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¿POR QUÉ LA ROBÓTICA COMO ESTRATEGIA PRODUCTIVA EN UN MODELO
DE PEDAGOGIA VIVENCIAL?
BORIS MAURICIO REVELO RENDÓN
GUIAS METODOLOGICAS, MEMORIAS DE UN PROCESO
Unión Temporal por La Niñez en Situación de calle del
Municipio de Medellín
VIVENCIANDO…NOS.
2007
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CONTENIDO Contenido Pag. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………… JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………… OBJETIVO GENERAL……………………………………………………. OBJETIVOS ESPECIFICOS……………………………………………… CAPITULO 1………………………………………………………………... RESEÑA HISTORICA……………………………………………………… ROBOT………………………………………………………………………. TIPOS DE ROBOTS……………………………………………………….. APLICACIONES……………………………………………………………. PRACTICA 1………………………………………………………………… INTERACCION CON UN ROBOT MÓVIL……………………………….. TALLER HUMANO VS ROBOT (IMPROVISADO)……………………… TALLER HUMANO VS ROBOT (CON REGLAS)………………………. CAPITULO 2………………………………………………………………… INTRODUCCION A LA ELECTRONICA…………………………………. SEÑAL ANAÑOGA…………………………………………………………. SEÑAL DIGITAL……………………………………………………………. SISTEMAS DE NUMERACION…………………………………………... NUMEROS DECIMALES …………………………………………………. NUMEROS BINARIOS…………………………………………………….. NUMEROS HEXADECIMALES…………………………………………… CONVERSION DE LOS SISTEMAS DE NUMERACION……………… BINARIO A DECIMAL……………………………………………………… DECIMAL A BINARIO……………………………………………………… OPERACIONE LOGICAS BASICAS…………………………………….. AND………………………………………………………………………….. OR……………………………………………………………………………. NOT………………………………………………………………………….. PREFIJOS DE MAGNITUDES SI………………………………………… ELEMENTOS DE UN CIRCUITO………………………………………… CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA………………………………….. CONDUCTORES…………………………………………………………… RESISTENCIAS……………………………………………………………. VOLTAJE……………………………………………………………………. LEY DE OHM……………………………………………………………….. CIRCUITO RESISTIVO EN SERIA………………………………………. CIRCUITO RESSITIVO EN PARALELO………………………………… PRCTICA 2…………………………………………………………………. MANEJO DEL PROTOBOARD Y EL MULTIMETRO…………………. EL ROBOT Y LOS NUMEROS………………………………………….. CAPITULO 3………………………………………………………………. INTRODUCCIONE AL MICROCONTROLADOR………………………
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CARACTERISTICAS GENERAÑES……………………………………. MICROCONTROLADOR PIC16F873A………………………………… LOS PUERTOS DE ENTRADA Y SALIDA……………………………. PÓLARIZACION DEL MICROCONTROLADOR……………………… EL OSCILADOR O RELOJ EXTERNO………………………………… INTRODUCCION A LA PROGRAMACION…………………………… EMPEZANDO A PROGRAMAR………………………………………… ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES……………. BANCOS DE MEMORIA………………………………………………… REGISTROS IMPORTANTES…………………………………………. LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN……………………………………. INSTRUCCIONES………………………………………………………... PRACTICA 3……………………………………………………………… LA LOGICA SE APRENDE CON EL ROBOT………………………… COMPETENCIAS INTERNAS DE ROBÓTICA………………………. CAPITULO 4...................................................................................... INTRODUCCION A LOS MOTORES………………………………….. MOTOR CC O DC………………………………………………………... MOTOR PASO A PASO………………………………………………… SERVOMOTOR…………………………………………………………. PRACTICA 4…………………………………………………………….. CHARLA ACERCA DE MOTORES…………………………………… GLOSARIO………………………………………………………………. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………. ANEXOS………………………………………………………………….
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PRESENTACIÓN En el marco del convenio de financiación entre la Unión Europea y el gobierno de la República de Colombia, a través del Instituto de Bienestar Familiar, ICBF se desarrollo el Proyecto col/b7-310/97/0192 “Programa de apoyo a los jóvenes y niños de la calle en Colombia”. Este programa se implementa con niños, niñas y adolescentes en situación de calle en 7 ciudades: Bogotá D.C, Bucaramanga, Cali, Cartagena, Medellín, Pasto, Pereira y con niños, niñas y adolescentes desvinculados del conflicto armado en dos ciudades: Manizales, Villavicencio. Cada proyecto local, busca posicionar y establecer estrategias frente al fenómeno de la niñez en situación de calle, al generar sinérgia social con el trabajo en red entre los gobiernos locales y organizaciones sociales para la ejecución y financiación de los mismos. El Programa nacional en sus líneas estratégicas desarrolla la generación de modelos y experiencias, el fortalecimiento institucional y el aumento de conocimiento de la problemática para incidir en las políticas públicas. En esta perspectiva el “Proyecto modelos de pedagogía vivencial, una estrategia para la reducción del fenómeno: niñez en situación de calle, en la ciudad de Medellín”, implementado por la Unión Temporal por la niñez en situación de calle del Municipio de Medellín - VIVENCIANDO…NOS, conformada por la Corporación Amiga Joven, la Corporación Educativa Combos, la Fundación Hogares Claret y la Fundación ¡Vivan los Niños¡ FUNVINI y el apoyo financiero de la Unión Europea y la Alcaldía de Medellín a través de la Secretaría de Bienestar Social y el apoyo técnico del ICBF, busca que los niños, niñas, jóvenes en situación de calle y sus familias, mejoren sus condiciones de salud, educación, vinculación social, productiva y participación comunitaria, a través de procesos de atención y prevención prestados por entidades públicas y privadas Presentamos los resultados y vivencias alcanzados por el proyecto de Medellín denominado “Modelo vivencial en pro del derecho al trabajo y al mínimo vital, para las familias en riesgo de ser expulsoras de niñez a situación de calle en la ciudad de Medellín” con el fin de fortalecer las instituciones de atención y prevención en sus procesos de decisión y formación en lo productivo. Las estrategias de vinculación social y productiva, profundiza el conocimiento de la problemática de niñez en situación de calle y cualifica las estrategias sociales y económicas implementadas por las organizaciones públicas y privadas.
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El desarrollo de la estrategia productiva: formas alternativas de ingresos económicos, correspondientes al resultado 1 del proyecto “Modelos de Pedagogía Vivencial, una
estrategia para la reducción del Fenómeno Niñez en situación de Calle, en la ciudad de Medellín”, se propuso el enfoque de construcción de modelos y metodologías de atención y prevención, como un instrumento de transferencia de conocimientos,
determinando así el “Modelo vivencial en pro del derecho al trabajo y al mínimo vital, para las familias en riesgo de ser expulsoras de niñez a situación de calle en
la ciudad de Medellín”. Este modelo, es fruto del proceso práctico de la Estrategia Productiva de Vivenciando…nos, llevado a cabo por 10 profesionales de distintas disciplinas, desde diciembre de 2005 hasta noviembre de 2006, con el soporte técnico y pedagógico de la Institución Universitaria de Envigado en los sectores de mayor expulsión de niños, niñas y adolescentes a la calle, barrios Bello Oriente, Carpinelo y 13 de Noviembre, entre otros de la ciudad de Medellín (Colombia). Se desarrollaron dos procesos: Formación Laboral Productiva con familias y Académicos no tradicionales en robótica móvil y teatro con jóvenes. La metodología propuesta para construir el modelo, parte desde las vivencias y las reflexiones permanentes del equipo frente a eventos y procesos con las comunidades, definiendo así, un enfoque de elaboración cualitativa que a partir de las prácticas cotidianas y las experiencias en la implementación del proceso, permitiera establecer los elementos que componen lo productivo en el contexto de prevención de la niñez en situación de calle. La experiencia de once meses de trabajo de campo permitió constatar metodológicamente como lo plantea Hurtado1 que “la realidad no es ni cualitativa ni cuantitativa, ésas son sólo categorías que se utilizan dentro de una lógica binaria para caracterizar los eventos”, y por lo tanto se abordo una investigación analítica, que permitiera realizar un análisis más general y profundizar de la realidad que se percibió. Al analizar las características fundamentales que contribuyen al derecho al trabajo y el mínimo vital, constatamos que la existencia de la pobreza en su sentido de desprovisión o de bajos ingresos que se presenta en las comunidades son fruto de múltiples factores, bien sea percibida como causa o consecuencia de uno u otro fenómeno, social o político, no es condición suficiente para concluir que un proceso de desarrollo empresarial, emprendimiento o semejante, pueda solucionar la causa o revertir la consecuencia. El enfoque de este proceso estableció la premisa que lo organizativo es para sustentar lo productivo y lo productivo para la construcción del tejido social y el fortalecimiento de sentido comunitario y solidario. Así mismo, promovío la autonomía de las personas y los grupos para el reconocimiento y defensa de sus derechos, además, buscó
1 HURTADO DE BARRERA, Jacqueline. Metodología de la investigación holística. Fundación SYPAL. Caracas
Venezuela. 2000
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articularse con las oportunidades que se ofrecen tanto del sector no gubernamental como del Estado. Los componentes de interacción con que permitieron establecer los criterios de análisis, se presenta en el siguiente esquema: En consecuencia, el modelo vivencial en pro del derecho al trabajo y al mínimo vital, para las familias en riesgo de ser expulsoras de niñez a situación de calle en la ciudad de Medellín se profundizó en cuatro propuestas interdependientes y relacionadas por los criterios de análisis:
El Modelo General de Emprendimiento, que recoge básicamente el diagnóstico para el emprendimiento y los tipos de emprendimiento
El Módulo sobre Emprendimiento Económico y Social, que recoge los proceso de campo con las familias.
Las Guías metodológicas de Teatro y Robótica móvil, que recogen los proceso de campo con los jóvenes.
Los cuatro documentos reflejan el permanente análisis de contexto realizado, las vivencias, los enfoques en la perspectiva de derecho y de género. Ponemos a consideración, los aprendizajes que motivaron la búsqueda del incremento de la riqueza social a través de procesos productivos que soporten un modelo de desarrollo más equitativo. Apelando a superar las políticas asistencialistas, para permitir otras vías de desarrollo y emprendimientos asociativos y de esta forma, una intervención más integral que proponga una política pública que reúna esfuerzos y aporte a la construcción de reales sujetos de derechos, tanto las personas de las familias y especialmente los y las jóvenes en situación de Calle.
DIAGNOSTICO PARA EL EMPRENDIMIENTO
PROCESOS DE CAMPO
TIPOS DE
EMPRENDIMIENTO
ANÁLISIS DE CONTEXTO
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INTRODUCCIÓN La robótica, y en especial la robótica móvil, constituye un área de investigación científica en constante evolución en universidades, centros de investigación y empresas que desarrollan tecnología de punta en el mundo. Una de las principales motivaciones para ello es sin duda el gran número de ventajas que se pueden obtener cuando a una máquina se le aporta cierto grado de inteligencia. Una de las líneas que congrega gran cantidad de intereses y conocimientos, tanto en el ámbito académico, científico y de desarrollo industrial, es precisamente el estudio, diseño, evaluación y simulación de sistemas robotizados y automatización de procesos. En la última década, la importancia que ha adquirido la robótica, por sus posibilidades de investigación y aplicación en todas las especialidades de la ingeniería, ha propiciado la creación de sólidos grupos de trabajo en torno a la problemática, investigación y solución de todos los aspectos que atañen a los robots industriales, los robots móviles y vehículos autoguiados en general. En particular la robótica móvil se viene aplicando a procesos de enseñanza / aprendizaje de ciencia básica y tecnología en todo tipo de instituciones educativas, incluso a nivel de educación básica primaria (Japón, España, Alemania, Brasil, Chile, Argentina y otros). Estos dispositivos pueden abrir un nuevo mundo para todos en los medios de educación. Además la integración de diferentes ramas del conocimiento que intervienen en la elaboración de un prototipo robótico hace más interesante y diversificado el aprendizaje para cualquier persona. Teniendo en cuenta todo lo anterior, se propone el desarrollo de un programa que incentive a los estudiantes de bachillerato a incursionar en el campo de la robótica de manera teórico–práctica, utilizando para ello un módulo de robótica móvil, el cual brindará las bases que permitirán a los estudiantes desarrollar futuros proyectos mucho más avanzados por medio de la experimentación y la investigación.
