Robótica y Automatización

Los estudiantes descubren qué hace realmente que algo sea un robot y no solo una máquina. Aprenden que un robot percibe el mundo, decide qué hacer y luego actúa (el ciclo de entrada, procesamiento y salida), y que un programa es lo que le permite repetir el trabajo por su cuenta. Investigan aparatos reales, representan uno como sistema robótico y bosquejan un robot útil propio.

Misión:

Decidir qué cuenta como robot, y luego representar y diseñar un robot que haga un trabajo útil.

Tiempo y piezas:

60 a 75 minutos · 6-part lesson

Materiales principales:

Tres o cuatro aparatos de todos los días para investigar (juguete, teléfono, linterna, aspiradora robot, etc.), Hoja de trabajo Mapa del sistema robótico (imprimible), Lápiz y papel para bosquejar y más

Ideas nuevas:

Robot, Máquina, Entrada, Procesamiento

Ahora que los estudiantes saben qué es un robot, construyen uno que de verdad se mueve. Aprenden cómo un motor hace girar un eje, cómo las ruedas y los engranes convierten ese giro en movimiento, y cómo los engranes cambian velocidad por fuerza de giro (par motor). Investigan por qué algunas bases con ruedas se voltean y otras se mantienen firmes (la fricción y la tracción dan agarre, y un centro de masa bajo y ancho da estabilidad) y conocen la tracción diferencial, en la que mover las dos ruedas a distinta velocidad es lo que dirige al robot. Después, cada estudiante construye y prueba su propia base rodante.

Misión:

Construir una base rodante estable y probar cómo cambian su movimiento las ruedas, los engranes y el chasis que elijas.

Tiempo y piezas:

65 a 80 minutos · 8-part lesson

Materiales principales:

Hoja de trabajo Bitácora de pruebas del chasis (imprimible), Lápiz, papel y una regla o cinta métrica, Una rampa corta o una pila de libros para formar una pendiente para la prueba de volcadura y más

Ideas nuevas:

Motor, Eje, Rueda, Engrane

Los estudiantes aprenden que las computadoras siguen las instrucciones al pie de la letra y con toda exactitud: el robot hace lo que de verdad le dijiste, no lo que querías decir. Escriben un algoritmo (un plan claro paso a paso) como pseudocódigo en lenguaje común, y luego lo convierten en un programa formado por una secuencia recta de comandos de movimiento con tiempos, distancias y giros. Predicen dónde va a terminar el robot antes de ejecutarlo, y después ejecutan y comparan. Esta es una semana de puras secuencias: todavía no hay ciclos, condiciones ni sensores, solo comandos exactos y ordenados para llevar al robot por un recorrido de entrega o un laberinto hasta la meta.

Misión:

Planear una secuencia exacta de comandos de avance y giro, predecir dónde termina, y luego programar al robot para que siga un recorrido hasta la meta.

Tiempo y piezas:

60 a 75 minutos · 7-part lesson

Materiales principales:

Mapa del recorrido o laberinto con salida, meta y casillas de cuadrícula (imprimible), Hoja de planeación de pseudocódigo (imprimible), Hoja de registro para predecir y comprobar (imprimible) y más

Ideas nuevas:

Programa, Comando, Secuencia, Algoritmo

Ahora que el robot se mueve y sigue instrucciones, los estudiantes le dan sentidos. Conocen los sensores de contacto, de distancia, de luz y de color, y aprenden que una lectura de sensor es un número que el robot puede medir. Descubren que un umbral es un punto de corte que convierte los números en "cerca o lejos" y "claro u oscuro", que todos los sensores tienen límites de detección, y que las lecturas bailan un poco (ruido), así que hay que tomar varias y calibrarlas para este cuarto y este robot. Después de leer y calibrar, programan un alto basado en un sensor: el robot avanza y usa su sensor de distancia para frenar justo antes de una pared, así que por fin un umbral controla una acción real. El comportamiento automático completo, con ciclos y condiciones a lo largo de toda una misión, llega la próxima semana.

Misión:

Leer un sensor en distintas condiciones, encontrar un umbral y calibrarlo para que las lecturas sean confiables en este cuarto.

