Resumen

Thot es un robot de asistencia educativo diseñado para mejorar la experiencia de aprendizaje de estudiantes y profesores mediante funciones interactivas  y personalizadas. Este proyecto busca fomentar el interés por continuar estudios en los jóvenes, especialmente en ingeniería, al ofrecer herramientas modernas para el aprendizaje. Thot incluye dos aplicaciones principales: una para la identificación de basura mediante una cámara que clasifica desechos y botes de basura, cuando detecta una coincidencia envía mensajes ecológicos repetidamente, y “TuTHOT,” un sistema educativo interactivo que proporciona definiciones, videos y ejercicios, creado con una base de datos para apoyar el aprendizaje en diversos temas. Además, Thot es un robot ecológico, con movilidad controlada mediante Bluetooth y baterías recargables con energía solar. Su diseño interactivo incluye visualización en dispositivos inteligentes para captar el interés de jóvenes y adolescentes, reduciendo el abandono escolar y demostrando el potencial de aplicar conocimientos de mecatrónica en proyectos creativos. Este enfoque innovador utiliza tecnologías de IA, aprendizaje automático y sistemas de energía sostenible para promover el aprendizaje y la continuidad educativa, adaptándose a diferentes niveles y necesidades educativas.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

La educación efectiva es esencial en todas las etapas educativas, pero muchos institutos no logran resultados debido a la falta de profesores o materiales atractivos. Durante 2021- 2022, la tasa de abandono escolar en México fue más alta en bachillerato (9.2%) que en primaria (0.4%) y secundaria (2.5%). En el Estado de México, el abandono fue del 1.4% en primaria, 2.1% en secundaria, 7.8% en media superior y 9.2% en superior, mostrando mayores desafíos en niveles avanzados.

Antecedentes

Los robots programables como Pepper, NAO y RIDC-01 han demostrado su capacidad para convivir entre las personas siendo de utilidad. Pepper, un robot humanoide con inteligencia emocional, interactúa con las personas para resolver dudas,mientras que NAO, creado por Softbank, cuenta con sensores avanzados, cámaras y una plataforma de programación abierta, permitiendo su adaptación como herramienta educativa.

Objetivo

Diseñar un robot asistente educativo para jóvenes que se desplace de forma autónoma por el aula usando control Bluetooth, ofreciendo contenido multimedia y apoyo audiovisual, respondiendo a instrucciones por voz, e identificando y gestionando la basura en la zona escolar para promover la conciencia ecológica y el acceso a recursos educativos.

Justificación

En el Estado de México, con una cobertura educativa superior del 24.7% y una tasa de abandono del 9.2%, se enfrenta una brecha significativa entre el acceso y la retención escolar. Este abandono limita oportunidades y perpetúa desigualdades. El proyecto del robot asistente educativo propone una solución innovadora, ofreciendo contenido multimedia y apoyo audiovisual en el aula, adaptándose a diferentes estilos de aprendizaje y promoviendo la conciencia ecológica. Este enfoque no solo mejora la calidad educativa, sino que también fomenta prácticas sostenibles y puede reducir el abandono escolar al crear un entorno de aprendizaje más dinámico y participativo.

Hipótesis

Implementar un robot asistente educativo en el ambiente escolar mejorará la experiencia de aprendizaje, incrementará la retención estudiantil y reducirá la tasa de abandono escolar al proporcionar contenido multimedia interactivo, apoyo audiovisual adaptado a diferentes estilos de aprendizaje, y promover la conciencia ecológica.

Método (materiales y procedimiento)

Para iniciar el desarrollo del proyecto, se comenzó con la planificación de las actividades y su secuencia. Se presenta un diagrama de flujo que detalla las etapas clave, desde la planificación inicial hasta la implementación y prueba del robot asistente educativo. Este diagrama facilita la visualización del proceso, mostrando las actividades necesarias para el desarrollo exitoso de THOT mediante una planificación y ejecución cuidadosas (Imagen 1).

