben intercambiar en cruz.
Si no se quiere aprender más movimientos, basta con aplicar primero alguno de los 2 primeros
casos, y fijarnos que podremos terminar este paso aplicando el otro caso. También se puede
resolver más rápido con el siguiente movimiento.
54
Grafica Nº48
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Se gira la cara frontal y trasera en el sentido de las agujas del reloj, se da media vuelta a la de
arriba y deshacemos los giros de la frontal y trasera. Se repite estos movimientos pero
empezando ahora por la capa derecha e izquierda en el sentido contrario de las agujas, media
arriba y deshacemos en la derecha e izquierda. Se termina ajustando con media vuelta arriba.
Paso 7: Girar los vértices para ¡terminar el cubo!
Grafica Nº49
Fuente: InvestigaciónBibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Gira los vértices para tener el cubo resuelto.
55
Forma:
Vamos a girar los vértices uno a uno. Siguiendo los siguientes pasos:
Se coge el cubo de forma que el vértice que se tiene que girar esté en la capa superior con la
derecha y la frontal.
Se aplica uno de los 2 movimientos justo explicados abajo.
Se debe proceder con el siguiente vértice. Para ello giremos la capa superior de forma que
el siguiente vértice que va a girar, pase a ocupar la posición arriba-frontal-derecha, es decir,
que esté justo donde está el que acaba de girar. IMPORTANTE: no girar el cubo entero, girar
solo la capa superior.
Ya se puede girar este vértice usando uno de los movimientos de abajo. Se continúa hasta
girar todos los vértices siguiendo el mismo proceso (girar cara superior y aplicar movimiento).
Por último, se gira la capa superior teniendo resuelto el cubo.
3.7.2. Diseño o diagrama general de configuración del dispositivo autómata que arma el
cubo de rubik
Grafica Nº50
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
56
El diagrama muestra la configuración del dispositivo autómata, el cual funciona de la siguiente
manera:
Cuando el programa inicia activa los sensores y servomotores para que el robot proceda
armar el cubo.
El sensor inflo arrojo detecta que el cubo este ubicado o no.
El sensor de luz detecta los colores del cubo de rubik.
El brazo robótico procede a mover el dado hacia delante y hacia atrás, y la base donde está
ubicado el dado lo mueve en forma circular para armar correctamente el cubo según como el
sensor de luz identifico los colores.
3.8 Construcción
3.8.1 Procesos de ensamblaje
En la imagen se muestra el esqueleto o soporte donde se van a ubicar o ensamblar los sensores
y servomotores del dispositivo.
Grafica Nº51
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Procedemos a ubicar la parte donde se ubica el cubo de rubik. Como se observa en la imagen
de abajo.
Grafica Nº52
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
57
Se ensambla el cerebro o ladrillo principal donde se programa para que el dispositivo funcione
correctamente.
Grafica Nº53
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Procedemos a ubicar el brazo robótico que está ubicado en la parte derecha como se muestra
en la imagen.
Grafica Nº54
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
58
Luego se ensambla el sensor de luz el cual proporciona al robot la capacidad de identificar los
colores del cubo de rubik.
Grafica Nº55
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
En la imagen se observa cómo quedanubicadas las partes del dispositivo para que pueda
realizar correctamente la función de armar el cubo de rubik con sus correspondientes sensores
y servomotores.
Grafica Nº56
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
59
3.9 Pruebas
Después delanálisis de dispositivo autómata y el software con el que se va a manipular, se
realizó pruebas con los debidos sensores.
3.9.1 Primera prueba- sensor de luz
El sensor de luz permite tomar muestra de luz mediante un bloque modificado que en un
extremo trae un conductor electrónico y por el otro lado una cámara oscura que capta los
colores.
Resultados
Terminando de realizar la prueba se obtuvo el resultado esperado y programado mediante el
software. En el siguiente grafico se observa como el sensor de luz detecto los colores de las
cuatro caras del cubo.
Grafica Nº 57
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.9.2 Segunda prueba- sensor de infrarrojo
Es utilizado para que detecte si el cubo está cerca y proceda el sensor de luz a detectar los
colores, con esto el brazo robótico procederá armar el cubo de rubik.
Resultados
Terminada la prueba se realizó los movimientos esperados sin ningún error. En el siguiente
grafico se observa cómose cumplió con éxito la función.
60
Grafica Nº 58
Fuente: Investigación Bibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
3.9.3 Tercera prueba- sensor de rotación
El sensor de rotación es utilizado para proporcionar el movimiento al brazo hacia adelante y
hacia atrás, movimiento que se estableció en nuestra programación.
Resultados
Terminando de realizar la prueba se obtuvo el resultado esperado en el brazo robótico sin
encontrar ningún error.
Grafica Nº 59
Fuente: InvestigaciónBibliográfica
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
61
3.10 Implementación
Una vez realizado el dispositivo se procede a programar en Lego Mindstorms EV3, el cual se
encarga de controlar el cerebro y realizar diferentes ejecuciones mediante los sensores y los
servomotores instalados en el Robot.
3.11 Validación de la propuesta
La validación de la propuesta se la realizo mediante la vía de expertos, los cuales son
Ingenieros de Sistemas, profesionales de trayectoria y con conocimientos técnicos en la
investigación realizada, ellos verificaron el correcto funcionamiento del dispositivo autómata
y en la ficha de validación hicieron consideraciones al mismo.
Validador 1.
Nº de cedula: 0401230370
Nombres y Apellidos: Hernán Javier Guancha
Título de mayor jerarquía: Ingeniero en Sistemas
Institución que labora: Uniandes – Tulcán
Cargo actual: Docente de tiempo completo
Años de servicio: 3 años
Experiencia profesional: 7 años
Validador 2.
Nº de cedula: 0401592514
Nombres y Apellidos: Daniel Paúl Rodríguez Guzmán
Título de mayor jerarquía: Ingeniero en Sistemas
Institución que labora: Uniandes – Tulcán
Cargo actual: Asistente de telemática
Años de servicio: 2 años
Experiencia profesional: 3 años
62
Validador 3.
