Currículo: esta unidad desarrolla todos los saberes básicos del Bloque C – Robótica correspondiente a 1ºESO. Además, se evalúan los criterios que puedes encontrar al final de esta página.
Tabla de contenidos
- 6.1. Definición de robot.
- 6.2. Leyes de la robótica.
- 6.3. Aproximación a los componentes de un robot.
- 6.4. Mecanismos de locomoción y manipulación.
- 6.5. Introducción a la programación de robots.
La robótica es una enorme rama de la tecnología que está cambiando nuestra forma de vivir. En este tema, vamos a descubrir qué es un robot. Aprenderemos que no son solo esos personajes de ciencia ficción que hemos visto en películas o leído en libros, sino máquinas muy reales que pueden realizar tareas increíbles. Nos adentraremos en sus principios éticos, exploraremos sus componentes básicos y los mecanismos que usan para desplazarse y manipular objetos.
Además, daremos nuestros primeros pasos en la programación de robots, donde aprenderemos a darles instrucciones para que hagan lo que nosotros queremos. Será como aprender un nuevo idioma para comunicarnos con estas máquinas.
A lo largo de estas sesiones, veremos que la robótica no es algo del futuro, sino del presente, y está más cerca de nosotros de lo que podríamos imaginar.
6.1. Definición de robot.
Cuando pensamos en robots, es posible que nos vengan a la mente imágenes de máquinas humanoides que caminan y hablan como nosotros, pero la realidad es mucho más amplia.
Un robot es una máquina capaz de llevar a cabo una serie de acciones de forma automática. Estas acciones pueden ser controladas por un ser humano o por cualquier tipo de programa de ordenador.
Pero, ¿qué hace que una máquina sea considerada un robot y no simplemente un electrodoméstico? Principalmente, un robot se distingue por su capacidad de interactuar con el entorno, tomar decisiones a partir de estímulos externos mediante sus sensores y actuar en consecuencia a través de sus actuadores. Esto les permite realizar tareas sin la intervención continua de los humanos.
Además, es importante entender que los robots están diseñados con un propósito específico en mente, conocido como su tarea. Por ejemplo, un robot puede ser creado para ensamblar automóviles en una línea de producción, para limpiar el suelo de nuestra casa, o incluso para explorar la superficie de Marte, como hacen los rovers que la NASA envía al espacio.
Hay una diversidad increíble en el mundo de los robots: algunos son grandes y fuertes, capaces de levantar cargas pesadas, mientras que otros son diminutos y se utilizan en medicina para realizar operaciones delicadas dentro del cuerpo humano.
Para que os hagáis una idea más clara, pensemos en un robot que muchos de vosotros podríais conocer: el robot aspirador que se desplaza por las casas limpiando el suelo. Este pequeño amigo es un robot porque tiene sensores que le permiten detectar obstáculos y suciedad, un pequeño cerebro electrónico que decide qué camino seguir, y ruedas motorizadas que le permiten moverse por la habitación. Todo ello sin que nosotros tengamos que dirigirlo cada segundo.
Por tanto, un robot es una máquina inteligente, versátil y a menudo autónoma que puede cambiar la forma en que interactuamos con el mundo. Además su principal utilidad es llevar a cabo tareas que, ya sea por peligrosidad, precisión o monotonía, preferimos no hacer nosotros mismos. Con esta base, iremos construyendo nuestro entendimiento sobre estos asombrosos dispositivos.
Ejercicio 6.1 – El robot que imagino
Ahora que tienes las nociones básicas de qué es un robot, debes hacer un ejercicio de reflexión y creatividad imaginando cómo sería el robot que desearías construir, y describirlo detallando los siguientes aspectos:
- Nombre del robot.
- Propósito específico: cuál será la tarea principal que realizará.
- Sensores: qué sensores utilizará para recoger información del entorno y qué información recabará.
- Actuadores: qué actuadores tendrá para modificar su entorno.
- Otros: todas aquellas características técnicas (cómo se mueve, cómo se comunica,…) que has ideado para él.
- Dibujo del robot: intenta plasmar en el papel una representación de sus componentes principales tal y como los ves en tu cabeza.
