Resumen

El contenido y las experiencias expuestas, dan cuenta de las acciones de dinamización y potencialización de los procesos de aprendizaje, disposición del pensamiento e investigativo en el Instituto Acatitlan a partir de la incorporación de la robótica como oportunidad de aprendizaje.

En este sentido, la propuesta pedagógica en robótica que el Instituto desarrolla, está basada en metodologías activas cuyas principales estrategias son la investigación, la experimentación y la solución creativa de problemas propuestos, donde los estudiantes simulan fenómenos y mecanismos, diseñan y construyen prototipos que son representaciones micro de la realidad o de sus propias invenciones y generan nuevas visiones para leer el mundo desde sus necesidades y desarrollo.

La robótica presenta la relación con los ejes transversales de todas las áreas, enfocándose en la capacidad de comunicar y trabajar colaborativamente en la construcción de conocimiento, la capacidad para desarrollar y presentar propuestas basadas en soluciones innovadoras a problemas reales a través del desarrollo de pensamiento lógico y crítico, el dominio técnico de las disciplinas y la autoformación como elemento clave para fortalecer el aprendizaje flexible.

Este proyecto se llevará a cabo por alumnos del Instituto Acatitlan, apoyados por la misma institución con fines educativos. Más allá de esto se busca implementar interés y crear un sentido de pertenencia al mundo tecnológico.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

El diseño y construcción de un helicóptero que responde a los sonidos del teclado de un celular contempla un proyecto de donde se habrá de diseñar un robot prototipo que cuente con las características que permitan realizar movimientos precisos y fluidos. El robot se basa en la utilización de un motor de transmisión directa, sensores y actuadores conectados a un panel de control donde se controlará y programará la tarea de desarrollar. Estos a su vez realizarán los movimientos de izquierda y derecha con el fin de cumplir la tarea establecida por el usuario.

La construcción de este robot servirá como un modelo didáctico para la enseñanza de la robótica, electricidad e informática, como una forma divertida de aprendizaje, trabajo colaborativo y para incursionar a la juventud al mundo de la ciencia y la tecnología

Antecedentes

Un robot es un dispositivo electrónico y generalmente mecánico, que desempeña tareas a través de un programa predefinido. Dos aspectos son relevantes a la hora de plantearnos la enseñanza y el aprendizaje de la robótica en la escuela: las acciones que realizan los robots y el lenguaje de programación que las formula.

Los robots realizan acciones en búsqueda de un objetivo (el que ha previsto el docente y los estudiantes) y, para ello, el robot tiene un comportamiento, esto es, realiza una serie de acciones secuenciales dirigidas a alcanzar su objetivo.

A su vez, un robot tiene estados y las acciones modifican estos, de manera que su comportamiento se puede ver como una secuencia de estados, desde uno inicial a un estado final que se reconoce como el estado-objetivo.

Las  acciones  y  los  estados  posibles  de  un  robot  están  sometidas  a  las restricciones generales de los sistemas físicos y sus leyes. Los robots no hacen lo que el director quiere, sino lo que el robot en interacción con el medio físico puede hacer. Las acciones de los robots al igual que las acciones de los objetos físicos pueden ofrecer “resistencia” a los comandos de los estudiantes (a sus acciones intencionales).

La  Robótica  es  una  corriente  educativa  utilizada  actualmente  en diversos niveles en Corea, Japón, Estados Unidos, España, Italia, entre otros países desarrollados.

La Robótica educativa, surge de las investigaciones y desarrollos emprendidos en los años 60 por Seymour Papert y otros investigadores del Laboratorio de Medios del Massachusetts Institute of Technology (MIT) quienes crearon dispositivos tecnológicos que permitan a los niños construir edificios y máquinas.

En la década de los 80, esos juguetes ya habían llegado a las escuelas, y las preocupaciones  acerca  de, qué  hacer  con  ellos,  también. El  mismo  Seymour Papert, quien propone el construccionismo, es hasta 1993, en su libro “La Máquina de los niños”, en el capítulo 9 – Cibernética, donde declara la necesidad de crear una nueva “materia” menos “restricta”… en la que el conocimiento se valora por la utilidad, por ser compatible con los demás y por adecuarse al estilo personal de cada uno”.

