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SEMILLERO DE ROBÓTICA
PARA NIÑOS
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Tabla de contenido
Unidad I .......................................................................................................................................... 3 1. INTRODUCCIÓN GENERAL A LA ROBÓTICA ..................................................................... 3
1.1 ¿Qué es robótica? ................................................................................................................ 3 1.2 Reseña, historia y leyes ........................................................................................................ 4 1.3 Tipos de robots ..................................................................................................................... 5
1.3.1 Forma física ................................................................................................................... 5 1.3.2 Tipo de movimiento ........................................................................................................ 5 1.3.4 Cantidad de funciones ................................................................................................... 6
Unidad II ......................................................................................................................................... 7 2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN ROBOT ............................................................ 7
2.1 Que es y cómo funciona un robot? ....................................................................................... 8 Unidad III ...................................................................................................................................... 14 3. DESCRIPCIÓN DE CONCEPTOS DE ELECTRÓNICA Y MECÁNICA ............................... 14
3.1 Que es energía? ................................................................................................................. 14 3.2 Movimiento, Velocidad, Fuerza y Torque ........................................................................... 16
3.2.1 Movimiento ................................................................................................................... 16 3.2.2 Velocidad ..................................................................................................................... 17 3.2.3 Fuerza .......................................................................................................................... 17 3.2.4 Torque .......................................................................................................................... 19
3.3 Definición y funcionamiento de los engranajes .................................................................. 20 3.3.1 Tipos de engranajes:.................................................................................................... 21
3.4 ¿Qué es Voltaje y Corriente eléctrica? ............................................................................... 23 3.5 Relaciones entre ambos tipos de energía .......................................................................... 29
Unidad IV ...................................................................................................................................... 30 4. INTRODUCCION A LA PROGRAMACION .......................................................................... 30
4.1 ¿Qué es un algoritmo y un programa?......................................................................... 30 4.2 Introducción al programa y su interfaz grafica ............................................................. 32
4.2.1 Breve descripción de la ventana del programa ........................................................ 32 4.3 Nuestro primer programa ............................................................................................. 34
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Unidad I
1. INTRODUCCIÓN GENERAL A LA ROBÓTICA
Figura 1
1.1 ¿Qué es robótica?
Robotics – Robótica. Es la rama de la ciencia de los computadores que aplica ingeniería e
inteligencia artificial para la creación y programación de máquinas robots capaces de reaccionar
a determinadas situaciones del entorno y ejecutar tareas rutinarias que antes hacían las
personas. *
* Mejía Mesa, Aurelio. Diccionario enciclopédico técnico actualizado. Editorial MBI. 1ra edición, Medellín-
Colombia, 1996
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1.2 Reseña, historia y leyes
El término “robot” fue utilizado por primera vez por Karel Capek
en su obra de teatro “R.U.R.” (“Rossum’s Universal Robots”, en
español “Los robots universales del Rossum”-) †. Dicha obra
empieza en una fábrica que construye “personas artificiales”
llamados Robots (del checo robota, que significa servidumbre o
trabajo forzado), las cuales sencillamente podían pensar.
Aunque parecían felices trabajando para los humanos, ellas
pronto se rebelaron de una manera hostil terminando con la
raza humana. Esta obra fue premiada en 1921 y se hizo famosa
por introducir y popularizar el término robot.
Figura 2
Años más tarde, en 1950, Isaac Asimov publica un libro llamado
I Robot (Yo robot), en el cual utiliza el término “robótica”, para
definir la ciencia que estudia los robots ‡
. Allí, el autor crea las tres leyes de la robótica, que
aunque se dan en una historia de ciencia ficción, no dejan de tener validez en la actualidad.
Ellas son las siguientes:
1. Un robot no debe dañar a un ser humano ni, por su pasividad, dejar
que un ser humano sufra daño.
2. Un robot debe obedecer las órdenes que le son dadas por un ser
humano, excepto cuando estas órdenes están en oposición con la
primera Ley.
3. Un robot debe proteger su propia existencia, hasta donde esta
protección no esté en conflicto con la primera o segunda ley.
Asimov añade una cuarta ley, la cual aparece en su libro Robots e Imperio, siendo ésta nueva,
más importante que las anteriores tres: “un robot no puede hacer daño a la humanidad o, por
† Sánchez Martín FM. Historia de la robótica: de Arquitas de Tarento al robot Da Vinci (Parte I). Actas
Urológicas Españolas. Febrero de 2007 ‡ Asimov I. Yo robot. Edhasa 1979. Barcelona
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inacción, permitir que la humanidad sufra daño”. El aporte literario de Asimov se produjo en un
momento de auge de la robótica moderna, durante la primera mitad del siglo XX.§
El siglo XX da paso al diseño de robots capaces de realizar tareas complejas y de manera
autónoma con el desarrollo de la ingeniería en sus diferentes ramas (mecánica, electrónica,
informática, telecomunicaciones) las cuales llevan a la construcción de robots más modernos y
especializados.