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JUSTIFICACIÓN El desarrollo del curso se justifica, debido a la importancia que en los últimos diez años han tomado las diferentes tecnologías EITI (Electrónica, Informática y Telecomunicaciones). Se brindará entonces, a los jóvenes de bachillerato los elementos básicos para que puedan diseñar y construir un sistema robótico completo y versátil, además, como en el estudio de la robótica es necesario contar con elementos de software y hardware que sirven como plataforma de experimentación e investigación ya sea en el área de la robótica móvil y/o en el área de la robótica manipuladora. El robot que se utilizará en el desarrollo del curso cuenta con sensores, actuadores, interfaces de Entrada / salida de datos, unidad central de procesamiento de datos y sistema de comunicación con un PC, convirtiéndose en un excelente laboratorio para el desarrollo de algoritmos de control clásico y/o moderno, planificación de trayectorias, procesamiento digital de señales, visión artificial, evasión de obstáculos, sistemas operativos de tiempo real, aplicación de técnicas de inteligencia artificial, emulación de comportamientos, robótica cooperativa, entre otros. El robot, es de bajo costo y de arquitectura abierta, lo cual implica que es posible mejorarlo en el tiempo y adaptarlo a tareas diferentes a las inicialmente propuestas. Un aspecto académico adicional es la capacitación a profesores y estudiantes de primaria, secundaria, pregrado y en general en áreas de gran importancia para el desarrollo de la educación tecnológica actual a nivel industria y de investigación académica en el contexto internacional. Los estudiantes, se verán beneficiados al poder confrontar los conocimientos teóricos adquiridos con el curso, con la experimentación. Aprenderán en forma progresiva como funcionan los mecanismos, las características de los diferentes entornos, las configuraciones móviles utilizadas en robótica, como describir y depurar un procedimiento que cumpla una tarea, como planear un proyecto. Pueden inventar máquinas, resolver diferentes situaciones difíciles. Pueden llegar a comprometerse activa y afectivamente en sus proyectos, desarrollando su inventiva, habilidades de diseño y en general su creatividad mediante la experimentación y la solución de problemas. Los robots son una introducción al mundo de la programación y la ingeniería. Los alumnos pueden comprender la importancia de los roles que pueden cumplir los robots, desde realizar tareas en la industria hasta asistir a las personas con discapacidad.
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OBJETIVO GENERAL
Brindar un espacio de formación no tradicional a los y las jóvenes de las Instituciones Educativas beneficiarias del proyecto en el área de La Robótica Móvil, dando nuevas alternativas que posibiliten un desarrollo integral, a nivel técnico, humano y social.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
Facilitar a los y las jóvenes por medio de la Robótica una visión más accesible de la ciencia y la tecnología que posibilite nuevas miradas de su entorno y del mundo.
Suministrar los elementos para crear nuevos lazos sociales que los apropie de su conocimiento y vean nuevas posibilidades.
Acercar a los y las jóvenes al mundo de la Robótica Móvil a través de la historia y sus diferentes componentes.
Participar con los y las jóvenes en talleres donde puedan interactuar con los diferentes partes electrónicas que intervienen en el Robot Móvil.
Introducir las nociones básicas de programación de manera que los y las jóvenes puedan realizar programas con los que el Robot Móvil realice tareas fácilmente modificables.
Proporcionar las nociones y conocimientos necesarios con relación a los motores para un mayor entendimiento de la tracción del Robot.
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CAPITULO 1
INTRODUCCIÓN A LA ROBÓTICA
OBJETIVO: dar a conocer los orígenes de la robótica y que los/as jóvenes empiecen a distinguir los términos y personajes mas representativos que intervinieron durante el desarrollo del proceso evolutivo de los robots. 1.1 RESEÑA HISTORICA. En el afán de crear una maquina capaz de realizar las tareas mas tediosas y difíciles, el hombre se ha valido de su inteligencia y de las diferentes herramientas con las que cuenta, en la antigüedad los griegos tenían designada una palabra con la que definían a estas maquinas, las llamaban AUTOMATOS. De esta palabra se deriva AUTOMATA, que es la que define a las maquinas que con apariencia humana o de animal y que realizan movimientos repetitivos y que utilizan poleas, engranajes y otros mecanismos. Los más importantes son:
En los primeros siglos se desarrollaron trabajos mecánicos que utilizaban dispositivos hidráulicos, poleas, palancas, engranajes entre otros, los mas reconocidos son, Heron de Alejandría, Alberto Magno, Roger Bacon, Leonardo Da Vinci, Juanelo Turriano, Jacques Vaucanson, Pirre Jaquet Droz y sus hijos, por sus diseños que fueron representativos entre los cuales se cuenta con maquinas para suministrar agua, cabezas parlantes, un gallo que mueve las alas y el pico, un león mecánico que se abre el pecho para mostrar el escudo de armas, figuras humanas que escriben, dibujan y tocan instrumentos y telares mecánicos.
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Para la robótica en general la historia comienza en: 1946: El inventor americano George C. Devol desarrolló un dispositivo controlador que podía registrar señales eléctricas por medio magnéticos y reproducirlas para accionar un máquina mecánica. La patente estadounidense se emitió en 1952. 1951: Trabajo de desarrollo con teleoperadores (manipuladores de control remoto) para manejar materiales radiactivos. Patente de Estados Unidos emitidas para Goertz (1954) y Bergsland (1958). 1952: Una máquina prototipo de control numérico fue objetivo de demostración en el Instituto Tecnológico de Massachussets después de varios años de desarrollo. Un lenguaje de programación de piezas denominado APT (Automatically Programmed Tooling) se desarrolló posteriormente y se publicó en 1961. 1954: El inventor británico C. W. Kenward solicitó su patente para diseño de robot. Patente británica emitida en 1957. 1954: George C. Devol desarrolla diseños para Transferencia de artículos programada. Patente emitida en Estados Unidos para el diseño en 1961. 1959: Se introdujo el primer robot comercial por Planet Corporation. Estaba controlado por interruptores de fin de carrera. 1960: Se introdujo el primer robot ‘Unimate’’, basada en la transferencia de artículos. Utilizan los principios de control numérico para el control de manipulador y era un robot de transmisión hidráulica. 1961: Un robot Unimate se instaló en la Ford Motors Company para atender una máquina de fundición de troquel. 1966: Trallfa, una firma noruega, construyó e instaló un robot de pintura por pulverización.
1968: Un robot móvil llamado ‘Shakey’’ se desarrollo en SRI (Standford Research Institute), estaba provisto de una diversidad de sensores así como una cámara de visión y sensores táctiles y podía desplazarse por el suelo.
1971: El ‘Standford Arm’’, un pequeño brazo de robot de accionamiento eléctrico, se desarrolló en la Standford University.
1973: Se desarrolló en SRI el primer lenguaje de programación de robots del tipo de computadora para la investigación con la denominación WAVE. Fue seguido por el lenguaje AL en 1974. Los dos lenguajes se desarrollaron posteriormente en el lenguaje VAL comercial para Unimation por Víctor Scheinman y Bruce Simano.
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1974: ASEA introdujo el robot Irb6 de accionamiento completamente eléctrico.
1974: Kawasaki, bajo licencia de Unimation, instaló un robot para soldadura por arco para estructuras de motocicletas.
1974: Cincinnati Milacron introdujo el robot T3 con control por computadora.
1975: El robot ‘Sigma’’ de Olivetti se utilizó en operaciones de montaje, una de las primitivas aplicaciones de la robótica al montaje.
1976: Un dispositivo de Remopte Center Compliance (RCC) para la inserción de piezas en la línea de montaje se desarrolló en los laboratorios Charles Stara Draper Labs en estados Unidos.
1978: El robot T3 de Cincinnati Milacron se adaptó y programó para realizar operaciones de taladro y circulación de materiales en componentes de aviones, bajo el patrocinio de Air Force ICAM (Integrated Computer- Aided Manufacturing).
1978: Se introdujo el robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assambly) para tareas de montaje por Unimation, basándose en diseños obtenidos en un estudio de la General Motors.
1979: Desarrollo del robot tipo SCARA (Selective Compliance Arm for Robotic Assambly) en la Universidad de Yamanashi en Japón para montaje. Varios robots SCARA comerciales se introdujeron hacia 1981.
1980: Un sistema robótico de captación de recipientes fue objeto de demostración en la Universidad de Rhode Island. Con el empleo de visión de máquina el sistema era capaz de captar piezas en orientaciones aleatorias y posiciones fuera de un recipiente.
1981: Se desarrolló en la Universidad de Carnegie - Mellon un robot de impulsión directa. Utilizaba motor eléctricos situados en las articulaciones del manipulador sin las transmisiones mecánicas habituales empleadas en la mayoría de los robots.
1982: IBM introdujo el robot RS-1 para montaje, basado en varios años de desarrollo interno. Se trata de un robot de estructura de caja que utiliza un brazo constituido por tres dispositivos de deslizamiento ortogonales. El lenguaje del robot AML, desarrollado por IBM, se introdujo también para programar el robot SR-1
1983: Informe emitido por la investigación en Westinghouse Corp. bajo el patrocinio de National Science Foundation sobre un sistema de montaje programable adaptable (APAS), un proyecto piloto para una línea de montaje automatizada flexible con el empleo de robots.
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1984: Robots 8. La operación típica de estos sistemas permitía que se desarrollaran programas de robots utilizando gráficos interactivos en una computadora personal y luego se cargaban en el robot.
A partir de esta fecha la elaboración de todo tipo de robots se ha incrementado vertiginosamente, los hay de todos los tipos y formas, la investigación en el área también ha ido creciendo. Ha medida que la tecnología avanza, la construcción de nuevos robots, dotados con todo tipo de accesorios seguirá con su curso.
1.2 ROBOT
La palabra ROBOT fue usada por primera vez por el escritor Checo Karel Capek en su obra literaria Rossum’s Universal Robot (Robots Universales de Rossum), esta palabra ROBOTA significa siervo, esclavo o trabajo forzado en Checo, y de la que se obtiene ROBOTNIK o servidor. La obra se desarrolla en una isla en el futuro en la que los robots se producen en la factoría del científico Rossum y se venden a la sociedad para que realicen las labores más ingratas, mientras los humanos se dedican a las tareas mas agradables. Sus robots poseen forma humana, pero no alma, su tiempo de vida depende de los humanos y son capaces de retener conocimiento. Durante los diez años en los que se desenvuelve la historia los robots comienzan a desarrollar sentimientos de odio y orgullo, y terminan rebelándose contra sus creadores y exterminando la raza humana. Los robots dejan a uno de los científicos de la factoría con vida teniendo la esperanza de que les enseñe a replicarse. Desgraciadamente, esa información la habían destruido los robots en la revuelta. De este modo la obra concluye que los robots encaran su extinción como resultado de su intolerancia con los humanos.
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Gracias a los escritores de ciencia ficción esta palabra a perdurado y continua vigente. Isaac Asimov fue un escritor y bioquímico estadounidense nacido en Rusia, exitoso y excepcionalmente prolífico autor de obras de ciencia ficción y divulgación científica. La obra más famosa de Asimov es la serie de “La Fundación”, que forma parte de la serie del Imperio Galáctico y que luego combinó con su otra gran serie de los Robots, en los cuales introdujo el termino de ROBÓTICA el cual se aplica al conjunto de disciplinas que convergen hacia un objetivo: “cumplir las aspiraciones de suministrar al hombre un mecanismo que lo libere de actividades tediosas y/o peligrosas y que, estén a su servicio con un buen grado de automatización y dependencia”. De esta definición podemos concluir que en la robótica se aúnan para un mismo fin varias disciplinas concluyentes, pero diferentes, como puede ser la Mecánica, la Electrónica, la Automática, la Informática, etc.
AUTOMATAS: estructuras mecánicas con fines únicos, realizan movimientos repetitivos o sonidos. Se crearon con fines lúdicos y de entretenimiento.