En nuestro proyecto, concebimos la robótica como un contexto de aprendizaje que se apoya en las tecnologías digitales e involucra a quienes participan en el diseño y construcción de creaciones propias, primero mentales y luego físicas, construidas con diferentes materiales y controladas por un teléfono celular.

Objetivo

Diseñar y construir un helicóptero que pueda reconocer el sonido del teléfono celular como un indicador para generar movimiento. Que los estudiantes puedan ver cómo es un sistema robótico, los materiales de los que está hecho y fomentar la participación de los jóvenes en este tipo de proyectos.

Justificación

Actualmente el uso de sistemas automatizados resulta atractivo e indispensable dentro de los procesos de manufactura; los alumnos a través de prototipos construidos con fines didácticos pueden aprender a desempeñar tareas relacionadas con la robótica y comprender como funcionan los robots que usamos de manera cotidiana. Cabe mencionar que mediante la participación activa de docentes y alumnos se fortalecerán los conocimientos adquiridos en las asignaturas, les permite desarrollar su creatividad y a la vez adquirir más experiencia en cuanto al desarrollo de habilidades y destrezas.

Hipótesis

Con la ayuda de un circuito electrónico un robot podrá identificar, clasificar y responder a un sonido dado para generar movimiento.

Método (materiales y procedimiento)

• Plantilla del helicóptero
• Tijeras
• Pegamento
• Pinzas
• Regla
• Destornillador tipo relojero
• Batería alcalina de 9 voltios Broche para pila de 9 voltios
• Tableta electrónica (protoboard) doble de 15 cm
• Codificador HM9270 o CM8870PI
• Driver L293D
• Micrófono electret
• 15 cm de cable de audio profesional
• Cristal de 3.58 MHz
• 6 resistencias 330 ohms
• Resistencia de 300 k
• 2 resistencias de 10 k
• 4 leds verdes
• Led amarillo
• Led rojo
• 5 capacitores no. 104 (.1 mF)
• Potenciómetro de 1 Mohm o Preset vertical de 1 Mohm
• Interruptor de pulsador
• 2 borneras de 1 cm
• Motor de corriente directa de 3 voltios
• Regulador 7805
• Alambre del no. 22, color azul, blanco y rojo (50 cm de cada color)

Procedimiento:

Las 4 fases para construir un robot son la mecánica, la eléctrica, la electrónica y la informática. Se comenzará a construir el robot. En este caso un pequeño helicóptero.

Primera fase, en este caso la fase mecánica, el cuerpo del robot. Para ello, primero se imprimirá la plantilla del helicóptero y cortar los moldes, después se traza los moldes sobre algún material rígido. Una vez que se tenga las piezas trazadas, cortar cada una, después colocar el cuerpo del helicóptero sobre la base y pegarlo. Por ahora no se colocarán las hélices, esas se ubicarán más adelante.

Fase 2 o fase eléctrica en donde se dará movimiento al robot. Los materiales que se utilizarán son: el motor de corriente directa de 1.5 a 5 voltios, los alambres, la pila, una regla y las hélices que se recortaron previamente. Tomar las piezas que se unieron y colocar el motor de corriente directa en la parte superior de la ranura, con la flecha del motor siempre hacia arriba. Después tomar dos pedazos de alambre de 15 centímetros cada uno. Deben ser de diferente color, se utilizará blanco y rojo. Pelar de ambos lados 1.5 centímetros. En ambos lados de la parte superior del motor se encontrarán 2 ranuras, en cada una de ellas introducir y amarrar cada uno de los alambres, asegurarse de que hagan buen contacto y no se desprendan. Ahora colocar las 2 hélices a presión sobre la flecha del motor. Colocar el alambre rojo sobre el polo positivo y el alambre blanco sobre el polo negativo.

