Enguany treballem la robòtica amb Lego Mindstorms sense pensar en competicions, en una matèria optativa de 2 hores a la setmana durant mig curs a 3r d’ESO. Molta gent i poc material, però anem avançant, comprovant que això de la robòtica és divertit i satisfactori però que cal pensar i calcular per aconseguir els comportaments desitjats.
Els alumnes treballen en grups de 3, compartint un mateix robot cada 2 grups.
Utilitzem l’ExpressBot de nxtprograms.com, el site BellBot-G com a material d’aprenentatge i la pissarra per crear els algoritmes dels programes.
A hores d’ara tenim 3 nivells d’alumnes: l’inicial aprenent a controlar el moviment del robot, l’intermedi treballant amb sensors, i 5 nois avançats que quan va acabar el seu torn van voler continuar amb aquesta optativa, treballant la pressa de decisions.
Aquest és el resultat del nostre treball (fins ara). Tenint en compte que els alumnes parteixen de zero, està mooooolt bé:
Robots que no cauen de la taula
En deixar anar els estoigs al borde de la taula els robots s’aturen
Guardià de l’aula de Tecnologia
En detectar l’intrús
el robot es llança contra ell
Guardaespatlles lineal
Avanç durant un temps determinat
mantenint una distància mínima a l’amo
Detecció de línies al terra
Avanç fins a detecció de línia negra
i gir de 90º quatre cops
Seguidor de línia
Seguiment del borde de la línia mitjançant
el sensor de llum, disminució del moviment zigzaguejant controlant les potències dels motors sense aturar-los en cap moment. Condició d’acabament: detecció de paret.
Sortint del laberint
Control simultani dels sensors de contacte
i d’ultrasons per avançar pel laberint.
La detecció de la línia blanca a la sortida mitjançant el sensor de llum ha quedat pendent per falta de temps.
Continuarem després de les vacances … amb variables i lògica digital.
Els robots són entitats artificials, per tant productes de la Tecnologia. Són autònoms i poden interactuar amb el seu entorn. La seva intel·ligència prové de la programació dels seus xips, i serveixen per fer tasques difícils o rallants, inclús imposibles per a l’home. La seva forma i les seves accions depenen del tipus de tasques per les quals han estat dissenyats.
Conscient que no hi són tots, aquest és el meu petit recull de robots. Conegueu-los!
L’objectiu d’aquesta presentació és introduir la matèria Introducció a la Robòtica que enguany el meu centre m’ha permés oferir a 20 alumnes de 3r d’ESO amb … 3 equips de robòtica Lego Mindstorms abans que el nostre sistema educatiu es carregui l’infravalorada àrea de Tecnologia.
Per als sensors dels nostres sistemes automàtics hem creat divisors de tensió amb resistències variables connectades a entrades analògiques d’Arduino. A partir de les pautes donades al nostre e-spai Arduilògic hem treballat amb potenciòmetres, LDRs i amb un termistor (NTC) hem creat un termòstat digital.
El termòstat de la Victoria i la Laura encén o apaga un LED i mostra en pantalla una estufa encesa o tancada en funció del valor rebut per Arduino a través de l’entrada analògica a la què està conectat el termistor.
El termòstat del David S i l’Edu actúa sobre 6 LEDs, encenent més o menys en funció de la temperatura. Inclús fa conversió dels valors rebuts per Arduino (entre 0 i 1024) a ºC (entre 0 i 23 ºC)
Per aprendre a treballar en analògic amb Arduino hem fet servir la tècnica PWM (modulació per ample de pols) per generar polsos elèctrics a través d’una sortida digital a la qual hem connectat un brunzidor piezoelèctric. Aquesta vegada no hem pogut treballar amb S4A i tots ens hem hagut d’esforçar en entendre i utilitzar el llenguatge Arduino.
Hem treballat amb dos polsadors per controlar l’encesa de diversos LEDs. Com que S4A només reconeix tres sortides digitals (10, 11, 13) i dues entrades digitals (2, 3), aquestes són amb les que hem treballat la majoria, a partir de les pautes generals penjades al nostre e-spai Ardui-Lògic.