ROBOT MANIPULADOR: Un robot es una máquina formada por un mecanismo que posee varios grados de libertad; a menudo da la apariencia de uno o más brazos que terminan en una muñeca, una pieza de trabajo o un dispositivo de inspección. Posee una unidad de control con memoria y en algunos casos sensores y dispositivos de adaptación para extraer información de su medio ambiente. Estas máquinas de propósitos múltiples se diseñan para llevar a cabo funciones repetitivas fácilmente modificables.
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GRADO DE LIBERTAD (GDL): es cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación respecto a la anterior. Generalmente se utilizan dos movimientos El Rotacional y El Prismático.
Grados de libertad De un robot móvil 1.3 TIPOS DE ROBOTS ROBOTS MANIPULADORES: los hay industriales que tienen entre cuatro y seis grados de libertad, y también se encuentran los de servicio que tienen mínimo tres grados de libertad.
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ROBOTS MÓVILES: en esta categoría se cuentan con diversidad de robots como lo son el ROVER, ACUATICO, AEREO, ZOOMORFICO Y HUMANOIDE.
1.4 APLICACIONES
Dentro de las múltiples aplicaciones que tienen los robots, se enuncian las siguientes:
• Educación.
• Alimentación de máquinas herramientas.
• Pintura.
• Soldadura por puntos.
• Manejo de materiales.
• Limpieza de piezas fundidas y pulido.
• Inspección.
• Montaje.
• Robots para la enseñanza.
• Seguridad.
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• Manipulación de sustancias tóxicas.
• Investigación aeroespacial.
• Robots de recreación.
Robot móvil. Antes de comprender el concepto, es necesario dar a conocer algunas definiciones: Robot: según algunas asociaciones: Japan Industrial Robots Association (JIRA): "Es una máquina capaz de realizar movimientos versátiles parecidos a los de nuestras extremidades superiores, con cierta capacidad sensorial y de reconocimiento y capaces de controlar su comportamiento". Robot Industrial Association (RIA) o Robot Institute of America:"Es un manipulador multifuncional y reprogramable diseñado para mover cargas, materiales, piezas, herramientas y dispositivos especiales según variadas trayectorias, programados para realizar diferentes tareas”.
International Standard Organization: "Un robot es una máquina formada por un mecanismo que posee varios grados de libertad; a menudo da la apariencia de uno o más brazos que terminan en una muñeca, una pieza de trabajo o un dispositivo de inspección. Posee una unidad de control con memoria y en algunos casos sensores y dispositivos de adaptación para extraer información de su medio ambiente. Estas máquinas de propósitos múltiples se diseñan para llevar a cabo funciones repetitivas fácilmente modificables". Wesbster´s New Collegiate Dictionary: "Es un aparato o dispositivo automático que ejecuta funciones atribuidas ordinariamente a humanos u operadores que aparentan tener inteligencia casi humana". Robot móvil: son mecanismos con la capacidad de la movilización, bien sea con ruedas, patas, propulsión o sumersión, generalmente se mueven en dos dimensiones a excepción de los que vuelan y los que se sumergen en el agua, los cuales se mueven en tres dimensiones y son más difíciles de controlar.
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1.5 PRACTICA 1 SESION 1 1.5.1 INTERACCIÓN CON UN ROBOT MÓVIL Objetivo: Motivar a los/as jóvenes hacia el mundo de la robótica, a través de la interacción con un robot móvil. Actividades: Se les presenta a los y las Jóvenes un Robot móvil de arquitectura abierta con el que interactúan por un tiempo, en el cual surgen mil y una pregunta, que encuentran su respuesta en el transcurso de la práctica. Los/as jóvenes se motivan mucho más cuando se encuentran con algo tangible y palpable para ellos/as; el primer encuentro con un robot móvil hace mas visible lo que se va a realiza durante el curso y es así como surgen las primeras preguntas, se cuestionan y también se ilusionan, sueñan y ponen a volar su imaginación, es por eso, importante recoger todas estas ideas para confrontarlas al final del curso. EVALUACIÓN: Se habla de lo ocurrido en la actividad y se ponen los puntos de vista a discusión, se relaciona la actividad con la Robótica Móvil y como afecta a cada uno/a.
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MATERIALES: Espacio amplio, marcador y Kit de Robótica. SESION 2 1.5.2 TALLER HUMANO VS. ROBOT IMPROVISADO Se realiza con todos los/as jóvenes. Objetivo: Es mostrar un paralelo con los robots y los seres humanos, motivar la creatividad y el trabajo en grupo el cual debe ser un trabajo improvisado. Actividad: Se dividen los/as jóvenes en dos grupos, de igual cantidad de integrantes, a éstos los llamaremos equipo A y equipo B, cada equipo debe elegir una persona que se encargara de realizar la tarea, al cual lo llamaremos CEREBRO, otra persona elegida dentro del grupo se encargara de ser la parte móvil del robot a la cual la llamaremos TRACCIÓN, y el resto del grupo se encarga de dar las ordenes a la persona que se mueve (TRACCIÓN) y las llamaremos CONEXIÓN o MEDIO DE COMUNICACIÓN. Metodología: Las condiciones del taller son las siguientes: el CEREBRO no puede hablar con ningún integrante del grupo, solo podrá comunicarse con el resto del grupo por medio del contacto corporal, los únicos que pueden hablar son el MEDIO DE COMUNICACIÓN que le podrán decir a la TRACCION la acción a ejecutar (son palabras cortas como: ADELANTE UN PASO, GIRE IZQUIERDA NOVENTA GRADOS, COGER, TOCAR PARED, según la tarea designada), el CEREBRO tendrá la información para realizar la tarea determinada (según las condiciones del salón o el lugar donde se realice la clase), esta información no es compartida con el resto del grupo, el CEREBRO debe seguir un mapa previamente establecido y que solo él conoce. La tarea designada puede ser tocar el tablero, coger un objeto, escribir un código en el tablero, las tareas pueden variar según el grado de dificultad que el grupo pueda resolver, el grupo se ubica según la figura y este seria uno de los posibles mapas según el área que tengamos disponible y los obstáculos serian las mesas, sillas u otro objeto que facilite el taller:
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En la parte de atrás se ubica el CEREBRO, seguidamente por la primera línea de MEDIOS DE COMUNICACIÓN éstos deben pasar la acción a la segunda línea de comunicación que es la que puede hablar y decirle a la TRACCION lo que el CEREBRO quiere realizar. Se debe recordar que el único que conoce la tarea es el CEREBRO y que este no puede hablar. En este taller los/as jóvenes deben trabajar en equipo para lograr el objetivo, deben ser imaginativos para desarrollar un método de comunicación para poder realizar la tarea y deben ser muy organizados para que la información pueda fluir claramente desde el CEREBRO hasta la TRACCION. La evaluación se debe hacer en grupo, con la participación de cada uno/a de los/as jóvenes y debe ser oral para que empiecen a perder el miedo a los compañeros. Consideraciones: No se debe ser muy exigente con la realización del taller, se debe tratar de hacerlo lo mas amplio posible, es decir, dejarlos que cometan errores, pero tenerlos en cuenta en la evaluación; como los únicos que pueden hablar son los
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MEDIOS DE COMUNICACIÓN de la segunda línea, nadie mas tiene porque hablar, si las instrucciones se dicen mal o en voz muy baja por lo tanto la información no llega al la TRACCION, entre otras, lo importante es que para la próxima no cometan los mismos errores. Conclusiones: El CEREBRO hace las veces de sensores con la vista para guiar a la TRACCION hacia el objetivo y de Microcontrolador porque es el que da las ordenes y toma desiciones, los MEDIOS DE COMUNICACIÓN hacen las veces de circuitos y alambres por donde fluye la información hacia las diferentes partes del robot y por último la TRACCION hace la parte móvil del robot, la que ejecuta las tareas y es así como hacemos el paralelo entre los seres humanos y los robots. SESION 3 1.5.3 TALLER HUMANO VS. ROBOT CON REGLAS Se realiza con todos los/as jóvenes. Objetivo: Es mostrar un paralelo con los robots y los seres humanos, motivar la creatividad y el trabajo en grupo, además ya conocen el taller para desarrollar la creatividad con modificaciones al mismo. Actividad: Se dividen los/as jóvenes en dos grupos, de igual cantidad de integrantes, a éstos los llamaremos equipo A y equipo B, cada equipo debe elegir una persona que se encarga de realizar la tarea, al cual lo llamaremos CEREBRO, otra persona elegida dentro del grupo se encargara de ser la parte móvil del robot a la cual la llamaremos TRACCIÓN, y el resto del grupo se encargara de dar las ordenes a la persona que se mueve (TRACCIÓN) y las llamaremos CONEXIÓN o MEDIO DE COMUNICACIÓN. Metodología: Las condiciones del taller son las siguientes: el CEREBRO no puede hablar con ningún integrante del grupo, solo podrá comunicarse con el resto del grupo por medio del contacto corporal, los únicos que pueden hablar son el MEDIO DE COMUNICACIÓN que le podrán decir a la TRACCION la acción a ejecutar (son palabras cortas como EDELANTE UN PASO, GIRE IZQUIERDA NOVENTA GRADOS, COGER, TOCAR PARED, según la tarea designada), el CEREBRO tendrá la información para realizar la tarea determinada (según las condiciones del salón o el lugar donde se realice la clase), esta información no es compartida con el resto del grupo. El CEREBRO debe seguir un mapa previamente establecido y que solo él conoce, la tarea designada puede ser tocar el tablero, coger un objeto, escribir un código en el tablero, las tareas pueden variar según el grado de dificultad que el grupo pueda resolver, el grupo se ubica según la figura y además contaran con las siguientes reglas:
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1. Nadie puede mirar al CEREBRO. 2. La TRACCION estará con los ojos vendados. 3. Los/as jóvenes que estén en la segunda línea de los MEDIOS DE
COMUNICACIÓN solo podrán hablar cuando les toquen el hombro izquierdo, la cabeza, el hombro derecho o el cuello según estén programados, ejemplo si le tocan el hombro izquierdo, la persona debe decir GIRE NOVENTA GRADOS IZQUIERDA y si le tocan el hombro derecho, la persona debe decir GIRE NOVENTA GRADOS DERECHA y así con cada parte que lo toquen.
4. Nadie podrá hablar a excepción de los/as jóvenes de la segunda línea de los MEDIOS DE COMUNICACIÓN.
En la parte de atrás se ubica el CEREBRO, seguidamente por la primera línea de MEDIOS DE COMUNICACIÓN estos deben pasar la acción a la segunda línea de comunicación que es la que puede hablar y decirle a la TRACCION lo que el
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CEREBRO quiere realizar. Se debe recordar que le único que conoce la tarea es el CEREBRO y que este no puede hablar. En este taller los/as jóvenes deben trabajar en equipo para lograr el objetivo, deben ser imaginativos para desarrollar un método de comunicación para poder realizar la tarea y deben ser muy organizados para que la información pueda fluir claramente desde el CEREBRO hasta la TRACCION la cual debe ir con los ojos vendados. Consideraciones: No se debe ser muy exigente con la realización del taller, se debe tratar de hacerlo lo mas amplio posible, es decir dejarlos que cometan errores, pero tenerlos en cuenta en la evaluación, como los únicos que pueden hablar son los MEDIOS DE COMUNICACIÓN de la segunda línea, nadie mas tiene porque hablar, si las instrucciones se dicen mal o en voz muy baja por lo tanto la información no llega al la TRACCION, entre otras, lo importante es que para la próxima no cometan los mismos errores. Conclusiones: Los/as jóvenes comienzan a asimilar un lenguaje mas técnico, aprenden de los errores y corrigen sus actitudes frente a los problemas, asumen una responsabilidad frente al grupo y proponen ideas. La evaluación se debe hacer en grupo, con la participación de cada uno/a de los/as jóvenes y debe ser oral y escrita.
