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Desarrollo de Proyectos Educativos utilizando Robots Lego Mindstorms
Presenta
M en C. José Manuel Romero Orta
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Contenido Historia
de la Robótica
Clasificación de los Robots
Robótica Educativa
Tecnología Lego Mindstorms
Ejemplo de Proyecto
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Contenido Historia
de la Robótica
Clasificación de los Robots
Robótica Educativa
Tecnología Lego Mindstorms
Ejemplo de Proyecto
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Historia de la Robótica La robótica como hoy en día la conocemos, tiene sus orígenes hace miles de años.
Desde el principio de los tiempos, el hombre ha deseado crear vida artificial. Se ha empeñado en dar vida a seres artificiales que le acompañen en su morada, seres que realicen sus tareas repetitivas, tareas pesadas o difíciles de realizar por un ser humano.
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….continuación Durante los siglos XVII y XVIII en Europa fueron construidos muñecos mecánicos muy ingeniosos que tenían algunas características de robots.
Jacques de Vauncansos construyó varios músicos de tamaño humano.
Henri Maillardert construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos.
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….continuación Hubo otras invenciones mecánicas durante la revolución industrial, creadas por mentes de igual genio, muchas de las cuales estaban dirigidas al sector de la producción textil:
La hiladora giratoria de Hargreaves (1770).
La hiladora mecánica de Crompton (1779).
El telar mecánico de Cartwright (1785).
El telar de Jacquard (1801).
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….continuación La palabra Robot fue utilizada por primera vez en el año de 1921 por el escritor checo Karel Capek (1890-1938) en su obra Rossum´s Universal Robot (R.U.R) presentada en el teatro nacional de Praga. Su origen es la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada.
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…continuación Pero fue el escritor americano de origen ruso Isaac Asimov (1920-1992) quien dio mayor impulso a la palabra robot.
En 1945 publicó en la revista Galaxy Science Fiction, en la que define por primera vez las tres leyes de la robótica :
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…continuación
Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción, permitir que un ser humano sufra daño.
Un robot a de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley.
Un robot debe de proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera o segunda ley.
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…continuación Actualmente, la mayoría de la sociedad asocia la palabra robot con cualquier máquina hecha por el hombre que desarrolle el trabajo y tareas pertenecientes a los humanos. Para la Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA), los robots son dispositivos capaces de moverse de modo flexible análogo al que poseen los organismos vivos, con o sin funciones intelectuales, permitiendo operaciones en respuesta a las órdenes humanas.
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…continuación Para el Instituto de Robótica de América (RIA), un robot industrial es un manipulador multifuncional y reprogramable diseñado para desplazar materiales, componentes, herramientas o dispositivos especializados por medio de movimientos programados variables con el fin de realizar tareas diversas.
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Clasificación
de los Robots
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Clasificación de los Robots Los robots han sido clasificados de acuerdo a :
Su generación
Su nivel de inteligencia
Su nivel de control
Su nivel de lenguaje de programación.
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Clasificación por generaciones La generación de un robot se determina por el orden histórico de desarrollos en la robótica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales.
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Clasificación por generaciones 1º Generación: El sistema de control está basado en la “paradas fijas” mecánicamente. Como ejemplo de esta primera etapa están los mecanismos de relojería que mueven las cajas musicales o los juguetes de cuerda.
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Clasificación por generaciones 2º Generación: El movimiento se controla a través de una secuencia numérica almacenada en disco o cinta magnética. Por regla general, este tipo de robots se utiliza en la industria automotriz y son de gran tamaño.
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Clasificación por generaciones 3º Generación: Utilizan las computadoras para su control y tienen cierta percepción de su entorno a través del uso de sensores. Con esta generación se inicia la era de los robots inteligentes y aparecen los lenguajes de programación para escribir los programas de control.
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Clasificación por generaciones 4º Generación: Se trata de robots altamente inteligentes con más y mejores extensiones sensoriales, para entender sus acciones y captar el mundo que los rodea. Incorporan conceptos “modélicos” de conducta.
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Clasificación por generaciones 5º Generación: Actualmente en desarrollo. Esta nueva generación de robots basará su acción principalmente en modelos conductuales establecidos.