1.3 Tipos de robots
Los robots se pueden clasificar de acuerdo a algunos criterios tales como su forma física, tipo
de movimiento, cantidad de funciones.**
1.3.1 Forma física
Androides. Son robots que imitan la figura humana o están
fabricados con materiales biotecnológicos, como por ejemplo la piel
humana.
Autómatas. Robots que imitan los movimientos y la figura de
otras especies distintas a la humana.
Figura 3
1.3.2 Tipo de movimiento
Brazos robóticos. Estos pueden moverse en
un espacio reducido en movimientos que pueden ser
como los de un brazo humano.
Robots móviles. Tienen mayor libertad de
movimiento.
Figura 4
§ Sánchez Martín FM. Historia de la robótica: de Arquitas de Tarento al robot Da Vinci (Parte II). Actas
Urológicas Españolas. Febrero de 2007 ** http://cerezo.pntic.mec.es/rlopez33/tecno/tercero/apuntes/robotica.pdf. Consultado el 2009-03-04
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1.3.4 Cantidad de funciones
Robots programados. Realizan labores repetitivas
programadas previamente en un pequeño procesador
(computador).
Inteligencia artificial. El procesador ya posee un
programa muy complejo simulando las redes neuronales
(sistema nervioso de los seres vivos) para poder aprender de
los datos que le proporciona el ambiente.
Figura 5
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Unidad II
2. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE UN ROBOT
Figura 6
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2.1 Que es y cómo funciona un robot?
Un robot es un mecanismo que combina elementos electrónicos y mecánicos principalmente,
está formado por muchas partes de diferentes tipos y tamaños, que se unen para lograr que
todo el sistema funcione correctamente de acuerdo a un diseño anterior a su construcción. Éste
diseño requiere un grupo de mentes creativas trabajando en conjunto, donde las ideas fluyan y
se complementen.
En el capito anterior clasificamos los robots en sus diferentes tipos, cabe anotar que la mayoría
están compuestos de las mismas partes. Primero que todo, un robot debe tener un cuerpo o
una estructura de alguna clase. Generalmente tienen características similares a los humanos,
Dicho cuerpo depende del entorno y del trabajo que tenga que realizar el robot, estos
incrementan la complejidad de su construcción, y su costo.
Los robots son diferentes al resto de máquinas
inventadas por la humanidad, debido a poseen un
cerebro, con inteligencia. Este cerebro es lo que
conocemos hoy en día como un microcontrolador,
éste es una especie de computador reducido al
tamaño de un chip, y la inteligencia es el programa
que hay dentro de ese microcontrolador. El
programa es una serie de instrucciones que debe
seguir el robot.
Figura 7
Así como los humanos tenemos órganos de los sentidos, tales como los ojos y las orejas, los
robots tienen y necesitan sensores para poder localizar objetos, cogerlos o simplemente evitar
chocarse. Dichos sensores los podemos clasificar en varias clases: los sensores de posición,
que le permiten al robot ubicarse en un espacio según un punto de referencia; sensores de
velocidad, los cuales permiten controlar la cantidad de movimiento según la necesidad; y los
sensores de presencia, los cuales pueden ser por contacto o no, permitiéndole al robot detectar
objetos en un radio determinado.
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Los robots se crearon tras mucho tiempo de investigación y han ido evolucionando con la
tecnología, estos tratan de cumplir con las necesidades de la humanidad, pues muchas veces
se ve en juego la vida en labores peligrosas, muy repetitivas, complejas o que requieren
precisión extrema, y de largos tiempos de operación.
A continuación se definen algunas de las partes principales de los robots y su equivalencia al
funcionamiento en el cuerpo humano, además daremos una descripción más detallada, de
cómo se unen todas éstas partes para darle funcionalidad al nuestro robot.
CEREBRO: El cerebro procesa la información
que proviene de los sentidos y a partir de esta
controla y coordina el movimiento del cuerpo.
Su funcionamiento se basa en la utilización de
impulsos eléctricos y químicos. La capacidad
de procesamiento y almacenamiento de un
cerebro humano supera aun a los mejores
computadores.
Figura 8
MICROCONTROLADORES: Es chip
electrónico que incluye en su interior todas las
partes fundamentales de un computador
normal pero de menor tamaño. El
microcontrolador es programado para realizar
tareas específicas como el control de
dispositivos electrónicos (robots, celular,
electrodomésticos). Es la parte inteligente del
robot
Figura 9
NERVIOS: Tienen como componente principal
a las neuronas, células que se comunican
mediante señales eléctricas. Los nervios son
los encargados de transportar señales desde
el cerebro a los diferentes órganos del cuerpo
CABLES: Su propósito es conducir
electricidad a través de la distancia que
separa dos puntos, se fabrican generalmente
de cobre, debido a la excelente conductividad
de este material, generalmente recubierto de
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como los músculos, permitiendo coordinar el
movimiento de nuestro cuerpo, e igualmente
toman las señales captadas por nuestros
sentidos (vista, tacto, oído, gusto, olfato) y las
llevan al cerebro para ser procesadas.
Figura 10
un material aislante o protector.