Aprendizajes: La robótica como medio de aprendizaje es efectiva a medida que se fomente el uso de materiales tecnológicos disponibles en el mercado, además la diversidad encontrada en esta área indica mayores posibilidades de apropiación del conocimiento, cuando se enseña algo a alguien que quiere aprender, para esto es necesario un ambiente de aprendizaje optimo es decir un entorno físico, psicológico y las estrategias que se utilizan para motivar el aprendizaje.
Existen tres elementos primordiales en la metodología:
1. Un profesor que sepa lo que esta enseñando, como lo esta enseñando y transmitir todo un conocimiento con un lenguaje entendible y sencillo.
2. Unos jóvenes que quieran aprender y estén comprometidos con todas responsabilidades que ello implica.
3. Un espacio con las garantías suficientes de aprendizaje como materiales, mesas de trabajo, limpieza, sillas entre otras.
La robótica permite a los/as jóvenes construir su propio pensamiento, asimismo, en este proceso de construcción el error es mirado como factor importante de aprendizaje, pues la equivocación invita a los/as jóvenes a motivarse a probar distintas alternativas de solución.
La motivación, sensibilización, el compromiso con los/as jóvenes es indispensable para poder conseguir resultados óptimos, además de tratar los temas referentes a la robótica de una manera amena y sencilla
24
El trabajo en grupo rompe barreras culturales y los enfoca en un solo objetivo, que es el conocimiento de la robótica.
La creatividad, la organización, la planeación y la percepción son elementos básicos que se cultivan durante todo el curso y que en los/as jóvenes se ve reflejado en su comportamiento en las diferentes instituciones educativas.
Se esta potencializando y canalizando el conocimiento de algunos de los jóvenes del curso que afanados por aprender diferentes temas se olvidan de lo básico y fundamental, escribir que es lo que se quiere hacer, es muy satisfactorio poder participar del crecimiento educativo de estos/as jóvenes y poder brindarles la asesoria necesaria para que logren sus objetivos en la vida.
25
CAPITULO 2
INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA
OBJETIVO: brindar conocimientos básicos en electrónica para que tengan herramientas necesaria para manipular el Robot Móvil. 2.1 INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA: La electrónica es un tema apasionante que esta inmerso en el área de la robótica y en el mundo en general, prácticamente todo lo que conocemos tiene algún componente electrónico, y si sabemos como funciona, más posibilidades tenemos de conocer el mundo que nos rodea, es por eso que se debe poner mucha atención en este capitulo porque sus temas son base importante para el desarrollo de la Robótica El crecimiento explosivo de la electrónica digital ha penetrado todos los campos de la actividad humana, desde los ambientes especializados del campo militar, la industria y las ciencias, hasta las aplicaciones cotidianas del hogar. Tal vez la computadora es el aparato electrónico que más dramáticamente ilustra el fenomenal desarrollo de la electrónica digital. Ciertamente el mundo en que vivimos es de naturaleza análoga o analógica, al menos a nivel macro, ya que si miramos las cosas a nivel microscópico encontramos que todo esta constituido por átomos los cuales a su vez están formados por partículas discretas tales como electrones, protones, neutrones y otras, así que lo que a simple vista parece sólido, suave y continuo, a nivel microscópico no lo es. 2.2 SEÑAL ANALOGA: se dice que una cantidad es análoga cuando puede asumir cualquier valor numérico dentro de un rango posible de valores. En otras palabras, análogo es aquello que es de naturaleza continua y que puede como tal adoptar un infinito numero de valores dentro de un rango posible.
26
Tomemos como ejemplo la velocidad de un automóvil medida en kilómetros por hora. La mínima velocidad a la cual se puede desplazar el vehículo es de 0 kilómetros por hora, es decir quedarse quieto, y la máxima velocidad podría ubicarse digamos en 300 kilómetros por hora. Decimos entonces que el rango permisible de velocidad se ubica entre 0 y 300 kilómetros por hora. Dentro de este rango, la velocidad del automóvil puede adoptar cualquier valor en un tiempo determinado; 75 km/h, 60 km/h, 58,8 km/h, 90,65 km/h, 105,345 km/h, 1 km/h, 150,9876 km/h, 30,34567 km/h
En los
circuitos digitales, los voltajes no representan directamente cantidades físicas. Ellos representan números o cantidades que solo pueden adoptar uno de dos valores o estados posibles, como por ejemplo abierto / cerrado, cierto / falso, alto / bajo, uno / cero. 2.3 SEÑAL DIGITAL: viene de digito, en donde la palabra digito significa también número.
2.4 SISTEMAS DE NUMERACIÓN 2.4.1 NUMEROS DECIMALES Este sistema, al que todos estamos acostumbrados, se fundamenta en el uso de 10 dígitos que son 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 y 9. Debido a que utiliza diez dígitos para la representación de cualquier número, se dice entonces que es de base 10. Ahora bien, para representar un número de cualquier magnitud utilizando para ello solo diez dígitos, es necesario recurrir a la idea de valor posicional, o peso de cada digito dentro del número. Para ello, se asigna a cada digito un valor o peso según la posición que ocupe dentro del número.
27
10n ...... 106 105 104 103 102 101 100 1000000 100000 10000 1000 100 10 1 Cuando decimos, por ejemplo, que hay 237 libros en una biblioteca, lo que realmente queremos significar es que hay 2 centenas mas 3 decenas mas 7 unidades de libros en la biblioteca; es decir 200 + 30 +7 = 237 libros. Por lo tanto, el 2 realmente no vale 2, sino que vale 200, debido a que se sitúa en la posición de las centenas. Similarmente, el 3 no representa simplemente al 3, sino al 30 debido a que esta en la posición de las decenas, finalmente el 7 si pesa lo que vale por hallarse en la posición de las unidades, representando entonces simplemente al 7. La idea del valor posicional es que entre mas a la izquierda este un digito dentro de un número, mayor será su contribución al valor total del número. De ahí entonces que al primer digito de la izquierda, en cualquier sistema numérico, se le conoce como DIGITO MAS SIGNIFICATIVO, y al digito de la derecha se le conoce como DIGITO MENOS SIGNIFICATIVO.
2.4.2 NUMEROS BINARIOS Este sistema utiliza solo dos dígitos para la representación de números. Por tanto se dice que su base es 2. Dada la importancia de estos dos dígitos, el 0 y el 1, se les ha dado el nombre especial de Bits, formado de la contracción de las palabras del ingles Binary Digits. Al igual que el sistema de base 10, el binario también es de valor posicional. Esto implica que la representación de números superiores a la base se hace recurriendo a la técnica de asignar pesos o valores según la posición o jerarquía de los bits dentro del número. En el sistema en base 10, el valor de las columnas progresaba de 10 en 10 hacia la izquierda, de manera semejante, en el sistema base 2, el valor de las columnas progresara de 2 en 2 a medida que nos desplazamos hacia la izquierda del número. 27 26 25 24 23 22 21 20 128 64 32 16 8 4 2 1 BYTE: equivale a un arreglo de 8 bits. Posiciones en un Byte 7 6 5 4 3 2 1 0
El bit mas significativo es el que esta en la posición 7 y el bit menos significativo es el que esta en la posición 0.
28
POTENCIAS DE LA BASE 2
20 1
21 2 22 4
23 8
24 16
25 32 26 64
27 128 28 256
29 512 210 1024
211 2048 212 4096
213 8192 214 16384
215 32768 216 65536
b3 b2 b1 b0 EQUIVALENTE A DECIMAL
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 0 1 0 2
0 0 1 1 3
0 1 0 0 4
0 1 0 1 5
0 1 1 0 6
0 1 1 1 7
1 0 0 0 8
1 0 0 1 9
1 0 1 0 10
1 0 1 1 11
1 1 0 0 12
1 1 0 1 13
1 1 1 0 14
1 1 1 1 15
2.4.3 NUMEROS HEXADECIMALES El sistema hexadecimal o de base 16, su repertorio de dígitos debe incluir un total de 16, que son:
29
HEXADECIMAL DECIMAL
h 00 0
h 01 1
h 02 2
h 03 3
h 04 4
h 05 5
h 06 6
h 07 7
h 08 8
h 09 9
h 0A 10
h 0B 11
h 0C 12
h 0D 13
h 0E 14
h 0F 15
Como podemos observar tiene las mismas características referente a los pesos, lo que difiere es que es en base 16.
2.5 CONVERSION DE LOS SISTEMAS DE NUMERACION
2.5.1 BINARIO A DECIMAL Para hacer la conversión de binario a decimal simplemente observamos en cada una de las posiciones del número binario donde se encuentran los unos y sumamos los respectivos pesos, y donde se encuentran los ceros no sumamos los pesos así:
1 0 0 0 1 1 0 1
128 + 0 + 0 + 0 + 8 + 4 + 0 + 1 El numero decimal del binario anterior es: 128 + 8 + 4 + 1 = 141
0 0 1 0 1 1 0 0
32 + 8 + 4 = 44
0 0 0 0 1 1 1 0
8 + 4 + 2 = 14
30
1 0 0 0 0 0 1 1
128 + 2 + 1 = 131
1 1 1 1 0 0 1 1 128+64+ 32 + 16 + 2 + 1 = 243
2.5.2 DECIMAL A BINARIO Existen dos métodos que practicaremos para convertir de un número decimal a binario, el primero es por tanteo así: Convertir el decimal 54 a binario. Comenzamos desde el peso mayor o sea 128, es mayor que 54, por lo tanto escribimos 0 en esa posición, continuamos con el siguiente peso que es 64, también es mayor que 54, por lo tanto escribimos 0 en esa posición, sigue el 32, este peso es menor por lo tanto escribimos un 1 en esa posición y nos faltan 22 para completar el numero, seguimos con el siguiente peso y es menor de lo que nos falta, por lo tanto ponemos un 1 en esa posición y nos falta 6, proseguimos con el siguiente peso que es 8 y este peso es mayor de lo que nos falta, entonces en esa posición ponemos 0, continuamos con el siguiente peso el cual es 4, este es menor de lo que nos falta, colocamos un 1 y nos falta 2, continuamos con el siguiente peso que es 2 y este es el peso que nos faltaba para completar el numero por lo cual ponemos un 1 y al siguiente y ultimo peso colocamos 0. 128 64 32 16 8 4 2 1
0 0 1 1 0 1 1 0
El número binario anterior equivale a decimal a 54. El otro método es el del divisor por 2, este método se aplica como sigue: 54 / 2 = 27 queda 0 Este es el bit menos significativo de este numero 27 / 2 = 13 queda 1 13 / 2 = 6 queda 1 6 / 2 = 3 queda 0
31
3 / 2 = 1 queda 1 1 / 2 = 0 queda 1 Este es el bit mas significativo de este numero
0 0 1 1 0 1 1 0
bit mas significativo de este numero bit menos significativo de este numero
BINARIO, DECIMAL Y HEXADECIMAL
b3 b2 b1 b0 EQUIVALENTE A DECIMAL HEXADECIMAL
0 0 0 0 0 h 00
0 0 0 1 1 h 01
0 0 1 0 2 h 02
0 0 1 1 3 h 03
0 1 0 0 4 h 04
0 1 0 1 5 h 05
0 1 1 0 6 h 06
0 1 1 1 7 h 07
1 0 0 0 8 h 08
1 0 0 1 9 h 09
1 0 1 0 10 h 0A
1 0 1 1 11 h 0B
1 1 0 0 12 h 0C
1 1 0 1 13 h 0D
1 1 1 0 14 h 0E
1 1 1 1 15 h 0F
El número hexadecimal se convierte a binario de la siguiente manera: Cada digito hexadecimal corresponde a un arreglo binario de cuatro dígitos así: h 06 Para el cero 0000 0110 para el seis Después se pasa de binario a decimal
0 0 0 0 0 1 1 0
4 + 2 = 6
32
EJERCICIO Pasar el 57 a binario y a hexadecimal 128 64 32 16 8 4 2 1
0 0 1 1 1 0 0 1
32 + 16 + 8 1 = 57
El primer arreglo de cuatro bits es: 8 4 2 1
0 0 1 1
2 + 1 = 3 Equivale al segundo digito hexadecimal 8 4 2 1
1 0 0 1
8 + 1 = 9 Equivale al primer digito hexadecimal El número hexadecimal es: h 39
2.6 OPERACIONES LOGICAS BÁSICAS Existen tres operaciones lógicas fundamentales, ellas son AND, OR, NOT las cuales analizaremos desde el punto de vista práctico. Las otras se realizan con base en las anteriores como lo son la NAND, NOR y la XOR esta ultima importante por su flexibilidad en cuanto a partir de esta puedo desarrollar las otras. 2.6.1 AND Esta operación se asemeja a un circuito en serie con los siguientes elementos, una fuente que suministra la energía necesaria para que el circuito funcione, un swiche uno (Sw1), un swiche dos (Sw2) y por ultimo una salida S.