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Clasificación por nivel de inteligencia
1.- Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.
2.- Robots de secuencia arreglada.
3.- Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia fácilmente.
4.- Robots regeneradores, donde el operador humano conduce el robot a través de la tarea.
5.- Robots de control numérico, donde el operador alimenta la programación del movimiento, hasta que se enseñe manualmente la tarea.
6.- Robots inteligentes, los cuales pueden entender e interactuar con cambios en el medio ambiente.
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Clasificación por nivel de control
1.- Nivel de IA, donde el programa aceptará un comando como "levantar el producto" y descomponerlo dentro de una secuencia de comandos de bajo nivel basados en un modelo estratégico de las tareas.
2.- Nivel de modo de control, donde los movimientos del sistema son modelados, para lo que se incluye la interacción dinámica entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas, y los puntos de asignación seleccionados.
3.- Niveles de servosistemas, donde los actuadores controlan los parámetros de los mecanismos con el uso de una retroalimentación interna de los datos obtenidos por los sensores, y la ruta es modificada
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Clasificación por nivel de lenguaje de programación
1.- Sistemas guiados, en el cual el usuario conduce el robot a través de los movimientos a ser realizados.
2.- Sistemas de programación de nivel-robot, en los cuales el usuario escribe un programa de computadora al especificar el movimiento y el sensado.
3.- Sistemas de programación de nivel-tarea, en el cual el usuario especifica la operación por sus acciones sobre los objetos que el robot manipula.
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Robótica
Educativa
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Robótica Educativa
Es una disciplina que tiene por finalidad fomentar un ambiente de aprendizaje innovador para los estudiantes, donde ellos pueden diseñar, desarrollar, programar pequeños robots educativos y poner en práctica diferentes proyectos que le permiten resolver problemas prácticos y le facilita al mismo tiempo, cierto aprendizaje.
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….. continuación El diseño, desarrollo y programación de robots es hoy en día una tarea relativamente sencilla que debe de incorporarse en las aulas desde los primeros niveles de la escolarización. Los estudiantes que participan en estos ambientes de aprendizajes presentan logros tales como:
Desarrollan estrategias para la solución de problemas. Utilizan el método científico par probar y general nuevas hipótesis sobre la solución, de manera experimental y natural.
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….. continuación
Construyen un vocabulario técnico relacionado con las nuevas tecnologías y construyen sus propias concepciones acerca del significado de cada objeto que manipulan.
A
si mismo, desarrollar la capacidad de trabajo colaborativo; educarlos para que puedan trabajar en equipos y tomar decisiones, aclarando, discutiendo y respetando las ideas de los demás.
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….. continuación El uso de la robótica educativa en el ámbito curricular de la enseñanza es una exigencia de los nuevos tiempos, tanto para complementarlo, como para potenciar un modelo de enseñanza aprendizaje más activo y dinámico.
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Tecnología
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Tecnología Lego Mindstorms ¿Qué es LEGO-Mindstorms?
Imagina poder construir un robot completo, con sensores, motores, engranajes, reductoras, estructuras, poder programarlo y configurarlo, y todo sin soldar, grapinar, taladrar, pegar o taladrar tornillos. Pues eso es LEGOMindstorms, una forma fácil y sencilla de aprender robótica y construir tu propio robot.
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….. continuación
Lego Mindstorms fue uno de los resultados de la fructífera colaboración entre Lego y el MIT.
El fruto de esta colaboración fue el desarrollo del MIT Programmable Brick (Ladrillo programable).
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….. continuación Desde nuestro punto de vista los componentes más importantes de Lego Mindstorms NXT son la Unidad de Control basada en microcontrolador, los sensores electrónicos y los actuadores.
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….. continuación La unidad de control, definida como ladrillo inteligente NXT, es el cerebro de los robots Mindstorms. Características Principales: • Microcontrolador ARM7 de 32 bits • 256 Kb de memoria Flash • 64 Kb de RAM externa • Conexión Bluetooth y USB • Capacidad para conectar distintos sensores • Capacidad de conectar tres motores
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….. continuación Sensor de Tacto Este sensor aporta al robot el sentido del tacto. Su funcionamiento consiste en detectar cuando éste está siendo pulsado y cuando no.
