“Enseñanza-aprendizaje constructivista a través de la Robótica

“Enseñanza-aprendizaje constructivista a través de la Robótica

Project TERECoP
128959-CP-1-2006-1-GRC21
“Enseñanza-aprendizaje constructivista a través de
la Robótica Educativa”
Guía Didáctica
EL ROBOT COMO OBJETO DE CONOCIMIENTO
TEMA 1
EL ROBOT MÁS SIMPLE: UN ROBOT “LINEAL”
Curso promovido por:
El proyecto Europeo Comenious TERECoP (UPNA partner)
El CAP de Pamplona del Departamento de Educación del Gobierno de Navarra
CEIN Centro Europeo de Innovación Empresarial de Navarra
ARLEGUI, J., PINA, A., MORO, M,.
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EL ROBOT COMO OBJETO DE CONOCIMIENTO
Proponemos e iniciamos en los próximos capítulos una secuencia “constructiva” (de la
parte del profesor) para estudiar el comportamiento básico de un robot, partiendo de
los ensamblajes más simples de robots de las técnicas más elementales que ésos
ejecutan…
Aunque ordenaremos realizar al robot acciones físicas (desplazamientos, giros, …)
nuestro interés primario no será “usar” al robot para conocer los aspectos físicos del
entorno (dado que todavía no sabemos siquiera cómo “hablarle”, por el contrario, en
estas etapas iniciales estamos más interesados en explorar los términos básicos de su
lenguaje, eso sí, de un modo funcional, haciendo que haga con ellos acciones simples
pero con significado en el entorno (desplazamientos y giros simples, etc).
Iniciamos, pues, lo que denominaremos una “secuencia de estudio e indagación” (por
temas y secuencias de problemas) del robot LEGO MINSTORMS “como objeto de
conocimiento”:
5.- TEMA 1: EL ROBOT MÁS SIMPLE: UN ROBOT “LINEAL”
problema-tipo
procedimiento en
procedimiento en
pseudo-código
LEGO NXT-G
0
¿cómo ensamblar “buenos”
robots lineales…?
1
¿cómo ordenar a un robot
simple que se desplace hacia
adelante durante un cierto
intervalo t de tiempo…?
avanza_un_tiempo
(power, t)
2
¿cómo ordenar a un robot
simple que se desplace hacia
adelante a lo largo de una
cierta distancia angular φ
(de sus ruedas) …?
avanza_una_distancia_angular
¿Cómo podemos convertir
los valores de velocidad “v”
[ cm/s] en valores de
“power” ¿
avanza_un_tiempo
(v, t)
3
MOTOR
(power, time)
MOTOR
(power,
degrees)
(power, φ)
OPERACIÓN (v)->power
MOT
OR
(pow
er,
time)
4
¿cómo podemos, además,
convertir los valores de
distancia lineal “x”[ cm] a
valores de giro angular “φ”
¿
avanza_una_distancia
(v, x)
OPERACIÓN (v)->power
OPERACIÓN (x)--> φ
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MOTOR (power, degrees)
5
¿cómo ordenar a un robot
simple que se desplace hacia
adelante a lo largo de una
cierta distancia d durante
un tiempo t…?
avanza_x_en_t
¿cómo podemos ordenar un
desplazamiento grande
como una secuencia de
desplazamientos
pequeños…?
avanza_paso_a_paso
7
¿cómo realizar sucesivos
pequeños desplazamientos
en el tiempo pero que sean
cada vez más grandes en
longitud?
acelera (t)
8
¿cómo combinar el
desplazamiento con otra
actividad ¿
avanza_y_pita (x, t)
6
(x,t)
OPERACIÖN (x,t)
powe
r
MOT
OR(p
ower, time)
MOTOR en BUCLE
(v,D)
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MOTOR+SONIDO en
BUCLE
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5.0.- PROBLEMA 0: ¿CÓMO ENSAMBLAR “BUENOS” ROBOTS LINEALES …?
a) OBJETIVOS:
•
Que los alumnos sean capaces, a partir de las piezas de la caja LEGO Minstorms
(y eventualmente de la caja complementaria LEGO Education), de
ensamblar robots simples de un solo motor
•
imitando en un primer momento alguno de los robots-ejemplo presentados
haciendo uso de la aplicación de diseño de robots LEGO DIGITAL DESIGNER
•
y comparar los diversos robots construidos en la clase (u otros robots que se les
puedan presentar, procedentes de otros proyectos) pudiendo evaluarlos
conociendo y aplicando criterios de rigidez, estabilidad, simplicidad y estética.
b) SABERES A ADQUIRIR Y SABERES PREVIOS:
•
•
Las técnicas básicas de ensamblaje de las piezas LEGO Mindstorms:
-
Ensamblaje en paralelo de las vigas con clavijas (con o sin fricción)
-
Ensamblaje transversal de vigas con piezas de cruce
-
Ejes, anillos de fricción, ruedas, etc
Las leyes mecánicas básicas sobre:
-
Rigidez (como un sólido rígido)
-
Estabilidad (del centro de masas)
-
Rozamiento y adherencia (rodadura)
•
Criterios de simplicidad y estética
•
La aplicación LEGO DIGITAL DESIGNER (LDD en lo que sigue) , a nivel de
usuario básico.