Figura 11
SISTEMA ÓSEO: Ayuda a que el cuerpo
humano pueda sostenerse por sí solo,
soportando a los músculos para permitir el
movimiento y además protege los órganos
internos del cuerpo
CUERPO O EL CHASIS: Es la estructura
mecánica que sostiene y aporta rigidez al
robot, permitiéndole soportar todas las partes
que lo conforman en su interior.
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Figura 12
Figura 13
SISTEMA MUSCULAR: Es el encargado a
través de los músculos y sus capacidades
elásticas para cambiar de forma, de mover el
cuerpo soportándose sobre huesos. El
sistema muscular es controlado por impulsos
eléctricos provenientes de sistema nervioso.
Figura 14
MOTORES: Son maquinas que convierte la
energía eléctrica proporcionada por una
fuente de energía como una batería, y la
convierte en movimiento giratorio.
Figura 15
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LOS SENTIDOS: Se clasifican en el sentido
de la vista, el gusto, el oído, el olfato, y el
tacto. Cada uno de los anteriores responde a
estímulos diferentes del ambiente exterior,
llevándole la información adquirida al cerebro
constantemente.
Figura 16
SENSORES: son dispositivos electrónicos
capaces de responder a estímulos del
ambiente como calor, cantidad de luz o ruido,
o simplemente el contacto con algún
obstáculo, transformando en electricidad el
estimulo detectado
Figura 17
FUENTES DE ENERGIA: La alimentación es
el proceso biológico en el que los seres
humanos consumen y asimilan los alimentos y
los líquidos necesarios para proporcionar la
energía suficiente para el funcionamiento, el
crecimiento y el mantenimiento de sus
funciones vitales.
BATERIAS O PILAS: Son dispositivos que
transforman un proceso químico interno en
energía eléctrica necesaria para que el robot
pueda llevar a cabo sus funciones, poseen
dos terminales por medio de los cuales se
puede acceder a la energía llamados ánodo
(+) y cátodo (-)
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Figura 18
Figura 19
Los robots básicamente están compuestos por una fuente de energía usualmente generada por
pilas o baterías, que permiten el funcionamiento de las demás partes del robot. También poseen
una unidad inteligente o microcontrolador que se encarga de almacenar los programas y
procesar la información del ambiente que lo rodea, la cual es proporcionada por los sensores,
estos se especializan para detectar diferentes fenómenos físicos. El microcontrolador toma
entonces una decisión a partir de la información suministrada y da la orden mediante señales
eléctricas a los motores para que estos activen su movimiento y produzcan un cambio en la
posición del robot o de alguna de sus partes.
Todo lo anterior, la fuente de energía, el microcontrolador, los sensores y los motores están
interconectados mediante cables eléctricos, que se encargan de transportar energía o señales
eléctricas de control o información, entre las diferentes partes.
Finalmente existe una estructura diseñada de tal forma que pueda contener todas las partes, y
pueda moverse fácilmente de acuerdo con las características previstas antes de la construcción
de robot.
Factores como el peso, el tipo y la cantidad de sensores y motores, hacen que se necesite
mayor cantidad de energía para que el robot funcione adecuadamente además de incrementar
el costo de su implementación.
NOTA
Para ver un video de cómo funcionan algunas partes del cuerpo humano se puede visitar la
siguiente página: http://www.youtube.com/user/comosalvarvidas
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Unidad III
3. DESCRIPCIÓN DE CONCEPTOS DE ELECTRÓNICA Y
MECÁNICA
3.1 Que es energía?
En un robot están presentes diferentes tipos de energía, que se unen para hacerlo funcionar, a
continuación se describirán algunas de ellas.
Figura 20
Figura 21
“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”, de esta famosa frase entendemos
que el ser humano no crea la energía, solo tiene la capacidad y el conocimiento para
transformarla. Cuando comemos transformamos la energía de los alimentos en energía vital
para nuestro cuerpo, permitiéndonos pensar y desplazarnos a voluntad. Por tanto nuestros
cuerpos, y todo lo contenido en el universo es simplemente energía en estados y formas
diferentes.
Durante millones de años, hemos desarrollado los sentidos, que perciben determinadas clases
de energía y traducen esa energía en otra distinta, permitiéndonos percibir el mundo que nos
rodea y hacernos conscientes de nuestra propia existencia.
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El concepto de Energía fue creado por el ser humano para explicar y dar un valor medible a un
fenómeno físico, basándose inicialmente en los sentidos. Cada área del conocimiento, como las
matemáticas, la física ó la química, tienen una forma diferente de definir la energía, pero
nosotros la vamos a entender como la capacidad de hacer algo, ya sea un trabajo, un proceso ó
un movimiento.
Energía mecánica: se presenta con el cambio de estado o posición de los cuerpos, es decir
cuando éstos se encuentran en equilibrio (estáticos o en reposo), y al ser sometidos a una
fuerza externa son obligados a moverse con una velocidad determinada.
Energía eléctrica: Es la capacidad de mover cargas eléctricas a través de un conductor
eléctrico (cable) de un lugar a otro.