Nº de cedula: 0401391545
Nombres y Apellidos: Cesar Andrés Cabascango
Título de mayor jerarquía: Ingeniero en Sistemas
Institución que labora: Uniandes – Tulcán
Cargo actual: Asistente de telemática
Años de servicio: 3 años
Experiencia profesional: Mantenimiento preventivo y correctivo de TI
3.11.1 Resultados de la validación de la propuesta
Una vez realizadas las respectivas validaciones mediante expertos de sistemas se obtuvo los
siguientes resultados:
Carácter científico
En el primer indicador de calidad se preguntó, por el carácter científico empleado en el
desarrollo de un dispositivo autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que
contribuya con la investigación tecnológica del área de robótica de la Universidad Uniandes
Tulcán, se obtuvo los siguientes resultados.
Indicador Muy Satisfactorio Satisfactorio Poco
Satisfactorio
No
Satisfactorio Total
Frecuencia 3 - - - 3
Porcentaje 100% - - - 100%
Tabla Nº 10
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis:
De acuerdo a la encuesta realiza a los expertos en el área de sistemas concuerdan que el rigor
aplicado al control de calidad de información tiene métodos científicos detallados, existentes y
fiables, permitiendo lograr los objetivos planeados.
63
Estructura metodológica
En el segundo indicador de calidad se preguntó, por la estructura metodológica utilizada en el
desarrollo de un dispositivo autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que
contribuya con la investigación tecnológica del área de robótica de la Universidad Uniandes
Tulcán, se obtuvo los siguientes resultados.
Indicador Muy Satisfactorio Satisfactorio Poco
Satisfactorio
No
Satisfactorio Total
Frecuencia 2 1 - - 3
Porcentaje 67% 33% - - 100%
Tabla Nº 11
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis:
Con los resultados obtenidos de la encuesta, se determina que el presente trabajo de
investigación, contiene procesos sistemáticos y variables establecidos, en donde se empleó la
encuesta como principal instrumento para el desarrollo de la investigación, permitiendo lograr
los objetivos planteados.
Organización de la telemática
En el tercer indicador de calidad se preguntó por la organización de la telemática utilizada en
el desarrollo de un dispositivo autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que
contribuya con la investigación tecnológica del área de robótica de la Universidad Uniandes
Tulcán, se obtuvo los siguientes resultados.
Indicador Muy Satisfactorio Satisfactorio Poco
Satisfactorio
No
Satisfactorio Total
Frecuencia 3 - - - 3
Porcentaje 100% - - - 100%
Tabla Nº 12
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
64
Análisis:
En la encuesta realizada se visualiza como el presente trabajo de gradodetermina la
organización de la temática del conocimiento, utilizado un gran esquema que relaciona los
objetivos con el fin de organización lógica.
Viabilidad para la aplicación práctica
Se preguntó por la viabilidad para la aplicación práctica del desarrollo de un dispositivo
autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que contribuya con la investigación
tecnológica del área de robótica de la Universidad Uniandes Tulcán, se obtuvo los siguientes
resultados.
Indicador Muy Satisfactorio Satisfactorio Poco
Satisfactorio
No
Satisfactorio Total
Frecuencia 3 - - - 3
Porcentaje 100% - - - 100%
Tabla Nº 13
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Análisis:
En relación a la encuesta se determina que la implementación de un dispositivo autómata es
primordial, ayuda a los estudiantes a tener nuevos conocimientos tecnológicos y mejora la
calidad vital de la institución mediante la implementación de un laboratorio robótico y
electrónico.
Actualidad
Se preguntó por la actualidad del desarrollo de un dispositivo autómata programado para la
solución del Cubo de Rubik que contribuya con la investigación tecnológica del área de
robótica de la Universidad Uniandes Tulcán, se obtuvo los siguientes resultados.
Indicador Muy Satisfactorio Satisfactorio Poco
Satisfactorio
No
Satisfactorio Total
Frecuencia 3 - - - 3
Porcentaje 100% - - - 100%
Tabla Nº 14
Fuente: Investigación de Campo
Elaborado por: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
65
Análisis:
Los expertos en el área de sistemas con conocimientos en robótica, concuerdan que la
elaboración de un dispositivo autómata es de vital importancia para la universidad, ya que
permitirá obtener una herramienta de calidad, incentivando a los estudiantes a desarrollar
nuevos robots.
3.12 Conclusiones parciales del Capítulo III
La complejidad de armar un cubo de Rubik hace que pocas personas lo hayan podido
completar, a diferencia del dispositivo autómata que lo ha terminado con éxito en tan solo
minutos.
Con la implementación de un dispositivo autómata que arma el cubo de Rubikse ve la
necesidad de implementar un laboratorio de robótica y electrónica en la Universidad, cuya
finalidad será incentivar a los estudiantes a crear sus propios robots.
En lo referente al robot las piezas son muy frágiles por ello hay que manipularlas con
mucha precaución.
Entorno a los resultados obtenidos se menciona la importancia de la elaboración del
dispositivo autómata, ya que permitirá tener una herramienta de calidad que servirá para
plasmas los conocimientos textuales de una manera práctica.
En la validación de la propuesta se obtuvo una escala valorativa de muy satisfactorio, y
entorno a su indicador de calidad se evidencia que la propuesta es innovadora ya que impulsa
el estudio y la creación de nuevos proyectos que fortalecerán el desarrollo tecnológico en la
sociedad.
66
CONCLUSIONES GENERALES
La robótica ayuda a desarrollar, implementar y mejorar nuevas tecnologías, ya que ofrece
a los estudiantes fortalecer sus conocimientos tecnológicos a través de la creación de
dispositivos autómatas programados.
En las encuestas se destaca la importancia del dispositivo autómata en la asignatura de
robótica, lo cual servirá de motivación a los estudiantes de la carrera de sistemas para que
diseñen más robots y obtengan un aprendizaje práctico y doctrinal.
En el desarrollo de la propuesta se realizó el ensamblaje de un dispositivo autómata que
arma el cubo de rubik y servirá como materia de investigación de la carrera de sistemas.
