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• Yessica Rosas

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Curso de introducción a la robótica con Lego Mindstorms NXT Ramón Murillo Delgado

[ CUADERNO DEL ALUMNO ]

Curso de introducción a la robótica con LEGO MINDSTORMS NXT.

INFORMACIÓN PARA EL ALUMNO La finalidad de este curso es que adquieras experiencia práctica con sistemas inteligentes para consolidar una base teórico-práctica inicial, a partir de la cual y si entra dentro de tus intereses, podrás progresar e introducirte en plataformas más complejas en el futuro. Éste es el primer paso. Este curso también permitirá familiarizarte con términos técnicos en inglés ya que a día de hoy gran parte de los textos relacionados con investigaciones técnicas y científicas están redactados en este idioma. Es importante que tengas cierta autonomía a la hora de buscar más información o profundizar en los conceptos que trataremos en este curso. En Internet se pueden encontrar muchas páginas y blogs de divulgación científica que te pueden interesar, e incluso la NASA ofrece la mayoría de los datos, transcripciones y fotografías de sus misiones de manera pública en su web.

¿Qué es esta imagen? Los códigos QR sirven para simplificar el acceso a las páginas web (sobre todo desde móviles y tablets) sin tener que escribir la dirección en el navegador. En este cuaderno hay muchos enlaces por lo que se incluirán estos códigos para acceder a las páginas web. La manera de hacerlo es escaneando la imagen con la cámara del dispositivo mediante una aplicación gratuita para leer códigos QR. El primer día del curso realizaré una demostración para que os familiaricéis con este método.

Se pueden encontrar aplicaciones gratuitas para leer códigos QR en Google Play (Android) e Itunes (dispositivos Apple), también se pueden escanear códigos QR desde un ordenador utilizando la funcionalidad de la webcam. Recomiendo utilizar las siguientes aplicaciones:

QR Droid™

QR Reader for iPhone

CodeTwo QR Code Desktop Reader

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Curso de introducción a la robótica con LEGO MINDSTORMS NXT.

Tabla de contenidos del curso 1. CONCEPTOS BÁSICOS DE ROBÓTICA   

Máquinas, robots e Inteligencia Artificial. Partes de un robot. Tipos de robots y sus aplicaciones.

2. SETS DE ROBÓTICA LEGO MINSTORMS NXT    

Contenido del set y piezas estructurales. Cerebro del robot o “ladrillo inteligente” NXT Brick. Sensores. Servomotores.

3. PROGRAMACIÓN DE ROBOTS    

Software NXT – G. Interfaz gráfica. Funciones principales de programación. Introducción del programa en el robot.

4. CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS     

Castor Bot (chasis robótico ampliable). Bumper Car. Explorer. Line Follower. String Bot.

5. ANEXOS Y MATERIAL ADICIONAL  

ANEXO I: Instrucciones para construir el chasis robótico “Castor Bot”. ANEXO II: Blogs y páginas web interesantes. 2

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1.CONCEPTOS BÁSICOS DE ROBÓTICA

1.1 ¿Qué es un Robot? La palabra robot se utilizó por primera vez en 1.920 en una obra llamada "Los Robots Universales de Rossum", redactada por el escritor checo Karel Capek. Su trama trataba sobre un hombre que fabricó un robot y luego este último mata al hombre. La palabra checa “Robota” significa esclavitud o trabajado forzado, y cuando se tradujo al idioma inglés se convirtió en el término robot. Un robot es una máquina automática que realiza por sí mismo determinadas funciones, siendo capaz de tomar decisiones y actuar en función de la información recibida por los sensores. Aquí entra el concepto de inteligencia artificial del que hablaremos en clase. Un robot puede ser una entidad virtual (un programa de ordenador) o mecánica (robots clásicos). Actualmente el uso de robots está muy extendido en diferentes áreas como la industria, exploración espacial, investigación de fondos submarinos e incluso en hospitales. El uso de robots controlados por cirujanos ha permitido avances importantes en la medicina, sobre todo en las especialidades en las que la precisión es crucial a la hora de realizar una intervención quirúrgica.

