Robótica – un Proyecto de enseñanza de la Robótica -
Introducción
Desde la inserción de la computadora en los colegios, el deseo de incorporar la enseñanza de robótica en las aulas se mantuvo siempre latente.
Los colegios técnicos, principalmente los vinculados con la electrónica, comenzaron sus primeros proyectos de robótica con interfaces conectadas a las PC mediante el puerto paralelo o serial. Pero este trabajo quedo inscripto en un conjunto reducido de instituciones porque para ponerlo en práctica era necesario un gran caudal de conocimientos tanto en los docentes como en los alumnos.
Por otra parte, los robots construidos no tenían ningún tipo de autonomía dado que estaban obligados a seguir conectados a la PC. Es lo que llamamos control automatizado, a diferencia de los robots autónomos que llevan el procesamiento sobre su estructura.
El presente trabajo tiene como objetivo presentar las razones por las cuales es de suma importancia la enseñanza de robótica en nuestra escuela, los objetivos y las actividades futuras que se planifican para poder seguir llevando a cabo, con éxito, esta actividad en nuestro establecimiento.
Fundamentos de la enseñanza de la robótica
Desde un punto de vista superficial, podríamos concluir que la enseñanza de la robótica tiene como objetivo la adaptación de los alumnos a los procesos productivos actuales, donde la automatización juega un rol desatacado.
Sin embargo, la robótica presenta un conjunto de desafíos a los adolescentes que va mucho más allá de una aplicación laboral.
La construcción de robots reales permite la comprensión de conceptos relacionados con sistemas dinámicos complejos. Con el objetivo de obtener el comportamiento deseado, el alumno diseña la mente (programación) y el cuerpo del organismo artificial.
Luego, mediante sucesivos ensayos (como un laboratorio de la evolución de velocidad prodigiosa), perfecciona el diseño de ambos aspectos, hasta alcanzar el objetivo deseado.
Si este objetivo involucra a un conjunto de robots, el alumno comprende las diferencias entre comportamientos individuales y colaborativos.
Es necesario en este comportamiento colaborativo un profundo análisis en los sistemas de comunicación entre los individuos que componen el grupo. El desafío de resolver problemas de inteligencia artificial crea un espacio donde el alumno reflexiona sobre sus propios mecanismos de pensamiento y donde puede analizar comportamientos complejos a partir de su reducción en comportamientos más simples.
Por otra parte, se podría pensar a la robótica como una extensión de la enseñanza de la programación. Se ha incorporado a la robótica como un material concreto que permite superar las dificultades en el pensamiento lógico-formal de los alumnos.
Sin embargo, la incorporación de objetos físicos a la resolución del problema inserta en el juego el indeterminismo propio de la física, regulada por leyes no lineales. Esto obliga al alumno a considerar una cantidad de variables infinitamente mayor que las presentadas por el problema de la construcción de un programa.
Otro aspecto a destacar es la necesidad fundamental de un perfecto acoplamiento entre el software y el hardware del robot.
Es habitual que en los talleres y/o laboratorios, los alumnos se dividan en dos grupos: aquellos que están más a gusto con los aspectos de la construcción física del robot, y aquellos que disfrutan de la programación del mismo.
La coordinación y ensamble de ambas tareas no es un problema menor. Es habitual que las dificultades encontradas se basen en problemas de coordinación entre estos dos aspectos.
Por lo tanto, la comunicación entre los encargados de la programación y los de la construcción abre un juego muy interesante con respecto al comportamiento en grupo de los alumnos. Los comportamientos individualistas llevan una y otra vez al fracaso.
Es necesario que el alumno comparta sus experiencias, su proyecto, y discuta con sus compañeros una y otra vez las características del robot que construyen en conjunto para llegar a una solución satisfactoria.
La Recomendación Nº 26/92 del Consejo Federal de Cultura y Educación establece que es responsabilidad de los sistemas educativos impulsar la creatividad en el acceso y la difusión de las innovaciones científico-tecnológicas.