Las anteriores definiciones nos generan más interrogantes que resolveremos a continuación.
Primero hablaremos temas relacionados con la energía mecánica y luego con la energía
eléctrica.
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3.2 Movimiento, Velocidad, Fuerza y Torque
Figura 22
3.2.1 Movimiento
El movimiento se define como el desplazamiento de un cuerpo en una línea recta o curva. Sin
embargo, siempre hay que relacionarlo con alguien que lo observa; y según quién lo mire, un
mismo movimiento puede parecer muy diferente para dos personas en situaciones distintas.
Por lo tanto, no basta con decir que una cosa se mueve, sino que es necesario añadir respecto
a qué o quién se mueve, pues para alguien esa cosa podría estar parada.
Finalmente decimos que un objeto se mueve respecto a algo o alguien que lo observa si la
posición de ese objeto cambia a medida que pasa el tiempo.
Si nos proponemos describir el movimiento, vamos a necesitar algunas cosas:
Un observador. Una persona que tiene una regla o un metro (para medir distancias) y
un reloj (para ver cómo transcurre el tiempo).
Un origen o punto de referencia. El sitio donde se va a ubicar el observador, y desde el
cual va a medir las distancias.
Un sistema de referencia. Unos ejes de coordenadas ubicados en nuestro punto de
referencia y que permitirán al observador localizar la posición de cualquier objeto.
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La trayectoria de un objeto en movimiento, como por ejemplo un carro, depende del sistema de
referencia usado por el observador.
3.2.2 Velocidad
La velocidad es la capacidad de recorrer un espacio en el menor tiempo posible, o la capacidad
de reaccionar ante un estímulo lo más rápido posible.
Algunos tipos de velocidad que podemos definir acá son los siguientes:
Velocidad de desplazamiento. Se refiere a
recorrer un espacio determinado en el menor
tiempo posible. Por ejemplo una carrera autos
en una pista de carreras.
Velocidad de reacción. Es el tiempo que
transcurre desde que recibimos una señal hasta
que iniciamos el movimiento. Por ejemplo,
cuando nos lanzan un balón nos demoramos un
instante en reaccionar y protegernos del golpe, o
cuando un robot recibe una señal de un
obstáculo, él se demora un instante en
reaccionar y cambiar de dirección.
Figura 23
3.2.3 Fuerza
Empujar, arrastrar, sujetar, tirar, atraer… Todas estas palabras describen la acción de un
cuerpo sobre otro, y en física nos referimos a ellas con un solo término: fuerza.
Se concluye, por tanto, que fuerza es toda acción que modifica la velocidad de los cuerpos
(aceleración) o los deforma. Ahora observa algunos ejemplos de los efectos que producen las
fuerzas sobre los cuerpos:
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Deformaciones: Uno de los efectos de las fuerzas es la deformación de los cuerpos. En general, la cuantía de la deformación depende de la intensidad de la fuerza: las fuerzas más intensas causan deformaciones mayores
Figura 24
Aceleraciones: Las fuerzas también pueden producir aceleraciones en los cuerpos. Por ejemplo, cuando aplicamos una fuerza sobre un balón para lanzarlo a canasta, el balón cambia su velocidad, es decir, adquiere una cierta aceleración. Así ocurre también cuando empujamos un objeto, cuando lanzamos una piedra a un estanque o cuando abrimos una puerta
Figura 25
Pero los cuerpos no tienen fuerza... la fuerza no es algo que se posee. Las fuerzas se ejercen,
aparecen como resultado de una interacción entre dos cuerpos y siempre se presentan de dos
en dos: cuando un cuerpo A ejerce una fuerza sobre un cuerpo B, de forma simultánea el B
ejerce la misma fuerza sobre el A, pero en sentido contrario.
Aquí te mostramos algunos ejemplos en los que se manifiesta esa interacción:
Estos dos coches chocan y cambia el
movimiento que ambos llevaban... para lo
cual ha sido necesario que cada uno ejerza
sobre el otro una fuerza.
Estas dos fuerzas son iguales y de sentido
contrario.
El imán ejerce una fuerza sobre la bola
metálica y la atrae. Pero también la bola
ejerce una fuerza sobre el imán... si haces la
prueba notarás que algo tira de tu mano.
Las fuerzas surgen siempre por parejas, como resultado de la interacción entre los cuerpos.
Cuando un cuerpo realiza una fuerza sobre otro, este a su vez ejerce la misma fuerza pero de
sentido contrario
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3.2.4 Torque
El torque (o momento de una fuerza) es una magnitud física que cuantifica la capacidad de una
fuerza para producir un giro. Depende de la magnitud de la fuerza aplicada y del punto en que
se aplica la fuerza (punto de palanca).
El torque es positivo si produce un giro antihorario (sentido contrario a las manecillas del reloj) y
negativo si produce un giro horario (en el sentido de las manecillas del reloj).