Arriba, de izquierda a derecha: robot de detección de explosivos. Robot Da Vinci de uso quirúrgico. Brazo robótico “Canadarm”. Robot ASIMO desarrollado por Honda. Abajo: robot submarino explorando los restos del Titánic,

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MÁQUINA Una máquina es un conjunto de elementos mecánicos fijos y móviles unidos entre sí, cuya finalidad es realizar un trabajo. Una máquina automática realiza de manera autónoma las funciones para las que fue diseñada, estas funciones no se pueden cambiar ni reprogramar para que haga algo diferente. Las máquinas permiten aumentar la productividad en las fábricas y realizar acciones repetitivas, desagradables o peligrosas para el ser humano.

¿Podrías decir cuál es la principal diferencia entre una máquina y un robot?

INTELIGENCIA ARTIFICIAL “Es la ciencia e ingenio de hacer máquinas inteligentes”. John McCarthy 1956

Inteligencia Artificial es la capacidad de razonar de un agente no vivo como un robot, tomando como referencia la inteligencia humana. Actualmente, el robot más avanzado construido por el ser humano tiene la inteligencia de un niño de dos años. La capacidad de aprendizaje de las máquinas está todavía en desarrollos iniciales, estamos muy lejos de construir un robot con capacidades equiparables a las de un ser humano, pero se espera un avance importante en las próximas décadas.

¿Podrías citar ejemplos de aplicación de Inteligencia Artificial en videojuegos y programas de ordenador?

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1.2 Partes de un Robot De manera general podemos distinguir las siguientes partes o elementos que componen un robot:      

Chasis o estructura principal. Mecanismos. Fuentes de energía. Elementos de control. Sensores. Programación.

Chasis o estructura principal Es el esqueleto del robot. Le da forma y sostiene el resto de las partes y componentes. Para construir los robots utilizaremos las piezas de Lego Technic incluidas en el set de robótica. Estas piezas son diferentes a las que podemos encontrar en los sets convencionales de Lego y nos permiten construir estructuras más sólidas y resistentes.

Mecanismos Son los elementos que permiten el movimiento del robot. Son las ruedas, engranajes, etc.

Chasis de un robot construido con Lego Mindstorms NXT en el que se pueden observar algunos mecanismos que lo componen.

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Fuentes de energía Entre las fuentes de energía podemos distinguir la energía eléctrica y la energía mecánica. En nuestro caso la energía eléctrica será proporcionada por las pilas, batería recargable o un pequeño panel solar de 4W de potencia. La energía eléctrica es transformada en movimiento por los motores.

Elementos de control Son los elementos que permiten controlar las acciones del robot. Constituyen su “cerebro” y son los que procesan la información recibida por los sensores. En nuestro caso utilizaremos el NXT Brick o ”ladrillo inteligente” que viene incluido en el set de robótica.

Sensores Son los elementos que le proporcionan información al robot. Son sus “sentidos” ya que el robot puede “ver”, “oir”, y “sentir” cuando se golpea contra un objeto. Nosotros trabajaremos con 4 tipos de sensores: sensor de contacto, sensor de luz/color, sensor acústico (sensor de sonido) y sensor ultrasónico para medir la distancia a los objetos que le rodean..

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Programación Es el programa de instrucciones que le indica al robot qué es lo que debe hacer. Existen varios lenguajes de programación pero nosotros utilizaremos MINDSTORMS NXT-G por su simplicidad ya que no requiere conocimientos previos de programación. Este software se basa en bloques de instrucciones que debemos ir modificando y enlazando.

En la sección de las fuentes de energía hemos visto que los motores eléctricos convierten la energía eléctrica en movimiento.

ELECTRICIDAD

MOVIMIENTO

Por lógica podríamos pensar que quizás se podría realizar el mismo proceso pero a la inversa, es decir:

MOVIMIENTO

ELECTRICIDAD

¿Qué opinas? ¿Es esto posible? Vamos a comprobarlo realizando un pequeño experimento con dos motores (o un motor y una lámpara de Lego), un cable para conectarlos, y algunas piezas de Lego.

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1.3 Tipos de Robots. Aplicaciones. Los robots son utilizados en diferentes áreas y en cada una tienen forma, funciones y características diferentes. Entre las aplicaciones más habituales encontramos las siguientes:

INDUSTRIA Son los que se encargan de realizar muchos de los procesos industriales, como las maquinas-herramientas, moldeado de plástico, etc. Se utilizan para realizar trabajos repetitivos o peligrosos. También se utilizan en procesos en los que se requiere alta precisión (automóviles y manufactura).