Desarrolla todo lo anterior en un documento de Google y entrégalo en classroom.
6.2. Leyes de la robótica.
En 1942, el escritor de ciencia ficción Isaac Asimov propuso un conjunto de tres leyes que deberían gobernar el comportamiento de los robots inteligentes, leyes que han servido de inspiración para la reflexión ética en el desarrollo real de la robótica. Aunque nacieron en la literatura, estas leyes han sido tomadas muy en serio por los diseñadores y programadores de robots, y nos ayudan a entender cómo los robots deberían interactuar con los humanos y el mundo que les rodea.
- La primera ley establece que un robot no puede hacer daño a un ser humano o, por inacción, permitir que un ser humano sufra daño. Esta es la ley primordial que coloca la seguridad humana como la prioridad más alta en el diseño robótico.
- La segunda ley señala que un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, excepto si estas órdenes entran en conflicto con la primera ley. Esto significa que, aunque un robot está diseñado para servir, la protección de los humanos siempre es lo primero.
- La tercera y última ley afirma que un robot debe proteger su propia existencia, siempre y cuando dicha protección no entre en conflicto con la primera o la segunda ley. Esto asegura que los robots no sean descuidados con su propio estado y puedan continuar realizando sus funciones, pero no al coste de poner en riesgo a las personas o desobedecerlas.
Estas leyes de la robótica de Asimov son una herramienta didáctica muy útil para introducir conceptos éticos y de seguridad en el diseño de robots. Aunque en la práctica, la implementación de estas leyes en robots reales es extremadamente compleja y todavía es materia de debate, nos ayudan a establecer unos principios básicos para pensar en cómo deben actuar los robots.
Para comprender mejor estas leyes, pensemos en un robot médico programado para realizar cirugías. Según la primera ley, este robot estará diseñado para no dañar al paciente. Según la segunda ley, deberá obedecer las instrucciones del equipo médico a menos que estas instrucciones puedan perjudicar al paciente. Y de acuerdo con la tercera ley, el robot buscará no ponerse en peligro a sí mismo, por ejemplo, evitando situaciones que podrían causar su mal funcionamiento o destrucción, siempre que esto no comprometa la seguridad del paciente o la obediencia debida al personal médico.
Aunque las leyes de Asimov son ideales teóricos, nos sirven para guiar la programación y el funcionamiento de los robots en la realidad, asegurando que la robótica avance de manera segura y ética para todos. Con esta base ética en mente, estamos listos para explorar más a fondo los componentes y la programación de los robots.
Ejercicio 6.2 – ¿Qué debería hacer el robot?
Para demostrar que has entendido las Leyes de la Robótica, debes analizar estos tres escenarios hipotéticos donde los robots interactúan con los humanos y responder qué debería hacer el robot en cada caso.
1. Robot en una fábrica: un robot en una fábrica recibe la orden de aumentar la velocidad de producción, lo que implica un riesgo para los trabajadores humanos. ¿Cómo debería reaccionar el robot según las leyes de la robótica?
2. Robot asistente en el hogar: un robot asistente en el hogar recibe órdenes contradictorias de diferentes miembros de la familia. ¿Cuál debería ser la prioridad del robot en esta situación?
3. Robot explorador en una misión espacial: un robot en una misión espacial debe decidir entre salvar su propio sistema o continuar recogiendo datos vitales para la misión, con el riesgo de dañarse irreparablemente. ¿Qué debería hacer el robot según las tres leyes?
Responde a las tres preguntas anteriores en un documento de Google y entrégalo en classroom.
6.3. Aproximación a los componentes de un robot.
Adentrémonos en el corazón de la robótica, explorando los componentes esenciales que dan vida a los robots. Como cualquier ser vivo necesita de órganos que le permitan sentir, actuar y moverse, un robot necesita de sensores, efectores y actuadores para poder interactuar con su entorno. Estos componentes son fundamentales para cualquier robot, desde el más sencillo al más complejo.
6.3.1. Los órganos sensoriales del robot.
Los sensores son los ojos, oídos, y la piel de un robot; son dispositivos que les permiten recibir información de su entorno. Al igual que nosotros utilizamos nuestros sentidos para entender el mundo, los robots usan sensores para detectar luz, temperatura, presión, movimiento y muchas otras variables.
