PROYECTOS EN ROBÓTICA EDUCATIVA: EL CICLO SIN FÍN

BRAZOS MECÁNICOS AUTOMATIZADOS

Este es un video de un proyecto realizado en el Colegio Bayard en la unidad tecnológica de la materia Computación.

Para mayor información sobre la interfaz utilizada y el lenguaje LOGOTEC creado en FMS LOGO leer la entrada ROBOTIC ON TOP ROBOTIC ON TAP

PROYECTO AUTOMATIZACIÓN

El Colegio Bayard, donde trabajo hace 35 años, es un colegio con los tres niveles donde sus alumnos egresan del nivel secundario con título de bachiller. Tiene una filosofía humanista que le ha dado a la educación tecnológica (e informática) una gran importancia, invirtiendo continuamente recursos para mantener activa la unidad de Robótica Educativa. Aclaro el contexto porque es importante saber que no somos un colegio técnico y la educación tecnológica es parte de una concepción humanista, que entendió, recibió y cobijó, esa particular manifestación del humanismo científico que aprendimos de la mano del Logo y de sus maestros.

La unidad tecnológica, como nos gusta llamarla, es parte de la planificación del taller de computación, y tiene fundamentos muy semejantes a los que estableció la currícula para Tecnología en la reforma de los 90.

Comienza en 1º grado y se articula en temáticas de ciencia, tecnología, sociales y concluye invariablemente en un proyecto constructivo. En 6º y 7º grado este proyecto consiste en construir, programar y comandar un Mobot (robot móvil) a través de procedimientos que un operario activa desde la computadora. Estos Mobots son como marionetas mecánicas controlados a distancia por un operador.

En cambio en 1º año el sistema mecánico, independientemente de la forma y función que tenga, debe trabajar en forma automática, es decir que los alumnos deben crear los procedimientos necesarios para que el procesador de la computadora controle por sí solo todo el proceso del sistema. Para que esto sea posible es indispensable introducir el concepto, la aplicación y la programación de sensores.

TRASDUCCIÓN

El sensado comienza con una transducción eléctrica. Un estímulo físico (contacto, proximidad, temperatura) se transforma en una señal eléctrica que es digitalizada por la interfaz e ingresada a la computadora . Un comando recibe ese valor y lo transforma en un número o señal que es proporcional a la señal de entrada. Ese valor puede ser utilizado para programar reglas de actuación.

En 1º año se utilizan especialmente “sensores de posición” y en este caso también “sensores de luz”. Los primeros son sensores de 2 estados. Son como pequeños interruptores conectados a una de las entradas de la interfaz. Cierran y abren un circuito creando una fluctuación de voltaje entre 5 y 0 volts. Pueden utilizarse el comando VOLT que devuelve el voltaje medido en la entrada o el comando TACTO que devuelve “VERDADERO si el circuito se cierra (voltaje 5) o “FALSO si el circuito está abierto (Voltaje = 0)

Esquema de funcionamiento de un REEL SWITCH

Un Reel Switch es un tipo de interruptor compuesto por una pequeña y ligera chapa de hierro que “flota” dentro de una cápsula de vidrio, entre 2 terminales eléctricos. Utilizando un imán, la chapa se desplaza y conecta ambas terminales, cerrando el circuito que lo contiene.

La ventaja del Reel es que se fija a una superficie y los cables se llevan a la interfaz, en tanto el imán se mueve (sin cables) con el brazo. Como siempre hay una desventaja: y es que el cierre del circuito no se da en único punto, sino en un área determinada por la potencia del imán. Esto le quita precisión.

Para este proyecto utilizamos unos pequeños y potentes imanes de neodimio en forma de botón, como se ven en la figura.

Imanes cilíndricos de neodimio

Esquema del funcionamiento de un sensor de luz: LDR

De los diversos modelos utilizamos un sensor del tipo LDR (Light-dependent resistor), también llamado fotoresistor, ya que funcionan como una resistencia eléctrica variable, cuyo valor disminuye cuando aumenta la cantidad de luz que reciben, pasando de miles de ohmios a solamente unas decenas. Esto provoca una variación de tensión que es medida por la interfaz. Es decir se mide la luz en forma indirecta, a través del cambio voltaje que ésta genera en la LDR. En nuestras interfaces el valor varía entre 0 Volts (oscuridad total) y 5 volts (máxima luminosidad).

Las LDR se utilizan en cámaras, scanners, y otros sensores como los infrarrojos.

Las LDR necesitan cambios de luz. Se pueden utilizar con un foco de luz enfrentado para sensar algo que interrumpa el haz. Esta disposición de llama “barrera”.

O en posición reflectiva como se ve en la figura.

Un haz de luz es reflejado por una superficie y el haz incidente penetra la LDR generando un cambio de voltaje. Si la superficie es blanca la intensidad del haz reflejado será casi igual al incidente. Si la LDR es conectada a la ENTRADA 1 de la interfaz y escribimos ENTRADA 1 ES VOLT obtendremos un valor de voltaje elevado (4,5 por ejemplo).