LABORATORIOS Analizadores automáticos. Suponen un avance importante en esta área, sobre todo en laboratorios que trabajan con gran volumen de muestras y en aquellos en los que se trabaja con muestras peligrosas.

MEDICINA Se utilizan sobre todo en operaciones de cirugía en las que la precisión es un factor muy importante:: extirpación de tumores, operaciones complicadas, etc. Este tipo de robots siempre son controlados por un cirujano.

ESPACIO El uso de robots en la exploración espacial está muy extendido ya que en general, enviar personas es peligroso o muy caro.. Un buen ejemplo de este tipo de robots son los rover de exploración marciana enviados por la NASA.

AGRICULTURA Todavía no son muy comunes aunque ya se pueden encontrar sistemas robóticos desarrollados en España que son utilizados en algunos viñedos de La Rioja. También encontramos robots recolectores de fresas en California.

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ROBOTS SUBMARINOS Son robots que se utilizan para realizar inspecciones y reparar cables submarinos de comunicaciones. También se utilizan para la Investigación marina en profundidades elevadas y en la localización de barcos hundidos. La Universidad Politécnica de Cartagena tiene al menos dos robots de este tipo, que son controlados desde un barco.

ENTORNOS RADIACTIVOS Se utilizan para la manipulación de materiales, residuos radiactivos y limpieza de tuberías en centrales nucleares. Actualmente se están utilizando en Japón tras el accidente nuclear de Fukushima.

VIGILANCIA Y SEGURIDAD Son vehículos que trabajan en entornos bélicos o en la desactivación de explosivos y minas antipersona. El uso de “Drones” o vehículos aéreos no tripulados está adquiriendo un desarrollo importante pero no solo en aplicaciones bélicas, también pueden ser utilizados en la detección de incendios y personas en catástrofes naturales.

Quizás te puede interesar… Demostración del Sistema robótico de cirugía “Da Vinci”. [VÍDEO].

Uso de robots en el desastre de la central nuclear de Chernóbil, en 1986.[BLOG].

Demostración de “Da Vinci” doblando un pequeño avión de papel. [VÍDEO].

Accidente de Chernóbil. [WIKIPEDIA]

Dentro del Titánic. [DOCUMENTAL]

Odisea en el Espacio- Robots Pioneros. [DOCUMENTAL].

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2.SETS DE ROBÓTICA LEGO NXT

2.1 Contenido del set. Los sets de robótica Lego Mindstorms fueron desarrollados conjuntamente entre el MIT (Instituto de Tecnología de Massachusetts) y la empresa LEGO con el fin de crear herramientas educativas basadas en ensamblaje de piezas y elementos electromecánicos junto con el uso de ordenadores. El set de robótica básico contiene aproximadamente 600 piezas técnicas entre engranajes, piezas estructurales, sensores, cables, etc. Para construir algunos robots pueden ser necesarias piezas adicionales.

Imagen: piezas técnicas de LEGO

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Conexiones de los sensores y servomotores en el Ladrillo inteligente “NXT Brick”

En la imagen de arriba podemos ver los componentes electromecánicos del set de robótica: por un lado tenemos los sensores, que están conectados en un extremo del ladrillo inteligente (el cerebro del robot), y en el otro extremo están conectados los motores. Hablaremos con mayor profundidad sobre estos componentes en las sesiones prácticas de robótica.

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Los cables de conexión de los sensores y motores al ladrillo inteligente son similares a los cables de red de los ordenadores. Nuestro set de robótica contiene 7 cables de este tipo y un cable USB para conectar el robot al ordenador.

•1cable corto de 20 cm. •4 cables medianos de35 cm. •2 cables largos de 50 cm.

•1 cable USB. • 1 CD con software.

•1 Test Pad

Quizás te puede interesar… Breve historia de LEGO. [VÍDEO].

¿Qué es Lego Mindstorms? [WIKIPEDIA]

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2.2 Bloque inteligente (NXT Brick) El Ladrillo Inteligente o NXT Brick constituye el cerebro del robot. Los sensores y motores se conectan a este ladrillo que es el encargado de procesar la información y actuar en función del programa de instrucciones que hayamos introducido en su memoria. Sus elementos externos principales son los puertos de entrada (sensores) y salida (motores), una pequeña pantalla, botones de control, conexión USB con el ordenador y un mini altavoz.