Por ejemplo, un sensor de luz puede permitir a un robot seguir una línea dibujada en el suelo, mientras que un sensor de ultrasonidos le ayuda a evitar obstáculos detectando la distancia a la que se encuentran los objetos de su alrededor.
6.3.2. Las herramientas para actuar.
Los efectores son las partes del robot que tienen un efecto directo sobre su entorno. Podríamos pensar en ellos como las manos de un robot. Son los dispositivos que permiten al robot cambiar algo a su alrededor, como mover un objeto de un lugar a otro o ensamblar piezas en una fábrica. No solo se limitan a herramientas que sujetan o manipulan, sino que también pueden ser altavoces que permiten al robot comunicarse con sonidos o incluso dispositivos que emiten luz para señales visuales.
6.3.3. Los músculos del robot.
Finalmente, tenemos los actuadores, que son los músculos del robot. Estos componentes son los que permiten que el robot se mueva. Los actuadores pueden ser eléctricos, neumáticos o hidráulicos, y son los que convierten la energía en movimiento. Gracias a los actuadores, un robot puede desplazar su brazo, girar su cabeza, caminar o rodar.
Por ejemplo, los motores eléctricos son actuadores que transforman la energía eléctrica en movimiento rotativo o lineal, permitiendo a las ruedas de un robot móvil girar y así desplazarse por el aula.
Cada uno de estos componentes es crucial para que un robot funcione de manera efectiva. Los sensores recogen datos, los efectores actúan sobre el entorno y los actuadores permiten el movimiento. La integración y el equilibrio adecuados entre estos elementos son lo que hace posible que un robot realice sus tareas de forma autónoma y precisa.
6.4. Mecanismos de locomoción y manipulación.
Al estudiar los robots, es fascinante descubrir cómo se desplazan y cómo interactúan físicamente con los objetos a su alrededor. Esto nos lleva a contemplar dos capacidades cruciales: la locomoción y la manipulación. Cada una de estas funciones requiere de sistemas mecánicos y estrategias de diseño específicas para que el robot pueda cumplir con su cometido.
6.4.1. El arte del movimiento.
La locomoción en los robots se refiere a su habilidad para moverse de un lugar a otro. Esta puede ser tan diversa como las formas de desplazamiento que encontramos en el mundo natural. Los mecanismos de locomoción varían según el entorno en el que el robot debe operar, ya sea en tierra, en el agua, en el aire o incluso en el espacio.
Ruedas y Orugas
En tierra firme, muchos robots utilizan ruedas o orugas para moverse. Las ruedas son eficientes y simples de controlar, haciéndolas ideales para superficies lisas y entornos controlados. Los robots con orugas, por otro lado, son excelentes para terrenos irregulares o superficies deslizantes, ya que tienen una mayor área de contacto con el suelo.
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Patas
Hay robots que imitan a los seres vivos y utilizan patas para caminar, pudiendo tener desde dos hasta muchas más, dependiendo de la estabilidad y la capacidad de maniobra que necesiten. Los robots bípedos, por ejemplo, pueden caminar de manera similar a un ser humano, lo que les permite moverse en entornos construidos para nosotros. Los robots con múltiples patas, como los hexápodos, pueden moverse por terrenos más difíciles, manteniendo el equilibrio en situaciones en las que un robot con ruedas podría volcarse.
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Propulsión
Para moverse en el agua, los robots pueden utilizar hélices o sistemas de chorro, y para el vuelo, pueden equiparse con alas fijas o rotatorias, como los drones que comúnmente vemos en los parques, que usan hélices para desplazarse y mantenerse en el aire.
Además, también existen robots acuáticos que copian la mecánica de movimiento de ciertos peces para avanzar:
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6.4.2. La precisión en la interacción.
La manipulación se refiere a la capacidad del robot de interactuar con objetos: agarrar, mover, girar, ensamblar, etc. Esta habilidad es crucial en muchos ámbitos, como la fabricación, la medicina o incluso las tareas domésticas.