Pero si la superficie es negra, la intensidad del haz reflejado será mucho menor y si ahora escribimos ENTRADA 1 ES VOLT, obtendremos un valor de voltaje disminuido (0,5 por ejemplo).

Estos valores son a modo de ejemplo, variarán de acuerdo al valor de la luz incidente, el color y la rugosidad de la pieza. En nuestro proyecto utilizamos la luz ambiente y por lo tanto era necesario “calibrar” la programación cuando se cambiaba de lugar o estaba nublado. Los scanners utilizan un potente haz de luz propio para independizarse de la luz ambiente.

ASPECTOS MECÁNICOS

No es propósito desarrollar demasiado este punto. Se construyeron 2 brazos polares, es decir que ambos rotan alrededor de un eje fijado en el centro de una mesa. Ambos tienen 1 rueda de tracción y 1 rueda de apoyo. La rueda de tracción está conectada a un pequeño motor de corriente continua de 5 volts, a través de un mecanismo reductor necesario para aumentar el “torque” del motor y mover una estructura pesada como las de meccano. El brazo de transporte tiene solo 1 grado de libertad. Su objetivo es esperar la pieza y transportarla hasta el segundo brazo o brazo distribuidor.

El brazo distribuidor tiene 2 grados de libertad, pues posee un 2º sistema mecánico que eleva y baja el brazo mediante una rotación.

Este brazo tiene en su extremo exterior un electroimán, que le permite capturar la pieza. Para que ésto sea posible, a la pieza se le acopló una tira metálica de meccano.

ESTRATEGIA TOP DOWN

Utilizamos esta estrategia antes de comenzar a programar las acciones particulares de cada brazo. El objetivo es tener claro cuáles son las acciones y en qué orden deben suceder. Para lograrlo hay varias actividades posibles. Una de ellas es hacer una simulación virtual por ejemplo en PowerPoint. Esto permitirá al alumno programar en forma visual y visualizar el proceso completo. Estas animaciones virtuales son importantes pues estamos con un grupo de 12/ 14 alumnos trabajando en un proyecto común y necesitamos que trabajen lo más individualmente posible antes de entrar a la programación “real” con Logo que solo puede hacerse en 1 o 2 máquinas en forma colectiva.

Adjunto una de las animaciones realizadas por los alumnos: brazos polares

DIAGRAMA DE FLUJO

Otro método sería hacer un diagrama de flujo. No es un recurso que utilicemos a menudo. Pero ya que no tenemos la posibilidad de “ver” el proyecto utilicemos un método a mitad de camino entre el diagrama y la receta de cocina.

ACCIONES DEL BRAZO TRANSPORTADOR

Debe esperar recibir la pieza

Si la recibe debe girar hasta la posición de entrega.

Debe esperar que la pieza se levantada por el 2º brazo

Cuando eso suceda debe girar hasta la posición de espera.

ACCIONES DEL BRAZO DISTRIBUIDOR

Debe esperar que el brazo transportador llegue

Bajar el brazo

Activar el electroimán

Subir el brazo

Determinar si la piezas es blanca o negra

Si es blanca.

Girar a la posición de descarga piezas blancas (Sentido antihorario)

Bajar el brazo

Desactivar el electroimán

Subir el brazo

Girar a la posición de espera (sentido horario)

Si es negra.

Girar a la posición de descarga piezas negras (sentido horario)

Bajar el brazo

Desactivar el electroimán

Subir el brazo

Girar a la posición de espera (sentido antihorario)

PROCEDIMIENTOS DEL BRAZO 1

Recordemos que cada brazo tiene su computadora y su interfaz. Son por lo tanto independientes. Sin embargo hay un momento que ambas interfaces deben conectarse.

Puerto interfaz

Motor tracción

SALIDA 1

Foto sensor que detecta la pieza

ENTRADA 1

Reel Switch en posición de espera

ENTRADA 3

Reel Switch en posición de entrega

ENTRADA 2

Cuando la pieza es colocada tapa al FOTOSENSOR (Entrada 1) y el voltaje cae por debajo de 1. Al nivel eléctrico la pieza colocada equivale a VOLT < 1.

PARA ESPERAPIEZA

ENTRADA 1

SI VOLT < 1 [ENTREGARPIEZA]

ESPERAPIEZA

FIN

PARA ENTREGARPIEZA

GIRARHORA

ESPERAEXTRACCIÓN

GIRARANTIHORA

FIN

PARA GIRARHORA

SALIDA 1

DIR.A

E

ENTRADA 2

SENSAR

ES [EN POSICIÓN DE ENTREGA]

FIN

PARA SENSAR (cuando el imán activa el reel de la entrada activa, la regla indica A (apagar) el motor y ALTO (Detener el ciclo SENSAR)

SI TACTO = “VERDADERO [ A ALTO]

SENSAR

FIN

PARA ESPERAEXTRACCION (cuando se extraiga la pieza el sensor de luz recibirá más luz y aumentará el voltaje de la entrada)