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PUERTOS DE ENTRADA: los sensores se conectan en estos puertos numerados del 1 al 4.

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PUERTOS DE SALIDA: los servomotores se conectan en estos puertos con las letras A, B y C.

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PANTALLA: nos permite acceder al menú principal, realizar ajustes y ver la información del robot y los sensores. El NXT contiene una pequeña aplicación en su memoria con la que podremos programar instrucciones sencillas sin requerir el uso de un ordenador.

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BOTONES DE CONTROL: sirven para encender, apagar, introducir ajustes e instrucciones sencillas, y navegar a través del menú del ladrillo.

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PUERTO USB: EL NXT se conecta al ordenador a través de un cable USB que nos servirá para descargar los programas creados con el software NXT-G. También tiene conectividad inalámbrica mediante Bluetooth por lo que se puede controlar con teléfonos móviles.

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Operaciones básicas con el NXT BOTÓN NARANJA 

Encendido y Enter.

BOTONES GRIS CLARO 

Navegación por el menú.

BOTÓN GRIS OSCURO 

Retroceder (back).

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Apagar el NXT.

Hablaremos en clase sobre estos y otros iconos generales que podemos encontrar en la pantalla del NXT.



RUN: iniciar ejecución del programa.

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SAVE: guardar.

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FILE EXISTS. OVERWRITE?: existe un archivo con el mismo nombre, está pidiendo permiso para sobrescribir. ATENCIÓN se pierde el otro programa anterior con el mismo nombre



FILENAME: UNTITTLED:indicación de que no has dado nombre al archivo/programa que vas a guardar, por defecto se denominará Untittles (sin título).

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SEND: enviar un programa a otro Brick.

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SENDING FILE: enviando.

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DELETE: borrar un archivo.

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MAIN MENU: volver al menú principal.



FILE SAVED: archivo guardado correctamente.

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2.3 Sensores Los sensores son el equivalente a nuestros órganos de los sentidos, proporcionan información del exterior al robot. El set de robótica incluye de serie 4 tipos de sensores: ultrasónico, sensor de luz, sensor de contacto y sensor acústico. En el set NXT 2.0 el sensor de luz ha sido sustituido por un sensor de color.

Sensor ultrasónico El sensor ultrasónico permite “ver” o detectar objetos u obstáculos que se encuentren alrededor del robot, siempre que estén dentro del rango de detección de este sensor (3 cm – 2,5 m). Mide la distancia a los obstáculos alrededor del robot y funciona de manera similar a un sónar de un barco o un submarino: utilizando ultrasonidos no audibles por el oído humano. Si te fijas en la foto del sensor, éste tiene dos “ojos”. En realidad uno de ellos es un emisor de ultrasonidos y el otro es el receptor.

¿Cómo funciona el sensor ultrasónico? Se basa en el mismo principio que utilizan los murciélagos, delfines, ballenas y otros animales para determinar la ubicación de objetos y alimento: eco localización.

¿Qué es la eco localización?

Escuchando bajo el agua

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Los ultrasonidos son ondas de sonido de alta frecuencia que los humanos no podemos oir ya que nuestro sentido de la audición solamente puede detectar frecuencias de sonido entre 20 y 20.000 Hz (20 KHz = 20.000 Hz).

El hercio, hertzio o hertz (símbolo Hz), es la unidad de frecuencia del Sistema Internacional de Unidades. 1 KHz = Kilohercio (1000 Hz) 1 MHz = Megahercio (1000000 Hz)

¿Cómo sabe el robot a qué distancia están los objetos? El emisor del sensor ultrasónico emite una onda de sonido que chocará contra los obstáculos cercanos, rebotará y será detectada por el receptor.

El tiempo que transcurre desde que es emitida y regresa es medido por el reloj interno del sensor. Cuanto más tiempo tarde en volver el “eco” de la onda, más lejos está el obstáculo. La velocidad del sonido en el aire (a 20ºC de temperatura) es de 343,2 metros por segundo o 1235,52 Km/h.

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Sensor de luz

Es el segundo sensor que le confiere capacidad de visión al robot, le permite distinguir entre las zonas iluminadas y oscuras, es capaz de detectar los diferentes niveles de luz. También es capaz de determinar la intensidad luminosa de diferentes superficies coloreadas.

