Robótica

Presentación La robótica es una de las ciencias que más despierta la imaginación entre la juventud de hoy en día. Es innegable la participación de los medios de comunicación masiva —en particular el cine, la televisión y las redes sociales— en el incremento constante de este interés juvenil.

Sin embargo, el objetivo de dichos medios es, principalmente, ofrecer entretenimiento que con facilidad rebasa los límites de la realidad. Por ello, resulta indispensable que desde la educación básica el joven entre en contacto con los principios científicos básicos que hacen posible la existencia de robots verdaderos; se busca con ello darle una idea clara del funcionamiento de las máquinas en el mundo real.

El objetivo de este curso es, precisamente, entregar al estudiante de nivel medio los conocimientos indispensables sobre materiales, energéticos e interacción entre piezas sencillas que hacen funcionar un mecanismo y generan movimiento. Hemos optado por enseñar tales principios de Física con el método experimental, de manera que el alumno comprenda la teoría construyendo en la práctica y compruebe por experiencia propia cómo se corresponden una con la otra.

Los siete proyectos que integran este libro arrancan de lo más sencillo y se encaminan progresivamente hacia lo complejo, retomando siempre los aprendizajes adquiridos previamente y reforzándolos con cada nuevo proyecto. Se consigue así generar un conocimiento integral y progresivo de la Física aplicada a la mecánica y ésta como parte fundamental de la robótica.

En el primer proyecto, el alumno construye una máquina sencilla para apreciar la generación y transmisión de movimiento a partir de tres piezas: rueda, biela y manivela.

El segundo, está encaminado a explicar la relación entre materiales y energía. En el proyecto anterior se generó movimiento con la fuerza de los dedos aplicada a la manivela; en este nuevo proyecto se construye un mecanismo capaz de transformar la energía potencial que almacena una liga en energía cinética y mecánica, que aplicadas a una rueda generan movimiento.

En el tercer proyecto, el alumno retoma la transformación de energía cinética en mecánica, pero ahora la relaciona con el incremento de fuerza por medios mecánicos, un fenómeno físico llamado “ventaja mecánica” que es el principio científico con el que funcionan las bicicletas, los triciclos, los automóviles de alta velocidad, entre otros. También aprende la función de la rueda para dirigir el movimiento de un vehículo.

En el cuarto proyecto se muestra otro uso de la rueda, esta vez como polea, y una variación de la ventaja mecánica para controlar la velocidad en una máquina. El alumno construye un tren de poleas para demostrar que el movimiento se transmite a partir de una fuente de fuerza inicial (un motor eléctrico) hacia una serie de poleas conectadas entre sí por medio de correas.

En el quinto, el estudiante utiliza los engranes —una variación de la polea— para construir un motor reductor, una pieza esencial de la robótica porque controla la velocidad de los motores eléctricos y la posición que deben tener en un momento dado las piezas que mueven.

En el sexto proyecto, el alumno utiliza engranes, motores, motores reductores, bielas y circuitos eléctricos para construir una versión sencilla de un brazo robótico.

En el proyecto final, el alumno aplica todos los conocimientos y habilidades adquiridas durante el curso para construir un robot humanoide de juguete a control remoto, con capacidad de desplazarse en diferentes direcciones, movimiento en las extremidades superiores, la cintura y el cuello, así como focos led en los ojos para hacerlo más atractivo.

El diseño de los contenidos se ajusta a lo propuesto en el Nuevo Modelo Educativo, en el marco de la Autonomía Curricular siguiendo los parámetros de aprendizajes clave y dosificación de las sesiones, en total 40, que establece la Secretaría de Educación Pública. Por su versatilidad, este libro puede utilizarse en los talleres, clubes de robótica, electrónica, cursos de verano, dependiendo de los objetivos que se persigan y las horas que se tengan asignadas.

La programación de los contenidos por proyecto de las páginas 8 y 9, constituye una guía para que el profesor planee su clase de acuerdo con los propósitos, los aprendizajes clave y esperados, y las sesiones sugeridas por proyecto.

Al final de cada proyecto se incluye el formato de Bitácora para seguimiento y presentación del proyecto donde los alumnos llevarán un registro claro y conciso de los avances en cada sesión.

Finalmente, para la construcción de los proyectos se sugiere el uso de materiales reciclados y de bajo costo, siempre que sea posible, con el fin de ayudar al cuidado del medio ambiente y a la economía familiar.

El autor

Índice Robótica por proyectos Los robots como parte de la sociedad humana

10

La ciencia y la robótica

17

Mecánica

Electricidad

Electrónica Informática

Sistemas de control

Proyecto 1. Sistema rueda-biela-manivela

18

Generación y transmisión de movimiento

18

¡Manos a la obra!

20

Proyecto 2. Juguete tipo ovni con movimiento aleatorio

28

Transformación de energía potencial en cinética y mecánica

28

¡Manos a la obra!