El valor del torque se calcula conociendo la distancia relativa al punto de palanca (brazo de
palanca d). El siguiente es un ejemplo de la forma como ejercemos una fuerza para producir un
torque y la forma cómo lo hace un brazo robótico.††
Figura 26
L: Longitud de pivote a pivote M: Masa del enlace (link) A: Masa del actuador (actuator) A1: Carga que será levantada
Figura 27
Conceptos de movimiento, trayectoria, velocidad y fuerza fueron tomados de la siguiente
página web:
http://www.librosvivos.net/smtc/PagPorFormulario.asp?idIdioma=ES&TemaClave=1184&est
=0
Concepto de torque fue tomado de la siguiente página web:
http://www.slideshare.net/ymilacha/clase-semana-2-sesin-1, autores: L. Arrascue, Y.
Milachay, A. Macedo
††
Conceptos de movimiento, trayectoria, velocidad y fuerza fueron tomados de la siguiente página web:
http://www.librosvivos.net/smtc/PagPorFormulario.asp?idIdioma=ES&TemaClave=1184&est=0
Concepto de torque fue tomado de la siguiente página web: http://www.slideshare.net/ymilacha/clase-
semana-2-sesin-1, autores: L. Arrascue, Y. Milachay, A. Macedo
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3.3 Definición y funcionamiento de los engranajes
Figura 28
Se denomina engranaje o rueda dentada a una rueda cubierta totalmente de dientes en su
perímetro. Los engranajes más conocidos o utilizados son los que tienen los dientes rectos,
aunque también los hay con los dientes curvos, oblicuos, etc. Los engranajes están formados
por dos o más ruedas con dientes, de las cuales la mayor se denomina corona y la menor
piñón. Una de las aplicaciones más importantes de los engranajes es la transmisión del
movimiento desde el eje de una fuente de energía, hasta otro eje situado a cierta distancia y
que ha de realizar un trabajo.
Existen unos casos particulares de las ruedas dentadas y son el tornillo sinfín y la cremallera,
los cuales poseen dientes, pero no son ruedas como tal, sino que se acoplan a los engranajes
para cumplir funciones específicas. ‡‡
‡‡
http://es.wikipedia.org/wiki/Engranaje
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3.3.1 Tipos de engranajes:
Los engranajes se clasifican según la disposición de sus ejes de rotación y según los tipos de
dentado. En este documento explicaremos los más utilizados que son de ruedas rectas, de
cremallera y piñón, de tornillo sinfín y los engranajes de ruedas cónicas.
Engranaje de ruedas rectas. Estos engranajes
son los más simples que existen. Son utilizados
generalmente para pequeñas y medianas
velocidades. Una manera es mediante el
mecanismo piñón cadena de las bicicletas y las
motos, siendo la cadena una especie de polea
pero con la seguridad de los engranajes. Es un
método de transmisión muy utilizado porque
permite transmitir un movimiento giratorio entre
dos ejes paralelos, que estén bastante
separados.
Los de cremallera y piñón se encargan de convertir
movimiento lineal en movimiento giratorio y viceversa.
El mecanismo de cremallera aplicado a los
engranajes lo constituyen una barra con dientes la
cual es considerada como un engranaje de diámetro
infinito y un engranaje de diente recto de menor
diámetro
En los engranajes de tornillo sinfín siempre es
el tornillo el que produce el movimiento de la
rueda dentada. Es un mecanismo utilizado para
transmitir grandes esfuerzos.
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Los engranajes de ruedas cónicas son utilizados para
reducir la velocidad con ejes de 90°. Estos dientes
pueden ser rectos, helicoidales o curvos (durante el
curso utilizaremos básicamente los de dientes rectos)
El tamaño de las ruedas dentadas o de las poleas, influye mucho en la rapidez con que giran.
Así por ejemplo, encontramos que cuando dos ruedas dentadas tienen el mismo tamaño,
girarán a la misma velocidad, pero si hay una rueda más grande y una más pequeña, entonces
la pequeña girará más rápidamente que la grande.
NOTA
Todas las imágenes de tipos de engranajes fueron tomadas de las siguientes páginas web
http://concurso.cnice.mec.es/cnice2006/material107/operadores/ope_ruedentada.htm
http://www.matadoresairsoft.com/articulos/engranajesgearbox_archivos/A4bevelg.jpg
http://www.mecanicavirtual.org/caja-cambios.htm
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3.4 ¿Qué es Voltaje y Corriente eléctrica?
Antes de hablar del significado Voltaje o Corriente eléctrica es necesario conocer primero sus
orígenes, para ello debemos comprender conceptos como molécula, átomo, electrón y carga
eléctrica. Desde lo más grande hasta lo más pequeño.
La energía y la carga eléctrica son propiedades ligadas a la materia. La materia es todo
aquello que ocupa un lugar en el espacio y podemos percibir, detectar, tocar o sentir por medios
físicos, es decir todo cuanto nuestros sentidos son capaces de apreciar. Aunque algunos tipos
de materia son invisibles para nuestros sentidos, ésta es detectada por medio de aparatos
diseñados por el ser humano, con el ánimo de medir o ubicar su presencia, debido a que solo
nos percatamos de su existencia por hechos secundarios, por ejemplo la electricidad.