Tal y como se puede observar en la siguiente foto, el robot posee una visión en blanco y negro pero es capaz de determinar el color de un objeto o una superficie en base a la intensidad de gris que detecta. El color azul tiene un gris de mayor intensidad que el amarillo.

Este sensor se utilizará durante la construcción del robot Line Follower o “sigue líneas”. Podéis consultar los detalles de este robot en la sección “construcción de robots” de este cuaderno.

Sensor de color (NXT 2.0)

La detección de colores amplía la funcionalidad de los robots ya que les permite distinguir hasta 6 colores diferentes. Este sensor sustituye al sensor de luz del set de robótica Lego NXT 1. Este sensor de color es capaz de distinguir la intensidad luminosa y el color de los objetos y superficies, contiene tres LEDs de luz coloreada: uno rojo, otro verde y el tercero azul (los tres colores primarios, Red-Green-Blue o RGB).

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Sensor de contacto

Es uno de los sensores más sencillos pero a la vez más utilizados en la mayoría de robots. Le confiere la capacidad del sentido del tacto al robot; es capaz de detectar cuándo se golpea contra algún objeto. Este sensor tiene dos posiciones: pulsado (pressed) y sin pulsar (released). Se pueden programar instrucciones al robot en base a cualquiera de las dos posiciones descritas anteriormente. Su utilidad se puede comprobar con uno de los robots que construiremos: Bumper Car. El robot Bumper Car detecta la presencia de obstáculos al colisionar con ellos, lo cual produce la activación del sensor de contacto. La programación de este robot le indicará que retroceda brevemente y cambie de dirección para evitar este obstáculo. Podéis consultar más detalles sobre este robot en la sección “construcción de robots”

Sensor acústico Este sensor le confiere al robot el sentido de la audición. Es capaz de determinar la intensidad sonora. La intensidad sonora se mide en decibelios (dB). La sensibilidad del sensor acústico o de sonido está adaptada al oído humano (20-20000 Hz) y por lo tanto no es sensible a ultrasonidos. El sensor detecta intensidades sonoras de hasta 90 dB que es la intensidad equivalente a la de una aspiradora a pocos centímetros de distancia. El umbral de dolor para el oído humano son 120 dB.

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2.4 Servomotores Los motores confieren la capacidad de movimiento y desplazamiento al robot, ya sea mediante ruedas, cadenas tipo oruga (tanques) o “piernas” (bípedos, hexápodos…).

Ruedas

Cadenas tipo oruga

“Piernas”

¿Qué es un servomotor? La principal diferencia entre un motor y un servomotor es que un motor está diseñado para estar girando de manera continua y el control de su velocidad no es tan preciso como en el caso de un servomotor. La palabra clave es: precisión.

¿Cómo es un servomotor por dentro?

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3. PROGRAMACIÓN DE ROBOTS NXT

Esta sección la trabajaremos de manera práctica en clase utilizando un ordenador.

3.1 Software NXT - G. 3.2 Interfaz gráfica del software. 3.3 Funciones principales. 3.4 Introducción del programa en el robot.

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4. CONSTRUCCIÓN DE ROBOTS NXT

En la página de documentación del curso tenéis disponible para su descarga un manual en formato PDF* con las instrucciones de varios los robots. Primero comenzaremos construyendo un chasis robótico e iremos ampliándolo con sensores. La documentación del curso se encuentra en la siguiente dirección: www.rmurillo.es/alumnos.html

Conviene que prestéis mucha atención a los tipos de piezas y su tamaño a la hora de construir y ensamblar los robots.

Castor Bot

Bumper Car

Explorer

Ball Hunter 24

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Line Follower

String Bot

Face Tracking Robot

Robotic Dog

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Esta construcción no se puede considerar robot ya que no tendrá ningún programa de instrucciones en su memoria ni utiliza sensores. Sirve como chasis básico a partir del cual construiremos robots como Bumper Car, Explorer y Face Tracking Robot. Adicionalmente se le puede introducir un pequeño programa de instrucciones para experimentar con la velocidad de giro de los servomotores.

No utiliza sensores

La primera construcción es un chasis básico con dos motores y tres ruedas, dos de las cuales son de tracción y la tercera, castor wheel o rueda giratoria, tendrá función direccional.