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TABLA DE VERDAD Para este circuito solo existen cuatro posibles combinaciones para los swiches y una salida, la primera es los dos swiches abiertos, que se representan con ceros. La corriente (representada por la flecha) solo puede llegar hasta el swiche uno (Sw1) este al estar abierto no deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, no se puede prender. La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno esta abierto y (AND) el swiche dos esta abierto, entonces la salida S es cero (no se prende).
Sw1 Sw2 S
0 0 0
La segunda es el swiche dos (Sw2) cerrado y el swiche uno (Sw1) abierto, que se representan con uno el Sw2 y con cero el Sw1. La corriente (representada por la
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flecha) solo puede llegar hasta el swiche uno (Sw1) este al estar abierto no deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, no se puede prender. La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta abierto y (AND) el swiche dos (Sw2) esta cerrado, entonces la salida S es cero.
Sw1 Sw2 S
0 1 0
La tercera es el swiche dos (Sw2) abierto y el swiche uno (Sw1) cerrado, que se representan con cero el Sw2 y con uno el Sw1. La corriente (representada por la flecha) solo puede llegar hasta el swiche dos (Sw2) este al estar abierto no deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, no se puede prender. La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta cerrado y (AND) el swiche dos (Sw2) esta abierto, entonces la salida S es cero.
Sw1 Sw2 S
0 1 0
35
La cuarta y ultima es el swiche uno (Sw1) cerrado y el swiche dos (Sw2) cerrado, que se representan con uno el Sw1 y con uno el Sw2. La corriente (representada por la flecha) puede recorrer todo el circuito y la bombilla representada por la letra S, se puede prender. La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta cerrado y (AND) el swiche dos (Sw2) esta cerrado, entonces la salida S es uno.
Sw1 Sw2 S
1 1 1
En conclusión la tabla de verdad para una AND es:
Sw1 Sw2 S
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1
2.6.2 OR Esta operación se asemeja a un circuito en paralelo con los siguientes elementos, una fuente que suministra la energía necesaria para que el circuito funcione, un swiche uno (Sw1), un swiche dos (Sw2) y por ultimo una salida S.
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TABLA DE VERDAD Para este circuito solo existen cuatro posibles combinaciones para los swiches y una salida, la primera es los dos swiches abiertos, que se representan con ceros. La corriente (representada por la flecha) llega al NODO y se divide en dos, una sigue para el Sw1 y la otra se dirige al Sw2 estos al estar abiertos no dejan pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, no se puede prender.
La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta abierto o (OR) el swiche dos (Sw2) esta abierto, entonces la salida S es cero.
Sw1 Sw2 S
0 0 0
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La segunda es el swiche dos (Sw2) cerrado y el swiche uno (Sw1) cerrado, representados el Sw1 con cero y el Sw2 con uno. La corriente (representada por la flecha) llega al NODO y se divide en dos, una sigue para el Sw1, pero como este esta abierto la corriente no puede pasar y la otra se dirige al Sw2 este al estar cerrado deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, se puede prender.
La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta abierto o (OR) el swiche dos (Sw2) esta cerrado, entonces la salida S es uno.
Sw1 Sw2 S
0 1 1
La tercera es el swiche dos (Sw2) abierto y el swiche uno (Sw1) cerrado, representados el Sw1 con uno y el Sw2 con cero. La corriente (representada por la flecha) llega al NODO y se divide en dos, una sigue para el Sw2, pero como este esta abierto la corriente no puede pasar y la otra se dirige al Sw1 este al estar cerrado deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, se puede prender.
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La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta cerrado o (OR) el swiche dos (Sw2) esta abierto, entonces la salida S es uno.
Sw1 Sw2 S
1 0 1
La cuarta y ultima es el swiche dos (Sw2) cerrado y el swiche uno (Sw1) cerrado, representados el Sw1 con uno y el Sw2 con uno. La corriente (representada por la flecha) llega al NODO y se divide en dos, una sigue para el Sw2, este al estar cerrado deja pasar la corriente y la otra se dirige al Sw1 este al estar cerrado deja pasar la corriente por lo tanto la bombilla representada por la letra S, se puede prender.
La tabla de verdad para esta combinación es la siguiente, si el swiche uno (Sw1) esta cerrado o (OR) el swiche dos (Sw2) esta cerrado, entonces la salida S es uno.
Sw1 Sw2 S
1 1 1
En conclusión la tabla de verdad para una OR es:
Sw1 Sw2 S
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1
39
2.6.3 NOT Esta es la operación lógica mas sencilla, su nombre es NOT o negadora, solo tiene una entrada y una salida y su función es de negar a la salida todo lo que ingrese a la entrada así: Si a la entrada hay un uno, entonces a la salida será un cero y si a la entrada hay un cero entonces en la salida será un uno. A continuación se dará una tabla con las demás operaciones lógicas con su respectiva tabla de verdad.
40
2.7 PREFIJOS DE MAGNITUDES SI
PREFIJO ABREVIATURA MAGNITUD
Tera T 10+12
Giga G 10+9
Mega M 10+6
Kilo K 10+3
mili m 10-3
micro ų 10-6
nano n 10-9
p p 10-12
femto f 10-15
2.8 ELEMENTOS DE UN CIRCUITO CIRCUITO: trayecto o ruta de una corriente eléctrica.
FUENTE: es el elemento que surte de energía al circuito y es de corriente continua. NODO: es el punto de conexión de dos o más elementos de un circuito. ELEMENTOS RESISTIVOS: son las resistencias en el circuito. MALLA: es el trayecto cerrado en cualquier circuito. En la figura hay dos trayectos cerrados (MALLA 1 Y MALLA 2).
41
2.9 CORRIENTE DIRECTA O CONTINUA Es el flujo de electrones que se mueven por un conductor y fluye siempre en la misma dirección a fin de restablecer un equilibrio eléctrico, su intensidad es la cantidad de electricidad que transportan esos electrones por segundo. La unidad de intensidad es el amperio A, equivalente a un coulombio por segundo C/seg, se emplean también los submúltiplos: el miliamperio mA y el microamperio μA. Una corriente eléctrica se puede originar mediante un proceso electromecánico (alternadores, dínamos), químicos (pilas), termoeléctricos, piezoeléctricos, fotoeléctricos, etc. Así mismo puede producir estos mismos efectos de calor, luz, esfuerzo mecánico, transformaciones químicas. 2.10 CONDUCTORES Son los cuerpos, materiales o sustancias que ofrecen pequeña resistencia al paso de la corriente eléctrica, los metales son buenos conductores (los cuerpos son mejores o peores conductores según ofrezcan menor o mayor resistencia al paso de la corriente eléctrica, según las propiedades de conductibilidad se clasifican en buenos conductores, semiconductores y malos conductores o aislantes, llamados también dieléctricos. Como aislante absoluto, sin conductividad alguna solo existe el espacio vacío, el vidrio es uno de los peores conductores. ) Como buenos conductores tenemos el hidrogeno, es un gas buen conductor de calor y de la electricidad. Cuando se refiere a conductor desnudo, es el que no lleva recubrimiento aislante. Conductor eléctrico es un alambre destinado a transmitir la electricidad como el del alumbrado casero, el telefónico, el telegráfico etc., se utilizan generalmente de cobre
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macizo, pero a veces son de aluminio o de aluminio reforzado con alma de acero ( en alta tensión ), o de cobre hueco para evitar el efecto corona. 2.11 RESISTENCIAS
SIMBOLO Las resistencias, también denominadas resistores, es el componente más utilizado en los circuitos electrónicos. El funcionamiento de una resistencia es oponer una cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica. Esta dificultad se traduce en una generación de calor, es decir en una perdida de energía, puesto que dicho calor no es aprovechable, al menos en los circuitos electrónicos. La unidad para medir una resistencia es el OHMIO. El valor óhmico de una resistencia esta indicada por medio de cifras (es el caso de las bobinadas) o por anillos de color grabados sobre el cuerpo de las resistencia (es el caso de los aglomerados de carbón y de las de película metálica). Existen dos métodos de indicar el valor óhmico de una resistencia mediante anillos de color: El primero se utiliza para las resistencias de las series E6, E12 y E24 y consiste en cuatro anillos de color (tres para el valor óhmico y uno para la tolerancia); el segundo se utiliza para resistencias de la serie E48 y E96 y consiste en cinco anillos de color (cuatro para el valor óhmico y uno para la tolerancia). Tipos de resistencias: las resistencias se dividen en:
Resistencias fijas: son las que están diseñadas con un valor fijo de ohmios, pudiendo
solo variar por factores accidentales como la temperatura, humedad, etc.
Resistencias variables: son las que se pueden variar en valor a voluntad actuando sobre
un dispositivo.
Las resistencias (resistores) son fabricados en una gran variedad de formas y tamaños. En los más grandes, el valor de la resistencia se imprime directamente en el cuerpo de
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la resistencia, pero en las más pequeñas, esto no se puede hacer. Sobre estas resistencias se pintan unas bandas de colores. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final de la resistencia. Las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor de la resistencia, la tercera banda indica por cuanto hay que multiplicar el valor anterior para obtener el valor final de la resistencia. La cuarta banda nos indica la tolerancia y si hay quinta banda, ésta nos indica su confiabilidad.
Color 1era y 2da
banda Tercera banda
Cuarta banda
Primera y Segunda
cifra significativa
Factor multiplicador
Tolerancia %
plata 0.01 +/- 10
oro 0.1 +/- 5
negro 0 x 1 Sin color +/- 20
marrón 1 x 10 Plateado +/- 1
rojo 2 x 100 Dorado +/- 2
naranja 3 x 1,000 +/- 3
amarillo 4 x 10,000 +/- 4
verde 5 x 100,000
azul 6 x 1,000,000
violeta 7
gris 8 x 0.1
blanco 9 x 0.01
Ejemplo: Si una resistencia tiene las siguientes bandas de colores:
rojo Amarillo verde oro
2 4 5 +/- 5 %
La resistencia tiene un valor de 2400,000 Ohmios +/- 5 % El valor máximo de esta resistencia puede ser: 25200,000 Ω El valor mínimo de esta resistencia puede ser: 22800,000 Ω La resistencia puede tener cualquier valor entre el máximo y mínimo calculados.
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Nota: - Los colores de las resistencias no indican la potencia que puede disipar la misma. Cuando la resistencia tiene una quinta banda esta nos indica la confiabilidad de esta. 2.12 VOLTAJE La caída de potencial o la tensión existente en uno de los elementos que componen un circuito, la unidad de medida es el voltio representada por V. 2.13 LEY OHM la cantidad de corriente que fluye por un circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada al circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito.