Toda la materia en el universo está constituida por moléculas. Una molécula no se puede
observar a simple vista, solo cuando se agrupan en millones lo podemos hacer. Una molécula
está formada a su vez, por un conjunto de átomos unidos [Figura 29]. Por ejemplo una
molécula de agua, está formada por 2 átomos de Hidrógeno y 1 de Oxígeno de ahí que la forma
científica de describir el agua sea
Figura 29
Para entender las proporciones del tamaño tan pequeño de una molécula, se calcula que en un
litro de agua hay aproximadamente moléculas de agua, si tomamos como referencia
que un millón equivale a (observamos que es un numero extremadamente
grande).
Como vimos anteriormente la unión de varias clases átomos conforman moléculas y estas a
su vez, diferentes clases de materia.
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Los átomos son los bloques básicos que componen toda la materia del universo, y están
representados en la tabla periódica con cerca de 118 elementos químicos básicos, los cuales
han sido descubiertos en la naturaleza, y otros se han creado artificialmente.
A lo largo de la historia han existido muchos modelos que intentan describir la composición y la
forma del átomo. Utilizaremos el modelo de Rutherford, quien propuso el átomo como una
estructura similar a nuestro sistema solar pero a una escala millones de veces menor.
Figura 30
El sistema solar tiene en su centro el sol, el cual es el objeto estelar más grande y pesado. Algo
similar ocurre en el centro o núcleo del átomo, el cual está compuesto por protones y
neutrones.
Cada planeta gira alrededor del sol trazando una trayectoria (órbita) única, que es similar a una
circunferencia. Del mismo modo ocurre en el átomo: Alrededor de su núcleo giran los
electrones.
El protón es 1800 veces más pesado que el electrón, pero comparte una característica similar,
poseen la misma carga eléctrica (la definiremos como q), que es la más pequeña que existe
en la naturaleza, de ahí que se considere la carga elemental. Se tiene como acuerdo que la
carga del protón se considera positiva (+q) y la del electrón negativa (-q).
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Como se vio los electrones están orbitando libremente alrededor del núcleo del átomo,
mientras los protones están encarcelados en el núcleo, por esta razón y por ser los electrones
mucho más livianos, son estos los que fácilmente pueden abandonar el átomo y desplazarse.
La carga eléctrica (q) de un cuerpo expresa el exceso o ausencia de electrones que hay en
sus átomos.
El neutrón no posee carga eléctrica y su peso es muy similar a la del protón. El átomo en su
estado natural es neutro, no porque solo posea neutrones sino debido a que tiene un número
igual de electrones y protones y como sus cargas son de signos contrarios entonces se
cancelan.
Las cargas eléctricas tienen un comportamiento particular, cuando cargas del mismo tipo o
signo se encuentran, se repelen y cuando son diferentes se atraen.
Figura 31
Este comportamiento es la base para describir los fenómenos de la electricidad como voltaje y
corriente, que describiremos a continuación.
Para comprender éstos conceptos primero los relacionaremos con otros fenómenos físicos muy
similares que nos ayudaran a entenderlos más fácilmente.
Supongamos que se tienen dos recipientes o tanques de almacenamiento, el recipiente A esta
lleno de agua, el recipiente B no lo está. ¿Cómo hacemos para pasar el agua del recipiente A
al B, sin regar agua en el proceso?
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Tendríamos muchas posibles soluciones al problema planteado. Se podría vaciar con un balde
el contenido de A hacia B, lo que supondría mucho trabajo y un tiempo prolongado para su
realización, además que en el trasporte del balde se podría regar el agua accidentalmente.
También podemos vaciar directamente el contenido de A sobre B, si tenemos la capacidad de
levantarlo lo suficiente e inclinarlo para que el agua caiga, pero como A es muy pesado, sería
muy difícil manipular el tanque sin que se desperdiciara el agua.
Lo más conveniente sería poder transportar el agua entre los tanques por medio de un tubo o
una manguera conectada al fondo del recipiente A, de este modo no habría pérdidas de agua
en su recorrido. Sin embargo el agua no se pasaría sola de un tanque a otro, ¿Qué podemos
hacer entonces?
La madre naturaleza ya soluciono este inconveniente. El ciclo del agua inicia con la
evaporación de ésta en los océanos, luego se forman las nubes y llegan las lluvias sobre las
montañas (parte alta), el agua emprende un largo viaje desde allí, hasta las llanuras (parte
baja) donde desemboca en el océano. De lo anterior deducimos que simplemente un cambio en
la altura entre los tanques, sería suficiente para que el agua fluya entre ellos.
De este modo solucionamos el problema inicialmente planteado, pero si le agregamos el
hacerlo en el menor tiempo posible, ¿Cómo lo haríamos?