Tiempo y piezas:

70 a 85 minutos · 7-part lesson

Materiales principales:

Hoja de trabajo Bitácora de lecturas del sensor (imprimible), Cinta métrica o regla para fijar distancias conocidas, Lápiz y papel para anotar las lecturas y más

Ideas nuevas:

Sensor de contacto, Sensor de distancia, Sensor de luz, Sensor de color

Esta es la gran semana de programación. Los estudiantes toman los sensores de la semana 4 y las secuencias de la semana 3 y los combinan con ciclos y condiciones para que un robot pueda reaccionar solo. Aprenden que un ciclo repite pasos, que un ciclo infinito se repite hasta que alguien lo detiene, y que un ciclo de repetir-hasta se ejecuta hasta que una condición se vuelve verdadera. Conocen las condiciones y las decisiones booleanas (verdadero o falso), y luego usan si y si/si no para elegir acciones. Programan la evasión de obstáculos (repetir en ciclo, leer el sensor de distancia y, si hay algo cerca, girar) y exploran el seguimiento de línea revisando un sensor de luz o de color para dirigirse y mantenerse sobre una línea.

Misión:

Programar un robot que reaccione por su cuenta: que repita en ciclo, revise un sensor y use si/si no para esquivar obstáculos o seguir una línea.

Tiempo y piezas:

70 a 85 minutos · 7-part lesson

Materiales principales:

Hoja de planeación del programa de bloques (imprimible), Juego de tarjetas de decisión si/si no (imprimible), Registro de pruebas de reacción (imprimible) y más

Ideas nuevas:

Ciclo, Ciclo infinito, Repetir-hasta, Condición

Los estudiantes toman los robots reactivos que construyeron y los vuelven confiables. Aprenden que depurar es el trabajo de averiguar por qué el resultado real es distinto del resultado esperado, y que los errores vienen en tres familias: mecánicos (algo físico), de programación (una instrucción equivocada o faltante) y de sensores (una lectura, un umbral o una calibración mal). Practican con misiones de depuración preparadas a propósito, conocen las variables y los contadores para guardar y llevar la cuenta de valores, y hacen ensayos de confiabilidad (la misma tarea tres veces) anotando lo esperado frente a lo real para demostrar que el robot de verdad funciona.

Misión:

Diagnosticar y corregir errores mecánicos, de programación y de sensores, y luego demostrar que un robot es confiable con una prueba de tres corridas.

Tiempo y piezas:

70 a 85 minutos · 7-part lesson

Materiales principales:

Registro de prueba de tres corridas (imprimible), Hoja de trabajo Detective de errores, con las tres familias (imprimible), Lápiz y papel para anotar los resultados y más

Ideas nuevas:

Depuración, Variable, Contador, Valor guardado

Los estudiantes aprenden cómo planean quienes hacen ingeniería el trabajo de un robot antes de construirlo. Distinguen los sistemas autónomos (que deciden solos con sensores y un programa) de los que van por control remoto (que maneja una persona), y luego escriben requisitos, restricciones y criterios para una misión y sopesan las concesiones. Dibujan el diagrama de flujo de un programa autónomo, con cuadros de acción y rombos de decisión, incluido un alto seguro, y hacen una misión corta de práctica guiada como ensayo del proyecto final de la próxima semana.

Misión:

Planear una misión autónoma con requisitos, restricciones y un diagrama de flujo, y luego ensayarla con una misión corta de práctica guiada.

Tiempo y piezas:

60 a 75 minutos · 8-part lesson

Materiales principales:

Hoja de trabajo Ficha de planeación de la misión (imprimible), Página de diagrama de flujo con cuadros de acción y rombos de decisión (imprimible), Lápiz, goma y papel y más

Ideas nuevas:

Autónomo, Por control remoto, Requisito, Restricción

Este es el proyecto final. Los estudiantes eligen una misión (entrega, búsqueda y rescate, inspección, clasificación o ayuda de accesibilidad) y juntan todo lo del curso: una ficha de planeación, un boceto rotulado, un diagrama de entrada, procesamiento y salida, un diagrama de flujo, un diseño mecánico que se mueva, al menos un sensor, y un programa que use una secuencia, un ciclo y una condición, con un comportamiento de alto seguro. Hacen tres corridas de prueba, documentan una mejora y explican de qué manera ayuda su robot.

Misión:

Diseñar, construir o simular, programar, probar y mejorar un robot que cumpla una misión útil que tú elijas.

Tiempo y piezas:

90 a 120 minutos (se puede repartir en dos sesiones) · 7-part lesson

Materiales principales:

Ficha de planeación del proyecto final (imprimible), Páginas de diagrama de flujo y de boceto (imprimibles), Registro de prueba de tres corridas (imprimible) y más

Ideas nuevas:

Misión, Ficha de planeación, Diagrama de entrada, procesamiento y salida, Diagrama de flujo