Diseño del Robot: Se diseñó una apariencia atractiva y memorable para THOT para establecer una conexión amigable con los estudiantes. Inspirados en diversos modelos de robots reales y ficticios, el cuerpo de THOT combina elementos futuristas con un diseño accesible, buscando captar la atención y resultar familiar para los estudiantes. Este enfoque tiene como objetivo promover un entorno educativo interactivo y enriquecedor, facilitando la integración del robot en el aula (Imagen 2). Una vez definidos los materiales y componentes más adecuados para el cuerpo de THOT, comenzó un arduo proceso de fabricación que se extendió durante varios días. Durante este tiempo, se trabajó meticulosamente para asegurar que cada detalle del diseño cumpliera con los objetivos establecidos (Imagen 3).

También realizó el cableado necesario para conectar la batería a los motores, asegurando una conexión segura y eficiente. Además, se creó un sistema de soporte interno para facilitar la instalación y extracción de las pantallas de manera rápida y sencilla. Además, se perforaron agujeros estratégicos para el paso de cables de alimentación y otros componentes. Una vez completada la fase de ensamblaje, se procedió a la etapa de pintado. Los colores elegidos, azul y gris, fueron  seleccionados cuidadosamente por su significado y su relevancia para el proyecto, siendo el azul el color de nuestro tecnológico y el gris para transmitir seriedad y confianza con los jóvenes (Imagen 4).

Desarrollo de las aplicaciones:

 “THUTHOT”: El proyecto Thot es un asistente educativo que mejora la experiencia de aprendizaje a través de funciones interactivas. Las etapas clave incluyen:

1. Configuración Inicial: Se establecen las bases tecnológicas, permitiendo que Thot hable y busque en sus archivos.
2. Diccionario de Temas: Se crea un diccionario con temas de cualquier materia, en este caso Cálculo Diferencial del Instituto Tecnológico de Tlalnepantla.
3. Función de Explicación: Thot explica los temas del diccionario mediante voz.
4. Función Principal: Se da la bienvenida al usuario y se inicia la interacción.
5. Bucle Interactivo: El usuario solicita temas por voz o finaliza la sesión.
6. Reproducción de Explicación: Thot explica el tema seleccionado usando síntesis de voz y después proporciona videos que complementan la explicación.
7. Abrir Enlaces: Thot abre páginas de ejercicios resueltos paso a paso para reforzar el aprendizaje por parte del estudiante.

Con este diagrama (Imagen 5) se comenzó a desarrollar la aplicación, en Android Studio en lenguaje java, donde se hizo la adecuación de las librerías, el diccionario de definiciones, se cargaron los videos asociados, y se agregaron los ejercicios adecuados de cada tema (Imagen 6).

“THOT IA”: La aplicación del detector de basura de THOT utiliza inteligencia artificial para identificar residuos y fomentar prácticas ecológicas. El flujo de operaciones es el siguiente:

1. Inicio: El programa se prepara para recibir datos de la cámara.
2. Abrir cámara: Se inicializa la cámara para capturar imágenes en tiempo
3. Bucle de captura: El programa repite las siguientes operaciones hasta que el usuario decida salir:
4. Captura de imagen: Se toma una fotografía del entorno.
5. Procesamiento de imagen: La imagen se analiza para detectar basura en base a las clases que le enseñamos a
6. Si se detecta basura: Se muestra un mensaje ecológico.
7. Si no se detecta: Se captura una nueva imagen.
8. Fin: El programa termina cuando el usuario lo

El sistema utiliza el modelo de aprendizaje TensorFlow Lite para ser implementado con mayor facilidad, entrenado con 1000 imágenes de la institución, para operar eficientemente en dispositivos Android e iOS.

Movilidad: Con los motores establecidos se hizo la configuración y el diseño del sistema de control para control de la movilidad, de momento funciona mediante una aplicación Bluetooth, siguiendo el siguiente diagrama (Imagen 7) como guía que nosotros desarrollamos en el software de Proteus.

El proceso es el siguiente:

1. Inicio: El Arduino se conecta al módulo Bluetooth para recibir señales de pulsos, utilizando dos botones simulados, alimentados con 5V.
2. Accionar el relé: El transistor 2N2222A, controlado por el Arduino, dirige el pulso hacia el relé de manera independiente de una fuente de mayor
3. Funcionamiento de los motores: El relé cierra el circuito, permitiendo que los 12V de la batería alimenten el motor sin afectar los 5V de la otra fuente, protegiendo así la parte de control.