El caudal de agua que se estableció entre los tanques a través del tubo, puede aumentar o
disminuir su intensidad, dependiendo del diámetro del tubo que los une. Un tubo de diámetro
pequeño haría que el traspaso de agua se hiciera más lento, debido a que una menor cantidad
de agua puede atravesar el tubo a la vez, contrario a lo que ocurre con un tubo de diámetro
Mayor. Por tanto solo tendríamos que utilizar un tubo de mayor diámetro para que el agua
pasara de A a B en mayor cantidad, en un menor tiempo, sin olvidar que nada haríamos si
ambos tanques están a la misma altura, por lo que dependemos también de ésta. Cumplimos
así con el último requisito del problema.
Con base en lo anterior, definiremos los conceptos de Voltaje y Corriente.
Decimos que el Voltaje es la fuerza que hace que las cargas eléctricas negativas (electrones)
se puedan desplazar de un lugar a otro, pues éstas permanecerían quietas como el agua en el
tanque, si no hubiese una diferencia de altura entre el tanque A y el B. Cuanto más grande sea
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dicha diferencia, el agua fluirá con más fuerza sobre el tubo, algo similar a lo que ocurre en las
cascadas, entonces entre más alto sea el voltaje mayor cantidad de electrones podrán
emprender su viaje, pues tiene la fuerza suficiente para hacerlo.
En cuanto a la corriente eléctrica, la podemos definir como el paso ordenado de electrones a
través de un conductor (cable eléctrico), algo semejante al caudal de agua que pasa por el
tubo, cuya intensidad dependía del diámetro del mismo. Aquí la corriente depende de que tan
bueno sea el cable para dejar pasar los electrones, es decir que tan buen conductor es, además
también depende de la cantidad de fuerza (voltaje) que tienen los electrones para recorrer el
cable.
Figura 32
La corriente eléctrica tiene un sentido, o sea que todos los electrones se desplazan en la
misma dirección, desde los lugares donde se tiene más cantidad de cargas negativas, hacia
donde casi no las hay. El agua también se comporta de la misma manera, se desplaza desde
los lugares altos hacia los bajos.
Fuente de voltaje
Es la encargada de suministrar la fuerza que hace mover los electrones. Un claro ejemplo de
una fuente de voltaje son las pilas o baterías que comúnmente utilizamos en nuestros hogares
para que puedan funcionar los radios, las linternas, el control remoto etc.
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Figura 33
Toda batería en sus extremos muestra gráficamente los símbolos de “-” y “+”. El singo “-”
indica que ese extremo almacena gran cantidad de electrones, y como entre cargas del mismo
signo se repelen, se crea una gran fuerza (voltaje) sobre ellos que los obliga a tratar de salir de
la zona de concentración de cargas negativas. El signo “+” muestra que casi no hay presencia
de electrones. Es por eso que cuando una batería es conectada en cualquier dispositivo
electrónico, inmediatamente los electrones recorren el camino desde el “-” de la pila hasta el “+”,
dejando cada electrón un poco de su energía en el recorrido. Dicha energía es la que hace
que el aparato electrónico funcione.
Como vimos, los electrones se desplazan en la dirección de “-” a “+”, generando una corriente.
A pesar de ello, se tiene como acuerdo decir que la corriente eléctrica va en sentido contrario,
ósea desde el signo “+” a el signo “-”, esto con el objetivo de comprender más fácilmente el
fenómeno de la electricidad, comparándolo con el agua que va desde la parte más (+) alta hacia
la menos (-) alta o mas baja.
Un electrón es como un atleta que luego de dar varias vueltas por la pista (circuito) de
competencias se va agotando hasta que no puede terminar su recorrido, pues en cada vuelta
deja algo de su energía para poder desplazarse. De igual forma los electrones viajan a través
del circuito eléctrico, gracias a la energía otorgada por la fuente de voltaje, pero cuando esta no
es lo suficientemente fuerte, simplemente los electrones no pueden moverse y por lo tanto el
circuito electrónico no funciona.
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Una batería normal contiene 1.5 voltios, cuando las colocamos en fila adecuadamente podemos
sumar sus valores individuales para alcanzar voltajes más grandes.
Figura 34
3.5 Relaciones entre ambos tipos de energía
Las baterías, los motores, los piñones, y las llantas, hacen posible el movimiento del robot. Las
baterías proporcionan la energía eléctrica para el motor, quien pone en movimiento los piñones,
convirtiéndose en energía mecánica, esta energía es proporcionada a las llantas para el
movimiento final del robot.
Figura 35
NOTA:
El siguiente link nos muestra mejor la transformación de la energía, energía eólica:
http://www.youtube.com/watch?v=0qS5zXJuXrw
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Unidad IV
4. INTRODUCCION A LA PROGRAMACION
Figura 36 Figura 37
Para que nuestro Robot se mueva o haga algo, debemos primero darle inteligencia, esto lo
hacemos definiéndole su comportamiento, es decir explicándole detalladamente que tiene que
hacer, cuándo y cómo. El microcontrolador almacena dicha información y además se encarga
dar las órdenes a las demás partes del robot como los motores y sensores para que pueda
cumplir con lo que deseamos. A continuación aprenderemos como podemos llevarle la
información al microcontrolador, y este a su vez controlar nuestro robot.