ENTRADA 1

SI VOLT > 1 [ALTO]

ESPEREXTRACCION

FIN

PARA GIRARHORA

SALIDA 1

DIR.B

E

ENTRADA 3

SENSAR

ES [EN POSICIÓN DE ESPERA]

FIN

PARA SENSAR (Por lo general todos los sensados son procedimientos recursivos)

SI TACTO = “VERDADERO [ A ALTO]

SENSAR

FIN

PROCEDIMIENTOS DEL BRAZO 2 (DISTRIBUIDOR)

Motor de tracción

Salida 1

Motor elevación

Salida 5

Electroimán

Salida 13 (12 volts)

Reel (en paralelo con la 1º interfaz)

Entrada 2

Reel posición espera

Entrada 1

Reel posición entrega de piezas blancas

Entrada 3

Reel posición entrega piezas negras

Entrada 4

Switch bajada brazo

Entrada 5

Fotosensor – Detección “color” de la pieza

Entrada 6

La computadora del brazo 2 debe “saber” cuando llega el brazo de transporte a la posición de entrega de la pieza. Para ello el Reel que marca esa posición al BRAZO 1 que se ha conectado a la ENTRADA 2 de la Interfaz del 1º brazo, se conecta en paralelo a la entrada 2 de la interfaz del 2º brazo. Cuando el imán cierre el Reel, se cerrarán ambos circuitos y ambas entradas cambiarán de voltaje y el comando tacto será = a “verdadero.

Obsérvese en la figura como el REEL que marca la posición de entrega está conectado a la ENTRADA 2 de ambas interfaces.

ESQUEMA DE CONEXIONES DE LAS ENTRADAS

PARA ESPERABRAZO1

ENTRADA 2

SI TACTO = “VERDADERO [INICIAR_DISTRIBUIR]

ESPERABRAZO1

FIN

PARA INICIAR_DISTRIBUIR

BAJAR_BRAZO

ACTIVAR_ELECTROIMAN

SUBIR_BRAZO

DECIDIR_COLOR

FIN

PARA BAJAR_BRAZO

SALIDA 2

DIR.B

E

ENTRADA 5

SENSAR

FIN

PARA ACTIVAR_ELECTROIMAN

SALIDA 13

E

FIN

PARA SUBIR_BRAZO (este proceso es por tiempo. ESPERA 700 es aproximadamente 7 segundos

SALIDA 2

DIR.A

E

ESPERA 700

A

FIN

PARA DECIDIR_COLOR

ENTRADA 6

SISINO VOLT > 3 [BLANCA ALTO] [NEGRA ALTO]

FIN

PARA BLANCA

GIRAR_BLANCA

BAJAR_BRAZO

APAGAR_ELECTROIMAN

SUBIR_BRAZO

VOLVER_BLANCA

FIN

PARA GIRAR_BLANCA

SALIDA 1

DIR.A

E

ENTRADA 4

SENSAR

FIN

PARA DESACTIVAR_ELECTROIMAN

SALIDA 13

A

FIN

PARA VOLVER_BLANCA

SALIDA 1

DIR.B

E

ENTRADA 1

SENSAR

FIN

PARA NEGRA

GIRAR_NEGRA

BAJAR_BRAZO

APAGAR_ELECTROIMAN

SUBIR_BRAZO

VOLVER_NEGRA

FIN

PARA GIRAR_NEGRA

SALIDA 1

DIR.B

E

ENTRADA 3

SENSAR

FIN

PARA VOLVER_NEGRA

SALIDA 1

DIR.A

E

ENTRADA 4

SENSAR

FIN

Sorprende al ver la sencillez y elegancia de los procedimientos. Tan sorprendente como ver a los brazos funcionar una y otra vez con una mínima intervención. También como la complejidad se construye a partir de acciones simples y comprensibles.

METODOLOGÍA

En cuanto a la metodología de trabajo, el proyecto es la finalización de un proceso que tiene varias etapas que podemos resumir en tres.

1 – Asimilación de conceptos y técnicas constructivas. Los alumnos estudian los elementos básicos de la construcción y la programación, primero a través de información y luego a través de pequeños problemas mecánicos. Un primer mecanismo donde se aplican transmisiones por poleas y engranajes, acoples de piezas y aplicación de sensores de posición. Programación por tiempo y por sensado. En esta etapa se trabaja en pequeños grupos para individualizar los aprendizajes.

2 – Administración de conocimientos. En esta etapa los conocimientos se amplían y especifican en orden a un objetivo proyectual común a todo el curso. El proyecto constructivo es generalmente desdoblado en etapas o sub sistemas para evitar una participación despareja.

3 – Evaluación e integración de conocimientos.

A los docentes que les preocupan los tiempos, les diría que la primera etapa insume al menos 1 bimestre, aunque depende de los conocimientos previos de los alumnos. La 2º parte insume otro bimestre, pero en realidad los proyectos nunca se terminan. Como ocurre inexorablemente con el aprendizaje.

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