Proposta de David S i Eduardo B. Definició de tres seqüències diferents d’encesa de tres LEDs. Amb un polsador s’activa o desactiva l’encesa i amb un altre es defineix l’ordre d’execució de les tres seqüències aleatòriament. Veure la informació al bloc dels alumnes
Programant amb codi Arduino podem encendre tants LEDs com sortides digitals tinguem disponibles i l’efecte de l’encesa pot ser més espectacular. Aquest és el muntatge de David S i Eduardo B. No ens hem sortit per l’encapficament en aconseguir definir l’aleatorietat amb codi, ens conformem amb haver-lo definit amb S4A. El programa funciona, però no vam pensar en fer el vídeo …
Amb més temps podríem haver investigat l’ús de la funció random, que genera nombres aleatoris entre un límit inferior i un altre superior. Sense aleatorietat, la idea del programa:
El nostre primer projecte amb Arduino programat amb S4A: Balisa lluminosa i sonora que emet constantment un missatge en codi Morse (inicials dels alumnes creadors de l’artilugi) i es desactiva en prèmer un polsador. Hem resolt aquest repte després de fer aquests exercicis bàsics sobre control d’entrades i sortides digitals.
Aquesta és la proposta de David S i Eduardo B, que han aconseguit fins i tot crear el codi Arduino del programa, cosa que ha estat bastant senzilla un cop definida l’estructura amb S4A.
Amb aquest treball hem aprés sobre els LEDs, resistències, conceptes d’electrònica bàsica (analògica i digital), així com qüestions bàsiques de programació: estructura, variables i procediments.
Hem utilitzat un LED, un brunzidor i un polsador connectats respectivament als pins digitals 13, 10 i 1 d’Arduino.
El programa
Hem definit els temps com a variables per tal de poder modificar-los fàcilment si cal:
Temps d’activació curt, corresponent al punt Morse
Temps d’activació llarg, corresponent a la ratlla Morse
Temps d’espera entre una lletra i la següent
Temps d’espera més llarg abans de tornar a repetir el missatge
Hem definit tres nivells de programació:
El primer consta d’un subprograma amb les accions corresponents al punt i un altre amb les accions corresponents a la ratlla.
El segón consta d’un subprograma per a cada lletra que va cridant al punt i a la ratlla quan correspón.
El cos principal del programa va executant ordenadament cada lletra amb les pauses establertes
Un cop comprobat el correcte funcionament del programa hem afegit la condició de funcionament: que el polsador no estigui premut.
El programa S4A
Codi Arduino (David S i Eduardo B)
/* Balisa lluminosa i sonora. Missatge a reproduir fins que es premi el polsador: DIE */
Ara que la darrera versió deScratch for Arduino permet la creació de sensors remots, podrem controlar els nostres Arduinos des de diferents ordinadors mitjançant el navegador d’Internet. De moment només entre ordinadors connectats en xarxa local …
Es tracta d’obrir un socket al port 42001 de l’ordinador que té l’S4A funcionant per tal que pugui rebre i enviar informació a qualsevol ordinador connectat amb ell (el protocol només funciona en xarxa local). Per obrir el socket només cal clicar amb el botó dret del ratolí a sobre d’una de les dues darreres funcions del menú Sensors i activar les connexions de sensors remots.
Des d’un altre ordinador (o des del mateix), ens connectem via TCP/IP al que té obert el socket mitjançant el navegador d’Internet, amb l’adreça http://IP:42001 (IP de la xarxa local de l’ordinador amb l’S4A funcionant). A la finestra del navegador ha de sortir el missatge “version “ScratchServer 2.0 alpha”.
Per crear un sensor remot (podem crear tants com vulguem), a l’adreça del navegador cal afegir l’ordre sensor-update=nomsensor=valorsensor. Això crea un nou sensor amb el nom i el valor que haguem assignat. El navegador respondrà amb “sensor-update nomsensor valorsensor” i el nou sensor apareixerà a la llista de sensors disponibles a Scratch.