"La educación genera las competencias y capacidades necesarias para absorber la tecnología que requiere un país para crecer y que inciden en el potencial de innovaciones futuras”.
En la actualidad, todos los procesos productivos han sufrido una modificación importante desde la incorporación de la automatización a la línea de producción. Es obligación del sistema educativo brindar los contenidos necesarios para que los alumnos que se encuentran alejados del paradigma de la automatización no queden aún más desplazados en su inserción en el mercado de trabajo.
La construcción de robots autónomos o de procesos de control automatizado permite en el alumno analizar y modificar todas las variables que encontrará en el proceso industrial. Por ejemplo, en la construcción de sistemas de lazo cerrado, podrá programar el comportamiento de los motores según la información que le brindan los sensores.
En sistemas fijos podrá definir los pasos del comportamiento del proceso automatizado. Es fundamental que los alumnos conozcan los distintos sistemas de control y sus principales funciones, no sólo desde un punto de vista teórico, sino aplicando sus conocimientos a la construcción de artefactos que cumplan con el objetivo buscado.
También podemos encontrar aplicación en el uso de los robots, como instrumento de medición en aquellas ciencias que sensan el mundo exterior para encontrar leyes comunes en la naturaleza.
Tanto para física como para química, la construcción de un instrumento de medición, su programación y el envío de datos hacia una PC para su procesamiento, es una práctica sumamente motivadora que lleva a los alumnos paso a paso a comprender la presencia de dichas leyes en nuestro universo.
Particularmente creo que la enseñanza de robótica simulada presenta un conjunto de elementos interesantes de los fundamentos presentados anteriormente, pero carece de todos los aspectos físicos.
Los robots simulados no se gastan, no se desarman, no resbalan, no se quedan sin pilas. Por lo tanto, el uso de simuladores sólo ataca el problema de la programación.
Por eso es que la robótica educativa sin robots físicos no es robótica, es programación.
Nuestros alumnos trabajan con materiales no convencionales, en general arman sus estructuras con elementos desarmables, como las piezas del Meccano, o utilizan talleres y/o laboratorios que les permiten diseñar las piezas que componen el robot.
En estos casos el trabajo principal está fuertemente sostenido por conocimientos de electricidad y electrónica.
Las ventajas que presentan estos tipos de trabajo son:
Menor costo en el armado de robots.
Mayor precisión en cierto tipo de tareas.
Uso de materiales de deshecho, como motores de diskettera, fotocopiadoras rotas, etc.
Mayor profundidad en los conocimientos de electricidad y electrónica.
Son absolutamente abiertos, con lo cual permite manipular libremente todos los aspectos del robot.
Las desventajas son:
Es necesario que el docente posea amplios conocimientos de electricidad y electrónica.
Es más complejo el trabajo de los alumnos.
Los proyectos no son fácilmente desmontables para el reuso de sus componentes.
Exige conocimientos profundos de electrónica.
Robótica simulada
Si bien no se considera esta variante como un reemplazo de la robótica física, nos presenta la posibilidad de enfrentar a nuestros alumnos con los problemas en la programación de robots. Por otra parte, el costo de implementación de simuladores de robots es prácticamente nula, o a lo sumo, el precio de una placa aceleradora de video.
En este rubro nos encontramos con sistemas sencillos de robótica simulada, que permiten programar el comportamiento de robots con uso de sensores, motores y otros aspectos de un robot real. Las interfaces son amigables y los lenguajes de programación sencillos. Otros programas más complejos, implementan mayor cantidad de características de la robótica física, como paralelismo, comunicación entre robots, trabajo colaborativo, uso de semáforos, etc.
Objetivos del Proyecto Robótica
Robótica - un proyecto de enseñanza de la robótica- ha sido pensado esencialmente como un espacio de encuentro entre alumnos a partir del 1º año del ciclo superior, acercándolos a nuevas experiencias de participación en actividades que fomenten su pensamiento y creatividad.