En la fase tres se utilizará una tarjeta electrónica o protoboard de 15 centímetros, esa tarjeta está conformada por una serie de huecos dividida en columnas marcadas con las letras de la “A” a la “J”, y filas numeradas del “1” al “65”, para facilitar la identificación de cada hueco.

Sobre esa tarjeta colocar los diferentes componentes electrónicos, sólo presionándolos. Tomar el codificador “HM9270” que parece un cienpiés,  se observa que tiene una ranura que se conoce como muesca. Colocarla hacia arriba a partir del lado izquierdo de la muesca, empezaremos a contar sus patas y seguiremos la numeración formando una “U”. Colocarla con cuidado la pata uno del codificador “HM9270” sobre la protoboard en la fila cinco, columna E. Presionar firmemente de tal forma que el resto de las patas entren en los distintos huecos de la tarjeta. De la misma manera colocar la pata uno del driver “L293D” en la posición 34, E.

Recordar que la muesca debe quedar siempre hacia arriba. Después se utilizará un pedazo de alambre rojo. Es recomendable que se pele el alambre aproximadamente seis milímetros, para evitar generar una chispa eléctrica, o que no se conecte bien el alambre a la interfaz. Antes de continuar,  se debe saber que las líneas de color rojo en la protoboard significan que hay voltaje. Es decir, que pasa corriente de ese lado y las líneas azules indican que por ahí no pasa corriente, es decir, se conectan a tierra. Por ello se utilizarán tres colores diferentes de alambre; rojo cuando se conecte un componente a voltaje. Blanco cuando se conecte el componente a tierra. Y azul para distinguir cuando no se conecte a corriente ni a tierra, es decir, es neutro. Ahora, con el pedazo de alambre rojo, se hará un puente de “5J” a voltaje del lado derecho. Ahora de la pata nueve del codificador “HM9270” se hará un puente con el alambre de color blanco, del hueco “13A” hacia tierra del lado izquierdo. Con otro pedazo de alambre azul,  se hará un puente de “9D” a “10D”, junto a las patas cinco y seis del codificador “HM9270”. Nuevamente, utilizar un pedazo de alambre blanco y se hará un puente de “9A” a tierra del lado izquierdo. Ahora colocar el cristal en “11B” a “12D”, observar que queda de forma diagonal. Con alambre de color azul se hará un puente de “5” a “8D”. Ahora soldar dos alambres al potenciómetro. Soldar el alambre en las patas uno y dos. Conectar ahora el alambre de la pata uno en “6C” y el alambre de la pata dos en “7C”.

En los siguientes pasos se utilizará un material llamado resistencia, que disminuye el voltaje impidiendo que se quemen algunos componentes. En este caso se utilizarán tres resistencias. En primer lugar utilizar la resistencia de 10k, la cual se identificará por los anillos de color café, negro, naranja y dorado. Ahora colocar la resistencia de 10k junto a la pata 2 del codificador “HM9270” de la “4” a la “6B”. Enseguida colocar un capacitor de .1 microfaradio, marcado con el número 104 de la línea “3” a la “4C”. Los capacitores reservan energía para que los componentes la utilicen cuando sea necesario. Después se pondrá una resistencia de 10k, de la “3A” a voltaje del lado izquierdo. Ahora se utilizará el cable para audio; pelar los dos extremos. Soldar los alambres positivo y negativo al micrófono. El alambre envuelto es el que se soldará en el lado negativo del micrófono. Para reconocer el lado negativo observa los símbolos “+” y “-“del lado extremo del cable se conectará el negativo a tierra del lado izquierdo y el positivo en “3B”. Con un pedazo de alambre rojo se hará un puente de “13J” a voltaje del lado derecho. Conectar un capacitor en “5” y “6I”. Ahora realizar con alambre rojo un puente de “5J” a voltaje del lado derecho. Ahora conectar una resistencia de 300k en “6” y “7H”.

La resistencia de 300k se identifica por los anillos de color naranja, negro, negro, naranja y café. Utilizar ahora otro capacitor que se conectará en “13” y “14D”. Hacer un puente con alambre rojo de “14A” a voltaje del lado izquierdo. Conectar una resistencia de 330 ohms sobre “14” y “15J”. La resistencia de 330 ohms se identificará por los anillos de color: naranja, naranja, café y dorado.