Saberes previos: Se requiere únicamente una habilidad motora básica para el ensamblaje
de las piezas y un reconocimiento previo de los distintos tipos de piezas (las más
usuales) que vienen en las cajas de LEGO (puede resultar conveniente el desmontar un
robot previo y recolocar clasificando las piezas en las cajas…)
c) FORMULACIÓN, POR EL PROFESOR, DE UN PROBLEMA-TIPO
¿Podemos, viendo los ejemplos de la aplicación LDD y el/los robot/s que nos muestra el profesor,
construir un robot lo más simple posible?
Condiciones: debe llevar un solo motor y debe ser una construcción sencilla, pero rígida y
estable. Debe ser, además, “bonito” y simple de construcción…
d) ACCIONES EXPLORATORIAS DE LOS ALUMNOS Y FORMULACIÓN DE
SOLUCIONES
En esta etapa, los grupos de alumnos, con ayuda del profesor, pero a partir de sus
propias iniciativas, van construyendo sus respectivos robots…
Para la mayoría de los alumnos este momento será el de su primer contacto con el
equipo constructivo LEGO Mindstorms. Es por ello razonable que el profesor les
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muestre (personalmente o a través del LDD) las técnicas básicas de ensamblaje:
- ensamblaje longitudinal de vigas mediante clavijas,
- ensamblaje transversal de vigas,
- ensamblaje de ejes con anillos y ruedas,…
Luego se pasa a la construcción del robot completo. Para ello, los alumnos pueden,
observar la construcción de un robot simple en LDD, copiándola total o parcialmente…
Aunque se debe insistir en que “son más interesantes las construcciones personales”
para estimular la confianza en la exploración constructiva desde esta primera etapa… y
para obtener robots variados y poder extraer de ellos criterios de estabilidad, rigidez,
etc. en la siguiente etapa.
Las acciones constructivas de los alumnos pueden dar origen a robots como los de las
figuras…
e) GENERALIZACIÓN DE LAS SOLUCIONESLOCALES Y FORMULACIÓN DE
SABERES:
Los “outputs” interesantes de esta Unidad no son las soluciones “locales” que cada
alumno crea, sino los que salen del trabajo colectivo de esta etapa, en la que se debe
discutir cuáles son las características del “robot ideal”, desde los diferentes aspectos
que ya se habían solicitado en la pregunta inicial.
El profesor debe proponer someter a los robots a “pruebas de calidad” . La discusión y
la aplicación dichas pruebas por los alumnos debe ser la ocasión de llegar a
formulaciones consensuadas sobre las características ideales de un robot; esto es, sobre
los valores más convenientes que deben tomar ciertos atributos. Veamos algún
ejemplo:
F2
F1 >>F2
N
N
F1
R1
R2
Mg
Mg
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Estabilidad: La prueba sería
tirar con un dinamómetro de
cada coche, desde la altura que
corresponde a la parte
superior el mismo, y observar
la fuerza F necesaria para
volcarlo.
En la figura adjunta se
representan las fuerzas F1 y F2
necesarias para iniciar el vuelo
de ambos robots.
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Los dos robots son de igual masa pero de distintas dimensiones espaciales (el robot 1
es ancho y bajo; el robot 2 es estrecho y alto). Experimentalmente se puede observar en
ambos robots el mismo peso Mg y la misma fuerza N de aguante del suelo, pero el
robot 1 requiere un fuerza F1 mucho mayor que la fuerza F2 que requiere el robot 2
para iniciar el vuelco en ambos casos.
Rigidez: Cuanto mayor sea la tensión a la que
están sometidas las piezas (principalmente
clavijas y ejes) debido a las fuerzas externas
que actúan habitualmente sobre el robot (la
gravead, las cargas que debe levantar, etc),
menor será la rigidez del mismo.
La figura
adjunta
muestra la
diferencia
de tensiones
brazo,
contiguos o
sobre las
caso…
en las clavijas, que ensamblan un
cuando éstas se colocan en agujeros
en agujeros alternos… La tensión
mismas es mucho mayor en el primer
Como prueba de rigidez puede ser
suficiente
aplicar una fuerza externa vertical
hacia abajo
sobre el robot (empujando con un dedo, por ejemplo) y observar si cede alguna parte
de su estructura (si las ruedas se comban, por ejemplo…)
Algunos saberes que pueden formularse al final de esta unidad:
Con la ayuda del profesor, los alumnos pueden comparar sus diferentes robots y
formular algunas hipótesis del estilo de las siguientes (que podrían ser verificadas
posteriormente construyendo robots “buenos” y “malos” según estos criterios…) :
a. En relación con la simplicidad:
-
“Cuanto menos piezas tiene un robot, más sencillo es…”,
“Cuanto menos clavijas tiene un robot, más sencillo es…”,
“Canto más simétrico es un robot, más sencillo es…”
b. En relación con la rigidez:
-
Cuanto menos cede un robot a las pequeñas fuerzas externas que se le hacen, más
rígido es…”
“Cuanto mayor es la distancia entre las clavijas que unen dos vigas, más rígida es
la unión de ambas…”
c. En relación con la estabilidad:
-
“Cuanto más separadas están las ruedas en los ejes, mejor es la estabilidad…”
“Cuanto más bajo es el robot (sobre todo, cuanto más bajos están los elementos que
más pesan), mejor es la estabilidad…”
d. En relación con la rodadura:
-
“Cuanto más peso se carga sobre el eje del motor, mejor es el agarre y da
rodadura…”
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5.1.- PROBLEMA 1: ¿cómo ordenar a un robot simple que se desplace hacia adelante
durante un cierto intervalo t de tiempo…?
