ROBÓTICA EDUCATIVA

La robótica educativa es un sistema de enseñanza interdisciplinar que permite a los estudiantes desarrollar competencias STEAM, que incluye las áreas de Ciencias, Tecnología, Ingeniería, Artes y Matemáticas, así como la Lingüística, Estética y Ética.

Nota: el término STEM fue acuñado por primera vez por la National Science Foundation (NSF), en los EE.UU. a mediados de la década de los noventa.

Desde la Robótica se aprende a construir modelos o prototipos que normalmente van acompañados de un programa informático que hace que el robot ejecute órdenes (ya sea desplazarse, identificar colores o medir distancias a un objeto, etc).

Algunos software de programación están basados en iconos y no en instrucciones escritas, para que el aprendizaje sea más atractivo e intuitivo. La finalidad es que el estudiante se familiarice con los dispositivos programables, cada vez más presentes en el entorno (computadores, teléfonos móviles, …). 

COMPETENCIAS EN ROBÓTICA

o Comprensión de conceptos principales en física, electrónica y programación.

o Aplicación de conceptos fundamentales de electrónica, electromagnetismo, física y robótica.

o Rutinas de Programación en diversos software de aplicaciones robóticas.

o Diseño y construcción de modelos o prototipos a través del uso de herramientas tecnológicas y softwares.

o Capacidad de trabajo colaborativo y participativo, desde la conformación de semilleros de investigación formativa en el campo de la robótica.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

o Reconocer la electrónica digital como la base del funcionamiento de diversos equipos o prototipos tecnológicos .

o Identificar y utilizar fundamentos de las ciencias naturales y otras áreas para el funcionamiento de los prototipos robóticos.

o Programar diversas rutinas de aplicaciones robóticas que incluyan sensores y actuadores.

o Diseñar e implementar modelos o prototipos robóticos a través del uso de herramientas tecnológicas y softwares.

o Desarrollar un proyecto tecnológico desde la conformación de los semilleros de investigación formativa.

UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA

Elementos Pasivos
Elementos Activos
Semiconductores
Electrónica Análoga y Digital
Pilas y Bateria

Interruptores y Pulsadores
Práctica: Funcionamiento de los elementos electrónicos

ELEMENTOS PASIVOS

 

ELEMENTOS ACTIVOS

Principales componentes activos de acuerdo a su función dentro de un circuito:

SEMICONDUCTORES

ELECTRÓNICA ANÁLOGA y ELECTRÓNICA DIGITAL

EL TÉRMINO "ANALÓGICO" se refiere a las magnitudes o valores que varían con el tiempo en forma continua como la distancia y la temperatura, la velocidad, que podrían variar muy lento o muy rápido como un sistema de audio.

EL TÉRMINO "DIGITAL" se refiere a cantidades discretas como la cantidad de personas en un una sala, cantidad de libros en una biblioteca, cantidad de autos en una zona de estacionamiento, etc.

PILAS y BATERIAS

Transforman la energía química en energía eléctrica.

PILAS: Está conformada por una celda química de 1,5 V.

BATERIA: Conformada por dos o más pilas eléctricas conectadas en serie, en paralelo o en mixto.

BATERÍAS PRIMARIAS:

Las que no se pueden recargar; son las convencionales o alcalinas y se usan en múltiples aplicaciones, algunas tan vitales como la alimentación de marcapasos.

BATERÍAS SECUNDARIAS:

Las que se pueden recargar. Actualmente existen dos tipos de baterías recargables que dominan el mercado: las baterías de plomo y las de níquel-cadmio.

Las baterías de plomo están en los automóviles, pero sólo destinadas a cubrir las necesidades de arranque, iluminación e ignición (no tienen suficiente energía para mover el coche).

Las baterías de níquel-cadmio a falta de mejores baterías, se emplean en artículos de electrónica de consumo como videocámaras y computadores o teléfonos móviles. 

BATERIAS DE LIPO (POLÍMERO DE LITIO)

Son baterías recargables (células de secundaria), compuestas generalmente de varias células secundarias idénticas en paralelo para aumentar la capacidad de la corriente de descarga, y están a menudo disponibles en serie de "packs" para aumentar el voltaje total disponible.