IRV * R
VI
I
VR
Para circuitos resistivos en serie la corriente es la misma en todo el circuito y el voltaje varia en cada uno de los componentes del mismo. Para circuitos resistivos en paralelo el voltaje es el mismo para todos los componentes y la corriente se divide en los nodos. 2.14 CIRCUITOS RESISTIVO EN SERIE Es cuando en un circuito las resistencias se encuentran localizadas una después de la otra como lo muestra la siguiente figura. La resistencia total del circuito es la suma de todas las resistencias así:
45
Rt = R1 + R2 + R3 + R4 Aplicando la ley de Ohm obtenemos la corriente del circuito así: Como ya sabemos que en un circuito en serie la corriente es la misma hallamos la resistencia total Rt y aplicamos la ley de Ohm así:
Rt = R1 + R2 +R3 + R4
R
VI
Donde remplazamos por los valores del circuito así:
Rt
VsI
Después de que hallamos la corriente del circuito podemos hallar los voltajes en cada uno de los elementos resistivos del circuito así
IRV *
46
2.15 CIRCUITOS RESISTIVO EN PARALELO Es cuando en un circuito las resistencias se encuentran localizadas una al frente de la otra como lo demuestra la siguiente figura. La resistencia total del circuito esta dada por la siguiente formula:
4
1
3
1
2
1
1
11
RRRRRt
Donde:
4
1
3
1
2
1
1
1
1
RRRR
Rt
Aplicando la ley de Ohm obtenemos la corriente del circuito así: Como ya sabemos que en un circuito en paralelo el voltaje es el mismo en cada uno de sus componentes hallamos la resistencia total Rt y aplicamos la ley de Ohm así: Empezamos por sumar en paralelo la resistencia tres (R3) y la resistencia cuatro (R4) así:
47
4
1
3
1
1)4,3(
RR
R
Donde el circuito queda de la siguiente manera: Luego sumamos en paralelo el resultado con la resistencia dos (R2) así:
2
1
)4,3(
1
12)4,3(
RR
llRR
Donde el circuito queda de la siguiente manera: Y por ultimo el resultado anterior lo sumamos en paralelo con la resistencia uno (R1) y como resultado nos da la resistencia total Rt así:
48
1
1
2)4,3(
1
1
RllRR
Rt
El circuito resultante es: Con la resistencia total obtenemos el valor de la corriente I en el circuito con la siguiente formula:
Rt
VsI
El voltaje en Rt es igual a Vs por estar en paralelo, el siguiente paso es devolverse para averiguar la corriente en cada malla de la siguiente manera:
49
Como sabemos que el voltaje en paralelo es igual entonces hallaremos la corriente en cada resistencia así:
1)1(
R
VsRI
)4,3(2))4,3(2(
IIRR
VsIIRRI
Al hallar la corriente que circula por R2IIR (3,4) nos devolvemos otro paso mas de la siguiente manera: Como sabemos que el voltaje en todas las resistencias en paralelo sigue siendo igual entonces hallaremos la corriente en la resistencia R2 y R(3,4) así:
2)2(
R
VsRI
)4,3())4,3((
R
VsRI
50
Y por ultimo llegamos al circuito inicial para hallar las últimas corrientes en R3 y R4 por lo que el circuito final es: Los voltajes en cada resistencia siguen siendo iguales por lo que hallamos la corriente en R3 y R4 de la siguiente forma:
3)3(
R
VsRI
4)4(
R
VsRI
Y así hallamos todas las incógnitas de este circuito, en conclusión lo que debemos tener en cuenta es lo siguiente: Circuitos en serie se suman las resistencias normalmente en serie, el voltaje varia en cada uno de sus elementos y la corriente es la misma en todo el circuito. Circuitos en paralelo se suman las resistencias en paralelo, la corriente varia en cada uno de sus elementos y el voltaje es el mismo en todos los elementos Ejercicios
51
Vs = 8 V R1 = 4Ω R2 = 5Ω R3 = 10Ω R4 = 8Ω Hallar la resistencia total Rt del circuito, la corriente I y el voltaje V que pasa por cada una de las resistencias. Primero hallamos le resistencia total, observamos que R3 y R4 están en serie por lo que si sumamos estas dos resistencias queda así: R3 + R4 = R(3,4) R3 = 10Ω y R4 = 8Ω R(3,4) = 18Ω R2 y R(3,4) están en paralelo por lo que la suma en paralelo es:
18
1
5
1
1)4,3(2IIRR
R2 II R(3,4) = 3.9130 Ω El circuito quedaria así:
52
Por ultimo R1 queda en serie con R2 II R(3,4) y la suma en serie nos da la Rt que buscamos así: R1 + R2 II R (3,4) = Rt Rt = 7.9130 Ω Aplicando la ley de ohm
R
VI
Donde V = Vs = 8V y R = Rt = 7.9130 Ω I = 1.0109 A Conociendo la corriente ya podemos hallar los voltajes en cada resistencia así: El voltaje en la resistencia uno R1 es igual a la corriente hallada por la resistencia R1 y lo mismo en la resistencia R2 II R(3,4) así:
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1*)1( RIRV
Por lo que V(R1) = 1.0109 A * 4Ω V(R1) = 4.0436 V Y El voltaje en R2 II R(3,4) es: V(R2 II R(3,4)) = 1.0109 A * 3.9130 Ω V(R2 II R(3,4)) = 3.9556 V Como ya conocemos el voltaje en la resistencia R2 II R(3,4) pasamos al siguiente circuito que se encuentra en paralelo y como los voltajes en paralelo son iguales averiguamos la corriente respectiva en las resistencias R2 y R(3,4) así: V(R2) = 3.9556 V y V(R(3,4)) = 3.9556 V Para hallar la corriente procedemos así:
R
VI
Donde la corriente es igual al voltaje en R2 dividido la resistencia dos R2 así: I = 3.9556 V / 5 Ω donde I = 0.7911 A
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Como hallamos la corriente que pasa por R2 podemos hallar la corriente que pasa por R(3,4) así: La corriente que entra al nodo es igual a 1.0109 A, y la corriente que sigue por R2 es igual a 0.7911 A, entonces de la corriente que entra al nodo le restamos la corriente que pasa por R2 y el resultado es la corriente que pasa por la resistencia R(3,4) así: I(R(3,4)) = 1.0109 A - 0.7911 I(R(3,4)) = 0.2198 A V(R2 II R(3,4)) = 3.9556 V Llegamos al circuito original y podemos hallar los voltajes en R3 y R4. Si recordamos, la corriente en serie es la misma, por lo que la corriente que pasa por las resistencias R3 y R4 es la misma por estar en serie, entonces los voltajes en estas resistencias varían así: V(R3) = 0.2198 A * 10 Ω V(R4) = 0.2198 A * 8 Ω V(R3) = 2.198 V V(R4) = 1.7584 V
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2.16 PRACTICA 2 SESION 1 2.16.1 MANEJO DEL PROTOBOARD Y MULTIMETRO Los elementos de medida son indispensables para aquellas personas interesadas en el fascinante mundo de la electrónica, con estos elementos conoceremos las intensidades de las magnitudes que se manejan en esta área como voltaje, corriente, resistencia y también daremos a conocer el manejo del protoboard donde podemos realizar los experimentos antes de trabajar con ellos. Objetivo: Aprender los diferentes elementos de medida, y sus diferentes usos, para esto contamos con el Multimetro, que posee diferentes elementos de medida en un solo aparato. Conocer el protoboard, para poder elaborar los diferentes circuitos y comprobar que si funcionen. Actividad: Los/as jóvenes se dividen en grupos y se reparten los protoboard con circuitos resistivos vistos en clase, los cuales deben identificar y encontrar los valores teóricos.
PROTOBOARD Después pasamos al campo de lo practico dando una introducción de cómo está constituido un protoboard y como se maneja, cuales son sus partes y como esta constituido y como se debe alambrar para realizar buenos circuitos, luego seguimos con el Multimetro después de una inducción de su manejo cada uno de los grupos medirá en cada uno de los elementos, voltaje, corriente y resistencia y los comparara con el resultado teórico, por ultimo sacamos conclusiones y las discutimos en grupo.
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Metodología: Conocimiento teórico con circuitos reales y comprobación de lo desarrollado con la practica, pierden el miedo de los elementos tecnológicos y desarrollan habilidades para el manejo del Multimetro, comparten ideas y posibles soluciones a un problema planteado. Consideraciones: Se debe explicar el funcionamiento del protoboard y de los elementos que sean nuevos para ellos/as, motivarlos y darles confianza para el manejo de los elementos que tienen a su disposición, es fundamental los conocimientos previos para evitar retrasos y dispersiones al interior del grupo. Conclusiones: En realidad no es difícil el manejo del Multimetro, se rompe la brecha tecnológica existente en estos sectores. Confrontan la realidad de los elementos y su parte teórica. Conocen un nuevo elemento donde poder realizar sus experimentos, el protoboard y los acerca mas a un mundo de alambres, resistencias y otros elementos que sin lugar a dudas alimentara la creatividad y trabajo en grupo. Incrementa la habilidad para el manejo de elementos de medida, los cuales son de gran utilidad para el uso normal, como para probar los elementos eléctricos y/o electrónicos que tenemos en los hogares.
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SESION 2 2.16.2 EL ROBOT Y LOS NUMEROS Los sistemas de numeración decimal, hexadecimal y binaria, son muy utilizados para la programación y su conocimiento es fundamental no solo en la programación del Robot si no también en las matemáticas y las físicas. Objetivo: Introducir a los/as jóvenes en el mundo de los sistemas de numeración utilizados en la programación de los Robots Móviles utilizando talleres donde pongan en practica la estrategia, el trabajo en equipo, la creatividad y la asociatividad con los sistemas de numeración. Actividad: Se realizara una competencia por equipos, el que primero llegue a una meta trazada será el ganador, pero primero deben aplicar todo los visto en clase, a demás de practicar el trabajo en grupo, la tolerancia, el trato con le compañero/a y la creatividad. Metodología: Los/as jóvenes se dividen en equipos de cuatro donde uno es el que piensa al cual llamaremos 1, tres son los que dan las ordenes a las cuales llamaremos 2 y la otra persona es el que las ejecuta a la cual llamaremos 3 (cabe decir en este punto que nadie puede hablar a excepción de las tres personas destinadas para tal tarea y no se pueden mirar ninguno de los integrantes con el fin de evitar las señas). Se desarrollara la misma dinámica que en el taller uno, la diferencia radica en que 3 deben identificar un sistema de numeración y escribir en el tablero su equivalente en binario, la persona que piensa o sea 1 es el único que conoce la tarea y posee un código que se le fue asignado desde el principio, para poder ejecutar la tarea debe coincidir el código que se escribió en el tablero con el código asignado y así 3 puede continuar.
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CAPITULO 3
INTRODUCCION A LA PROGRAMACIÓN
OBJETIVO: Proporcionar a los y las jóvenes nociones básicas sobre la programación a bajo nivel para que puedan desarrollar programas capaces de ejecutar una tarea especifica con el Robot Móvil. 3.1 INTRODUCCION AL MICROCONTROLADOR. El microcontrolador es un circuito integrado programable, capaz de ejecutar las órdenes o secuencias que están grabadas en su memoria. Por esta razón es la parte mas importante del robot porque es donde el robot cobra vida con base en la programación que cada uno/a de los jóvenes desee desarrollar, está compuesto de varios bloques funcionales, los cuales cumplen una tarea específica dentro del ordenamiento del mismo y a su vez permiten obtener configuraciones diferentes. El microcontrolador se parece mucho a un computador, pues tiene puertos de entrada y salida, unidad de procesamiento, unidades de memoria y un set de instrucciones reducido (RISC). Es por eso que en la última década el microcontrolador se ha ganado un puesto importante en el mercado por su bajo precio y sus diferentes tipos especializados para tareas especificas. Nombramos algunas de las partes básicas: MEMORIA ROM: Memoria de solo lectura. MEMORIA RAM: Memoria de acceso aleatorio. PINES DE ENTRADA/SALIDA (I/O): También llamados puertos, se utilizan para conectar los elementos externos al microcontrolador o para recibir señales. LOGICA DE CONTROL: Coordina la interacción entre los demás bloques. 3.2 CARACTERISTICAS GENERALES Existen varias gamas de microcontroladores, las que veremos son apenas 3 de las gamas que vamos a utilizar, por sus características, sus precios y fácil adquisición en el mercado.
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GAMA BAJA MICROCONTROLADOR PIC16F84 CARACTERISTICAS
Microcontrolador con 18 pines
Posee 13 pines de entrada/salida (I/O).
Dos puertos A con 5 pines y B con 8 pines.
Máxima velocidad de operación con un cristal de 10 MHz alcanza 400 ns por cada ciclo de instrucción, menos las instrucciones de salto que se gastan dos ciclos de instrucción.
GAMA MEDIA MICROCONTROLADOR PIC16F873A
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CARACTERISTICAS
Microcontrolador con 28 pines.
Posee 22 pines de entrada/salida (I/O).
