CONTENIDO

1. Introducción a la robótica

1.1 ¿Qué es la robótica?

El término "Robótica" fue definido por Isaac Asimov para describir la tecnología de los robots. Él mismo predijo hace años el aumento de una poderosa industria robótica, predicción que ya se esta haciendo o mejor dicho, se ha hecho realidad. Recientemente se ha producido una explosión en el desarrollo y uso industrial de los robots tal que se ha llegado al punto de hablar de "revolución de los robots" y "era de los robots". 

Asimov (escritor de ciencia ficción entre otras profesiones) definió las tres leyes de la robótica:

Primera Ley

Un robot no hará daño a un ser humano ni, por inacción (falta de acción), permitirá que un ser humano sufra daño.

Segunda Ley

Un robot debe cumplir las órdenes dadas por los seres humanos, a excepción de aquellas que entren en conflicto con la primera ley.

Tercera Ley

Un robot debe proteger su propia existencia en la medida en que esta protección no entre en conflicto con la primera o con la segunda ley.

Asimov también agregó una cuarta, o ley cero, para preceder a las demás: 

Ley Cero

Un robot no puede dañar a la humanidad o, por inacción, permitir que la humanidad sufra daños.

Las Tres Leyes y la Ley Cero han impregnado la ciencia ficción y se mencionan en muchos libros, películas y otros medios. También han impactado el pensamiento sobre la ética de la inteligencia artificial. La ética en la inteligencia artificial es una rama de la ética dirigida a la existencia de robots inteligentes o cualquier otro ente que posea inteligencia artificial.​ La posibilidad de crear máquinas pensantes plantea una serie de cuestiones éticas que abarcan diferentes puntos, tanto que las máquinas no lastimen a seres humanos o seres vivos en general, como el estatus moral propio de la máquina. 

El término robótica puede ser definido desde distintos puntos de vista pero si lo relacionamos únicamente con los robores una definición resumida podría ser:

"La Robótica describe todas las tecnologías asociadas con los robots"

y una definición algo más detallada sería:

"La Robótica es la rama de la ingeniería mecánica, de la ingeniería electrónica y de las ciencias de la computación, que se ocupa del diseño, construcción, operación, estructura y aplicación de los robots, es decir, la robótica combina diversas disciplinas como la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la ingeniería de control y la física."

Sin duda la Robótica es una profesión con un futuro apasionante y garantizado¡¡¡

1.2 ¿Qué es un Robot?

La palabra robot fue usada por primera vez en el año 1921, cuando el escritor checo Karel Capek estrena en el teatro nacional de Praga su obra Rossum's Universal Robot (R.U.R.). Su origen es de la palabra eslava robota, que se refiere al trabajo realizado de manera forzada. La trama era sencilla: el hombre fabrica un robot, luego el robot mata al hombre. Muchas películas han seguido mostrando a los robots como máquinas dañinas y amenazadoras. Sin embargo, películas más recientes, como la saga de "La Guerra de las Galaxias" desde 1977, retratan a robots como "C3PO" y "R2D2" como ayudantes del hombre. "Número 5" de "Cortocircuito" y "C3PO" realmente tienen apariencia humana. Estos robots que se fabrican con apariencia humana se llaman ‘androides’.

Dar una única definición de Robot es complicado. Las definiciones son tan dispares como se demuestra en la siguiente relación:

• Ingenio mecánico controlado electrónicamente, capaz de moverse y ejecutar de forma automática acciones diversas, siguiendo un programa establecido.

• Máquina que en apariencia o comportamiento imita a las personas o a sus acciones como, por ejemplo, en el movimiento de sus extremidades.

• Un robot es una máquina que hace algo automáticamente en respuesta a su entorno.

• Un robot es un puñado de motores controlados por un programa de ordenador.

• Un robot es un ordenador con músculos.

Es cierto, como acabamos de observar, que los robots son difíciles de definir. Sin embargo, no es necesariamente un problema el que no esté todo el mundo de acuerdo sobre su definición. Quizás, Joseph Engelberg (padre de la robótica industrial) lo resumió inmejorablemente cuando dijo: "Puede que no se capaz de definirlo, pero sé cuándo veo uno".

1.3 Tipos de Robot

Hoy en día cada vez tenemos más cerca de nosotros a los Robots y los hay de distintos tipos. Por ejemplo:

Androides

Una visión ampliamente compartida es que todos los robots son "androides". Los androides son artilugios que se parecen y actúan como seres humanos. Los robots de hoy en día vienen en todas las formas y tamaños, pero a excepción de los robots que aparecen en las ferias y espectáculos, no se parecen a las personas y por lo tanto no son androides. 