RECOMENDACIONES GENERALES
Se recomienda al director de la carrera de sistemas incentivar a la universidad para que se
firmen convenios interinstitucionales con otras universidades del Ecuador especializadas en la
materia, con el objeto de dictar talleres y capacitaciones en robótica y avances tecnológicos a
docentes y estudiantes de la carrera de sistemas.
Se ve necesario que la universidad cree un laboratorio de robótica con todos los equipos
necesarios, que sirva de espacio para exponer los robos creados, y para que los estudiantes
utilizando su ingenio y creatividad puedan construir los suyos propios.
Debido a los altos costos de los robots se recomienda a los responsables del área de
telemática y estudiantes tener un gran cuidado en la utilización de estos implementos porque
estos dispositivos son sensibles.
Se recomienda a los estudiantes que deseen hacer un proyecto similar, buscar
herramientas computacionales en el exterior donde el desarrollo robótico es avanzado, ya que
esto facilitaría el proceso de construcción del mismo en cuanto a diseño, programación y
desarrollo.
67
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en, http://es.wikipedia.org.wiki/Isaac_Asimov
69
70
Anexo
s
TABLA DE CONTENIDOS
ANEXO Nº 01: Carta de Aprobación de Tesis
71
ANEXO Nº 02: Perfil de Tesis
ANEXO Nº 03: Formulario de Encuesta
ANEXO Nº 04: Solicitud de Validación
ANEXO Nº 05: Ficha de Validación
ANEXO Nº 06: Manual de Usuario
ANEXO Nº 07: Manual Técnico
ANEXO Nº 08: Fotografías
ANEXO Nº 09: Artículo Científico
ANEXO Nº 01:Carta de Aprobación de Tesis
72
ANEXO Nº 02: Perfil de Tesis
73
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
Facultad De Sistemas Mercantiles
Carrera de Sistemas
PERFIL DE TESIS
Dispositivo autómata programado para la solución del cubo de rubik que contribuya
con la investigación tecnológica del área de robótica de Uniandes Tulcán.
Autora: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
Asesor: Ing. Darwin Becerra.
Tulcán - Ecuador
2014
INTRODUCCIÓN
Antecedentes de la investigación
Desde el año de la inversión del cubo de Rubik millones de personas han comprado este
74
rompecabezas tridimensional, con la intención de resolverlo, de las cuales la mayoría han
tenido dificultades en realizarlo, hasta algunas se han dado por vencido. Hoy en base a las
experiencias de las personas que lograron solucionar el cubo de Rubik se han podido
desarrollar diferentes formas que facilitan su resolución.
Cabe indicar que se revisaron tesis de grados y proyectos informáticos en la biblioteca de la
Universidad UNIANDES Tulcán, observando que hay temas similares al título de la presente
tesis, una de ellas la del Ingeniero Carlos Alfredo Palate Labre con el tema de “Robot
Inteligente que simule movimientos humanos”; cuyo objetivo fue desarrollar un robot que
simula movimientos humanos mediante sensores y motores, el cual facilito a los estudiantes
de la Universidad el conocimiento de este tipo de tecnologías usadas en la creación de robots
que nunca antes había sido desarrollado. Adicional a esto recalco que el presente tema es
nuevo en la Institución y no ha sido presentado anteriormente.
Planteamiento del problema
En la Universidad Regional Autónoma de los Andes “Uniandes” el principal problema
es que no existe un estudio en el área de robótica de manera práctica, por lo cual los
estudiantes no hacen uso de dispositivos autómatas únicamente se remiten a la
Doctrina.
En la actualidad existe una amplia gama de rompecabezas que requieren algún tipo
de estrategia para poder resolver, uno de los más conocidos es el cubo de rubik, este
rompecabezas presenta un interesante y complejo problema matemático que
simplemente no puede ser resuelto por la fuerza bruta, sino que requiere ingenio y
aplicación de un algoritmo para encontrar una solución. Es fácil identificar como el
ser humano emplea una de sus principales capacidades sensoriales como es el
sentido de la vista, para identificar los colores de las piezas del cubo y con el
complejo movimiento de las manos gira las caras del mismo para resolverlo.
Sin embargo la complejidad que hay en armar el cubo ha llevado a que técnicos en
sistemas y robótica creen dispositivos autómatas que brindan una mejor utilidad y
contribuyen al avance de la tecnología.
75
Formulación del problema.
¿Cómo contribuir al desarrollo investigativo y tecnológico en el área de robótica de la
carrera de sistemas de UNIANDES - Tulcán?
Delimitación del problema
Lugar: Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes-
Tulcán
Tiempo: Tiempo estimado para la tesis de grado es de 5 meces
desde abril hasta agosto del 2014.
Objetivo de investigación y de campo de acción
Objetivo de investigación: Procesos Informáticos
Campos de Acción: Robótica
Identificación de la línea de investigación
Automatización y control
Objetivos
Objetivo general
Desarrollar un dispositivo autómata programado para la solución del cubo de rubik
que contribuya con el desarrollo investigativo y tecnológico en el área de robótica de
la carrera de sistemas de Uniandes Tulcán.
Objetivos Específicos
Fundamenta teóricamente sobre el cubo de rubik, robótica, inteligencia artificial y
desarrollo investigativo tecnológico.
Diagnosticar el estado actual del dispositivo autómata programado que solucione el cubo de
rubik en el área de robótica de la carrera de sistemas de la universidad Uniandes Tulcán.
Determinar los elementos constitutivos del dispositivo autómata programado con el fin de
solucionar el cubo de rubik.
Validar la propuesta por la vía de expertos.
Idea a defender
Con el desarrollo del dispositivo autómata programado se aplica los conocimientos de
programación, robótica e inteligencia artificial que va a contribuir con la investigación en el
76
área de robótica en la universidad Uniandes Tulcán.
Justificación del Tema
Ante la carencia de estudios sobre robótica en la universidad Uniandes, se pensó en el
desarrollo de un dispositivo autómata programado que contribuya en el desarrollo de
aplicaciones tecnológicas e industriales en el ámbito local.
La propuesta de esta investigación está dirigida a la carrera de sistemas, ya que ayuda a la
institución y a los estudiantes en su desarrollo que permitirá el aporte de conocimientos en
robótica y el uso de nuevas tecnologías para que sirva de ayuda en casas abiertas dentro y
fuera de la institución.