Tres puertos, A con 6 pines, B con 8 pines y C con 8 pines.
Máxima velocidad de operación con un cristal de 20 MHz alcanza 200 ns por cada ciclo de instrucción, menos las instrucciones de salto que se gastan dos ciclos de instrucción.
Conversión análogo a digital A/D por 5 pines del puerto A.
Dos pines para ejecutar PWM.
Posee pines de transmisión y recepción de datos.
GAMA ALTA MICROCONTROLADOR PIC16F877A CARACTERISTICAS
Microcontrolador con 40 pines.
Posee 31 pines de entrada/salida (I/O).
Cinco puertos, A con 6 pines, B con 8 pines, C con 8 pines, D con 8pines y E con 3 pines.
Máxima velocidad de operación con un cristal de 20 MHz alcanza 200 ns por cada ciclo de instrucción, menos las instrucciones de salto que se gastan dos ciclos de instrucción.
Conversión análoga a digital A/D por 5 pines del puerto A y 3 pines del puerto E.
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Dos pines para ejecutar PWM.
Posee pines de transmisión y recepción de datos. CARACTERISTICAS DE TODAS LAS GAMAS
Tecnología RISC (Set de instrucciones reducido).
35 instrucciones para programar.
Poseen memoria FLASH.
Circuito de vigilancia interno para evitar que el programa se pierda (watchdog).
Temporizadores programables.
3.3 MICROCONTROLADOR PIC16F873A
El PIC16F873A está fabricado en tecnología CMOS, consume baja potencia, y es completamente estático (si el reloj se detiene, los datos de la memoria no se pierden). El PIC16F873A tiene las mismas características del microcontrolador PIC16F84A pero posee memoria FLASH, esto hace que tenga menor consumo de energía, y como si fuera poco tiene mayor capacidad de almacenamiento además de otras características. El encapsulado más común para estos microcontrolador es el DIP (Dual In line Pin) de 28 pines, y utiliza un reloj de 4 MHz (cristal de cuarzo). Sin embargo, hay otros tipos de encapsulado, por ejemplo, el encapsulado tipo surface mount (montaje superficial) es mucho mas pequeño.
3.3.1 LOS PUERTOS DE ENTRADAS Y SALIDAS
Los puertos de entrada y salida del microcontrolador no son mas que cada uno de los pines que tienen la capacidad de entregar y recibir voltaje, estos pines están separados por bloques, en el microcontrolador PIC16F873A se tienen tres puertos con los nombres PORTA con 6 pines, PORTB con 8 pines y el PORTC con 8 pines, para un
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total de 22 pines de entrada o salida (I/O en ingles In / Out) que se encuentran distribuidos así en el micro:
:
El puerto A (PORTA) esta compuesto por seis pines de entrada o salida de voltaje dependiendo de cómo se configure cada pin, además el puerto A puede configurarse como convertidor de señales análogas a digitales, es decir cualquier señal análoga que llegue a cualquier pin del puerto A, este la puede convertir en una señal digital equivalente.
El puerto A empieza en el pin 2 del microcontrolador hasta el pin 7 e inicia con RA0, RA1 hasta llegar a RA5.
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El puerto B (PORTB) esta compuesto por ocho pines de entrada o salida de voltaje dependiendo de cómo se configure cada pin, empieza en el pin 21 del microcontrolador hasta el pin 28 e inicia con RB0, RB1, hasta llegar a RB7.
El puerto C (PORTC) esta compuesto por ocho pines de entrada o salida de voltaje dependiendo de cómo se configure cada pin, empieza en el pin 11 del microcontrolador hasta el pin 18 e inicia con RC0, RC1, hasta llegar a RC7.
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3.3.2 POLARIZACION DEL MICROCONTROLADOR
Para que el microcontrolador funcione correctamente debe de POLARIZARSE debidamente en sus respectivos pines así:
Los pines 1 y 20 se conectan a 5 Voltios corriente continua (5 Vcc) y los pines 8 y 19 se conectan a tierra (GND) de esta manera el microcontrolador funcionará correctamente.
3.3.3 EL OSCILADOR O RELOJ EXTERNO.
Es un circuito externo que le indica al microcontrolador la velocidad a la que debe trabajar. Este circuito, que se conoce como oscilador o reloj, es muy simple pero de vital importancia para el buen funcionamiento del sistema. El P1C16F873A puede utilizar cuatro tipos de reloj diferentes. Estos tipos son:
RC. Oscilador con resistencia y condensador. XT. Cristal.
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HS. Cristal de alta velocidad. LP. Cristal para baja frecuencia y bajo consumo de potencia.
El siguiente paso es conectar el cristal de cuarzo u oscilador que es el encargado de regular el tiempo entre cada instrucción, de tal modo que para un cristal de cuarzo de 4 megahertz (4MHz) la velocidad entre instrucciones es de un microsegundo (0,000001 seg.) o sea una millonésima de segundo, una velocidad muy considerable y apropiada para las tareas que el Robot Móvil solucionará.
El cristal de cuarzo se conecta a los pines 9 y 10 del microcontrolador (OSC1 Y OSC2) y por medio de dos condensadores de 22 pico faradios (pf) se conectan a tierra como lo muestra la figura.
3.4 INTRODUCCIÓN A LA PROGRAMACIÓN
Después de conocer el microcontrolador y todas sus bondades pasamos a manejar el programa o lenguaje de programación, podemos decir que es un lenguaje a bajo nivel, se hace programación en lenguaje de maquina es decir con unos (1) y ceros (0) que es un tema visto en el capitulo anterior, se manejan los sistemas de numeración estudiado el decimal, el binario y el hexadecimal.
3.4.1 EMPEZANDO A PROGRAMAR
Para empezar a programar se debe tener en cuenta los siguientes pasos:
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3.4.1.1 ARQUITECTURA DE LOS MICROCONTROLADORES:
Hay dos arquitecturas conocidas; la clásica de Von Neumann, y la arquitectura Harvard,
Arquitectura Von Neumann: Dispone de una sola memoria principal donde se almacenan datos e instrucciones de forma indistinta. A dicha memoria se accede a través de un sistema de buses único (direcciones, datos y control).
Arquitectura Harvard: Dispone de dos memorias independientes, una que contiene sólo instrucciones, y otra que contiene sólo datos. Ambas disponen de sus respectivos sistemas de buses de acceso y es posible realizar operaciones de acceso (lectura o escritura) simultáneamente en ambas memorias, ésta es la estructura para los PIC's.
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3.4.1.2 BANCOS DE MEMORIA
Los bancos de memoria de los microcontroladores son cuatro así
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Cada banco esta compuesto por registros de 8 bits (1 Byte) así:
Cada registro esta numerado desde el cero (0) hasta el siete (7) y se divide en parte baja, los primeros cuatro bits y parte alta los últimos cuatro bits, esto se cumple para todos los registros.
Para esta guía solo tenemos en cuenta los dos primeros bancos de memoria, el banco 00 y el banco 01, los cuales nos servirán para programar las primeras tareas del Robot Móvil.
3.4.1.3 REGISTROS IMPORTANTES
Los registros más importantes son
El STATUS registro de 8 bits que se encuentra en los dos bancos de memoria, su importancia radica en que cada uno de los bits tiene un propósito específico así:
El bit cero (0) o C (Carry): bit de acarreo, en instrucciones aritméticas se activa cuando se presenta acarreo desde el bit mas significativo del resultado.
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El bit uno (1) o DC (Digit Carry): bit de acarreo de digito, en operaciones aritméticas se activa cuando hay acarreo entre el bit 3 y el bit 4.
El bit dos (2) o Zero: bit de cero, se coloca en uno (1) cuando el resultado de una operación lógica o aritmética es cero (0).
El bit tres y cuatro se dejan para programas mas avanzados.
El bit cinco (5) y bit seis (6): son los bits de selección de banco de memoria, para acceder al banco 00, el bit RP0 y RP1 deben de estar en ceros y para acceder al banco de memoria 01, el bit RP0 debe de estar en uno (1) y el bit RP1 debe de estar en cero.
El último bit no se utiliza en esta guía.
Otro registro importante es el registro de trabajo (W), también posee ocho bits y es un registro muy utilizado ya que todas las instrucciones tienen que pasar por el registro de trabajo.
Siguen los puertos llamados PORTA, PORTB y PORTC
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El PORTA con seis pines físicos en el microcontrolador, por eso los bits 6 y 7 no se utilizan, el PORTB y el PORTC con ocho bits que representan los ocho pines físicos del microcontrolador en cada puerto.
Cabe anotar que los registros STATUS y los PORT se encuentran en el banco 00 y para poder configurar los puertos como entradas y salidas debemos trasladarnos al banco 01, esto lo hacemos cambiando el bit RP0 del registro STATUS que estaba en cero (0) y lo ponemos en uno (1), de esta manera nos ubicamos en el banco de memoria 01 donde encontramos los registros TRISA, TRISB y TRISC
En este momento conocemos los bancos de memoria y algunos registros que nos ayudaran en la programación del robot, ahora pasaremos a conocer las primeras instrucciones para nuestro primer programa.
3.4.2 LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN
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El lenguaje de programación que se utiliza es el MPLAB de la empresa Microchip que es la que produce los microcontroladores PIC16F8XX y es de libre adquisición en Internet, el entorno de programación se puede ver en la siguiente figura.
Para empezar a programar se debe tener presente que el ambiente de programación es totalmente en blanco y que se divide en cuatro partes así:
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ETIQUETAS: son nombres simbólicos que se le asignan a una dirección de la memoria, este puede ser un subprograma y para que sea representativo esa etiqueta la llamamos con una palabra que podamos asimilarla con el subprograma como PRENDER, CONTADOR, RETARDO son palabras que nos invitan a pensar en que se tiene una rutina para prender un bombillo o que la rutina es para un conteo o un retardo que es un lapso de tiempo.
OPERACIÓN: es la instrucción del microcontrolador que se ejecuta.
OPERANDO: son los registros o cantidades sobre los que se realizan las operaciones o instrucciones.
COMENTARIO: es la explicación de lo que se esta haciendo en esa línea del programa. El comentario esta precedido de un punto y coma (;) para que el programa no lo tenga en cuenta.
3.4.3 INSTRUCCIONES
El microcontrolador responde a una serie de instrucciones o códigos que se deben grabar en la memoria de programa. En total son 35 instrucciones; pero en esta guía no utilizamos todas.
ADDWF f,d Sumar W y f C,DC,Z
ANDWF f,d AND entre W y f Z
CLRF f Limpiar f Z
CLRW Limpiar W Z
COMF f,d Complementar f Z
DECF f,d Decrementar f Z
DECFSZ f,d Decrementar f, saltar si cero
INCF f,d Incrementar f Z
INCFSZ f,d Incrementar f, saltar si cero
IORWF f,d OR entre W y f Z
MOVF f,d Mover f Z
MOVWF f Mover W a F
NOP No Operación
RLF f,d Rotar a la izquierda a través del carry C
RRF f,d Rotar a la derecha a través del carry C
SUBWF f,d Restar W de f C,DC,Z
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SWAPF f,d Intercambiar nibbles de f
XORWF f,d OR exclusiva entre W y f Z
BCF f,b Limpiar bit b de f
BSF f,b Activar bit b de f
BTFSC f,b Probar bit b de f, saltar si cero
BTFSS f,b Probar bit b de f, saltar si uno
ADDLW k Sumar literal k a W C,DC,Z
ANDLW k AND entre k y W Z
CALL k Llamar subrutina
CLRWDT Limpiar WDT -TO,-TD
GOTO K Salta a dirección k
IORLW K OR entre k y W Z
MOVLW K Cargar W con literal k
RETFIE Retornar de interrupción
RETLW K Retornar y cargar W con k
RETURN Retornar de subrutina
SLEEP Ir al modo de bajo consumo -TO,-TD
SUBLW K Restarle k a W C,DC,Z
XORLW K OR exclusiva entre k y W Z
Para una mayor comprensión pasamos a explicar algunos conceptos:
f (file en ingles) significa archivo o registro.
b (bit) se refiere al bit del registro f que lo contiene.
d se refiere al destino del resultado de la operación, si d = 0 entonces el resultado se guarda en el registro de trabajo W y si d = 1 entonces el resultado se guarda en el registro f especificado en la instrucción.