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Partiendo del chasis de dos motores que hemos visto en la actividad anterior, construiremos el primer robot y aprenderemos a programarlo con el software NXT-G incluido en el set de robótica. Esto nos servirá para familiarizarnos con el software para crear e introducir órdenes no muy complejas en el robot. El primer sensor con el que vamos a trabajar es muy sencillo: tiene dos posiciones, pulsado - sin pulsar, se pueden introducir instrucciones en función del estado del sensor.

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El segundo robot que construiremos (Castor Bot no es un robot) supone una ampliación del Bumper Car.con la inclusión del sensor ultrasónico. Este sensor ultrasónico añade nuevas funcionalidades con las que podemos trabajar y que nos permitirán construir robots de mayor complejidad. La misión de este robot será explorar el lugar donde lo coloquemos, de tal manera que aprovechando las ventajas del sensor ultrasónico, él mismo decidirá qué dirección tomar (la que tenga menos obstáculos). Si el robot choca accidentalmente contra algún objeto se detendrá al haberse activado el sensor de contacto, y volverá a decidir qué dirección tomar.

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El robot rastreador o “siguelíneas” es un clásico en los proyectos didácticos de robótica. Construiremos una variante del modelo de la foto con un chasis mejorado. Básicamente se trata de un chasis robótico al que se le añadirá uno o dos sensores de luz en la parte frontal. Debemos programar el robot para que siga una línea negra trazada en la superficie de recorrido.

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El diseño de este robot se ha extraido del libro “Lego Mindstorms NXT. The Mayan Adventure”. Aunque en la foto se observa un sensor ultrasónico, en nuestro caso vamos a utilizar un sensor acústico. Y hasta aquí os puedo contar…

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ANEXO I INSTRUCCIONES PARA CONSTRUIR CASTOR BOT Estas son las instrucciones para construir el chasis robótico que nos servirá para Bumper Car, Explorer y face Tracking Robot. También sirve para utilizarlo como estructura básica para la construcción del rover solar debido a su sencillez y solidez de su estructura.

Conviene que prestéis mucha atención a los tipos de piezas y su tamaño a la hora de construir y ensamblar los robots.

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Usa dos cables medianos para conectar los dos motores a los puertos B y C. NO CRUCES LOS CABLES. Mantén el cable izquierdo en la izquierda y el derecho, en la derecha.

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ANEXO II BLOGS Y PÁGINAS WEB INTERESANTES LA PIZARRA DE YURI Excelente blog de divulgación científica para todos los públicos con artículos de muy elevada calidad sobre temas tecnológicos. Blogger de referencia en temas de promoción y divulgación científica en España.

BLOG DE DANIEL MARÍN (Eureka Blog) Astrofísico y divulgador científico con varios premios en su espalda por su blog. Colaborador de la revista Astronomía y miembro de la AAGC (Agrupación Astronómica de Gran Canaria) y Mars Society España.

LOS VIAJEROS ESTELARES Este blog se actualiza a diario con artículos variados sobre Marte, los MER, Curiosity y temas astronómicos explicados de una manera sencilla y amena con muchas imágenes y diagramas. Es uno de los primeros blogs que conocí.

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ASOCIACIÓN DE DIVULGACIÓN CENTÍFICA DE MURCIA “ADCMurcia” surge de la iniciativa de un grupo de amantes de la ciencia los cuales creen que, si se explica de manera adecuada, puede interesar a todo tipo de personas.

NATIONAL GEOGRAPHIC La National Geographic Society se fundó en el año 1.888. Su primer ejemplar se editó 9 meses después de su fundación y actualmente se distribuye en 32 idiomas diferentes por todo el mundo. Sus artículos tratan sobre temas relacionados con geografía, ciencia, historia, cultura, eventos actuales y fotografía.

HispaBrick Magazine HispaBrick Magazine nació en 2008 como una iniciativa de algunos AFOL españoles con la idea de preservar para el futuro las mejores creaciones y artículos publicados en su comunidad. Debido al interés que suscitó en otros países de habla no hispana, a partir del número 003 HispaBrick Magazine se ha publicado en dos ediciones, una en español y otra en inglés. Se pueden descargar gratuitamente los ejemplares en formato PDF*

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