Variables
Variable Independiente: Dispositivo autómata programado.
Variable Dependiente: Solución del cubo de rubik para el desarrollo de la investigación
tecnológica.
Metodología
Métodos
Breve explicación de la metodología investigativa
La presente tesis de grado se llevara a cabo bajo los paradigmas cuantitativo y cualitativo,
teniendo en cuenta algunos tipos de investigación tales como; descriptiva, bibliográfica, de
campo y aplicada. Además se empleara diferentes métodos de investigación de carácter
empírico y teórico del conocimiento.
Métodos empíricos: Entre los metidos empíricos de investigación a utilizar tenemos:
Observación científica
Este método se lo utiliza para detectar con precisión el problema de investigación y realizar la
propuesta de solución al mismo.
Validación por expertos
La validez se la realiza mediante expertos en el área de sistemas.
77
Métodos teóricos: Entre los principales métodos teóricos a emplearse tenemos:
Método analítico – sintético
Este método permite el análisis y la síntesis de los elementos teóricos relacionados con la
temática de la tesis de grado.
Método inductivo – deductivo
Este método parte de estudios generales para llegar a estudios particulares o viceversa. En la
presente tesis, su aplicación se basa en la elaboración del marco teórico, el mismo que se lo
hace de manera deductiva y el desarrollo de la propuesta de manera inductiva.
Método sistémico
Este método permite aplicar la teoría de sistemas de información en la elaboración y
estructuración del informe final de la tesis de grado.
Técnicas e instrumentos de investigación
Las técnicas para recopilación de datos a utilizarse son la encuesta y la entrevista. Para la
encuesta se utiliza el cuestionario o test y para la entrevista se emplea la guía de entrevista.
Metodología para el desarrollo del dispositivo autómata programado
Análisis y diseño
El objetivo de esta fase es desarrollar el diseño arquitectónico de los sistemas, utilizando los
requerimientos obtenidos. En el diseño arquitectónico se engloba dos componentes: los datos;
y, los procesos, los cuales serán analizados y diseñados desde una perspectiva conceptual a
una física.
Construcción
Desarrolla y organiza la infraestructura que permite cumplir las tareas de construcción de la
forma más productiva posible.
Pruebas
Da inicio a las diferentes unidades de diseño que han sido desarrolladas y probadas por
separado.
Resumen de la estructura de la tesis: breve explicación de los capítulos de la tesis.
Capítulo I. Marco Teórico:
78
En este capítulo se analizan todas las teorías utilizadas para la elaboración de la
presente tesis de grado.
Capítulo II. Marco metodológico:
Se refiere a la metodología de investigación utilizada en la ejecución de la presente
tesis.
Capítulo III. Desarrollo de la propuesta.
En este capítulo se detalla cómo está elaborado el dispositivo autómata, así como
las respectivas pruebas del mismo.
Aporte teórico, significación práctica y novedad científica
El aporte teórico de la tesis de grado, son los conceptos y los elementos constitutivos del
dispositivo autómata que solucione el cubo de rubik en la Universidad UNIANDES Tulcán.
La significación práctica aplicada en la presente tesis contribuye al desarrollo de la
investigación científica en el área de robótica que cumple un propósito en la facultad, el cual
es incentivar a los estudiantes en realizar sus propios robots para que sirva de ayuda en la
institución como un medio de investigación de nuevas tecnologías.
Novedad científica la propuesta radica en que la institución educativa, a través de
dispositivos autómatas mejore la carrera de sistemas, brindando a sus docentes y
estudiantes mayor apoyo práctico para la resolución de problemas mediante la
aplicación de la robótica.
ANEXO Nº 03: Formulario de Encuesta
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÒNOMA DE LOS ANDES “UNIANDES”
79
FACULTAD DE SISTEMAS MERCANTILES
ESCUELA DE SISTEMAS INFORMÁTICOS
OBJETIVO.- Diagnosticar la situación actual del proceso de investigación y
determinar el grado de aceptación para la solución del cubo de rubik para recopilar
información necesaria para analizar y justificar el presente tema de Tesis.
Encuesta dirigida a estudiantes de la Facultad de Sistemas de la Universidad
Regional Autónoma de los Andes, Tulcán.
Encuestadora: Jeniffer Daniela Acosta Paucar
1.- ¿Considera que la creación de un laboratorio de robótica en la Universidad seria?
o Oportuno
o Poco Oportuno
o Nada Oportuno
2.- ¿Le gustaría diseñar y programas su propio robot?
o SI
o NO
3.- ¿Considera que la robótica, contribuye con el desarrollo tecnológico y académico
en los estudiantes de Uniandes en la carrera de sistemas?
o Mucho
o Poco
o Nada
4.- ¿Usted como estudiante de la carrera de sistemas conoce los proyectos o tesis
de robótica que se han desarrollado en la Universidad?
o SI
o NO
80
5.- ¿Tiene conocimientos sobre los proyectos de robótica como su funcionalidad o la
programación que se ha utilizado?
o SI
o NO
6.- ¿Cómo estudiante de la carrera de sistemas le gustaría que se aplique
conocimientos de robótica e inteligencia artificial e la creación de sistemas robóticos?
o SI
o NO
7.- ¿La implementación de un dispositivo que solucione el cubo de rubik permitirá
utilizar estrategias integradoras para la enseñanza-aprendizaje de esta ciencia?
o Muy De acuerdo
o De Acuerdo
o Desacuerdo
ANEXO Nº 04: Solicitud de Validación
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
FACULDAD DE SISTEMAS MERCANTILES.
CARRERA DE SISTEMAS INFORMÁTICOS.
81
Ingeniero.
Hernán Javier Guancha.
Docente.
Presente.
De mis consideraciones:
Reciba un cordial y atento saludo. El motivo del presente, es para solicitarle de la
manera más comedida su valiosa opinión sobre Dispositivo autómata programado
para la solución del Cubo de Rubik que contribuya con la investigación tecnológica
del área de Robótica de Uniandes Tulcán.