Galería Método

Resultados

Después de construir el prototipo decimos probarlo dentro de nuestra institución, así que se realizaron varios recorridos donde los mismos alumnos son los que se acercaban y una vez explicando su funcionalidad, ellos hacían las consultas, para comprobar el funcionamiento adecuado de la aplicación de tutoría (Imagen 8). Una vez que si resulto atractivo para nuestros compañeros y si funciono la aplicación de tutoría de manera adecuada comenzamos con las pruebas de la segunda aplicación, el detector de basura, así que comenzamos un recorrido con el proyecto por los pasillos de la escuela con los que entrenamos a la IA, para comprobar la detección de basura, en las siguientes fotografías son tomadas desde la aplicación de detección de basura, donde se observa en la parte superior izquierda como cambia la taza de coincidencia cambia dependiendo de la información que detecta por medio de nuestra cámara (Imagen 9, Imagen 10).

Galería Resultados

Discusión

El robot Thot es una solución innovadora para mejorar el aprendizaje al integrar tecnología avanzada en el ámbito educativo. Combina asistencia académica con conciencia ambiental, gracias a su capacidad para identificar basura y emitir mensajes ecológicos, fomentando la responsabilidad ambiental en los estudiantes. Su sistema interactivo “TuTHOT” permite personalizar la educación con definiciones, videos y ejercicios, lo que puede ayudar a reducir el abandono escolar al adaptarse al ritmo y nivel de cada usuario.

El uso de inteligencia artificial y aprendizaje automático permite que el contenido educativo sea dinámico y autónomo. Sin embargo, Thot enfrenta desafíos como la precisión en la detección de basura y la eficiencia de su sistema de carga solar, que podría verse afectado por diferentes entornos. A pesar de estas limitaciones, Thot ofrece una herramienta relevante para promover el interés en ingeniería, mecatrónica e inteligencia artificial, con movilidad controlada por Bluetooth y energía solar, lo que refuerza su valor en un entorno escolar.

Conclusiones

El proyecto Thot ha demostrado ser una iniciativa valiosa en la intersección entre educación y sostenibilidad, ofreciendo soluciones tanto para mejorar el aprendizaje como para concienciar a los estudiantes sobre la importancia de cuidar el medio ambiente. Su enfoque innovador al combinar funciones educativas con la identificación de basura mediante inteligencia artificial subraya su potencial como herramienta educativa y ecológica. A través de la personalización del contenido educativo y la promoción de mensajes ecológicos, Thot puede contribuir significativamente a la motivación de los estudiantes y a la reducción de la deserción escolar.

Sin embargo, es esencial continuar desarrollando y optimizando los componentes técnicos, como la precisión de los sistemas de clasificación de basura y la eficiencia de la carga solar, para asegurar su éxito y operatividad a largo plazo. En conclusión, Thot tiene el potencial de convertirse en un referente en el uso de tecnologías avanzadas para la educación y la sostenibilidad, inspirando a los estudiantes a explorar y aplicar el conocimiento en soluciones creativas y responsables.

Bibliografía

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2. 2004 / 2024 – Euroinnova Formación S.L. robots los profesores del futuro https://www.euroinnova.mx/blog/robots-los-profesores-del-futuro
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4. Paneles solares ¿Cómo funcionan y qué son? Container: Celsia Publisher: Celsia Year: 2018 URL: https://www.celsia.com/es/blog-celsia/paneles-solares-como- funcionan-y-que-son/
5. ¿Serán los robots los profesores del futuro? / por Noelia Hernández 25 de febrero de 2024. https://www.educaciontrespuntocero.com/noticias/robots-los-profesores- del-futuro/

Summary

Thot is an educational assistance robot designed to enhance the learning experience of students and teachers through interactive and personalized features. This project aims to encourage young people to continue their studies, especially in engineering, by offering modern tools for learning. Thot includes two main applications: one for waste identification using a camera that classifies trash and bins; when it detects a match, it repeatedly sends ecological messages, and “TuTHOT,” an interactive educational system that provides definitions, videos, and exercises, created with a database to support learning in various subjects. Additionally, Thot is an eco-friendly robot, with mobility controlled via Bluetooth and rechargeable solar-powered batteries. Its interactive design includes visualization on smart devices to capture the interest of young people and adolescents, reducing school dropout rates and demonstrating the potential to apply mechatronics knowledge in creative projects. This innovative approach utilizes AI technologies, machine learning, and sustainable energy systems to promote learning and educational continuity, adapting to different educational levels and needs.