1.- Objetivos:
•
Que los alumnos sean capaces de escribir y de usar un procedimiento tipo
comando que desplace linealmente un robot durante un intervalo de tiempo t y
con una potencia dada
2.- Saberes a adquirir y saberes previos requeridos:
Saberes previos:
- ninguno sobre procedimientos NXT-G (en esta unidad se
introduce el primero),
- los de la unidad anterior: la construcción de un robot lineal,
- conocimiento básico del entorno de programación NXT-G:
edición, comunicación con el robot, cómo bajar programas, etc
El procedimiento avanza_un_tiempo (power, t) :
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5.2.- PROBLEMA 2: ¿cómo ordenar a un robot simple que se desplace hacia adelante a
lo largo de una cierta distancia angular φ (de sus ruedas) …?
1.- Objetivos:
•
Que los alumnos sean capaces de escribir y de usar un procedimiento tipo
comando que desplace linealmente un robot durante un giro de φ grados del
motor y con una determinada potencia.
2.- Saberes a adquirir y saberes previos requeridos:
Saberes previos:
- Problema 1,
- los de la unidad anterior: la construcción de un robot lineal,
- conocimiento básico del entorno de programación NXT-G:
edición, comunicación con el robot, cómo bajar programas, etc
El procedimiento avanza_una_distancia_angular (power, φ ) :
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5.3.- PROBLEMA 3: ¿Cómo podemos convertir los valores de velocidad “v” [ cm/s] en
valores de “power” ¿
1.- Objetivos:
•
Que los alumnos sean capaces de escribir un procedimiento tipo función que
convierta un valor v de velocidad, dado en cm/s, en el equivalente valor del
parámetro power
•
Y que sean capaces de usarlo en un procedimiento comando
avanza_un_tiempo (v, t ), donde la velocidad se expresa en cm/s
2.- Exploraciones a realizar:
POWER
(%)
0
10
20
30
40
50
DISTANCE TIME SPEED
(cm)
(S) (m/sec)
0
35
82
126
174
217
10
10
10
10
10
10
THEORETICAL
SPEED (=k *
power)
0
3,5
8,2
12,6
17,4
21,7
0
4,2
8,4
12,6
16,8
21
k= 0,42
Observamos experimentalmente las distancias a la que se desplazan distintos robots con distintos valores
de power durante un mismo tiempo, y calculamos sus velocidades. Generalizando estos casos vemos que:
Vx = 0,42 * power
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3.- Saberes a adquirir y saberes previos requeridos:
Saberes previos:
- Problemas 1, 2 de este Tema
Saberes experimentales:
- Vx = 0,42 * power
Saberes de programación:
El procedimiento avanza_un_tiempo (v, t ) :
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5.4.- PROBLEMA 4: ¿cómo podemos, además, convertir los valores de distancia lineal
“x”[ cm] a valores de giro angular “φ” ¿
1.- Objetivos:
•
Que los alumnos sean capaces de escribir un procedimiento tipo función que
convierta un valor x de distancia, dado en cm, en el equivalente valor del
parámetro “grados” (distancia angular)
•
Y que sean capaces de usarlo en un procedimiento comando
avanza_una_distancia (v, x ), donde la velocidad se expresa en cm/s y la
distancia en cm.
2.- Exploraciones a realizar:
rotation
0
1
2
3
4
5
6
exp distance
0,0
26,0
52,0
77,3
102,5
128,7
153,8
theor distance
0,0
25,6
51,3
76,9
102,5
128,2
153,8
R= 4,08
Igual que en el problema anterior, se “experimenta” hasta hallar que hay una relación
efectiva entre la distancia expresada (en este caso) en num. de rotaciones y la distancia
en cm, y que la relación puede expresarse como:
X = 2*PI*R* grados/360
3.- Saberes a adquirir y saberes previos requeridos:
Saberes previos:
- Problemas 1, 2, 3 de este Tema
Saberes experimentales:
- Relación entre longitud recorrida y ángulo girado en un
movimiento circular de desplazamiento
Saberes de programación:
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El procedimiento avanza_un_tiempo (v, t ) :
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