Por su gentil colaboración con la presente, anticipo mis sinceros agradecimientos por
su gentil ayuda.
--------------------
Atentamente
Jeniffer Daniela Acosta Paucar
C.I Nº: 0401359054
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
FACULDAD DE SISTEMAS MERCANTILES.
CARRERA DE SISTEMAS INFORMÁTICOS.
Ingeniero.
Cesar Andrés Cabascango.
82
Docente.
Presente.
De mis consideraciones:
Reciba un cordial y atento saludo. El motivo del presente, es para solicitarle de la
manera más comedida su valiosa opinión sobre Dispositivo autómata programado
para la solución del Cubo de Rubik que contribuya con la investigación tecnológica
del área de Robótica de Uniandes Tulcán.
Por su gentil colaboración con la presente, anticipo mis sinceros agradecimientos por
su gentil ayuda.
--------------------
Atentamente
Jeniffer Daniela Acosta Paucar
C.I Nº: 0401359054
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
FACULDAD DE SISTEMAS MERCANTILES.
CARRERA DE SISTEMAS INFORMÁTICOS.
Ingeniero.
Daniel Paúl Rodríguez
Docente.
Presente.
83
De mis consideraciones:
Reciba un cordial y atento saludo. El motivo del presente, es para solicitarle de la
manera más comedida su valiosa opinión sobre Dispositivo autómata programado
para la solución del Cubo de Rubik que contribuya con la investigación tecnológica
del área de Robótica de Uniandes Tulcán.
Por su gentil colaboración con la presente, anticipo mis sinceros agradecimientos por
su gentil ayuda.
--------------------
Atentamente
Jeniffer Daniela Acosta Paucar
C.I Nº: 0401359054
ANEXO Nº 05: Ficha de Validación
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
FACULDAD DE SISTEMAS MERCANTILES.
CARRERA DE SISTEMAS INFORMÁTICOS.
Ficha de validación deldispositivo autómata programado para la solución del Cubo de
Rubik que contribuya con la investigación tecnológica del área de robótica de
universidad Uniandes Tulcán
84
Datos Informativos:
Nº de cédula:…………………………………………………………………..
Nombres y Apellidos:………………………………………………………….
Título de mayor jerarquía:…………………………………………………….
Institución que labora:…………………………………………………………
Cargo Actual:…………………………………………………………………..
Años de servicio:……………………………………………………………....
Experiencia profesional:……………………………………………………....
Objetivo:
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
…………………………………………………………………………………………..
Orientaciones:
Marque con una X en la tabla en el casillero que usted estime conveniente, tomando
en cuenta la siguiente escala valorativa:
4: Muy Satisfactorio.
3: Satisfactorio.
2: Poco Satisfactorio.
1: No Satisfactorio.
Tabla para Registrar los Valores de la Validación de la Propuesta.
Nº Indicador de Calidad 4 3 2 1
1 Carácter Científica
85
2 Estructura Metodológica.
3 Organización de la Temática.
4 Viabilidad para la aplicación Práctica.
5 Actualidad.
Por favor indique otro aspecto que usted considere interesante de la propuesta:
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
____________________
Firma del Validador
Cédula Nº:…………....
ANEXO Nº 06: Manual de Usuario
MANUAL DE USUARIO
En la presente tesis de grado se ha utilizado el lenguaje de programación EV3-G.,
con características gráficas, mediante este lenguaje se ha utilizado los siguientes
sensores:
86
Sensor Ultrasónico
El sensor ultrasónico pude medir la distancia de un objeto que se encuentre frente a
él, lo hace enviando ondas sonoras y mide cuánto tarda el sonido en reflejarse y
volver al sensor. Puede medir la distancia de un objeto en centímetros o en
pulgadas. Se utiliza para detectar si el cubo está ubicado o no en el dispositivo.
También se puede utilizar el sensor para detectar si hay otro sensor ultrasónico
funcionando cerca. Por ejemplo, puede utilizarse para detectar la presencia de otro
robot que ha utilizado un sensor ultrasónico. En este modo “solo escuchar·, el sensor
recibe señales de sonido pero no las envía.
Datos del sensor ultrasónico
El sensor ultrasónico puede proporcionar los siguientes datos:
Datos Tipo Alcance Notas
87
Distancias en
centímetros Numérico Entre 0 y 225 Distancia al objetivo en centímetros
Distancia en pulgadas Numérico Entre 0 y 100 Distancia al objeto en pulgadas
Ultrasónico detectado Lógico
Verdadero/Fals
o
Verdadero si se detecta otro sensor
ultrasónico.
Sensor de color
El Sensor de color puede detectar el color o la intensidad de la luz que entra por la
pequeña ventana en el frente del sensor. El Sensor de color puede usarse en tres
modos diferentes: Modo Color, Modo Intensidad reflejada y Modo Intensidad
ambiental.
Modo de Color
Modo Intensidad reflejada
Modo Intensidad ambiental
Modo de Color
88
El sensor de color puede detectar el color de un objeto cercano o el color de una
superficie cerca del sensor. Puede usar el modo color para detectar, por ejemplo,
detectar los colores del Cubo de Rubik.
El sensor puede detectar siete colores diferentes: negro, azul, verde, amarillo, rojo,
blanco y tomate. Algunos de estos colores se pueden mesclar por ejemplo el color
tomate con el color rojo, el amarillo con el blanco y el verde con azul.
Datos del sensor de color
El Sensor de color puede arrojar los siguientes datos:
Datos Tipo Alcance Notas
Color Numérico Entre 0 y 7
Utilizado en el modo Color.
0 = Sin color , 1 = Negro, 2 = Azul, 3 = Verde,
4 = Amarillo, 5 = Rojo, 6 = Blanco, 7 = Tomate
Luz Numérico Entre 0 y 100
Utilizado en los modos Intensidad de la luz reflejada e Intensidad de la luz ambiental. Mide la intensidad de la luz como porcentaje, 0 = oscuro, 100 = brillante.