La construcción y programación de los robots amalgama en una sola actividad varios desafíos:
La organización de un grupo humano para la resolución de un problema, con funciones específicas para cada integrante, y con el problema agregado de que hay infinitas formas de llegar a la solución, lo que genera un debate y un juego de poder sumamente educativo para los alumnos.
La construcción de un aparato que, desde un punto de vista físico, esté capacitado para resolver el problema, sin deterioro de sus partes. Es decir, encarar desde el lado de la ingeniería el diseño del robot.
La programación de instrucciones para que, dada la arquitectura del robot, logre desarrollar independientemente los pasos para la resolución del problema.
Se ha decidido enunciar los objetivos en dos grandes grupos: aquellos que tienen que ver con el fin último de la Competencia, y aquellos otros que están relacionados a actividades concretas de nuestro grupo, y que ayudan a alcanzar a los primeros.
Los siguientes son los objetivos a largo plazo:
Fomentar el desarrollo de la capacidad de abstracción y acercamiento al pensamiento lógico formal de los alumnos
Auspiciar el trabajo en grupo, organizando y planificando las tareas necesarias para llegar a la resolución de un problema.
Generar espacios de discusión con respecto a las infinitas soluciones posibles que presentan los desafíos en robótica.
Generar conciencia en los alumnos con respecto al reemplazo del trabajo humano por el trabajo con robots, y las consecuencias que esto trae aparejado en la organización económica de nuestra sociedad.
Desarrollo
Para lograr estos objetivos se propone crear un equipo de trabajo multidisciplinario con docentes de las siguientes áreas:
Profesores de asignaturas del ciclo superior
MEP´s del Taller de electrónica
MEP´s del Taller de Mecánica
MEP´s del área de Electrónica e Informática
Oficina Técnica
Cada uno de los componentes del equipo tendrá tareas específicas que desarrollar, de acuerdo al siguiente esquema:
Profesores de asignaturas del ciclo superior, MEP´s del Taller de Electrónica y MEP´s del Área Electrónica, Informática y de Aulas Tecnológicas que decidan participar del proyecto estarán a cargo de la coordinación de los grupos y del seguimiento del trabajo de los alumnos
MEP´s del Taller de Mecánica y del Área de Electrónica e Informática daran el apoyo técnico necesario en su área específica
La Oficina Técnica brindará el apoyo necesario en el tema administrativo y logístico en lo que respecta al enlace con otras áreas y con la Cooperadora Escolar.
Los tiempos de realización del proyecto serán los siguientes:
Presentación del proyecto a los alumnos: 1ª semana de Abril
Formación de los grupos de trabajo: 3ª semana de Abril
Presentación de cada uno de los anteproyectos: 4ª semana de Abril
Seguimiento de cada uno de los proyectos: 1ª semana de Mayo hasta su finalización.