29

Fuerza: energía y materia

33

Conocimientos teóricos aplicados al proyecto

37

Proyecto 3. Carro impulsado con ligas

40

Comportamiento del mecanismo rueda-eje cuando se aplica fuerza

40

Ventaja mecánica en el desplazamiento en un carro con ligas

41

¡Manos a la obra!

43

Proyecto 4. Robot caminante con poleas

52

53

¡Manos a la obra!

Proyecto 5. Motorreductor

64

Trenes en engranes

64

Controlar las revoluciones por minuto (rpm)

66

¡Manos a la obra!

69

Proyecto 6. Brazo robótico

76

Circuitos eléctricos, switches y engranes

76

Switch dos polos dos tiros (DPDT)

78

¡Manos a la obra!

80

Prueba el mecanismo

84

Prueba el movimiento de las pinzas

88

Proyecto 7. Robot humanoide

94

96

¡Manos a la obra!

Bitácora para seguimiento y presentación del proyecto Instructivo de llenado Un proyecto es un conjunto de actividades relacionadas entre sí para lograr un objetivo, basado en unos requisitos concretos. El formato que te presentamos al final de cada proyecto te servirá para planearlo y desarrollarlo con alto grado de asertividad. Para llenarlo, sigue las instrucciones que aquí te indicamos.

INICIO 1. Nombre del proyecto. Anota el título correcto.

2. Participante/s. Indica el nombre de quien(es) desarrollarán el proyecto.

3. Lugar y fecha de la presentación. Señala el nombre de la escuela y la fecha.

4. Justificación y objetivo. Es el propósito central del proyecto; tiene que ser coherente y de resultados alcanzables; sé claro y conciso en su redacción.

5. Marco de referencia. Se refiere a los lineamientos e indicadores que se seguirán en la investigación y la descripción propuesta de solución.

DESARROLLO 6. Desarrollo del proyecto. Identifica y escribe todas las actividades y procesos que seguirás para alcanzar tu meta u objetivo; organiza cada paso en función de sus características e importancia (de arriba hacia abajo). Anota en qué consiste la actividad, el tiempo que te llevará realizarla, los recursos materiales que necesitas para cumplir dicho paso, el costo que tendrá y quién es el responsable de llevarla a cabo en caso de trabajar en equipo.

CIERRE 7. Describe los principales aprendizajes de la realización de este proyecto.

Anota tus experiencias y aprendizajes durante el desarrollo de tu proyecto. ¿Qué te hizo sentir satisfecho?

8. En el proceso, ¿te encontraste con alguna dificultad? Sí. No. ¿Cómo la resolviste? Indica si fue fácil o difícil y cómo solucionaste el obstáculo.

9. Evaluación. Marca con una X la opción que defina tu desempeño en la elaboración del proyecto de acuerdo con las sentencias establecidas en la columna izquierda.

Recursos pedagógicos objetivo del proyecto Marca la ruta o guía de los aprendizajes que el estudiante obtendrá como resultado de los pasos que desarrollará durante el proyecto.

Un proyecto es un conjunto de actividades relacionadas entre sí para lograr un objetivo, basado en unos requisitos concretos. Este formato te servirá para planearlo y desarrollarlo con alto grado de asertividad. Búscalo al final de cada proyecto.

PRESENTACIÓN DEL PROYECTO 1. Nombre del proyecto 2. Participante/s 3. Lugar y fecha de la presentación

INICIO

Materiales Ofrece una lista detallada de los componentes que se emplearán en cada proyecto.

Bitácora para seguimiento y presentación del proyecto

4. Objetivo del proyecto

5. Marco de referencia o justificación

EXPLICACIÓN

ACTIVIDAD individual Permite poner en práctica lo aprendido en la lección con el objetivo de reforzar el conocimiento adquirido.

6. Desarrollo del Proyecto

Actividad

Tiempo Recursos Costo

Responsable

Pasos

DESARROLLO

Al final del proyecto se explican los principios de la Física que hacen posible los movimientos del mecanismo construido.

¿Sabías que…

Añade información de utilidad y cultura general con el propósito de incrementar los conocimientos generales del alumno sobre el tema que se está estudiando.

Programación de los contenidos ACTIVIDAD grupal El alumno colabora con sus compañeros de clase en la solución de un problema con el propósito de desarrollar habilidades de cooperación, delegación de responsabilidades y trabajo en equipo.

Guía para que el profesor planee su clase de acuerdo con los propósitos, los aprendizajes clave y esperados, y las sesiones sugeridas por proyecto. Ver páginas 8 y 9.

Programación de los contenidos Proyecto

Lectura de comprensión

1 Sistema rueda-biela-manivela

2 Juguete tipo ovni con movimiento aleatorio

3 Carro impulsado con ligas

Aprendizajes clave

Propósito

• Lenguaje y comunicación • Pensamiento matemático.

• Exploración y comprensión del mundo natural y social.

• Pensamiento crítico y solución de problemas.