Sensor de Rotación del Motor
89
El prototipo que se ha programado con EV3-G es armar un cubo de Rubik que
presenta la siguiente función:
Moverse el dado para que el sensor de color identifique
los colores
Esta función motriz se realiza con el objetivo de que el robot atrape el dado, para que
mueva y que el sensor de color identifique los colores del dado y así sucesivamente
hasta que todos los colores estén identificados para que pueda armar el dado y así
realizar las siguientes acciones:
Control del brazo para coger o soltar el cubo de Rubik.
Movimiento del brazo hacia delante y hacia atrás.
De esta forma el dispositivo robótico puede armar el Cubo de Rubik y seguir una
línea continua mediante el lenguaje de programación EV3-G.
90
Diagramas de programación EV3-G
El ladrillo o cerebro controlador del robot oruga presenta los siguientes puertos:
Puertos A, B, C, D que son puertos de salida; es decir, en
estos puertos se conectan los servomotores.
Puertos 1, 2, 3, 4 que son puertos de entrada; es decir,
aquí se conectan los sensores de color y ultrasónico.
En la configuración del robot que arma el Cubo de Rubik se configura los puertos A,
B para los servomotores grandes, el puerto D para el servomotor pequeño, el puerto
1 para el sensor ultrasónico y el puerto 2 para el sensor de color.
Diagrama General de Configuración del dispositivo autómata programado para la
solución del Cubo de Rubik
91
ANEXO Nº 07: Manual Técnico
Manual Técnico
En la presente tesis se ha utilizado una programación en ladrillo o cerebro EV3 de
Mindstorms, el cual controla 3 servomotores, 1 sensor ultrasónico y 1 sensor de
color, es un dispositivo de alto rendimiento que sirve para crear diversos proyectos
de manera didáctica.
A continuación se presenta los esquemas electrónicos del cerebro EV3
conjuntamente con los diagramas de los sensores.
92
93
Sensor de Luz
94
ANEXO Nº 08: Fotografías
Primero encendimos el Lego EV3 para que funcione correctamente como se muestra
en la imagen.
Insertamos el cubo como lo manda en la pantalla LCD.
95
En esta imagen muestra como el sensor de luz identifica los colores de las cuatro
caras del cubo de rubik, para luego proceder armarlo.
En esta imagen se muestra como el brazo robótico mueva el cubo de rubik para
proceder ármalo, ese movimiento lo realiza varias veces para que el cubo este
armado correctamente.
96
Como se observa en la imagen el cubo de rubik está armado correctamente.
En la pantalla LCD se muestra los movimientos y el tiempo que se demoró el
dispositivo para armar el cubo de rubik, como se observa en la imagen.
97
ANEXO Nº 09:Artículo Científico
98
UNIVERSIDAD REGIONAL AUTÓNOMA DE LOS ANDES
“UNIANDES”
ROBÓTICA
Tema
Dispositivo autómata programado para la solución del Cubo de Rubik que contribuya
con la investigación tecnológica del área de Robótica de Uniandes Tulcán
Autora:Acosta Paucar Jeniffer Daniela
Tulcán - Ecuador
2014
Resumen del proyecto
El presente trabajo contiene información sobre el desarrollo y programación de un dispositivo
autómata, el cual contribuirá con el proceso de aplicaciones tecnológicas en la carrera de
sistemas en Uniandes Tulcán, las bases para esta investigación son la automatización, control
99
y robótica, la cual apoyara a que estudiante y docentes a través de la creatividad y el intelecto
construyan nuevos y mejores dispositivos tecnológicos. El presente trabajo está dividido en
tres capítulos:
El primer capítulo contempla el marco teórico el cual contiene conceptos básicos de robótica
y análisis de las distintas posiciones teóricas.
En el segundo capítulo se desarrolla el marco metodológico utilizando la investigación
bibliográfica de campo y aplicada, como los métodos empíricos y los métodos teóricos tales
como observación científica, validación por expertos, analítico – sintético, inductivo –
deductivo; y, sistémico, entre las técnicas de investigación se aplica las encuestas a
estudiantes de la carrera de sistemas de la Universidad Autónoma de los Andes sede Tulcán,
además se analizaron e interpretaron los datos obtenidos aquellos que están plasmados en las
conclusiones y recomendaciones.
En el tercer capítulo se desarrolla la propuesta a través de un análisis de
requerimientos lo cual contribuyo al desarrollo del proyecto, este finaliza con la
validación por expertos, conclusiones y recomendaciones generales, bibliografía y
anexos.
Palabras claves: Robótica, dispositivo autómata programado.
Resumen del proyecto - INGLES
100
Introducción
Durante el siglo XX, y gracias al considerable avance tecnológico aparecen
progresivamente diversos tipos de sistemas artificiales de apariencia antropomórfica,
conocidos con el nombre de robots. Si bien hasta la fecha los robots han permitido
101
una automatización elevada de tareas simples y repetitivas en procesos industriales
y otras áreas, la construcción de robots que muestren un determinado grado de
inteligencia humana es todavía un problema abierto.
Un robot considerado inteligente deberá ser una máquina autónoma capaz de extraer
selectivamente información de su entorno y utilizar el conocimiento sobre el mundo
que le rodea para moverse de forma segura, útil e intencionada.
En la actualidad existe una amplia gama de rompecabezas que requieren algún tipo
de estratega para poder resolverlo, uno de los más conocidos es el cubo de Rubik.
Este rompecabezas presenta un interesante y complejo problema matemático que
simplemente no puede ser resuelto por la fuerza bruta, sino que requieren ingenio y
aplicación de un algoritmo para encontrar una solución.
El ser humano emplea una de sus principales capacidades sensoriales como es el
sentido de la vista, para identificar los colores de las piezas del cubo, y con el
complejo movimientos de las manos gira las caras del cubo para resolverlo.
El propósito del proyecto es lograr una aplicación en el desarrollo de procesos
industriales, capaz de mover y ejecutar de forma automática acciones diversas,
siguiendo un programa establecido, aportando conocimientos de robótica, electrónica
e inteligencia artificial.
En así que al no haber un proyecto con tales características surge la necesidad de
darle una solución al cubo de rubik mediante un dispositivo autómata que contribuya
con el desarrollo de la investigación científica y tecnológica.