A continuación daremos a conocer el manejo de las primeras instrucciones.
Prendiendo y apagando: con esta instrucción pondremos un uno (1) en un determinado bit de un registro.
BSF (Bit Set File)
BSF f,b
Si tenemos el registro PORTB CON CEROS (0)
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Y escribimos la instrucción así con el siguiente comentario:
BSF PORTB,4 ;PONER UN UNO EN LE BIT 4 DEL REGISTRO PORTB
El comentario confirma la acción que se quiere realizar por lo tanto el registro queda así:
Ya hemos realizado la primera instrucción siguiendo las reglas de programación así:
ETIQUETA OPERACÓN OPERANDO COMENTARIO
BSF PORTB,4 ;PONER UN UNO …
A continuación mostraremos un programa completo para que observe cada una de las partes que lo contiene.
LIST P=16F873 ;Se escoge un microcontrolador de una ;lista. INCLUDE <P16F873A.INC> ;Incluimos todas las directivas del ;microcontrolador
ORG 0 ;Comienza el programa en el origen GOTO INICIO ;Se dirige a la etiqueta inicio (Salto sin ;retorno) CONFIG BSF STATUS,RP0 ;Subprograma para configurar los puertos MOVLW B'00000000' MOVWF TRISB BCF STATUS,RP0 CLRF PORTB BCF STATUS,C RETURN UNO MOVLW B'00000001' ;Subprograma para encender un led. MOVWF PORTB
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RETURN INICIO CALL CONFIG ;Programa principal LOOP CALL UNO ;Llama al subprograma uno GOTO LOOP ;Salta a la etiqueta LOOP END ;Fin del programa
Este es el primer programa que realizamos, consiste en poner un uno (1) en el pin 4 del puerto B.
Consideraciones:
a) Para poner un uno en cualquier puerto, este debe configurarse como salida, el poner un uno (1) en el puerto significa que ese pin de ese puerto está entregando 5 Voltios.
b) Para recibir un uno (1) por cualquier puerto, este debe configurarse como entrada, el recibir un uno (1) por el puerto significa que estamos recibiendo 5 Voltios.
c) Los unos (1) y los ceros (0) significan diferente en cada uno de los bancos de memoria, por ejemplo el uno (1) en el banco 00 significa 5 Voltios y el cero (0) significa 0 Voltios, el uno (1) en el banco 01 significa configuración como entrada y el cero (0) significa configuración como salida.
d) Para configurar los puertos están los registros TRIS por ejemplo para configurar el PORTA está el TRISA, para configurar el PORTB está el TRISB y para configurar el PORTC está el TRISC.
Otras instrucciones que utilizaremos:
BCF Pone en cero el bit “b” del registro “f”. Sintaxis BCF f,b Operación 0 k (f<b>) Ciclos de instrucción 1 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno BSF Pone en uno el bit “b” del registro “f”. Sintaxis BSF f,b
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Operación 0 k (f<b>) Ciclos de instrucción 1 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno BTFSC Prueba el bit “b” del registro “f” y salta una línea si está en cero. Sintaxis BTFSC f,b Operación 0 k (f<b>) = 0 Ciclos de instrucción 1 (2) Bits del registro de Estado que se afectan ninguno BTFSS Prueba el bit “b” del registro “f” y salta una línea si está en uno. Sintaxis BTFSS f,b Operación 0 k (f<b>) = 0 Ciclos de instrucción 1 (2) Bits del registro de Estado que se afectan ninguno CALL Llama una subrutina que está ubicada en la posición de memoria o etiqueta k. Sintaxis CALL k Operación (PC) + 1 k pila Ciclos de instrucción 2 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno
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CLRF Borra el contenido del registro “f” y lo carga con cero (0). Sintaxis CLRF f Operación 00 k (f) Ciclos de instrucción 1 Bits del registro de Estado que se afectan Z GOTO El contador del programa salta a la dirección k. Sintaxis GOTO k Operación k I< PC Ciclos de instrucción 2 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno MOVLW Carga el registro W con le literal “k”. Sintaxis MOVLW k Operación k I< (W) Ciclos de instrucción 1 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno MOVF Mueve el contenido del registro “f” a un destino “d”. Sintaxis MOVF f,d Operación (f) I< (destino)
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Ciclos de instrucción Z Bits del registro de Estado que se afectan ninguno MOVWF Mueve el contenido del registro “f” al registro “f”. Sintaxis MOVWF f Operación (W) I< (f) Ciclos de instrucción 1 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno RETURN Retorno desde subrutina. Sintaxis RETURN Operación pila k contador de programa Ciclos de instrucción 2 Bits del registro de Estado que se afectan ninguno.
3.5 PRACTICA 3
SESION 1
3.5.1 LA LOGICA SE APRENDE CON EL ROBOT
Objetivo: Realizar diferentes ejercicios prácticos con el lenguaje de programación y el robot Móvil para que los y las jóvenes se adapten a la lógica de programación. Actividades:
Se realizan varios programas sencillos para que los y las jóvenes se adapten al lenguaje de programación, en esta instancia se debe realizar los mismos programas pero de manera diferente, que los y las jóvenes sientan que se puede llegar a una meta por caminos diferentes.
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Se trabaja en grupo y también individual para que puedan discutir las posibles soluciones que se les puede dar a una tarea
Metodología: trabajo individual y en grupo con ejercicios elaborados en el computador y resueltos en el tablero, con conversaciones grupales.
Se debe insistir mucho en un mismo ejercicio hasta que todos lo entiendan y partir de ese mismo para solucionar otros.
El enfrentamiento entre grupos para resolver un problema es efectivo en la medida en que todos y todas aporten, la presión de la rivalidad y del tiempo hacen que los y las jóvenes ejerciten la mente y sean mas creativos.
Conclusiones: los trabajos grupales a problemas que tienen diferentes soluciones hacen que los jóvenes no siempre sigan el mismo camino si no que encuentren nuevas formas de solución a diferentes problemas.
Las ideas fluyen mas fácilmente a nuevos problemas que se le asignan y encuentran un apoyo en sus compañeros.
SESION 2
3.5.2 COMPETENCIAS INTERNAS DE ROBOTICA
Objetivo:
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Evaluar internamente los conocimientos adquiridos en programación y enfrentarse a problemas que se presentan comúnmente en Robótica Móvil, además de enfrentarse entre ellos y ellas con la presión de resolver un problema con límite de tiempo. Actividades:
Se desarrollan competencias entre grupos pequeños asignándoles tareas que deben realizar con limite de tiempo, primero se dividen en grupos de dos o de a tres, a cada grupo se le asigna un Robot, el cual lo tienen que cuidar y limpiar, se les pide que le asignen un nombre la Robot con el cual competirán y se les asigna una tarea sencilla para que la piensen hasta la próxima clase, deben traer el programa desarrollado y deben tener el Robot listo para programarlo, compiten entre ellos y ellas hasta que haya un ganador.
Cada vez la tarea debe ser mas elaborada y con el limite de tiempo menor.
Metodología: trabajo individual y en grupo con ejercicios elaborados en el computador y resueltos en el tablero, con conversaciones grupales.
Se debe insistir mucho en un mismo ejercicio hasta que todos lo entiendan y partir de ese mismo para solucionar otros.
El enfrentamiento entre grupos para resolver un problema es efectivo en la medida en que todos y todas aporten, la presión de la rivalidad y del tiempo hacen que los y las jóvenes ejerciten la mente y sean mas creativos.
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Conclusiones: los trabajos grupales a problemas que tienen diferentes soluciones hacen que los jóvenes no siempre sigan el mismo camino si no que encuentren nuevas formas de solución a diferentes problemas.
Las ideas fluyen mas fácilmente a nuevos problemas que se le asignan y encuentran un apoyo en sus compañeros.
CAPITULO 4
MOTORES O ACTUADORES OBJETIVO: Dar a conocer los diferentes tipos de motores que existen en el mercado y su funcionamiento para que los puedan aplicar al robot móvil. 4.1 INTRODUCCIÓN A LOS MOTORES Motor: en general son aparatos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica rotacional, que se utiliza para darle movimiento a las ruedas y otros medios de locomoción. En Robótica se utilizan diferentes tipos de motores tales como los motores de Corriente Continua (CC o DC), los servomotores y los motores paso a paso. 4.2 MOTOR CC O DC (CORRIENTE CONTINUA O CORRIENTE DIRECTA)
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Los motores de corriente continua o de imán permanente vienen de muchas formas y tamaños y dependiendo de las necesidades del robot se selecciona el más indicado según las siguientes características: El voltaje: la principal característica es el voltaje de trabajo los mas comunes son de 3 V, 6 V, 9 V, 12 V y 24 V. Velocidad: la velocidad esta expresada por las revoluciones por minuto o RPM. Fuerza: también llamada torque. Dependiendo de estas características se deriva su tamaño y su consumo de corriente en Amperios o miliamperios. Como la velocidad de los motores es tan alta, en la mayoría de los casos se utiliza un mecanismo formado por uno o varios engranajes o piñones para reducir sus revoluciones lo que además aumenta la fuerza de tracción. 4.3 MOTOR PASO APASO
Los motores paso a paso son ideales para la construcción de mecanismos en donde se requieren movimientos muy precisos.
La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso a la vez por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta
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pequeños movimientos de tan solo 1.8°, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°.
Estos motores poseen la habilidad de poder quedar enclavados en una posición o bien totalmente libres. Si una o más de sus bobinas están energizadas, el motor estará enclavado en la posición correspondiente y por el contrario quedará completamente libre si no circula corriente por ninguna de sus bobinas.
Existen motores paso a paso Bipolares y motores paso a paso Unipolares, los motores paso a paso bipolares se reconocen porque tienen cuatro cables y los motores paso a paso unipolares se reconocen porque tienen 5, 6 u 8 cables los cuales se utilizan de la siguiente manera cada bobina tiene un cable y le resto es común a todos.
4.4 SERVOMOTOR En realidad un servomotor es un motor DC pero que utilizan el principio de la realimentación para lograr el control sobre el ángulo de giro del eje, generalmente traen consigo un sistema electrónico de control y en el eje tiene un tope para controlar el ángulo de giro.
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El motor que se utiliza regularmente es un servomotor modificado, el cual se le quita el sistema de control y el tope que tiene para que pueda girar los 360º y aprovechar el sistema de engranajes que trae.
Para trabajar con el servomotor modificado se requiere un voltaje de 3 V hasta 8 V, que es lo que soporta el servomotor según las especificaciones y una corriente de máximo 500 mA, como el microcontrolador no es capaz de suministrar esa corriente nos vemos obligados a diseñar un sistema de potencia el cual consta de unos puentes H que son los que les proporciona la corriente necesaria y además le dan el sentido de giro al Robot Móvil, el esquema es el siguiente
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4.5 PRACTICA 4
SESION 1
4.5.1 CHARLA ACERCA DE MOTORES
Objetivo: Afianzar los conocimientos en motores a los y las jóvenes brindándoles unos conceptos más amplios en el área de los motores. Actividades:
Se realiza un curso de Motores con el fin de profundizar más en esta área del conocimiento con un conocedor del tema y con un espacio adecuado para esta charla.
Metodología: trabajo individual y en grupo con ejercicios elaborados en el computador y resueltos en el tablero, con conversaciones grupales.
Se debe insistir mucho en un mismo ejercicio hasta que todos lo entiendan y partir de ese mismo para solucionar otros.
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El enfrentamiento entre grupos para resolver un problema es efectivo en la medida en que todos y todas aporten, la presión de la rivalidad y del tiempo hacen que los y las jóvenes ejerciten la mente y sean mas creativos.
Conclusiones: los trabajos grupales a problemas que tienen diferentes soluciones hacen que los jóvenes no siempre sigan el mismo camino si no que encuentren nuevas formas de solución a diferentes problemas.
Las ideas fluyen mas fácilmente a nuevos problemas que se le asignan y encuentran un apoyo en sus compañeros.
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BIBLIOGRAFIA
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