Que el alumno descubra a través de la lectura la historia y aplicación de la robótica en el mundo real.

Potenciar su conocimiento y reflexión.

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Conocer la generación y transmisión de movimiento de las piezas de una máquina cuando se aplica una fuerza.

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Construir un mecanismo capaz de transformar la energía potencial que almacena una liga en movimiento, es decir, energía cinética y mecánica.

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Demostrar la ventaja mecánica del sistema rueda-eje cuando la rueda es de mayor diámetro.

4 Robot caminante con poleas

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

5 Motorreductor

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Construir un motor reductor para conocer su funcionamiento y saber controlar su velocidad.

6 Brazo robótico

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Construir una versión sencilla de un brazo robótico para entender el funcionamiento de los robots utilizados en la industria.

• Pensamiento matemático.

• Pensamiento crítico y solución a problemas.

• Colaboración y trabajo en equipo.

• Cuidado del medio ambiente.

Aplicar los conocimientos adquiridos a lo largo del curso en la construcción de un robot con control remoto.

7 Robot humanoide

Construir un tren de poleas para demostrar que el movimiento se transmite a partir de una fuente de fuerza inicial hacia una serie de poleas conectadas entre sí por medio de correas.

Aprendizajes esperados • Conoce el origen del término robótica.

• Identifica las revoluciones industriales en la historia.

• Comprende el uso de los robots en la industria y en los trabajos de alto riesgo.

Aplicación en la vida cotidiana

Tiempo

Estar informado para distinguir la realidad de la fantasía.

3 sesiones

• Conoce las tres piezas más utilizadas en el área mecánica de la construcción de robots: rueda, biela, manivela.

• Maneja el concepto de movimiento y sus cuatro atributos: distancia, tiempo, velocidad y aceleración.

• Plantea alternativas de solución a problemas técnicos y elabora proyectos de innovación.

Se utiliza en motores de combustión interna, en trenes y submarinos, debido a su capacidad para transformar movimiento circular en rectilíneo y viceversa.

3 sesiones

• Comprende la relación entre materiales y energía que transforman la fuerza en trabajo.

• Conoce los principios que transforman energía potencial en cinética y mecánica.

• Aprende sobre la utilidad de distintos materiales (rígidos, maleables, elásticos) y herramientas para armar una máquina.

En los relojes de cuerda, en las bombas extractoras de petróleo y en las balanzas mecánicas, entre otros.

3 sesiones

• Aplica el fenómeno físico llamado “ventaja mecánica” que incrementa la fuerza o la velocidad por medios mecánicos.

• Aprende a construir una máquina a partir de piezas independientes.

• Identifica las ventajas de las máquinas por su eficacia y eficiencia.

Sus principios científicos son los que hacen funcionar las bicicletas, los triciclos y los automóviles de alta velocidad, entre otros.

5 sesiones

• Aplica el uso de la rueda como polea, y una variación de la ventaja mecánica, para controlar la velocidad en una máquina.

• Aprende a transmitir el movimiento a través de varias piezas, aprovechando las características físicas de los materiales (elasticidad).

• Entiende que el movimiento se transmite a partir de una fuente de fuerza inicial.

• Conoce el motor eléctrico como una fuente de movimiento constante.

Los sistemas de poleas son utilizados en grúas industriales y para construcción, aparatos de ejercicio, pozos de agua, fábricas y bandas sin fin.

6 sesiones

Los engranes y los motores reductores se utilizan en prácticamente todos los aparatos electrónicos con movimiento: reproductores de CD y DVD, drones, vehículos a control remoto, bombas hidráulicas y todo tipo de robots, desde los cajeros automáticos hasta los humanoides más avanzados.

5 sesiones

En las industrias pesada, farmacéutica, médica, culinaria, agrícola, de servicios e incluso de entretenimiento.

6 sesiones

En la actualidad, los robots humanoides con inteligencia artificial se utilizan como compañía, asistencia en casas y hospitales.

8 sesiones

• Comprende el uso de los motorreductores en la robótica para transformar velocidad en fuerza y fuerza en velocidad.

• Conoce las partes que componen un motor eléctrico y su movimiento.

• Identifica que la función de los engranes es transmitir movimiento rotatorio mediante el empuje que provoca un diente sobre otro.

• Identifica el uso de los engranes, motores, motorreductores, bielas y circuitos eléctricos en la construcción de un robot sencillo.

• Maneja los principios físicos del circuito eléctrico, switches y engranes.

• Aprende a controlar la cantidad de energía eléctrica para moderar la velocidad y fuerza de los motores y las piezas que los mueven.

• Conoce el funcionamiento de los controles remotos alámbricos.

• Construye un robot tipo humanoide de juguete con desplazamiento en diferentes direcciones a control remoto.

• Utiliza motores, motorreductores, energía eléctrica, circuitos eléctricos, switches, focos led, ruedas, ejes y diversos materiales y herramientas para armar desde cero una máquina controlada a distancia.