Brazos y manos robóticas
Los brazos robóticos son los sistemas más comunes de manipulación y pueden ser tan simples o complejos como la tarea lo requiera. Pueden tener múltiples articulaciones y grados de libertad, lo que les permite un rango de movimiento que imita al del brazo humano. Al final de estos brazos, encontramos las manos o pinzas robóticas, diseñadas para agarrar y manipular objetos de diferentes tamaños y formas.
Herramientas especializadas
Algunos robots están equipados con herramientas especializadas en lugar de manos, como soldadores, taladros o cortadores, diseñados para realizar tareas específicas en un entorno de producción.
Entender los mecanismos de locomoción y manipulación es esencial para apreciar la ingeniería detrás de los robots y cómo estos se han adaptado para realizar tareas en distintos entornos. Ya sea un robot que se desplaza por los pasillos del colegio o uno que ensambla pequeñas piezas en una fábrica de relojes, estos mecanismos son el resultado de una cuidadosa planificación para cumplir objetivos específicos.
Ejercicio 6.3 – Test de comprensión
En el classroom de la asignatura podrás encontrar un test con 20 preguntas con 3 posibles respuestas cada una, donde sólo una de ellas es la correcta. Este test nos ayudará a evaluar tu comprensión sobre los principios básicos de ingeniería en la robótica, abordando tanto componentes como mecanismos de movimiento y manipulación.
Solo tendrás una oportunidad para completar el test, así que, repasa los contenidos de los apartados 6.3 y 6.4, y cuando estés listo comienza la prueba.
En las clases prácticas, experimentaremos con kits de robótica, que nos permitirán poner en práctica muchos de estos conceptos.
6.5. Introducción a la programación de robots.
En el Tema 1 adquirimos conocimientos básicos de programación, incluyendo lenguajes de programación visuales y conceptos fundamentales como secuencias de instrucciones, algoritmos, tareas repetitivas, condicionales e interacción con el usuario; por eso podemos dar un paso adelante hacia la aplicación de estos conceptos en la programación de robots.
La transición desde la programación general a la programación específica de robots implica aplicar los conceptos ya aprendidos a situaciones concretas y a la vez más complejas. De esta manera, comenzaremos a comprender cómo las instrucciones que hemos estado practicando en entornos virtuales se traducen en acciones físicas realizadas por un robot. Las secuencias de instrucciones ahora controlarán los movimientos y las respuestas sensoriales de un robot.
La implementación de algoritmos adquiere una nueva dimensión con la robótica. Vamos a diseñar algoritmos que respondan a condiciones ambientales cambiantes, como la presencia de obstáculos que un robot debe evitar.
Una gran parte de la programación de robots implica responder a eventos, que son acciones o condiciones a las que el robot debe reaccionar, como un cambio en la luz detectado por un sensor, o una orden de un control remoto.
También, aprenderemos a programar robots para que respondan a las entradas sensoriales. Por ejemplo, un robot puede ser programado para detenerse cuando un sensor de ultrasonido detecta un objeto cercano.
Asimismo, veremos cómo manejar los actuadores del robot a través de su programación. Esto puede ser tan sencillo como activar un motor o tan complejo como controlar la velocidad y la dirección de varios motores simultáneamente.
Una vez que hayamos visto cómo podemos programar robots que realizan algunas tareas sencillas, iremos un paso más allá integrando otros componentes. Por ejemplo, podríamos programar un vehículo para circular por un circuito, aplicando conocimientos de secuencias, bucles y condicionales para ajustar su trayectoria según las señales de los sensores.
Otro proyecto podría implicar la manipulación de objetos, donde tengamos que aplicar nuestro conocimiento de actuadores para hacer que el robot agarre o mueva objetos en respuesta a órdenes específicas.
Como ves, en esta etapa unimos teoría y práctica en experiencias de aprendizaje más interesantes. La programación de robots nos permite ver en tiempo real las consecuencias de nuestro código, y esto no solo consolida nuestra comprensión de los conceptos básicos de la programación, sino que también estimula la resolución de problemas, el pensamiento crítico y la creatividad.
Sabiendo todo lo anterior, es hora de practicar con nuestros 🤖 en el aula.