ROBOTIC ON TOP – ROBOTIC ON TAP

DISTINCIÓN “SEYMOUR PAPERT”

A finales del año 2010 anunciaba a los miembros de la Lista Logo, la instauración en el colegio Bayard donde trabajo, de la “Distinción Seymour Papert” , para aquellos alumnos que se destacasen en la “programación y construcción” de mecanismos dentro del área que denominamos Robótica Educativa. Ese año 2010 se entregó por primera vez esta distinción y correspondió a Juan Cruz, alumno de 3º año y a María, alumna de 1º año.

A raíz del anuncio, me pidieron si podía describir los trabajos premiados. En ese momento no pude satisfacer lo solicitado. Por un lado, todo el material estaba en el colegio y ya había finalizado el ciclo lectivo. Por otro lado, sentí que era necesario describir el contexto de trabajo y los materiales que los alumnos manejan para entender los objetivos y la programación.

Una vez que terminé esta etapa descriptiva del contexto material del trabajo, sentí que además debía hacer una introducción de qué se entiende por robótica educativa en un colegio, como el Bayard, que no es un colegio técnico. Agregué entonces, a manera de introducción, parte de una conferencia que escribí en los 90 con el sugestivo título de esta entrada: Robótica “on top” – Robótica “on tap”. Título que se inspira en una frase de Seymour Papert que reproduzco a continuación.

LOGIC ON TOP – LOGIC ON TAP

por Seymour Papert

“Observando la escena cognitiva contemporánea, notamos numerosos movimientos paralelos que no siempre parecen estar al tanto unos de otros, o preparados para aceptar una identidad común. Sherry Turkle y yo argumentamos en un memo, que estos movimientos forman parte de una tendencia que revaloriza los componentes concretos del pensamiento con respecto a los formales. No vemos esto como una negación de la importancia del pensamiento formal, sino simplemente remover el sobrevaluado status que se le ha dado a los valores cognitivos en la tradición occidental.

Piaget suscribe firmemente a estas ideas en sus puntos de vista sobre la relación entre el pensamiento concreto y el formal. Nuestra diferencia con Piaget en este tema, puede resumirse aforísticamente diciendo: “La lógica debe estar en el piso, no en la cima” (Logic should be on tap, not on top).”

ROBOTICA ON TOP

La robótica ON TOP podemos definirla como la educación para la robótica. Es decir la robótica como objetivo de estudio y dominio. Este correspondería al ámbito de las escuelas técnicas o laboratorios especializados, cuya meta es el conocimiento, dominio, construcción de procesos automatizados a través de mecanismos controlados por programas de computadoras o programas mecánicos, con aplicaciones en la industria, en la investigación científica, etc.

Preguntar para qué sirve la ROBOTICA ON TOP es redundante, ella misma es el objetivo y todos tenemos claro su importancia como herramienta estratégica para el crecimiento del país.

ROBOTICA ON TAP

La robótica ON TAP podríamos definirla como la robótica para la educación. Es decir de qué manera los elementos materiales y objetivos de la robótica podrían estimular en los alumnos, aún desde una corta edad, a interesarse en la tecnología desde una perspectiva personal y activa, a transformarse en constructores de objetos controlados por computadoras.

La robótica ON TAP podría ser de interés para colegios no técnicos cualquiera fuese su nivel. Sin embargo fundamentar su implementación no es tan sencillo como la ROBOTICA ON TOP, en primer lugar por la inversión que implica y en segundo lugar por los conceptos que la fundamentan que no siempre están en sintonía con la escuela tradicional.

Una de estas divergencias podría provenir de la hipervaloración que tiene el desarrollo del pensamiento formal en la escuela. De alguna manera la robótica ON TAP revaloriza el desarrollo de la inteligencia concreta, la actividad manual como aproximación al conocimiento y la valorización del conocimiento cualitativo antes que el cuantitativo. Por ejemplo la construcción de un robot implica una serie de pasos de indudable valor pedagógico:

a- Definirle un objetivo.

b- Construir un cuerpo que lo sostenga y que sea apto para contener las funciones que se le han asignado.

c- Construir un mecanismo adecuado. Esta etapa implica la construcción de cadenas de engranajes y/o poleas que se parecen a cadenas lógicas, con la diferencia que sus efectos pueden constatarse “in situ”.

d- Dotarlo de sensores que le permitan percibir estímulos y reaccionar ante ellos.

e- Dotarlo de un “cerebro” que interprete los estímulos y los coordine con las acciones, es decir de un programa que coordine acciones y sensores.