Realizar varios puentes con alambre blanco, de “16J” a tierra derecha. De “19J” a tierra derecha. De “22J” a tierra derecha. De “25J” a tierra derecha. Y por último, de “28J” a tierra derecha. Colocar 4 resistencias de 330 ohms, la primera en 17 y 18 J, la segunda en 20 y 21 J, la tercera en 23 y 24 J, y la cuarta en 26 y 27 J.

Del codificador HM9270 a la resistencia, colocar 4 puentes con alambre azul, uno en 9 a 17 I, otro en 10 a 20 H, el tercero en 11 a 23 H, y el último en 12 a 26 G. Ahora se colocarán los leds. Estos pequeños focos ayudarán a identificar la instrucción que se está realizando. Como se observa, las patitas son de diferentes tamaños. La patita corta se conoce como cátodo y la patita larga como ánodo. Cuando se conectan, primero se debe insertar el ánodo y después el cátodo. Para que  se esté seguro de que hay una buena conexión, una vez identificada cada patita, cortarlas del mismo tamaño. El primer led que se utilizará es el de color amarillo y se pondrá en 15 y 16 F. En 15 F poner el ánodo o la patita larga y en 16 F colocar el cátodo o la patita corta. Ahora, colocar 4 leds verdes, recordando siempre insertar en el primer hueco el ánodo y en el segundo el cátodo. El primer led en 18 y 19 F, el segundo en 21 y 22 F, el tercero en 24 y 25 F, y el cuarto en 27 y 28 F. Ahora, con alambre rojo hacer un puente de voltaje de izquierda a derecha sobre la línea 29. Luego con alambre blanco, hacer un puente a tierra de izquierda a derecha sobre la línea 30. Realizar 2 puentes de voltaje con alambre rojo, primero de arriba hacia abajo del lado izquierdo, y luego de arriba hacia abajo del lado derecho. Ahora, con alambre blanco realizar 2 puentes a tierra, primero de arriba hacia abajo en el lado izquierdo e igualmente de arriba hacia abajo en el lado derecho.

Colocar ahora la primera bornera en 61 y 63 J, esta permitirá hacer una conexión con la batería. Para poder encender y apagar el motor del robot, es necesario colocar un interruptor. Observar que este componente tiene 9 patitas, para colocarlo correctamente, localizar 3 patitas de un extremo y colócalas en 54, 55 y 56 J, las del otro extremo quedarán en 54, 55 y 56 H. Ahora colocar el regulador LM 7805 en 48, 49 y 50 H. El regulador sirve para equilibrar el voltaje que pasa por toda la interfaz. Después realizar dos puentes con alambre de color azul, uno de 56 a 61 G, y el otro de 49 a 54 G. Ahora realizar con alambre color blanco de 49 J a tierra derecha. Después con alambre de color azul, un puente de 50 a 63 F. Con alambre rojo hacer un puente de 48 J a voltaje del lado derecho. Ahora colocar dos puentes del driver L293D a voltaje, primero de 34 A voltaje del lado izquierdo, y luego de 41 A de voltaje del lado izquierdo. En seguida realizar con alambre azul un puente de 37 a 38 D. Después con otro alambre azul hacer un puente de 37 A  tierra del lado izquierdo.

Ahora colocar la segunda bornera en 44 y 46 A, en esta bornera se colocará el motor. Y ahora hacer dos puentes con alambre azul, uno de 36 a 44 D, y el otro de 39 a 46 D. Como siguiente paso, se colocará un capacitor de 33 a 34 D. Nuevamente y con alambre azul  se realizará un puente de 33 a 37 B. Colocar una resistencia de 330 ohms de 43 a 44 F. Colocar ahora el led rojo en 44 y 45 I. Ahora con alambre rojo realizar un puente de 43 I a voltaje lado derecho. Con alambre blanco se hará un puente de 45 J a tierra del lado derecho. Ahora tomar 2 trozos de alambre azul que sean más largos de los que se ha utilizado, ya que los puentes que se harán necesitan más alambre. El primer puente irá de 23 I a 40 D, y el segundo de 26 H a 35 D. Finalmente agregar un capacitor de 44 a 46 E.