Research Question

Problem approach

Effective education is essential at all educational stages, but many institutions fail to achieve results due to a lack of engaging teachers or materials. During 2021-2022, the dropout rate in Mexico was higher in high school (9.2%) than in elementary school (0.4%) and middle school (2.5%). In the State of Mexico, the dropout rates were 1.4% in elementary school, 2.1% in middle school, 7.8% in upper secondary, and 9.2% in higher education, showing greater challenges at advanced levels.

Background

Programmable robots like Pepper, NAO, and RIDC-01 have demonstrated their ability to coexist with people and be useful. Pepper, a humanoid robot with emotional intelligence, interacts with people to answer questions, while NAO, created by Softbank, features advanced sensors, cameras, and an open programming platform, allowing it to be adapted as an educational tool.

Objective

Design an educational assistant robot for young people that autonomously navigates the classroom using Bluetooth control, offering multimedia content and audiovisual support, responding to voice instructions, and identifying and managing waste in the school area to promote ecological awareness and access to educational resources.

Justification

In the State of Mexico, with an educational coverage of 24.7% and a dropout rate of 9.2%, there is a significant gap between access and school retention. This dropout limits opportunities and perpetuates inequalities. The educational assistant robot project proposes an innovative solution, offering multimedia content and audiovisual support in the classroom, adapting to different learning styles and promoting ecological awareness. This approach not only improves educational quality but also encourages sustainable practices and can reduce school dropout rates by creating a more dynamic and participatory learning environment.

Hypothesis

Implementing an educational assistant robot in the school environment will improve the learning experience, increase student retention, and reduce the dropout rate by providing interactive multimedia content, audiovisual support tailored to different learning styles, and promoting ecological awareness.

Method (materials and procedure)

To initiate the development of the project, planning of activities and their sequence began. A flowchart detailing the key stages, from initial planning to the implementation and testing of the educational assistant robot, is presented. This diagram facilitates the visualization of the process, showing the necessary activities for the successful development of THOT through careful planning and execution (Image 1).

Robot Design: An attractive and memorable appearance for THOT was designed to establish a friendly connection with students. Inspired by various models of real and fictional robots, THOT’s body combines futuristic elements with an accessible design, aiming to capture attention and feel familiar to students. This approach aims to promote an interactive and enriching educational environment, facilitating the integration of the robot in the classroom (Image 2). Once the most suitable materials and components for THOT’s body were defined, a rigorous manufacturing process began, extending over several days. During this time, meticulous work was done to ensure that every detail of the design met the established objectives (Image 3).

The necessary wiring to connect the battery to the motors was also carried out, ensuring a secure and efficient connection. Additionally, an internal support system was created to facilitate the quick and easy installation and removal of the screens. Strategic holes were drilled for the passage of power cables and other components. Once the assembly phase was completed, the painting stage proceeded. The chosen colors, blue and gray, were carefully selected for their significance and relevance to the project, with blue representing technology and gray conveying seriousness and trustworthiness with young people (Image 4).

Development of Applications:

“THUTHOT”: The Thot project is an educational assistant that enhances the learning experience through interactive functions. Key stages include:

• Initial Setup: Technological foundations are established, allowing Thot to speak and search its files.
• Topic Dictionary: A dictionary is created with topics from any subject, in this case, Differential Calculus from the Instituto Tecnológico de Tlalnepantla.
• Explanation Function: Thot explains the topics from the dictionary via voice.
• Main Function: The user is welcomed, and interaction begins.
• Interactive Loop: The user requests topics by voice or ends the session.
• Explanation Playback: Thot explains the selected topic using voice synthesis and then provides videos that complement the explanation.
• Open Links: Thot opens pages of step-by-step solved exercises to reinforce student learning.