Móviles

Los robots móviles están compuestos de elementos de desplazamiento (patas o ruedas) que los capacitan para desplazarse de acuerdo a su programación. Están formados por sistemas que son capaces de recibir la información de su entorno gracias a los sensores y se emplean en determinados tipos de instalaciones industriales, sobre todo para el transporte de mercancía en cadenas de producción y almacenes. 

Industriales

Los robots industriales son tambien mecánicos y electrónicos y suelen estar destinados a realizar de forma automática determinados procesos de fabricación o manipulación. Por ejemplo:

Médicos

Los robots médicos están orientados fundamentalmente a ayudar al personal sanitario en las tareas más complejas que se requieren en operaciones bastante delicadas o incluso en la realización de determinadas pruebas médicas. Por ejemplo: 

1.4 Impacto de la Robótica en la Sociedad

Analizaremos el impacto de la Robótica en la sociedad desde dos puntos de vista: Impacto en la Educación e Impacto Laboral:

Impacto en la Educación

El auge de la Robótica y la necesidad de su implantación en numerosas instalaciones industriales, requiere la necesidad de un buen número de especialistas en la materia. La Robótica es una tecnología multidisciplinar ya que hace uso de los conocimientos de distintas ciencias. Destacamos las siguientes:

• Mecánica

• Matemáticas

• Electrónica

• Informática

Por lo tanto, la Robótica es una combinación de todas las disciplinas expuestas, por lo que su estudio en detalle esta especialmente indicado en las carreras de Ingeniería Superior y Técnica así como en los centros de formación profesional (en este último caso enfocado mucho más a la práctica, el "saber hacer").

Impacto Laboral

El mantenimiento de las distintas empresas y el consiguiente aumento de su productividad, mueve el interés de empresarios y trabajadores en aceptar, por una parte la inversión económica y por otra parte la reducción de puestos de trabajo para incorporar nuevas tecnologías basadas en robots y computadores. 

Las ventajas de los modernos elementos productivos, como la liberación del hombre de trabajos peligrosos, desagradables o monótonos y el aumento de la productividad, calidad y competitividad, a menudo, queda eclipsado por el aspecto negativo que supone el desplazamiento de mano de obra, sobre todo en tiempos de crisis. Este temor resulta infundado si se analiza con detalle el verdadero efecto de la robotización.

1.5 Ventajas e Inconvenientes de los Robots

Inconvenientes

• Podrían ser hackeados por algún ciberdelincuentes para fines no deseados que puedan afectar a los seres humanos.

• Una fallo en su funcionamiento puede causar daños irreversibles (Ejemplo: Fallos durante una operación de una persona)

• Reemplazan la mano de obra humana.

• Alto coste, es decir, actualmente son muy caros. 

Ventajas

• Pueden llegar donde el humano no puede.

• Aceptan tareas peligrosas.

• Mejoran la calidad de vida.

• Capacidad de trabajar las 24 horas del día durante todo el año (No tienen vacaciones¡¡¡).

• Buenos niveles de producción (no se cansan, no paran a desayunar,etc..) y calidad (no se suelen equivocar).

2. Funcionamiento de un Robot

Podemos distinguir las siguientes partes en un Robot:

• Estructura o Esqueleto: Representa la parte física o material del robot.

• Sensores: Se encargan de recoger la información de su entorno para enviársela a la Unidad de Control del robot.

• Unidad de Control: Podemos decir que es el "cerebro" del robot ya que en base a la información que recibe de los sensores, se encarga de tomar decisiones generando las correspondientes salidas. Podemos decir que la Unidad de control esta formada por una placa electrónica llamada "Controlador o MicroControlador" que contiene un programa software que esta en ejecución en todo momento. Evidentemente este programa software ha debido ser desarrollado por un equipo de programadores, al igual que nosotros hemos estado programando en Scratch durante el primer trimestre.

• Actuadores: Los actuadores se encargan de realizar una determinada acción una vez que la Unidad de Control ha analizado la información recibida por los sensores.

En el siguiente diagrama podemos ver un resumen de las distintas partes que hemos comentado:

Otra agrupación de las distintas partes de un robot, algo más resumida, sería la siguiente:

• Hardware: Se trata del conjunto de componentes que forman la parte material de un robot (estructura, sensores, controlador, actuadores).