Métodos y tipos de investigación utilizados
En el presente proyecto se utilizó la modalidad cuantitativa y cualitativa, la
investigación bibliográfica, de campo y aplicada, los métodos empíricos y teóricos, la
102
observación científica, la validación por expertos, los métodos analítico – sintético,
inductivo – deductivo; y, sistémico, entre las técnicas de investigación se aplicó las
encuestas a estudiantes de la carrera de sistemas de Uniandes Tulcán.
Esta investigación permitió resolver el problema planteado a través de la creación de
un robot autómata que arma un cubo de rubik y ha sido desarrollado con el fin de
que los estudiantes se incentiven en desarrollar nuevos proyectos que les permita
fortalecer sus conocimientos a través de la práctica.
Estudio
La necesidad de elaborar un robot autómata que solucione el cubo de rubik en la
carrera de Sistemas de la Universidad Regional Autónoma de los Andes Uniandes
fue debido a que ninguna institución de nivel superior de la ciudad de Tulcán ha
desarrollado este tipo de máquinas, viendo así la necesidad de elaborarla.
Como antecedentes cabe resaltar que en nuestra institución fueron elaborados
diferentes proyectos de robótica similares, sin embargo el presente proyecto es
novedoso y no ha sido desarrollado antes.
Una de las causas para elaborar este robot autómata es el aporte de nuevos
conocimientos teóricos y prácticos tanto para estudiantes como para docentes de la
institución educativa.
Evolución
La robótica ha evolucionado hacia los sistemas móviles autónomos,aquellos que son
capaces de desenvolverse por sí mismo en entornos desconocidos y parcialmente
cambiantes sin necesidad de supervisión.
La robótica tiene sus orígenes hace miles de años, desde el principio de los tiempos
el ser humano ha deseado crear vida artificial, seres que realicen sus respectivas
tareas fáciles o difíciles.
Los primeros robots construidos, en la tierra, eran modelos poco avanzados, en una
época donde la robo-psicología no estaba muy bien desarrollada, estos robots
103
podían ser enfrentados a situaciones en las cuales se vieran en un conflicto con sus
leyes, una de las situaciones más sencillas se da cuando un robot debe dañar a un
ser humano para evitar que dos o más sufran daño.
Estructura de un robot
La estructura de un robot es el conjunto de elementos mecánicos que le dan forma y
soporte a un robot entre los que se destacan:
El sistema sensorial, compuesto por los sensores que recogen
información acerca del estado del propio robot y de su entorno.
El sistema de accionamiento, compuesto por los elementos actuadores motores, por
ejemplo que permiten llevar a cabo las acciones programadas.
La unidad de control, formada por los elementos computacionales y el software que regulan
el comportamiento global del robot.
Los robots tienen diferente tipos de estructura y funcionamiento dependiendo para que sean
diseñados.
Funcionamiento de un robot
La automatización es un sistema donde se transfieren tareas de producción,
realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos
tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales:
Parte de mando
Parte operativa
Parte de mando
La parte de Mando suele ser un autómata programable (tecnología programada). Es
un sistema de fabricación automatizado programable está en el centro del sistema.
Parte operativa
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Es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen
que la maquina se mueva y realice las operaciones deseadas. Los elementos que
forman la parte operativa son los accionadores de la maquinas como motores,
cilindros, compresores y los captadores como fotodiodos.
Sensores
Un sensor es un dispositivo capaz de detectar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, y transformarlas en variables eléctricas. Un
sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto
con la variable de instrumentación con lo que puede decirse también que es un
dispositivo que aprovecha una de sus propiedades con el fin de adaptar la señal que
mide para que la pueda interpretar otro dispositivo. Un sensor también puede decirse
que es un dispositivo que convierte una forma de energía en otra.
Los sensores pueden estar conectados a un computador para obtener ventajas como
son el acceso a una base de datos, la toma de valores desde el sensor, etc.
Diseño global
En el diseño se define el proceso de aplicar ciertas técnicas y principios con el propósito de
definir un dispositivo, un proceso o sistema, con suficientes detalles como para emitir su
interpretación y realización física.
Se encuentra 4 actividades:
Analizar y diseñar procesos: En las operaciones del negocio y los requerimientos de
funcionamiento, se toma en cuenta el propósito de determinar la forma en que debe funcionar
el sistema.
Analizar y diseñar los datos: Con los requerimientos de información se debe organizar los
distintos modelos de datos que nos ayudan a diseñar la base de datos que hagan falta para que
el sistema funcione de acuerdo al modelo de funcionamiento.
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Diseñar y organizar los componentes físicos: Todo componente físico como plantilla, base
de datos hacen posible el funcionamiento del sistema de acuerdo al modelo de
funcionamiento.
Planificar el desarrollo de los componente físicos: Actividad en la cual planificamos la
forma en que pueden ser construidos e implementados los componentes físicos de una forma
rápida y productiva.
Construcción del prototipo
Dentro de esta fase de construcción existen diferentes actividades:
Dentro de infraestructura: Se desarrolla y organizara la infraestructura que permite
cumplir las tareas de construcción en la forma más productiva posible.
Adaptación de paquetes: Cada componente del paquete será revisado en forma exhaustiva
por el equipo analista- usuario, con el fin de conocer y comprender todos los aspectos del
paquete.
Desarrollo de unidades de diseño interactivas: Las unidades de diseño interactivas, son
procedimientos que se cumplen o se ejecutan a través de un dialogo usuario/ sistema.
Desarrollo de unidades de diseño manuales: Incluyen las tareas que se ejecutan en forma
manual que se incluyen dentro de los procedimientos administrativos. Las actividades tienen
como objetivo central del desarrollo todos los procedimientos administrativos que rodean y
gobernarán la utilización de los componentes computarizados desarrollados en la fase de
diseño detallado y construcción.
Refinamiento del prototipo
En esta fase, las diferentes unidades de diseño han sido desarrolladas y probadas por separado.
Durante su desarrollo, el sistema se emplea de forma experimental para asegurar que el
software no falle y funcione de acuerdo a sus especificaciones de la manera que los usuarios
esperan que lo haga, de esta forma es posible poder detectar cualquier anomalía, antes de que
el sistema sea puesto en marcha. Para evaluar el desenvolvimiento del sistema, en esta fase se
llevan a cabo varios niveles de prueba.