Presentación final de cada uno de los proyectos funcionando: 3ªy 4ª semana de Septiembre
Realización de una competencia interna eliminatoria para determinar los equipos que concurrirán a la Competencia Nacional tanto en la modalidad Sumo como Velocistas: 1ªy 2ª semana de Octubre
Preparación para la Competencia Intercolegial con vistas a la Competencia Nacional: 3ª y 4ª semana de Octubre
Participación en la Competencia Nacional: 1ª semana de Noviembre
Los alumnos participantes del proyecto se dividirán de acuerdo al siguiente esquema:
Velocistas : 1º año ciclo superior
Sumo: 2º y 3º año ciclo superior
Requerimientos
Para el logro de los ojetivos propuestos será necesario cumplir con los siguientes requirimientos mínimos:
asignación de horas institucionales para los docentes participantes
apoyo institucional por parte del Equipo de Conducción
apoyo de la Coordinación del Ciclo Superior
apoyo de los docentes de todas las asignaturas del ciclo superior
responsabilidad de los docentes involucrados frente a los alumnos y frente al proyecto
apoyo económico por parte de la Cooperadora Escolar
Experiencias Didácticas asociadas
El proyecto contempla la realización de diversas Experencias Didacticas:
Participación en la Competencia Nacional de Robótica organizada por la UTN-Facultad Regional Bahía Blanca
Participación en la Competencia Intercolegial de Robótica organizada por el Instituto La Salle Florida
Realización de demostraciones en el ámbito escolar y en exposicones
Realización de una competencia escolar eliminatoria
La Competencia Nacional de Robótica
Un poco de Historia
Este tipo de competencia robótica se viene realizando desde el año 2003 en la Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Bahía Blanca, siendo organizado por alumnos de las carreras de Ingenierías. En dicho concurso existen dos categorías uno para alumnos del nivel Polimodal o secundario y otro para universitarios, ingenieros y publico en general que se llama libre.
En el nivel Polimodal han a participado instituciones de la Ciudad Autónoma de Buenos Aires, de Coronel Dorrego, de Punta Alta y de Río Gallegos.
En la categoría Libre han a participado alumnos de dicha Universidad y alumnos de la Facultad de Paraná.
La Escuela Técnica Nº 28 tiene un historial de participación importante en esta competencia que se remonta al año 2004, obteniendo en cada una de sus presentaciones los primeros puestos.
Hasta el año 2007 esta actividad fue coordinada por el Prof. Victor Defina a quien podemos definir como el mentor de la participación de la ET Nº28 en este tipo de competencias.
La Competencia Nacional de Robótica se realiza anualmente en el ámbito del Departamento de Ingeniería Eléctrica, en el edificio de la Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Bahía Blanca en el mes de noviembre.
Los objetivos
Cabe destacar que dicho proyecto, tiene por objeto fomentar el desarrollo de la capacidad y acercamiento al pensamiento lógico formal, auspiciar el trabajo en grupo; organizando y planificando las tareas necesarias para llegar a la resolución de problemas.
La modalidad
La modalidad que se ha elegido para el concurso es la llamada Sumo que tiene su origen en el famoso deporte Japonés. En el juego luchan dos Robots de dos equipos diferentes. Los Robots compiten dentro del Área de Combate para obtener puntos efectivos llamados puntos Yuhkoh.
Ganará el combate el Robot que obtenga dos puntos Yuhkoh. Los puntos se otorgan cuando el Robot contrario toca el suelo fuera del Ring o por acumulación de dos violaciones del equipo contrario en el mismo combate.
Los combates consisten en 3 asaltos de 3 minutos cada uno. Entre asalto y asalto hay un tiempo máximo de 1 minuto. Si finalizados los tres asaltos ningún robot obtiene los dos puntos, se declara ganador al robot que tenga un punto Yuhkoh. En caso de empate a puntos, se realizará un asalto extra donde el ganador será el primero que consiga un punto Yuhkoh. La competencia es de tipo “doble eliminación”.
Los Robots
Los robots tendrán unas dimensiones tales que quepan dentro de un cuadrado de 20cmx20cm sin límite en altura y el peso máximo de los Robots será de 3000 gramos incluyendo todas sus partes.
En cualquier caso deben ser completamente autónomos, es decir, no podrán disponer de ningún tipo de conexión o comunicación con el exterior. Tampoco se podrá operar directamente sobre ellos una vez comenzada la prueba.Deben diseñarse de forma que comiencen a moverse una vez pasados 5 segundos desde la activación de los mismos.
Cabe destacar que los Robots que se han presentado en las cinco ediciones anteriores tienen un gran diseño tanto en la parte mecánica como en la electrónica. Se ha visto también el uso de materiales de descarte para la construcción de los mismos y la sencillez que han tenido para resolver problemas de cierta complejidad.