• Software: Se trata del conjunto de programas que controlan el robot y que se encuentran almacenados en la placa controladora o controlador.

3. Microcontroladores (Arduino)

3.1 ¿Qué es un microcontrolador?

Un microcontrolador es un circuito integrado programable capaz de ejecutar las órdenes grabadas en su memoria. Está formado por varios bloques que cumplen una tarea especifica. Un microcontrolador incluye en su interior las tres principales unidades funcionales de un ordenador: 

• Unidad Central de Procesamiento (CPU): Su trabajo es interpretar las instrucciones de un programa informático y garantizar que todas ellas se ejecutan. 

• Memoria: Se trata de la memoria de trabajo de un sistema informático. 

• Periféricos de Entrada/Salida: Se trata de dispositivos que permiten la entrada o salida de información desde el ordenador al exterior y viceversa. 

3.2 ¿Qué es Arduino?

Arduino es una plataforma de código abierto de prototipos electrónicos que se base en hardware y software. Son fáciles de usar y gracias a esto es posible que cualquier persona sea capaz de construir circuitos electrónicos y robots. 

Arduino es considerado una de las bases sobre las que empezar a trabajar en temas relacionados con robótica, ya que, por su simplicidad, permite adquirir conocimientos básicos para dar el paso posteriormente a tecnologías más complejas y completas. En la actualidad existen multitud de placas Arduino.

Nosotros durante este trimestre vamos a trabajar con la Placa Arduino Uno R3.

3.3 Placa Arduino Uno R3

Pines Digitales

Los pines digitales son las conexiones digitales de los dispositivos conectados a la placa. La placa de Arduino cuenta con 14 pines digitales que van del pin 0 al pin 13.

Debemos saber que una señal digital solo puede tener dos estados (o valores):

• 0 (LOW, bajo, false): Indica cero voltios de tensión enviados desde la placa.

• 1 (HIGH, alto, true): Indica cinco voltios de tensión enviados desde la placa.

Por lo tanto, cuando ponemos un pin digital a valor HIGH, la placa suministra 5V de tensión por la salida que hayamos indicado, y si ponemos el valor LOW la placa suministrará 0V de tensión. Eso si, debemos tener en cuenta que los 5V no siempre son 5 ni los 0 siempre son 0).

Los pines digitales de Arduino pueden ser utilizados tanto de entrada como de salida.

Pines Analógicos

Los pines analógicos pueden medir un rango de valores de voltaje, a diferencia de los digitales que solo entienden dos valores: 0-1, o lo que es lo mismo, 0V o 5V.

Por lo tanto, con los pines analógicos vamos a poder leer valores intermedios entre 0V y 5V, representados con un valor comprendido entre 0 y 1023 (ya que la información se representa en números de 10 bits), y tambien vamos a poder escribir en los pines valores comprendidos entre 0 y 255, ya que la información se representa en números de 8 bits.

Nota: En el punto anterior hemos hablado sobre pines digitales, si te fijas en ellos en la placa, verás que aparecen algunos con un símbolo encima del número, ese símbolo significa que pueden ser utilizados tambien como pines analógicos. 

Pines para Alimentación de Sensores

Además de los pines de entrada y salida que hemos comentado anteriormente, Arduino dispone de pines que nos permiten alimentar componentes externos, concretamente uno con 5V y otro con 3,3 V. Además de los pines de tierra (GND).

Microcontrolador de Comunicaciones

El microcontrolador de Comunicaciones se encarga de gestionar las comunicaciones con todos los elementos que se conectan a la placa.

Microcontrolador de Programación

Este componente de la placa es el cerebro de la misma, es donde la placa almacena el programa que tiene que ejecutar. El microcontrolador de la placa se programa utilizando el IDE (Entorno de Desarrollo Integrado) de programación.

Botón Reset

El botón reset permite reiniciar el programa que se ha cargado en el microcontrolador interrumpiendo la ejecución actual. 

Puerto USB

El puerto USB es el puerto mediante el cual nos comunicaremos con la placa de Arduino. Sus funciones principales son:

• Alimentación.

• Cargar los programas en el microcontrolador.

• Envío de información desde la placa al ordenador.

Conector de Alimentación

Además, la placa dispone de un puerto de alimentación externo que nos permitirá hacer funcionar la placa sin utilizar un ordenador. Debemos tener en cuenta que NO podemos alimentar la  placa con más voltaje del que soporta, ya que podríamos dañarla. Lo recomendado es alimentarla entre 7V y 12V.