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….. continuación Sensor Ultrasónico Proporciona al robot un sentido de visión. El sensor emite un sonido y mide el tiempo que la señal tarda en regresar, para luego calcular la distancia, a la cual se encuentra el objeto u obstáculo
Características Principales: •Rango de 0 a 255 cm • Presición de +/- 3 cm.
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….. continuación Sensor de Luz Este sensor le permite a nuestro robot distinguir entre luz y obscuridad, midiendo la intensidad de la luz le permite a nuestro robot "ver" en blanco y negro.
Características Principales: Da una lectura desde 0 (completa a obscuridad) hasta 100 (muy brillante).
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….. continuación Sensor de Sonido Este sensor lee el sonido ambiental y nos regresa una medida de 0 a 100%. Podemos configurarlo para que lea Decibeles o Decibeles Ajustados. Características Principales:
4-5% Una casa silenciosa. 5-10% Alguien hablando lejos. 10-30% Es una conversación cerca del sensor o música en un volumen normal. 30-100% Gente gritando o música a volumen alto.
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….. continuación Motor o Actuador Todo Kit Mindstorms contiene 3 motores de corriente continua que incorporan sensores de rotación con una precisión de +/1 grado. Características Principales: No requieren requisitos de instalación para su funcionalidad.
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….. continuación Ventajas de Lego Mindstorms
Fácil de montar y desmontar, no es necesario usar soldadura, ni tornillo. Todo lo que se arma se puede desarmar rápidamente. Además, eso permite usar las piezas en múltiples diseños distintos.
Muy extendido por todo el mundo, lo que permite encontrar gran cantidad de información e ideas por Internet, diseños, soluciones, participar en foros, competiciones.
No es un pack cerrado, es decir, se puede comprar más ampliaciones de lego, adquirir piezas deterioradas o perdidas, o añadir piezas echas manualmente, como por ejemplo, sensores o motores, e incluso circuitos neumáticos.
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….. continuación Ventajas de Lego Mindstorms
Múltiples posibilidades y lenguajes de programación, desde el nivel más básico e intuitivo, como el Robolab, asi como el uso de lenguajes conocidos como C, Java, Phyton, Visual Basic.
Es escalable, es decir, que a partir de un material básico hay opciones de ampliación.
Muy indicado para entornos educativos, desde colegios a universidades, pues se puede aprender de forma fácil tanto mecánica como electrónica.
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….. continuación Desventajas de Lego Mindstorms
La principal desventaja de LEGO es su estructura. Está formada por bloques de LEGO, que se unen por simple presión. Cierto que se pueden añadir elementos de refuerzo y sujeción, pero para diseños exigentes, no es recomendable. Golpes, caídas, pueden debilitar rápidamente la estructura, llegando a desarmar el robot.
No se pueden construir estructuras circulares, pues todas las piezas y ladridos de LEGO son rectangulares.
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Tecnología Lego Mindstorms
Ejemplo
de Proyecto
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Ejemplo de Proyecto Resolver el problema de localización de un sistema multi-robot utilizando técnicas de visión por computadora que nos permitan saber dónde está el robot y poder corregir las trayectorias que este debe de seguir.
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…. continuación
Características:
Tecnología LEGO Mindstorms NXT .
Una Estructura Organizacional Centralizada.
Tipos de Unidades Homogéneas.
Mecanismo de Locomoción por ruedas
Comunicación a través de Bluetooth
Localización a través de Cámara
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…. continuación
Metodología de Solución:
1.
Construir el mapa delimitando el entorno de cada objeto.
2.
Identificar los robots dentro de la escena a través de marcas visuales invariantes en cuanto a rotación, escala y parcialmente a la luz.
3.
Desarrollar un procedimiento para establecer la comunicación entre la computadora y el sistema multi-robot a través de bluetooth
4.
Utilizar técnicas de visión para la navegación de los robots.
5.
Planeación de la trayectoria en base a la posición de los robots y el objeto meta, utilizando un algoritmo de enrutamiento.