Sin embargo “el valor pedagógico” estará determinado por un sistema de valores que está condicionado a la manera en que la escuela percibe el aprendizaje en general. Para la robótica ON TAP estas previsiones son fundamentales, pues el objeto es muy vistoso y se corre el peligro de que se reaccione ante él por “snobismo” antes que por una razón cognitiva.

OBJETIVOS

Una posible lista de objetivos de la Robótica ON TAP sería:

1 – El desarrollo del pensamiento.

a – En el contexto de construcción: desarrollando la inteligencia práctica y el pensamiento creativo.

b – En el contexto de programación: formalizando procesos de acción y retroalimentación.

2 – El desarrollo de conocimientos específicos. Mecánica, electricidad, física en general, matemática y geometría aplicadas, y programación.

3 – La adopción de criterios de diseño y evaluación de las construcciones.

4 – La valoración de sí mismos como constructores e inventores en este contexto.

5 – La comprensión y valoración del aporte de la tecnología en el mundo a través de una comprensión más intima y más personal de la misma.

LO QUE HAY QUE TENER

La diversidad de este ámbito de conocimiento es muy grande y la definición de qué se quiere hacer define los materiales.

Por ejemplo si queremos estudiar o mejor dicho realizar un “analisis tecnológico” de un robot, no hace falta tener un “robot” especial. Una simple impresora tienen todos los sistemas que definen a un robot: motores, mecanismos, sistemas de sensado, memoria, procesador, tiene una interfaz para el usuario, es programable para poder cualificar la impresión.

Si queremos programar, cualquier Logo es suficiente, pues las tortugas son robots virtuales. De hecho utilizamos a menudos “sistemas de robots virtuales” para que los alumnos trabajen exclusivamente la prográmación de sus acciones: encender luces, detectar posiciones, comandar móviles.

Si queremos “construir”, la diversidad de materiales es amplia y solo debemos ajustar nuestros objetivos a las posibilidades del material. Nosotros hemos utilizamos ladrillos Rasti, Lego, piezas de Meccano principalmente y material de descarte.

En este último caso, si construimos un sistema material (desde una línea de ensamble mecánica, hasta un artefacto de iluminación) y queremos programarlo desde la computadora necesitamos una INTERFAZ.

LA INTERFAZ

La interfaz de robótica tienen 2 componentes clásicos en todos los periféricos de computadora: 1 – El hardware 2 – El software,

El hardware es un dispositivo que permite conectar actuadores eléctricos(motores, lamparitas,elecgtroimanes) y transductores (parte de un sensor) a la computadora. Como en los módems, puede tomar la forma de una placa interna o una caja externa.

El software es un lenguaje o una interfaz gráfica que permite al usuario accionar y programar las funciones de la interfaz.

LA INTERFAZ NEOTEC

La interfaz que utilizamos en el colegio Bayard fue diseñada y construida por personal del colegio que trabaja en un pequeño laboratorio.

INTERFAZ NEOTEC CON EXTENSIÓN

El HARDWARE

Es una caja externa que se conecta al puerto serie. Tiene 8 salidas programables, con unta tensión que varía entre 3 y 5 volts e inversión de polaridad. Además 6 entradas para sensores analógicos. Tiene también un zócalo donde puede conectarse una segunda caja con 2 salidas de 12 volts, 2 salidas para motores paso a paso y 2 entradas para medir tensión.

EL SOFTWARE

El software es un lenguaje desarrollado en Logo. Hemos utilizado diferentes versiones cambiando con el tiempo por la compatibilidad con los sistemas operativos: Logo Commodore, Logo Writer, Logo Harvard y actualmente FMS LOGO.

Las primitivas de FMSLOGO esenciales para este desarrollo son escribecaracterpuerto y leecaracterpuerto que permiten direccionar las órdenes al puerto serie. Es un software abierto, que se incorpora “tapado” (buried) al lenguaje Logo, de manera que para los alumnos funciona como parte de las primitivas.

Este es el catálogo de las “primitivas” de robótica.

SALIDAS
Comando Descripción Función
SALIDA N Paramétrico.El valor N entre 1 y 8 Activa una Salida. Es similar a activar una tortuga, excepto a que solo puede haber una salida activa a la vez.
E Abreviatura de encender Aplica tensión a la salida activa
A Abreviatura de Apagar Corta la tensión de la salida activa
I Abreviatura de Invertir Invierte la polaridad de la salida activa
FVOLT N Paramétrico.N entre 1 y 3 Modifica la tensión de la salida activa1 = 3 volts aprox.2 = 4 volts aprox.4 = 5 volts aprox.
DIR.A Dirección A A es una de las polaridades de la salida activa. + –
DIR.B Dirección B B es la otra polaridad de la salida activa. – +

 

ENTRADAS
Comando Descripción Función
ENTRADA N Paramétrico.El valor N entre 1 y 6 Activar una entrada
VOLT Reportero.Su valor oscila entre 0 y 5 Reporta el voltaje de la entrada activa
TEMP Función de VOLT.Su valor oscila entre 0 y 100 Reporta la temperatura en º Celsius de un sensor
TACTO Función de VOLT.Sus valores son FALSO o VERDADERO Si el circuito conectado a al Entrada, se cierra responde VERDADERO, en caso contrario FALSO

SENSORES

Los sensores funcionan a partir de transductores que transforman un tipo específico de señal (luz, temperatura, presión) en un voltaje proporcional a la entrada. Esa proporcionalidad permite medir el estímulo físico de entrada como un variación de voltaje eléctrico.

En una segunda etapa del sensado, el valor de voltaje es digitalizado, es decir es transformado en un número binario y se envían los bits resultantes a la CPU. Allí el software recibe los datos y los informa como un número decimal.

Los transductores que en general utilizamos son del tipo pasivo, que son aquellos que modifican la resistencia del transductor y al hacerlo modifican el voltaje aplicado al mismo. Son de este tipo las foto resistencias y las termo resistencias.

PROYECTOS DISTINGUIDO

La concesión de una distinción, especialmente cuando es la primera vez, no se basa en un único proyecto sino en una trayectoria. El alumno Juan Cruz es un excelente programador, y se lo distinguió por 2 proyectos. Uno realizado en el 2009 cuando estaba en 2º año y otro del 2010. El primero es un proyecto individual y el segundo un proyecto grupal de mayor complejidad. Describiré en esta entrada el primero: “Simulación del enfoque del ojo”.

CONÓCETE A TI MISMO

Los individuos somos cognitivamente egocéntricos. Conozco alumnos que no se motivan especialmente por el estudio de sensores, pero todos se interesan por el fucionamiento de sus propios sentidos. “Conócete a ti mismo, antes que a la computadora”, es una constante del mundo Logo. Identificar del cuerpo con la tortuga, reflexionar sobre el propio pensamiento son algunos ejemplos. En segundo año los sensores son estudiados en el marco de los sentidos humanos, (principalmente la visión y el oído) ya que, nuestros sentidos también tienen transductores: La retina en el caso del ojo y caracol u oído medio en el caso de la audición.

EL OJO HUMANO

El cristalino del ojo es una lente extensible que enfoca los objetos modificando su grosor gracias a unos pequeños músculos. El cristalino enfoca la imagen en el fondo del ojo que está recubierto por una capa de células sensibles a la luz: la retina. La zona más sensible de la retina se llama “fóvea” y es allí donde se forma la imagen “invertida” del objeto. Los puntos de luz son transformados en la retina en pulsos eléctricos que viajan al cerebro.

ESTRUCTURA DEL OJO

Uno de las posibles proyectos de aplicación de sensores es construir “criaturas sensibles” a un estímulo. Estas criaturas son muy sencillas de construir, toman formas muy divertidas, pero se las dota de un sensor de temperatura o de luz u otro. Los alumnos deben programarle una conducta reactiva al estímulo y si es posible mecánicamente, alguna forma de regulación del estímulo (como hace el ojo que cierra la pupila cuando hay mucha luz).

En el caso de Juan Cruz ( y otro grupo) se le propuso recrear el funcionamiento del ojo, utilizando una fotorresitencia en reemplazo de la retina y una lente en lugar del cristalino.

Ante la imposibilidad de recrear un cristalino, se proyectaron 2 variaciones: 1 – El objeto fuente de luz y la lente, permanecían fijos y se desplazaba la retina. 2 – El objeto fuente de luz y la retina permanecían fijos y se desplazaba la lente. El equipo 1 tuvo mejores resultados mecánicos.

LENTE Y TRASDUCTOR

En la imagen vemos la lente en primer plano y el transdutor detrás, una fotoresistencia montada en un ladrillito Lego color amarillo. El ladrillo se insertó en una placa blanca de fontboard para que se pudiese ver la imagen reflejada.

SISTEMA MECÁNICO

Para desplazar la “retina” se uitilizó un sencillo sistema mecánico de “tornillo” accionado por un motor de 5 V.

SISTEMA TORNILLO

El motor transmite a una polea acoplada al tornillo. La “retina” está acoplada a una viga (color gris) con una pieza roscada. Cuando el tornillo gira la pieza roscada avanza (como haría una tuerca) o retrocede según el sentido del giro y arrastra consigo a la retina. Los ejes laterales sirven de sostén y guías de la traslación.

SENSOR DE POSICIÓN DE INICIO

En la figura vemos un sensor de posición del tipo “reel switch”, que es básicamente un interruptor que se cierra con la fuerza de un imán. Está cubierto de plástico para protegerlo ya que switch está en una ampolla de vidrio muy frágil. Su función es detectar la posición de inicio de la retina.

SISTEMA ALINEADO CON LA FUENTE DE LUZ

La fuente de luz es una lampara opaca de 4o W, alineada con la lente y la retina. Se la ha ubicado a una distancia que permita que el punto de enfoque caiga dentro del recorrido.

“RETINA” EN FOCO

Una vez accionado, el procedimiento sensa el valor del voltaje y cuando llega al voltaje máximo detiene el motor. En la imagen vemos ese punto. Obsérvese como la lamparita está invertida. El valor “máximo” se determina previamente empíricamente, haciendo un recorrido completo y monitoreando el valor del voltaje medido en la entrada. Esta determinación hay que hacerla cada vez que se instala el dispositivo, porque al ser abierto, los cambios en la luz exterior alteran continuamente el valor máximo.

FUENTE ENFOCADA INVERTIDA

En la foto vemos que se la intercalado delante de la retina una hoja para visualizar mejor el foco de luz invertido.

PROGRAMAS PARA DETERMINACIÓN DE LA DISTANCIA FOCAL

La hipótesis de trabajo consistió en que a la distancia focal, es decir en la posición donde se enfocaba la fuente de luz, el voltaje medido por el sensor de luz sería máximo. En el programa que vemos abajo ese máximo era levemente superior a 3,9 volts.

ACTUADORES UTILIZADOS

El motor que accionaba el mecanismo se conectó a la SALIDA 1.

Un sensor de posición activado por un imán se conectó en la ENTRADA 4

La foto resistencia en la ENTRADA ¡

Los programas realizados

PARA INICIAR (Lleva el sensor de luz hacia el extremo opuesto)

SALIDA 1

DIR.A

E

ENTRADA 4

SENSARINICIO (Procedimiento anidado)

ESPERA 100

FOCO (Busca el foco)

FIN

PARA SENSARINICIO

SI TACTO = “VERDADERO [A ALTO]

SENSARINICIO (Recursión)

FIN

PARA FOCO

BP

SALIDA 1 (Habilita la salida del motor)

DIR.B (Direcciona la salida del motor hacia el foco)

E (Enciende el motor)

ENTRADA 1 (Habilita la entrada donde se conectó la foto resistencia)

BUSCARFOCO (Procedimiento anidado)

FIN

PARA BUSCARFOCO

HAZ “V FORMATONUMERO VOLT 4 3 (Almacena el valor de voltaje con 3 decimales)

ES :V (Escribe el valor almacenado)

PONY :V*40 (Grafica el valor almacenado)

GD 90 AV 2 GI 90

SI :V > 3.9 [PLAYWAVE “DING.WAV 0 A ALTO] (Regla: Si el valor almacenado en :V, sobrepasa el valor máximo hace un sonido, apaga el motor y detiene el ciclo)

BUSCARFOCO (Recursión)

FIN

Como se observa los procedimientos de sensado son recursivos.GRÁFICA VOLT EN FUNCIÓN DEL TIEMPO

Arribe vemos la gráfica del voltaje realizada por el procedimiento BUSCARFOCO. Es una curva parabólica. Las variaciones en forma de serrucho deben ser atribuídas al movimiento del sensor (que se desplaza con la retina) y a la oscilación del tornillo.

VIDEO DE LA DETERMINACIÓN

En la siguiente entrada describiré el segundo proyecto en en que participara Juan Cruz: “Control de temperatura en una cúpula de un observatorio”. En este proyecto hay que analizar el valor de más de un sensor y por lo tanto hay que alnacenar en memoria esos valores.

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