4. TinKercad

Tinkercad es una aplicación o programa en línea que engloba diversas herramientas de diseño. Con Tinkercad puedes realizar:

• Diseño en 3D.

• Crear y simular circuitos electrónicos.

• Programación.

• Arduino. Permite la programación online de las placas Arduino en un simulador.

En este apartado explicaremos aquellos componentes que utilizaremos durante las actividades de este trimestre.

4.1 Alta de Usuario en Tinkercad

Para acceder a la herramienta debemos dirigirnos al siguiente enlace: https://www.tinkercad.com/, seguidamente pulsamos en el botón 'Únete Ya Mismo' tal y como vemos en la siguiente imagen.

A continuación seleccionamos la opción 'Crear una cuenta personal' tal y como vemos en la siguiente imagen.

En la siguiente pantalla seleccionamos la opción 'Iniciar sesión con Google'.

A continuación nos aparecerá la lista de cuentas de Google para que seleccionemos la nuestra. Posteriormente el sistema nos mostrará la siguiente pantalla donde debemos hacer click en el botón 'Continuar' para aceptar las condiciones de uso. 

Seguidamente el sistema ya nos da acceso al menú principal de Tinkercad. Nosotros trabajaremos durante este trimestre con la opción 'Circuitos' tal y como vemos en la siguiente imagen.

Con este paso hemos finalizado el proceso de alta de usuario en la herramienta Tinkercad. 

4.2 Acceso a Tinkercad

Una vez que ya tenemos nuestro usuario en TinKercad, la próxima vez que queramos acceder tenemos que utilizar la opción de 'Iniciar Sesión' accediendo a la página principal de Tinkercad.

A continuación, la herramienta nos pregunta como queremos iniciar sesión y debemos utilizar siempre la opción 'Iniciar Sesión con Google' tal y como vemos en la siguiente imagen.

Y de esta forma ya debemos estar en el menú principal de la herramienta Tinkercad donde debemos seleccionar el menú de Circuitos que será con el que trabajemos a lo largo de este trimestre.

5. Actividades

Durante todas las actividades esta unidad vamos a ir elaborando nuestro cuaderno de clase donde tendremos que ir registrando y documentando todas las actividades que realizaremos durante este trimestre.

5.1 Componentes Electrónicos Comunes

En este apartado vamos a explicar el conjunto de componentes que necesitaremos utilizar en todas las actividades.

Placa Arduino

La placa Arduino la hemos explicado anteriormente. En cada una de las actividades se irán definiendo las conexiones en función del montaje que estemos llevando a cabo. 

Protoboard

La placa protoboard es una base de material aislante (plástico) con pequeños orificios para la inserción de los componentes electrónicos, de forma que estén unidos eléctricamente entre ellos, ya que en su interior estos orificios están conectados entre sí gracias a unas líneas de material conductor. 

Usar la placa protoboard es fácil, solo debemos tener en cuenta que hay líneas que funcionan como si todos los componentes estuvieran conectados en el mismo punto:

• Las dos líneas que se encuentran entre la línea pintada en azul y la línea roja actúan como si fuesen el mismo punto de conexión, es decir, cualquier componente que pinchemos en cualquiera de los orificios señalados sería como si estuviera conectado directamente a otro componente que estuviese pinchado en otro de los puntos de la misma base. 

Estas líneas azul y roja nos sirven para conectar en uno de sus extremos un cable con carga negativa y positiva respectivamente. De esta forma, el resto de orificios estarán tambien alimentados con carga negativa y positiva.

Concretamente nos referimos a las dos líneas señaladas en la siguiente imagen.

Por otro lado, debemos saber tambien que los orificios de la parte central de la placa están conectados eléctricamente de forma diferente a las líneas exteriores. En la imagen siguiente podemos ver los orificios a los que nos referimos iluminados en amarillo.

Y cuidado, para conectar una mitad de la placa con la otra mitad, tendremos que hacer un "puente" de forma que conectemos cada una de las partes mediante un cable tal y como vemos en la siguiente imagen.

Cable USB

Lo utilizaremos para pasar el programa desde el ordenador a la placa y para alimentar de corriente la placa.

Cables

Usaremos cables macho-macho o macho-hembra en función de lo que necesitemos durante las actividades planteadas.