4.1 ¿Qué es un algoritmo y un programa?
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Un algoritmo consiste en la descripción detallada (mediante dibujos, esquemas, o texto), de la
forma lógica y organizada de solucionar un problema. Por ejemplo si deseamos cambiar una
llanta averiada de un vehículo ¿Cuáles serían los pasos para hacerlo de la mejor manera?
Una posible forma sería:
1. Bajarse del vehículo
2. Identificar la llanta averiada
3. Sacar las herramientas
4. Aflojar los pernos de la llanta
5. Elevar el vehículo mediante un gato hidráulico
6. Extraer y cambiar la llanta por la de repuesto
7. Bajar el vehículo, y extraer el gato hidráulico
8. Apretar los pernos
El algoritmo pude ser tan detallado como se desee, pero para fines prácticos, ocho pasos son
suficientes.
Ahora supongamos que intercambiamos el orden de los pasos 2 y 4. Con este nuevo orden
comenzamos tratando de aflojar los pernos de la llanta, pero para nuestra sorpresa no
tendríamos las herramientas disponibles para hacerlo, y peor aún, no sabríamos si estamos
cambiando la llanta averiada u otra que esté en buenas condiciones. Este ejemplo clarifica la
importancia de revisar y probar el orden lógico de las actividades a realizar, para dar la mejor
solución al problema.
Los algoritmos son utilizados para organizar y dar solución a toda clase de problemas, desde
los matemáticos, hasta a los que a diario nos enfrentamos. Aplicamos algoritmos para
solucionarnos sin darnos cuenta.
Muchas veces debemos solucionar problemas muy largos, difíciles y repetitivos, que se
sobrepasan nuestras capacidades, vemos que un computador puede realizar cada paso de
nuestro algoritmo mucho mejor y en menor tiempo, decimos entonces que hicimos un
programa. Pero ¿cómo le explico al computador que es lo que yo quiero hacer? Debemos
utilizar un tipo de lenguaje que entendamos tanto los humanos como el computador, algo así
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como un traductor, que interviene en una conversación entre dos personas de diferentes
países, con diferentes lenguajes§§
.
Utilizaremos el programa llamado “Doit” que nos permitirá comunicarnos con nuestro robot,
para programarlo con las acciones que deseamos, lo podemos hacer mediante órdenes
textuales o gráficamente, esta última opción será la que utilizaremos.
4.2 Introducción al programa y su interfaz grafica
4.2
4.2.1 Breve descripción de la ventana del programa
Tiple bar: Muestra el nombre de nuestro programa
Menu bar:
File: Contiene comandos básicos como “Open” y “Save”, útiles para abrir y guardar el
programa para nuestro robot
§§ http://es.wikipedia.org/wiki/Algoritmo
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Edit: Permite modificar el texto del programa, cuando lo estamos haciendo bajo esta
modalidad
View: Contiene opciones para modificar la apariencia de la ventada y ocultar o
esconder a “Robby”, el cual es un robot virtual que nos brinda ayuda cuando tenemos
alguna duda.
Query: Muestra las entradas o salidas que puede tener nuestro robot. Las entradas
serán usadas para los sensores, y las salidas para los motores.
Operate: Permite bajar el programa a la memoria del microcontrolador, y comprobar si
funciona correctamente.
Help: provee información acerca de la ventana del programa y sus funciones.
Toolbar: Da una forma rápida de acceder a los comando más utilizados.
Module librarys: Contiene todas las posibles opciones o módulos para programar el robot,
estos esta representados por iconos amigables que muestran gráficamente su funcionamiento.
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Flowchar Area: Es el área donde colocamos y conectamos los iconos de las librerías y
organizamos nuestro programa, simplemente damos Click sostenido sobre ellos, y los
arrastramos hasta esta área.
4.3 Nuestro primer programa
Definición del problema: Deseamos que nuestro robot se desplace en line recta, y cuando
detecte un obstáculo éste detenga su movimiento.
Este fue el algoritmo grafico implementado, cuyas partes explicaremos a continuación:
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Main: es el bloque principal de nuestro programa, siempre debemos
empezar con éste en cualquier programa que implementemos.
While: Como la variable a sensar es la de detección de un obstáculo, éste
hecho se puede presentar en cualquier instante, por lo que es necesario
preguntar constantemente por el estado del sensor. Para ello el bloque
While somete en un ciclo infinito nuestro programa para que dicha
pregunta se haga repetitivamente.
If: Es el encargado de preguntar por el estado del sensor, dependiendo
de éste, procede a realizar diferentes procesos. Si el sensor detecto
presencia, entonces se emite la orden de parar los motores, de lo
contrario se siguen moviendo.
Stop: Da la orden de detener el movimiento de los motores.
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Start: Mantiene la orden de mover los motores.
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Understanding Your Robot 35
Understanding Your Robot 36
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http://bp1.blogger.com/_PkJgg6uPJIE/RePjk2vlmYI/AAAAAAAAAAw/jQrOnkrmTNk/s320/programacion.jpg