With this diagram (Image 5), the application development began in Android Studio using Java, where the libraries were adjusted, the dictionary of definitions was created, associated videos were loaded, and suitable exercises for each topic were added (Image 6).

“THOT IA”: THOT’s waste detector application uses artificial intelligence to identify waste and encourage ecological practices. The flow of operations is as follows:

• Start: The program prepares to receive data from the camera.
• Open Camera: The camera is initialized to capture images in real-time.
• Capture Loop: The program repeats the following operations until the user decides to exit:
• Capture Image: A photograph of the environment is taken.
• Image Processing: The image is analyzed to detect waste based on the classes it was trained on.
• If waste is detected: An ecological message is displayed.
• If no waste is detected: A new image is captured.
• End: The program terminates when the user decides to do so.

The system uses the TensorFlow Lite learning model for easier implementation, trained with 1,000 images from the institution, to operate efficiently on Android and iOS devices.

Mobility: With the established motors, the configuration and design of the control system for mobility were carried out. For now, it operates via a Bluetooth application, following the flowchart (Image 7) that we developed in the Proteus software.

The process is as follows:

• Start: The Arduino connects to the Bluetooth module to receive pulse signals, using two simulated buttons powered with 5V.
• Activate Relay: The 2N2222A transistor, controlled by the Arduino, directs the pulse to the relay independently of a higher-power source.
• Motor Operation: The relay closes the circuit, allowing the 12V from the battery to power the motor without affecting the 5V from the other source, thus protecting the control part.

Method Gallery

Results

After building the prototype, we decided to test it within our institution, so several tours were conducted where the students themselves approached it. Once we explained its functionality, they made inquiries to verify the proper operation of the tutoring application (Image 8). Once it proved attractive to our peers and the tutoring application functioned adequately, we began testing the second application, the waste detector. We started a tour with the project through the school hallways, training the AI to check waste detection. The following photographs were taken from the waste detection application, where you can see in the upper left corner how the matching rate changes depending on the information detected by our camera (Image 9, Image 10).

Results Gallery

Discussion

The Thot robot is an innovative solution to enhance learning by integrating advanced technology into the educational field. It combines academic assistance with environmental awareness, thanks to its ability to identify waste and emit ecological messages, fostering environmental responsibility among students. Its interactive system “TuTHOT” allows for personalized education with definitions, videos, and exercises, which can help reduce school dropout rates by adapting to the pace and level of each user.

The use of artificial intelligence and machine learning enables the educational content to be dynamic and autonomous. However, Thot faces challenges such as accuracy in waste detection and the efficiency of its solar charging system, which could be affected by different environments. Despite these limitations, Thot offers a relevant tool to promote interest in engineering, mechatronics, and artificial intelligence, with Bluetooth-controlled mobility and solar energy, reinforcing its value in a school setting.

Conclusions

The Thot project has proven to be a valuable initiative at the intersection of education and sustainability, offering solutions to both enhance learning and raise students’ awareness of the importance of caring for the environment. Its innovative approach, combining educational functions with waste identification through artificial intelligence, highlights its potential as both an educational and ecological tool. By personalizing educational content and promoting ecological messages, Thot can significantly contribute to student motivation and reduce dropout rates.

However, it is essential to continue developing and optimizing the technical components, such as the accuracy of waste classification systems and the efficiency of solar charging, to ensure its long-term success and operability. In conclusion, Thot has the potential to become a benchmark in the use of advanced technologies for education and sustainability, inspiring students to explore and apply knowledge in creative and responsible solutions.

Bibliography

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4. Solar Panels: How They Work and What They Are? Container: Celsia. Publisher: Celsia Year: 2018. https://www.celsia.com/es/blog-celsia/paneles-solares-como- funcionan-y-que-son/
5. Will Robots Be the Teachers of the Future? / by Noelia Hernández, February 25, 2024. https://www.educaciontrespuntocero.com/noticias/robots-los-profesores- del-futuro/