Resistencias

Las resistencias son unos dispositivos que se oponen al paso de la corriente eléctrica cuando pasa a través de ellas, por lo tanto, antes de una resistencia y después de ella habrá una diferencia de carga eléctrica, siempre menor en la salida que en la entrada. 

De esta manera podemos proteger a otros dispositivos de ser atravesados por una corriente eléctrica mayor de la que pueden soportar y por lo tanto sufrir lo que se llama una sobrecarga.

Para saber qué resistencia será necesaria para proteger un determinado dispositivo necesitaremos conocer la intensidad máxima que puede soportar dicho dispositivo (I) y la tensión a la que va estar sometido (V). Conociendo dichos valores podemos calcular el valor de la resistencia (R) que debemos utilizar para proteger a nuestro dispositivo. Para calcularlo utilizamos la conocida LEY DE OHM (V=IxR):

R = V / I

Donde la resistencia (R) se mide en ohmios; la tensión (V) se mide en voltios; y la corriente o intensidad eléctrica (I) se mide en amperios.

Nota: Algo que debemos tener en cuenta es que NO existen resistencias comerciales para todos los valores óhmicos, por lo que tendremos que calcular y elegir la resistencia que más se aproxime al valor ideal de la actividad que estemos realizando.

Las resistencias trabajan con un código de colores para poder identificarlas de forma fácil. Según su combinación de colores ofrecerán más o menos resistencia al paso de la corriente. En la siguiente imagen vemos la tabla de colores de las resistencias:

5.2 Lista de Actividades

6. Internet de las cosas

6.1 Un mundo inteligente a tu alrededor

Hoy en día tienes el poder de controlar las cosas en la palma de tu mano. Los dispositivos inteligentes interconectados lo hacen posible. Si no te lo crees echa un vistazo a los siguientes vídeos que te van a mostrar algo sobre ese poder (la mayoría está en inglés, pero no te preocupes porque lo importante es la imagen que te enseñará cosas sorprendentes). 

6.2. ¿ Por qué es inteligente ?

Los distintos aparatos que conforman el internet de las cosas son inteligentes gracias a un componente fundamental que poseen. Se trata de los microcontroladores. 

Observad las siguientes imágenes para daros cuenta de que muchos de los aparatos que encontráis en vuestras casas tienen un microcontrolador. Es solo una pequeñísima muestra, por supuesto que hay muchos más. 

2.5. Internet de las cosas

Si comenzamos por el principio, debes plantearte qué significa eso de "IoT". Si lo buscaras obtendrías que son las siglas de Internet of Things, lo que traducido al castellano es Internet de las Cosas. Pero esto realmente no aclara mucho sobre qué es o para qué sirve, por lo que habrá que explicarlo un poco, pero mejor te lo muestro en el siguiente vídeo: 

2.6. Domótica

Se denomina domótica al conjunto de técnicas y sistemas que permiten lograr la automatización de las diversas instalaciones de una casa.

La domótica no solo ayuda a incrementar el bienestar, sino que también brinda mayor seguridad y contribuye a ahorrar energía. A través de estos sistemas se pueden vincular los distintos servicios y las instalaciones de la vivienda y gestionarlos a distancia o automáticamente, incluso desde afuera del edificio.

7. Actividades II

8. Nuestro ROBOT OTTO

8.1 Introducción

Otto es un robot de código abierto ( Ver https://es.ottodiy.com/ ) con una increíble personalidad que nos permitirá darle sentido a todo lo que llevamos visto hasta el momento en nuestra asignatura de Computación y Robótica. Existen distintas versiones pero este año trabajaremos con Otto Blocky

En el siguiente vídeo podemos ver una presentación de algunos de los distintos modelos de este magnifico Robot:

Y en el siguiente tenemos una presentación del entorno de trabajo de Otto y alguna demostración de uso de este magnifico compañero¡¡¡

8.2 Componentes

Nuestro Robot esta compuesto por los componentes que podemos ver en la siguiente imagen:

En el siguiente enlace tenemos una guía detallada donde nos explican como empezar con este robot.

8.3 Entorno de Trabajo

Disponemos de la posibilidad tanto de instalar el entorno de trabajo en nuestro ordenador o trabajar de la misma forma que lo hemos hecho con Scratch primero y luego con la placa Arduino Uno, es decir, tambien disponemos de un entorno Web con el que podemos programar mediante un lenguaje de programación por Bloques. Podemos acceder al entorno desde el siguiente enlace: https://ottoschool.com/blockly/