Fase cuatro, ya se tiene el control del Robot. Para darle órdenes a éste se necesitará un teléfono celular que tenga activados los tonos y el volumen lo más alto posible. Para empezar conectar la pila y encender la interfaz con el interruptor. Observar que los leds rojo y amarillo se encienden. Pero sólo el rojo se mantendrá prendido. Colocar el micrófono sobre la bocina del teléfono móvil. Observar como al pulsar la tecla con el número uno, las hélices del helicóptero giran en un sentido. Al oprimir la tecla dos, cambia de sentido y al pulsar la tecla tres, las hélices se detienen. Ahora se podrá controlar el Robot a distancia. Hacer una llamada telefónica a alguien y pedirle que oprima las teclas uno, dos y tres de su teléfono. Colocar el micrófono del control cerca del teléfono y observar cómo esa persona puede controlar el Robot.

Para hacer que el Robot haga cosas más difíciles, aun cuando no se esté ahí se utilizará un programa llamado ROMPI el cual se puede descargar al teléfono móvil. ROMPI es un lenguaje de programación que entiende el teléfono móvil y el robot.

Buscar la tienda de aplicaciones del teléfono mejor conocida como Play Store.

Ingresar en la barra de búsqueda ROMPI. Dar click en el botón instalar. Sí está instalado correctamente se tendrá la opción para abrir esta aplicación. Al abrir la aplicación de ROMPI, se verá en la pantalla la palabra programas y un símbolo +, al seleccionar el símbolo +, se verá 3 secciones. Nombre colocar el nombre del programa que se va a escribir, recuadro donde se indicará la instrucción del robot, debajo de este recuadro se encontrará la descripción de cómo crear el programa. Crear el primer programa en ROMPI es muy sencillo. Sólo se tiene que aprender 5 palabras. Las cuales se puede escribir con mayúsculas o con minúsculas. Inicio, que indica que el programa comienza. Der, que indica que el robot girará hacia la derecha. Izq., que indica que el robot girará hacia la izquierda. Pausa, que indica que el robot se detendrá. Fin, que indica el fin del programa. O se puede escribir la primera letra de la palabra. Inicio con i. derecha con d, izquierda con z, pausa con p y fin con f. Entre cada palabra o letra dejar un espacio e indicar un número entre el uno y el diez. Lo cual indicará al robot el tiempo que va a estar en movimiento o en reposo. Por ejemplo, si  se quiere que el robot se mueva a la derecha durante 5 segundos, que se detenga 2 y que vuelva a girar 5 pero ahora a la izquierda durante 8 segundos, el programa tendrá que escribirse así: I espacio d espacio 5 espacio p espacio 2, espacio z, espacio 8, espacio f. Las pausas ayudarán a ver el movimiento que realiza el robot. Así se notará como cambia de dirección. Cuando se termine, acerca lo más posible que puedas la bocina del dispositivo móvil al micrófono del control. Oprimir el icono reproducir y observar el movimiento del robot.

Galería Método

Resultados

Diagrama electrónico del control

El  control  está  diseñado  para  captar  la  marcación  por  tonos  DTMF  y convertirla a sistema binario con el fin utilizar el teclado de los teléfonos celulares para controlar a distancia un pequeño motor o algún otro dispositivo.

Este proyecto consta de los siguientes bloques:

• Interfaz del celular a decodificador DTMF
• Decodificador DTMF
• Etapa de salida (driver) para controlar el motor.

Interfaz del celular a decodificador DTMF

Para captar la señal que genera el teclado, se obtuvieron los tonos por medio de un micrófono, colocándolo en la bocina del celular, para amplificar la señal y enviarla al decodificador. El micrófono es del tipo electret.