Per enviar un missatge, a l’adreça del navegador cal afegir l’ordre broadcast=nommissatge. El navegador respondrà amb “broadcast nommissatge”
Probando, probando … he creat un programa amb S4A per tal de comprovar el partit que podem treure a aquesta funció: segons el valor assignat al sensor remot, en enviar un missatge des del navegador, passa una cosa o una altra.
Gràcies a V. Casado, de l’equip de desenvolupament de S4A, que ens ha guiat fins que hem pogut aconseguir uns dels nostres capficaments amb Scratch des que el meu alumne J. Santiago y jo vam descobrir aquesta possibilitat.
S4A és una modificació de Scratch desenvolupada pel Grup de Programació Smalltalk de Citilab per controlar el microprocessador Arduino de manera visual, intuïtiva i fins i tot, divertida. Podeu descarregar-lo des d’aquí i configurar-lo en la llengua que vulgueu.
A les funcions pròpies de Scratch s’ha afegit funcions específiques pel control d’Arduino, definides al bloc d’instruccions de Movimentdel programa:
Assignar valors com a sortides digitals als pins 10, 11 i 13 de la placa Arduino (encès: 5V / apagat: 0V)
Assignar valors com a sortides analògiques als pins 5, 6 i 9 de la placa. (0: 0V a 255: 5V)
Llegir l’estat dels pins digitals 1 i 2, reconeguts com a entrades digitals. (veritat / fals)
Llegir el valor de les entrades analògiques 1 a 6 (de 0 a 1023 que corresponen a l’interval 0 a 5V)
Controlar el gir de motors CC a través dels pins digitals 4 i 7
Controlar l’angle de gir de servomotors a través dels pins digitals 8 i 12
Per tal que S4A s’entengui amb Arduino cal instal·lar un firmware a la placa. Aquest firmware no és més que un programa en codi Arduino que defineix les entrades i sortides reconegudes per S4A.
Darrera l’aparent simplicitat d’aquest programa hi ha moltes possibilitats. La primera, aconseguir controlar els nostres muntatges de manera autònoma i creativa. L’exemple de la imatge activa i desactiva periòdicament el pin 13 d’Arduino (al qual hem connectat un LED) quan el polsador connectat al pin digital 1 estigui premut.
De moment els programes fets amb S4A s’executen a l’ordinador, no a la placa: S4A interactua amb Arduino enviant l’estat dels actuadors i rebent el dels sensors cada 75 ms. Per tant Arduino programat amb S4A no pot funcionar de manera autònoma.
Un altre dels inconvenients és que aquest programa només reconeix 3 pins Arduino com a sortides digitals. Per a això hi ha dues solucions:
Darrerament s’ha creat un patch que permet augmentar el nombre de sortides digitals reconegudes pel programa, disminuint el nombre de sortides de motors. Aquest patch i el firmware necessari es poden descarregar aquí.
Si no volem perdre sortides de motors, podem treballar amb tantes plaques Arduino com ports USB tingui lliures l’ordinador. Es poden crear nous objectes virtuals Arduino i fer-los funcionar de manera col·laborativa des del programa.
Com podem explicar de manera entenedora els intrincats algoritmes de les nostres propostes de solució a qualsevol problema? Els enginyers, els informàtics, els economistes, … ho fan gràficament, mitjançant diagrames de flux. Ben fets són molt més efectius que qualsevol redacció.
Un diagrama de flux utilitza símbols amb significats concrets i fletxes que els connecten i representen la direcció dels processos. Aquesta simbologia està regulada per la norma ISO 5807:1985, aquests són els símbols bàsics i el seu significat.
Per fer diagrames de flux tingueu presents aquestes regles:
Els DF s’han d’escriure de dalt a baix i/o d’esquerra a dreta.
Les fletxes que uneixen els símbols indiquen la direcció del procés. Només poden ser verticals o horitzontals (mai diagonals).
Cal evitar l’encreuament de línies. Utilizeu els connectors per relacionar parts d’un mateix flux representades en llocs diferents.
El text dins els símbols ha de ser clar i concís.
Tots els símbols poden tenir més d’una línia d’entrada, exepte el símbol final.
Només els símbols de decissió poden i han de tenir més d’una línia de sortida.
Busqueu exemples. A Internet en trobareu un munt.
Eines per fer diagrames de flux
Fora bo començar sempre fent un esbós del DF amb llapis i paper. Un cop amb les idees clares podeu fer-lo amb el portable Dia o online a Grapholite.
I si preferiu una eina coneguda, utilitzeu les autoformes de diagrama de flux del processador de text (les trobareu a la barra d’eines Dibuix)
Aqui teniu unes quantes propostes utilitzant diferents opcions de programació NXT-G per que el robot s’aturi quan trobi una línia negra al terra. En tots els casos la condició definida és que el sensor de llum connectat al port 3 detecti un nivell de llum < al valor mesurat des del menu View del NXT.
Amb el bloc Espera
Amb el bloc Bifurcació
Definint la detecció com a condició d’acabament d’un bucle
Utilitzant la lògicacom a condició d’acabament d’un bucle
El repte proposat enguany als Tecno-Lògics de 4 ESO: reconversió d’un edifici comercial en desús del nostre barri en edifici d’habitatges domòtics i sostenibles amb pàrquing intel·ligent.
Instal·lacions, electrònica, pneumàtica, robòtica … currículum amb Arduino!
Treballarem amb Arduino Duemilanove, amb Fritzing per definir i representar les connexions físiques, amb S4A, aplicació de Scratch que ens permetrà predefinir la programació de la placa, i … amb tot el que calgui. De moment la representació virtual de l’edifici està en construcció a la illa iBellvitge, al món Espurnik.
Cada equip treballarà sobre un dels 8 espais en els quals s’ha dividit l’edifici, comencem amb Sweet Home 3D per fer els plànols. Descarregueu-lo i executeu-lo des del vostre pendrive. A la web oficial trobareu tutorials.
El nostre lloc de referència serà l’e-spai Ardui-Lògic, on anirem penjant les nostres solucions als petits reptes i projectes intermedis que s’aniran plantejant al llarg del curs. Des d’aquí anirem fent difussió.
Google SketchUp també permet dibuixar robots NXT en 3D d’una manera senzilla i precisa, gràcies als components creats per alguns aficionats. L’he probat amb el disseny que utilitzo per donar a conèixer el sistema constructiu Lego Mindstorms als futurs membres de l’equip FLL i el resultat està prou bé.
A més, podem visualitzar el robot com vulguem: vistes normalitzades (planta, alçat, perfil) o perspectiva (isomètrica o cònica). Donat que els alumnes dominen ràpidament les tècniques de l’SketchUp, construir gràficament les seves idees pot ser un bon exercici previ a la construcció real del robot, i es pot fer des de casa!
El Google SketchUp és gratuit i la darrera versió es descarrega des de la pàgina oficial. Els components específics Technic i NXT cal descarregar-los a banda. Encara que estan creats amb versions anteriors, la versió 8 de l’SketchUp permet treballar amb ells sense problemes. Evidentment no he descobert res nou, els components Lego Technic per a SketchUp ja porten uns anys a la disposició de qui vulgui utilitzar-los, i hi ha un munt d’exemples de la seva utilització. Inclús instruccions de muntatge de models complexos.
Els robots serveixen entre d’altres per fer tasques impossibles, perilloses o rallants per als humans. Us asseguro que una bona escombrada no deixa el terra com una passejada de l’iRobot Roomba, el germà domèstic dels PackBots que a hores d’ara estan desactivant mines antipersona a Afganistan o mesurant els nivells de radiació a Fukushima.
Aquest aparell és capaç de navegar per casa nostra inclús per sota els mobles, calcular les dimensions de l’habitació, estudiar l’espai disponible, detectar obstacles i desnivells, modificar el seu comportament en funció de les condicions … Val la pena esbrinar com s’ho fa.
EL SISTEMA D’AUTO-NAVEGACIÓ és el que converteix aquesta aspiradora en un robot. Les seves accions, controlades per un microprocessador, depenen de les dades ambientals recollides per diversos sensors.
El primer que fa el Roomba quan es posa en marxa és calcular la superfície de la habitació: envia un senyal infraroig i comprova el temps que triga en retornar al receptor, situat al front davanter. D’aquesta manera calcula el temps que haurà de passar netejant.
Tot el para-xocs frontal del Roomba serveix per detectar obstacles: és un interruptor que es mou cap endins quan topa amb alguna cosa i activa els sensors de contacte, la qual cosa fa que realitzi les accions seqüencials de donar marxa enrere, girar i moure’s cap endavant fins que troba un camí clar.
Uns sensors d’infraroigs, als dos costats del para-xocs li permeten seguir les parets i vorejar els mobles sense tocar-los.
Al davant, altres dos emissors envien constantment senyals infraroigs cap al terra, si es perd el senyal de rebot és que hi ha un desnivell excessiu i Roomba es dona la volta.
L’incomprensible i aparentment caòtic recorregut de Roomba per l’habitació respon a un algoritme preestablert. Sembla ser que comença amb una espiral cap a l’exterior, i després es dirigeix cap al fons de l’habitació. Quan detecta un obstacle suposa que ha arribat al fons i comença a netejar al llarg del perímetre fins que topa amb un obstacle, neteja al seu voltant i busca un camí de sortida. Tot això durant el temps auto-assignat en funció de la superfície de l’habitació.
L’autonomia del Roomba és de dues hores. Si el carregador està connectat emet constantment un senyal d’infraroigs de manera que quan la càrrega de la bateria està baixa, el receptor del Roomba busca el senyal emès pel carregador, el segueix i d’aquesta manera es connecta a ell per carregar-se. Dues plaques metàl·liques als costats de la roda boixa del davant són els contactes.
Més infraroigs: las parets virtuals permeten mantenir l’aparell dins d’uns límits. Aquestes parets són emissors d’infraroigs i quan el receptor del Roomba detecta aquests senyals, gira i s’en va cap a un altre banda.
EL SISTEMA DE NETEJA es composa de tres parts:
El raspall lateral giratori (spining side brush) sobresurt una mica de la carcassa per arribar al fons de l’habitació sense haber de tocar les parets. En girar arrossega la brutícia i la dirigeix cap a la zona d’aspirat (vaccum inlet). Un altre raspall al costat oposat (ancillary side brush) arrossega la brutícia rebel.
L’agitador es composa de dos raspalls que giren en sentits oposats i dirigeixen la brutícia directament al dipòsit de pols (dirt bin).
L’aspirador (vacuum inlet) absorbeix la brutícia a mida que el Roomba es mou pel terra.
A més dels dos motors que mouen l’aparell (un per a cada roda), Roomba té altres tres motors: un per l’aspirador, un altre per l’agitador i un altre pel raspall giratori.
Dos sensors de brutícia just a sobre de les escombretes dels agitadors li permeten esbrinar quines àrees necessiten neteja extra. Aquests sensors mesuren la vibració de l’impacte de la brutícia arrossegada sobre les plaques metàl·liques dels sensors. Quan aquesta vibració sobrepassa un límit establert, el Roomba torna a passejar-se per aquesta àrea.
Aquest no és l’únic robot aspirador. N’hi ha de vàries marques, tots deuen funcionar més o menys de la mateixa manera. Aquest és el que jo conec i utilitzo a l’hora que faig el dinar o vaig a la compra. Tot un plaer …
Per segon any des de l’àrea de Tecnologia hem col·laborat amb el projecte Comenius ICARUS oferint un taller de robòtica als companys holandesos de l’Udens College. El 7 de febrer els membres de l’equip FLL i els tecnòlegs de 2n de batxillerat van fer de profes de robòtica en anglès.
Després d’introduir el tema amb una breu explicació del que és un robot i del procés de treball a seguir, ens vam dividir en dos equips: constructors i programadors. Aquest és el material que vam utilitzar per presentar l’activitat:
I el resultat de la nostra feina: tres robots senzillets però capaços d’activar-se amb un senyal acústic, de desplaçar-se per sobre la taula sense caure, d’aturar-se als 2 minuts i de felicitar-se per la tasca realitzada. Clicant sobre la foto podeu descarregar les pautes de muntatge.
Not eXactly C (NXC) és un llenguatge de programació d’alt nivell, similar a C. A proposta de la facultat d’informàtica de Barcelona estem aprenent a utilitzar-lo per programar el NXT Lego amb el compilador lliure Bricx Command Center i … mola!
Ens hem obligat a tenir només un sensor de llum per detectar les línies negres al terra, volem establir la durada del seguiment de línies amb el sensor de rotació. Com podem fer-ho? Tafanejant a la xarxa he trobat aquests exemples. Probeu, modifiqueu el que calgui i decidiu.
En el primer exemple, el robot va fent ziga-zagues permanents: quan troba negre busca blanc i quan troba blanc busca negre.
En el segon exemple, si es detecta negre el robot avança recte, i si es detecta blanc, un dels motors baixa de potència (el robot gira una mica) fins a trobar negre un altre cop.
Tots dos programes tenen un parell de paràmetres comuns que val la pena tenir en compte:
Si utilitzem graus de rotació com a condició d’acabament del bucle del seguidor de línia, val la pena posar-lo primer a zero.
Quan ens deixi d’interessar que treballin els motors, val la pena donar l’ordre d’aturar-los.
També val la pena definir el final del programa.
Tant la icona del sensor de rotació com la de final de programa es troben a la paleta avançada.
Tingueu en compte que quan més senzill sigui el programa més fàcil és aconseguir una bona resposta.
Hi existeixen músics robòtics, i ho fan molt bé. No és màgia, tot són motors, mecanismes i actuadors convenientment programats. Al nostre nivell podem fer música robòtica, fins i tot una orquestra si tenim prou material. En aquest video veureu que no és tan complicat, i en el següent, que si us animeu podeu arribar allà on vulgueu.
Veieu alguns exemples del què són capaços els germans grans dels nostres NXT
Veure el què fan els altres no és necessàriament “espionatge industrial”. A la competició FLL veureu de tot: hi ha veritables monstres i robots ben senzillets. L’important és tenir clara l’estructura bàsica i anar-la modificant en funció del què volem que faci el nostre robot i de les nostres possibilitats.
Cliqueu sobre els nostres robots FLL per veure’ls amb detall
Us presento dos mecanismes que permeten aconseguir un moviment lineal a partir del moviment circular d’un motor. Potser aquestes idees constructives Lego ens poden ajudar a entendre com funcionen i a solucionar algun dels moviments que volem per al nostre robot FLL:
El mecanisme BIELA-MANOVELLA transforma el moviment circular del motor en moviment lineal alternatiu (de vaivè) d’una barra rígida (biela).
El mecanisme PINYÓ-CREMALLERA transforma el moviment circular del motor en avanç o retrocès d’una barra dentada (cremallera).
I recordeu: si voleu reduir dràsticament la velocitat del moviment de sortida o multiplicar brutalment la força del mecanisme, acobleu al motor un VIS SENS FI.
Exemples del llibre Tora no Maki, una joia d’idees constructives Lego que podeu descarregar aqui >>>
L’equip robòtic Bellvitge 2010 es va posar en marxa el mes de maig. Aqui teniu les primeres fotos i videos de la nostra feina. Encara que cada cop és més difícil aconseguir que els robots facin allò que volem, hem avançat. Humans i robots ens retrobarem després de vacances.
Això es pot millorar, i es millorarà. Veieu el seguidor de línia d’uns companys
Assignar valors com a sortides digitals als pins 
Darrers comentaris