Funcionalidad: Prueba desde el punto de vista de los requerimientos funcionales.
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De sistema: Prueba desde el punto de vista de los niveles de calidad del sistema y de
desempeño.
De integración: Prueba de interfaces
De aceptación técnica: Prueba de manejo de condiciones eternas.
Si el sistema cumple de forma satisfactoria con estos niveles mencionados anteriormente, se
procede a realizar la carga de los archivos, base de datos y tablas del nuevo sistema, para de
esta forma dar inicio al proceso de aceptación final, durante el cual, el sistema comenzara a
funcionar bajo la responsabilidad del usuario.
Sistema terminado y resultados
Luego de haber finalizado toda la fase de construcción e implementación del
dispositivo autómata y de realizar las pruebas necesarias al software el sistema
termina y el robot es capaz de armar el cubo de rubik de una forma sencilla y ágil,
este dispositivo demora en ejecutarse tan solo unos minutos.
Primero seprende el dispositivo y luego el sensor infrarrojo verifica la ubicación del
cubo, posterior a ello el sensor de luz idéntica los colores del dado, para una mejor
ejecución es preferiblemente realizar las pruebas en un espacio donde haya poca
luz, terminada esta fase el brazo robótico comienza hacer los movimientos para
proceder armar hasta que finalmente la pantalla del Lego EV3 indicará los
movimiento realizados y tiempo utilizado.
Discusión
La tecnología ha jugado un papel trascendental en las sociedades de todas las épocas, ha
surgido de la motivación del hombre a superarse y encontrar formas para mejorar su calidad
de vida. Así mismo, la tecnología ha enriquecido la educación y el talento de las personas, ha
despertado su interés de investigación y su inquietud de innovación.
El mundo se está transformando rápidamente, y con él todas las actividades
humanas. La rapidez con que se producen algunos de estos cambios que se dan a
todo nivel, tanto en la esfera científica como tecnológica, geográfica, política y moral,
ha impactado y obligado a hacer importantes esfuerzos de adaptación y
actualización.
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La revolución tecnológica ha permitido que no existan barreras geográficas a través
de la utilización de la tecnología actual basada en electrónica y robótica. Existe un
intercambio cultural entre todos los seres humanos. Las naciones tienen tendencia
hacia la implementación y uso de las últimas tecnologías y por ende dar paso a la
automatización de varios sectores socioeconómicos aumentando la seguridad
ciudadana y reduciendo costos.
Estamos viviendo en una sociedad del conocimiento e información, esto obliga a que
las empresas e instituciones se organicen; los países que no se involucren en este
cambio permanecerán desconectados.
Países desarrollados prosperan, dejando a los pequeños fuera de competencia, ya
que sus multinacionales crecen mientras quiebran las empresas nacionales,
provocando desempleo, dando lugar a mano de obra de bajo costo, ya que las
industrias contratan más inmigrantes a los que les pagan salarios menores.
Las brechas digitales, son las barreras que tiene que vencer la sociedad de la
información, existen siempre desigualdades, hay países desarrollados que tienen
acceso a la tecnología, crean proyectos tecnológicos importantes que involucran
electrónica y robótica, y otros países subdesarrollados que les falta infraestructura
por lo que este tipo de proyectos son inaccesibles, esto provoca un retraso tanto a
nivel tecnológico como también a nivel económico, cultural, social, político, de
formación y en el aspecto educativo que es el reflejo de los pueblos.
Nos acercamos aceleradamente al nuevo milenio. Los cambios ya se vislumbran y
llegarán otros que ni siquiera nos imaginamos. Tenemos que prepararnos para ese
nuevo entorno lleno de oportunidades, pero también de incertidumbre.
Impacto
La robótica es una tecnología, que surgió con el transcurso del tiempo, ha impactado
prácticamente en todos los aspectos relacionados con la humanidad, no solo
contribuye con el mejoramiento de la tecnología, sino también con la educación lo
cual han pasado a formar parte culturar de la gente.
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En la actualidad, este tema trae mucha controversia e interés en la humanidad, ya
que los robot cada día que pasa avanza la tecnología que podrían llegar hacer robots
que realicen todas las actividades del ser humano en el ámbito público de nuestra
sociedad, ya que en otros países los utilizan como pruebas para ver su
funcionamiento o si está capacitado en realizar las mismas actividades del ser
humano.
Conclusiones
Con la implementación de un robot autómata que arme el cubo de rubik, se incentiva
a que estudiantes y docentes en el ámbito de la investigación realicen diferentes
dispositivos programados que contribuyan con el avance tecnológico.
Es oportuno y necesario para los estudiantes y docentes de la
carrera de sistemas en la Universidad Regional Autónoma de los
Andes sede Tulcán crear un laboratorio de robótica, en donde
los estudiantes obtengan nuevos conocimientos en programación
y en nuevas líneas de investigación para el desarrollo de
proyectos.
En la Universidad Regional Autónoma de los Andes extensión
Tulcán, se ha determinado que la institución cuenta con muy
pocos proyectos o temas de investigación acerca de la
construcción, programación e implementación de robots en el
campo educativo, lo cual hace necesario que los docentes
incentiven a los estudiantes para diseñar más robots que les
permitan desarrollar su creatividad y aplicar sus
conocimientos.
Recomendaciones
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Se recomienda a la universidad crear un laboratorio de
robótica para que los estudiantes pueden realizar prácticas, e
incentivar las casas abiertas dentro y fuera de la institución,
donde los proyectos no solo queden archivados sino que sirvan
para vincularse con la colectividad.
Implementar cursos de actualización en el área de robótica,
electrónica e inteligencia artificial a docentes de la carrera
de sistemas, para fortalecer sus conocimientos y contribuir a
que se imparta de una mejor manera la cátedra asignada.
Impartir talleres de electrónica y robótica a los
estudiantes de la carrera de sistemas para que adquieran
conocimientos básicos y se orienten al manejo y desarrollo de
proyectos en esta área.