Número de Celdas (S)

El número S se corresponde con el número de celdas. 

Una batería 4S (4 celdas), está compuesta por 4 sub-baterías conectadas en serie.

Capacidad en mAh

A mayor número de miliamperios más capacidad de carga, pero conlleva a un mayor tamaño y por tanto de peso.

Tasa de descarga, número C

Se mide en (A*h) o (mA*h). Se representa con la letra C (no confundir con Coulomb).

Una batería que tiene por ejemplo C = 500 quiere decir que puede suministrar una corriente de 500mA durante una hora (250 mA durante 2 horas, 125 mA durante 4 horas... etc)

El término C se utiliza también para definir la corriente de carga. Una corriente de 1C significa que la batería se cargará con la misma corriente que puede suministrar durante una hora.

En el ejemplo anterior 1C = 500 mA.

Normalmente las baterías se cargan a 0,1C durante 14 horas.

Una batería de 2200 mAh es capaz de descargar a 2,2 A en una hora.

Una batería de 1000 mAh 1C se descargaría a 1 A en una hora.

Una batería de 1000 mAh 2C se descargaría a 1 A en media hora.

Tasa de carga, C

También está indicada en C y funciona de una manera muy similar. El cómo se realiza la carga de la batería va a influir en la vida útil de la misma.

Si realizamos una carga a 1C en una batería de 1000 mAh, significa que se ha configurado que la carga se realice a 1 amperios. El tiempo de carga será de aproximadamente de una hora.

Si realizamos una carga a 2C en una batería de 1000 mAh, significa que se ha configurado que la carga se realice a 2 amperios. El tiempo de carga será de aproximadamente de media hora.

Cierra o abre un circuito, permitiendo el paso o no de la corriente eléctrica.

Un DIP SWITCH es un conjunto de interruptores eléctricos que se presentan en un modelo encapsulado DIP - (Dual In-line Package).

Conexionados del DIP SWITCH

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Conexionados del DIP SWITCH en el Protoboard

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CONEXIONADO DE LOS DIODOS LED'S

En Arduino se puede aplicar una resistencia Pull Up en las entradas digitales a través de código. Simplemente colocando un pin en modo INPUT_PULLUP con la instrucción pinMode.

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TRANSISTORES

Dispositivo semiconductor de tres terminales, que tiene la propiedad de controlar la corriente eléctrica que circula a través de él, a partir de una corriente eléctrica muy pequeña.

ROBOT SEGUIDOR DE LUZ

MINIROBOT

ROBÓTICA

UNIDAD 2. INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA

Qué es Robótica

Qué es un Robot

Tipos de Robótica

Áreas y aplicaciones de la Robótica: tracción bípeda (humanoide); artrópodo; brazo mecánico

ROBÓTICA: Es una rama de las ingenierías mecánica, eléctrica, electrónica que aplica la informática al diseño y empleo de prototipos que, en sustitución de personas realizan operaciones o trabajos.

La palabra Robótica posiblemente viene de la palabra checa "robota", que significa "trabajo forzado", "obligación" o "esclavo".

ROBÓT: Máquina, modelo o prototipo electrónico programable, capaz de manipular objetos y realizar operaciones antes reservadas sólo a las personas. Es un dispositivo manipulador multifuncional programable. Es una integración de movimientos (mecánica); impulsos eléctricos (electrónica); y recibe órdenes (programación).  

Manipulador: mecanismo formado generalmente por elementos en serie, articulados entre sí, destinado al agarre y desplazamiento de objetos.

ISAAC ASIMOV (1920–1992): Físico y escritor de ciencia ficción a quien se le atribuye el uso del nombre de robótica, así como el conjunto de tres conceptos denominados las tres leyes de la robótica.

1). Un robot no puede perjudicar a un ser humano, ni con su inacción permitir que un ser humano sufra daño.

2). Un robot ha de obedecer las órdenes recibidas de un ser humano, excepto si tales órdenes entran en conflicto con la primera ley.

3). Un robot debe proteger su propia existencia mientras tal protección no entre en conflicto con la primera y segunda ley.

ROBÓTICA INDUSTRIAL.