El modo de generar esta señal puede ser directamente desde el teclado del celular (controlar localmente) o estableciendo comunicación telefónica con otro (control remoto).

Decodificador DTMF

Seleccionamos el circuito integrado HM9070, el cual tiene en la entrada de señal un amplificador de tipo operacional, con conexión de retroalimentación para determinar la “ganancia”, que es el factor de amplificación de la señal. La siguiente etapa consiste en el filtrado y la separación de las frecuencias que corresponden a cada dígito, lo que se realiza comparando las frecuencias recibidas contra una frecuencia patrón generada por un oscilador “cristal” de 3.58 MHz. Véase la figura 1.

Indicaciones:

Leds Q1 a Q4 corresponden la representación binaria del  número que se ha recibido. Led asociado a la terminal StD corresponde a la indicación de que se ha recibido una señal que corresponde a algún dígito y permanece encendida durante el tiempo en que se está oprimiendo alguna tecla.

La  resistencia  variable  de  1  Megohm  es  para  modificar  el  factor  de ampliación de la señal.

Las demás terminales del circuito INTEGRADO HM9270 son para funciones espaciales en telefonía.

Respecto al circuito integrado L293D este se puede utilizar para controlar un motor adicional, en ambos sentidos de giro ya que el lado derecho del integrado se encuentra disponible para este fin.

Por último, este chip realiza la asignación de cada dígito a su equivalente en binario de 4 dígitos.

Otras características relevantes son:

• Configuración de 18 pines.
• CMOS, con un solo voltaje de alimentación de 5 volts (compatible TTL).
• Bajo consumo de energía.

Etapa de salida

El control de un motor eléctrico puede incluir aspectos tales como encendido en  una  u  otra  dirección  (marcha  hacia  delante  y  reversa)  y variación  de velocidad. Por los alcances de este trabajo no nos vamos a ocupar de este último aspecto.

Para realizar esta función se utiliza el llamado puente H, el cual se encarga de cambiar la polaridad al motor de corriente directa y cuya configuración es la siguiente. Véase la figura 2.

Las entradas Q1 y Q2 corresponden a los primeros dos dígitos binarios de la salida del decodificador.

Los diodos se requieren para eliminar las corrientes parásitas que genera el motor, ya que ocasionarían interferencias además de dañar el resto de los circuitos integrados.

Este  diagrama  ilustra  el  funcionamiento  del  puente  H,  pero  su implementación práctica se realiza por medio de circuitos integrados como el de nuestro caso, el L293D.

Galería Resultados

Discusión

La construcción de un robot requiere del conocimiento de diversas  áreas.  Por mencionar  algunas,  es  necesario  tener  conocimientos  de mecánica para poder construir la estructura del Robot. También  se  requieren conocimientos de electricidad para poder animar desde el punto de vista eléctrico al Robot. Asimismo, es importante tener conocimientos de electrónica para poder dar cuenta de la comunicación entre el dispositivo móvil y el Robot. Finalmente, es necesario tener conocimientos de informática para poder desarrollar un programa en cualquier lenguaje de programación que permita controlar al Robot. Es conveniente también posibilitar las competencias de comunicación oral y escrita.

Mediante la integración de diferentes áreas de conocimiento, los estudiantes adquieren habilidades generales y nociones científicas, involucrándose en un proceso de resolución de problemas con el fin de desarrollar en ellos, un pensamiento sistémico, estructurado, lógico y formal.

Conclusiones

La realización de este proyecto ha servido para identificar los componentes eléctricos y electrónicos de un robot, de igual forma se comprobó que un dispositivo electrónico como un celular puede comunicarse con un robot a través de frecuencias auditivas y así originar movimiento.

Es importante destacar que se trata de un diseño que tiene la posibilidad de ser modificado, al tratarse de una arquitectura abierta se puede incorporar nuevas herramientas como parte del efecto final.

Bibliografía

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Ruiz, E. (2007). Educatrónica: innovación en el aprendizaje de las ciencias y la tecnología. Madrid: Ediciones Díaz de Santos.

Summary

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography