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Formación universitaria

versión On-line ISSN 0718-5006

Form. Univ. v.3 n.5 La Serena  2010

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-50062010000500002 

Formación Universitaria Vol. 3(5), 3-8(2010)

 

Diseño e Implementación de un Módulo Didáctico para el Aprendizaje en la Construcción, Implementación y Manipulación de Robots

 

Design and Implementation of a Didactic Module for the Learning in the Construction, Implementation and Manipulation of Robots

 

Diana J. Lancheros

Grupo Automatización Industrial, Universidad Cooperativa de Colombia, Bogotá-Colombia (e-mail: dlancheros@hotmail.com)


Resumen

En este artículo se presenta un proyecto desarrollado como herramienta pedagógica que permite afianzar el aprendizaje en la construcción, implementacion y manipulación de robots utilizando piezas Lego®. Se realizó una investigación preliminar de la literatura para determinar la situación actual a nivel nacional e internacional, luego se diseñó el módulo, comenzando por el software en conjunto con el sistema electrónico y el diseño de telerobots. En la última fase se evalúa el nivel de interpretación y capacidad de razonamiento espacial obtenido en los estudiantes que utilizaron el módulo. El desarrollo en términos de eficacia en el diseño e implementacion de robots móviles fue de un alto nivel en los estudiantes de cuarto semestre de la carrera de tecnología en electrónica.

Palabras clave: robótica, aprendizaje, software, Lego®, manipulación de robots


Abstract

In this article a project developed as a teaching tool that allows better learning in the construction, implementation and manipulation of robots using Lego® bricks. A preliminary literature search was done to determine the present situation both at national and international level. Then the module was designed, starting from the software with the electronic system and the design of telerobots. In the last phase of the process the level of interpretation and capacity of spatial reasoning obtained by the students who used the module was evaluated. The development in terms of efficiency in the design and implementation of mobile robots was of high level in students of the fourth semester of the majortechnology in electronics.

Keywords: robotics, learning, software, Lego®, robot manipulation


 

INTRODUCCIÓN

Realizando una revisión de los sistemas, módulos y bancos didácticos existentes para la enseñanza de la robótica se encuentran propuestas interesantes como los legos Mindstorms. Al respecto, Dylan Evans (2004), Ingeniero Sénior en sistemas autónomos inteligentes de la facultad de ingeniería y computadores de la Universidad de West de Inglaterra realizó una investigación experimental en donde afirma que se puede utilizar una herramienta de aprendizaje para hacer más productivo el conocimiento de la robótica en estudiantes de primer año de ingeniería. Realizó el proceso de experimentación con un grupo de primer año de ingeniería, el cual durante todo el curso utiliza legos Mindstorms, los resultados encontrados incluyen: mayor receptividad de los estudiantes al no tener un curso teórico de un nivel de dificultad alto, mayor análisis en los problemas de diseño de sistemas robóticos planteados utilizando el lego, cumplimiento de todos los objetivos del curso sin que quedará atrás ningún tema de los planteados. El principal aporte que se puede tomar de esta investigación está enfocada al uso de los legos como herramienta pedagógica en la cual existe una interacción del diseño físico y el software, los estudiantes descubren que muchos de los problemas de la robótica pueden ser solucionados de forma sencilla, el tiempo que se desperdicia en la construcción mecánica de los robots es aprovechado en el diseño avanzado de sistemas electrónicos y algoritmos de programación.

Lin et al (2009), realizaron una investigación en la solución de problemas utilizando robots legos, los resultados obtenidos evidencian un desarrollo alto de la creatividad, la imaginación, el juego, la reflexión y la minimización de las etapas en la construcción de los diferentes modelos propuestos. Sin embargo este trabajo no presenta un modelo o estilo de aprendizaje necesario para detectar los niveles de aprendizaje. Mosley et al, (2008) diseñaron un instructor virtual basado en los resultados de una investigación realizada con robots lego Mindstorms NTX. La metodología consistió en evaluar los tiempos de construcción de modelos de robots móviles básicos, para lo cual una vez realizado el prototipo mecánico se les pidió a los estudiantes que implementaran un programa en la herramienta original de los robots lego. Aunque se evidencia creatividad y disminución en tiempos de construcción, se observan restricciones de programación que no permiten ejecutar tareas como ciclos encadenados con control de tiempos en los actuadores finales. Este trabajo permite visualizar la necesidad de experimentar prototipos de robots lego con herramientas de software avanzado como las desarrolladas en labviewm c++ entre otras.

Mondridoud et al. (2008) realizaron una investigación en términos de eficacia en la utilización de robots legos en las aulas de clase, los resultados del estudio fueron positivos en términos del alto nivel de aprendizaje obtenidos de los estudiantes y los cortos tiempos de desarrollo e implementación de prácticas de laboratorio con robots móviles. El enfoque dado en el curso fue útil para ayudar a comprender los conceptos que los estudiantes tenias entorno a la temática. El trabajo presenta niveles efectivos de motivación en aulas de clase de robótica donde el aporte de la matemática se hace fuerte y dificultad el proceso de aprendizaje. En el mismo año Grega et al, realizaron un estudio comparativo de diferentes herramientas de programación que pueden ser utilizadas con robots legos mindstorms, evidenciando la flexibilidad de la herramienta didáctica y la gran utilidad que presta cuando se utiliza en clases de robótica.

Keith y Kay (2005) del Dpto. de Ciencias de la Computación de la Universidad Rowan en estados Unidos realizaron una investigación acerca de la utilización del software libre en la robótica educativa, y su principal aporte en el aprendizaje, la enseñanza, utilización, y el desarrollo de robots y sus correspondientes aplicaciones tecnológicas. Esta investigación se basa en dos casos de estudio, en el primer caso se realizó un programa basado en plataforma Linux (open source), para el posicionamiento de un robot móvil por medio del Mouse; en este proyecto los resultados fueron óptimos en cuanto a eficiencia, rapidez y funcionamiento. En el segundo caso de estudio los resultados de la realización del software que manejara lenguaje natural para la programación del lego, generaron resultados positivos en cuanto a que el sistema desarrollado era más entendible que los sistemas propios del kit lego. La conclusión más importante al respecto afirma que el software libre ha demostrado ser fiable y potente para las soluciones de proyectos educativos en los cuales intervengan diseños con robots.

Nourbakhsh y Hamner (2005), implementaron un sistema basado en medidas formales de aprendizaje en un curso de robótica móvil, en conjunto con la NASA la metodología utilizada se divide en etapas especificas: en primera instancia se pide a los estudiantes la construcción mecánica del robot, luego se diseña el lenguaje de programación, se acopla el sistema electrónico del robot, se hace un análisis del nivel de aprendizaje de los estudiantes en cada una de las etapas, se tabulan los resultados y se emiten conclusiones. Durante las primeras cuatro semanas los estudiantes presentaron un nivel de satisfacción de 4 en una escala de 1 a 5, pero al final para la entrega por la presión los estudiantes no se sintieron conformes, el grupo de estudiantes que realizaron proyectos de robots para los concursos presentaron mayor satisfacción. Las actividades de mayor participación estuvieron determinadas por temas de solución de problemas, trabajo en equipo y la identificación con tecnología. Esto sugiere que en un curso de robótica para cumplir objetivos de desarrollo más profundo y dominio de interés general se pueden preparar a los estudiantes con habilidades para el éxito en los proyectos de desarrollo que involucran ciencia y educación.

Teniendo en cuenta las anteriores referencias es evidente la necesidad de diseñar herramientas educativas que apoyen el proceso de aprendizaje de los estudiantes en el campo de la robótica educativa básica y permitan el desarrollo de la creatividad y la innovación usando modelos de robots ya existentes. Actualmente el proyecto del semillero Tecnorobótica de la Universidad Cooperativa de Colombia desarrolla el diseño de un módulo didáctico para el aprendizaje en la construcción, implementación y manipulación de robots, lo cual implica el desarrollo de una herramienta pedagógica (módulo de software y hardware) que permitirá afianzar el aprendizaje de la robótica y la generación de ideas innovadoras en los proyectos de aula que propongan los estudiantes de la facultad de tecnología e ingeniería electrónica de la universidad.

METODOLOGÍA

Se realizó una investigación preliminar para determinar los módulos y proyectos existentes en esta área, luego se diseñó el módulo, comenzando por el software basado en las teorías de la ingeniería de software y UML. Luego se realizó el diseño de la tarjeta de adquisición de datos, alternando con el diseño mecánico de los diferentes robots implementados con kits de lego; luego se realizarán las pruebas y una vez terminado el módulo se realizará la experimentación con estudiantes evaluando la capacidad de razonamiento mecánico e interpretación, utilizando la técnica de metodología q y escala de likert.

Diseño del Software

El diseño de software se basa en teorías de la ingeniería del software y UML (Modelamiento Unificado de Lenguaje), que permite la construcción de sistemas de información a partir de la determinación de requerimientos y casos de uso.

Requerimientos Funcionales

El primer paso en el diseño fue establecer el diagrama funcional el cual muestra la estructuración del software, en la Figura 1 se visualizan los módulos que componen el sistema:

Fig 1. Modelo Funcional

Diagrama de clases

Basado en los requerimientos se diseñaron las clases y las relaciones del sistema final las cuales se muestran en la Figura 2.

Fig 2. Diagrama de clases del modulo final

Implementación del software

El diseño descrito en los ítems anteriores se implemento en netbeans 6.0, compilador gratuito de java, este sistema desarrollador permite la aplicación de clases con un modo gráfico de alto impacto para el usuario, entre las principales características del lenguaje se tiene la funcionalidad con internet y documentos jsp y applets. El software le indica al estudiante los pasos en la construcción, implementación y programación de robots móviles básicos, en la Figura 3 se puede observar la simulación generada de un robot tipo topo.

Fig 3. Simulación caso robot tipo topo

En la Figura 4 se puede observar la animación del diagrama de flujo del robot tipo topo que el sistema muestra cuando el estudiante consulta el modulo de programación.

Fig 4. Diagrama de flujo de procesos robot topo

Diseño de la tarjeta de adquisición de datos

La tarjeta de adquisición de datos es el medio por el cual se comunica el software y los telerobots; una vez el estudiante tiene claro que modelo desea implementar, el sistema le guiara paso a paso para el ensamble del robot con las piezas mecánicas diseñadas especialmente para el módulo; luego el estudiante realiza el proceso de programación, para el cual utilizará el software, la tarjeta de adquisición de datos y el telerobot. La tarjeta diseñada contiene un microcontrolador de la familia Motorola el cual permite recibir la información del software y transmitirla al telerobot. El sistema de comunicación, se encarga de realizar la transmisión y recepción de información a través de módulos de Radio Frecuencia XBEE™/802.15.4 versión OEM fabricados por MaxStream, Inc.

Diseño de los telerobots

El modulo interdisciplinario contiene dos diseños de robots los cuales son ensamblados por los estudiantes con las instrucciones que entrega el software, se están realizando actualmente dos diseños, el primer robot se puede ensamblar para cumplir seis funciones diferentes (robot tipo topo, robot tipo ratón, robot tipo polilla, robot tipo gato, robot tipo perro y el robot de tipo murciélago); el segundo es un brazo mecánico que puede cumplir funciones de desplazamiento y manipulación, una vez es ensamblado el robot, este se programa de forma inalámbrica por el módulo; en la Figura 5 se muestra ejemplos de los modelos implementados por los estudiantes.

Fig 5. Robot 3gdl. Robot tipo araña.

CONCLUSIONES

Los trabajos analizados evidencian la importancia de considerar herramientas pedagógicas en las aulas de clase donde los estudiantes interactúan con robots móviles, para ello es necesario generar proyectos de investigación que permitan realizar pruebas experimentales para medir la eficacia y la eficiencia de habilidades que se desarrollan cuando se trabajan figuras de ensamble en la construcción de robots móviles como por ejemplo el razonamiento espacial. Los resultados de la primera fase desarrollada del proyecto de investigación del semillero Tecnorobótica, muestran de forma clara la necesidad de utilizar herramientas de software y hardware para enseñar rebotica básica con LEGOS permitiendo al estudiante crear e imaginar diversidad de dispositivos inteligentes y autónomos que puedan aplicarse en áreas de la industria, la medicina o en rutinas de la vida diaria del ser humano.

REFERENCIAS

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Wojciech Gega, Pilat Adam. Real- Time Control Teaching USong LEGO MINDSTROMS NTX Robot. Proceedings of the International Multiconference on computer science and Information Technology. ISBN 978-83-60810-14-9. 625-628, (2008).        [ Links ]

Recibido Nov. 18, 2009;

Aceptado Feb. 12, 2010;

Versión final recibida Nov. 05, 2010