Suele ser el típico brazo que suelda, pinta o ensambla partes de un producto en la cadena de montaje de la fábrica en cuestión (automovilística).

Para la Asociación de Industrias Robóticas (RIA), un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.

Esta definición, ha sido adoptada por la Organización Internacional de Estándares (ISO) que define al robot industrial como: Manipulador multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas.

Según la IRF (Federación Internacional de Robótica) se pueden mencionar varios tipos de robot industriales:

  Seriales

  De trayectoria controlable

  Adaptativo

  Telemanipulado.

La Federación Internacional de Robótica (IFR) entiende como un robot industrial a una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento.

ROBÓTICA EN SERVICIO.

Son todos aquellos que se diferencian de los robots industriales por realizar trabajos diferentes a los que se puede desarrollar un brazo robótico industrial.

Robot antiminas (militar)

Robot aspiradora

Robot para el mantenimiento de líneas de alta tensión

Robot para rescates submarinos

Dentro de los robots de servicios se podrían incluir los robots domésticos, robots de ocio y robots de educación.

ROBOT DOMÉSTICO.

Son aquellos que realizan trabajos como barrer, aspirar el suelo, fregar, etc.

ROBOT DE OCIO.

Los robots mascota.

ROBOT DE EDUCACIÓN.

Los robots para desarrollar procesos de enseñanza-aprendizaje.

CLASIFICACIÓN DE LOS ROBOTS

Según su cronología

1ª Generación.

Manipuladores. Son sistemas mecánicos multifuncionales con un sencillo sistema de control, bien manual, de secuencia fija o de secuencia variable.

2ª Generación.

Robots de aprendizaje. Repiten una secuencia de movimientos que ha sido ejecutada previamente por un operador humano. El modo de hacerlo es a través de un dispositivo mecánico. El operador realiza los movimientos requeridos mientras el robot le sigue y los memoriza.

3ª Generación.

Robots con control sensorizado. El controlador es un computador que ejecuta las órdenes de un programa y las envía al manipulador para que realice los movimientos necesarios.

4ª Generación.

Robots inteligentes. Son similares a los anteriores, pero además poseen sensores que envían información a la computadora de control sobre el estado del proceso. Esto permite una toma inteligente de decisiones y el control del proceso en tiempo real.

Según su arquitectura

La arquitectura, es definida por el tipo de configuración general del Robot, puede ser metamórfica. El concepto de metamorfismo, de reciente aparición, se ha introducido para incrementar la flexibilidad funcional de un Robot a través del cambio de su configuración por el propio Robot.

1. Poliarticulados

En este grupo se encuentran los manipuladores, los Robots industriales, los Robots cartesianos y se emplean cuando es preciso abarcar una zona de trabajo relativamente amplia o alargada, actuar sobre objetos con un plano de simetría vertical o reducir el espacio ocupado en el suelo.

2. Móviles

Son Robots con gran capacidad de desplazamiento, basados en carros o plataformas y dotados de un sistema locomotor de tipo rodante. Siguen su camino por telemando o guiándose por la información recibida de su entorno a través de sus sensores.

3. Androides

Son Robots que intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento cinemática del ser humano.

4. Zoomórficos

Los Robots zoomórficos, constituyen una clase caracterizada principalmente por sus sistemas de locomoción que imitan a los diversos seres vivos.

5. Híbridos

Corresponden a aquellos de difícil clasificación cuya estructura se sitúa en combinación con alguna de las anteriores ya expuestas, bien sea por conjunción o por yuxtaposición. Por ejemplo, un dispositivo segmentado articulado y con ruedas, es al mismo tiempo uno de los atributos de los Robots móviles y de los Robots zoomórficos.

ESTRUCTURA BÁSICA DE UN ROBOT

MECÁNICA

UNIDAD 3. LA MECÁNICA

Cinemática y Dinámica

Cinemática de Robots

Elementos mecánicos
Tipos de Engranajes

Rueda y Poleas

ESTRUCTURAS BÁSICAS

Fuente: Revista Saber Electrónica.

ENGRANAJES

Es una rueda o cilindro dentado empleado para transmitir un movimiento giratorio o alternativo desde una parte de una máquina a otra.

Un conjunto de dos o más engranajes que transmite el movimiento de un eje a otro se denomina tren de engranajes.

Los engranajes son sistemas de transmisión del movimiento circular constituidos por el acoplamiento, diente a diente, de dos ruedas dentadas, una motriz y otra conducida. A la mayor se le denomina corona y a la menor piñón.

Los engranajes se utilizan sobre todo para transmitir movimiento giratorio, pero usando engranajes apropiados y piezas dentadas planas pueden transformar movimiento alternativo en giratorio y viceversa.

DIAGRAMA DE FLUJOS

Es una representación gráfica detallada que muestra la naturaleza y la secuencia paso a paso de una operación. Son un lenguaje de programación gráfico. Es una representación gráfica de un algoritmo o proceso.

Características:

Un diagrama de flujo siempre tiene un único punto de inicio y un único punto de término. Además, todo camino de ejecución debe permitir llegar desde el inicio hasta el término.

Simbología

Óvalo: Inicio y término (Abre y/o cierra el diagrama).

Rectángulo: Actividad (Representa la ejecución de una o más actividades o procedimientos).

Rombo: Decisión (Formula una pregunta o cuestión).

Círculo: Conector (Representa el enlace de actividades con otra dentro de un procedimiento).

Se desconecta el módulo bluetooth (dejar libre el RX (pin 0) del Arduino).

Se conecta el módulo bluetooth y se configura la aplicación APP.

Un TCRT5000L es un tipo de sensor óptico reflectivo que detecta la diferencia de color en un objeto mediante la reflexión de la luz en el mismo.

El TCRT5000L dispone de un LED emisor de luz infrarroja, y de un fototransistor que recibe la luz reflejada por un posible obstáculo. La cantidad de luz recibida depende del color y reflectividad del objeto, por lo que podemos distinguir entre zonas y oscuras de un objeto.

El rango de medición del sensor varía entre 0.2 a 15mm, siendo la distancia óptima 2.5mm. Por tanto es un sensor de muy corta distancia.

El módulo L298N es un motor driver (controlador) con un doble puente H que permite manejar dos motores de corriente continua o un motor paso a paso bipolar de entre 5V y 35V y de hasta 2 Amperios por salida, controlando la velocidad y el sentido de giro de los motores. 

Los pines de entrada que controlan la dirección y velocidad de giro:

Los pines ENA, IN1 e IN2 controlan la salida A.

Los pines ENB, IN3 e IN4 controlan la salida B.
Los pines IN1, IN2, y IN3 e IN4, controlan la dirección de giro, respectivamente, de la salida A y B.
Los pines ENA y ENB desactivan la salida. Podemos conectarlos permanentemente mediante el uso de un jumper, o conectar una señal PWM para controlar la velocidad de giro.

En el caso de querer usar ambas fases, y poder elegir tanto el sentido de giro como la velocidad, y alimentar desde una fuente de 12V, al pin Vin de Arduino (usando el regulador de voltaje de Arduino), o desde el pin Vlogico del L298N al pin 5V de Arduino (usando el regulador del L298N).

CONTROL DE UN MOTOR

CONTROL DE DOS MOTORES

GUÍA LEGO MINDSTORMS EV3

Fuente: Lego education

BLOQUE EV3

BATERIA RECARGABLE

PUERTOS DE ENTRADA Y SALIDA

MOTORES

SENSOR DE COLOR

GIROSENSOR

SENSOR TÁCTIL

SENSOR ULTRASÓNICO

CONEXIÓN DEL BLOQUE EV3 AL PC

INTERFAZ

PUERTOS CONECTADOS

P R O G R A M A C I Ó N

PRÁCTICA 1: Programar ROBOT EDUCATOR para que avance en línea recta, durante un tiempo, luego gira, formando una trayectoria regular de un cuadrado.

PRÁCTICA 2: Programar ROBOT EDUCATOR para que realice un movimiento en paralelo a una pared, girando en las esquinas.

PRÁCTICA 3: Programar ROBOT EDUCATOR para que detecte obstáculos, con el sensor infrarrojo, avisando por medio de sonidos.