Download experimentos de física simulados con robots

EXPERIMENTOS DE FÍSICA SIMULADOS CON
ROBOTS
Objetivo
La mayoría de los robots existentes en la actualidad son sistemas autónomos, que actúan
según la lógica programada dependiendo de la información captada por sus sensores. Al ser
autónomos, la sincronización entre varios robots es una tarea complicada. Para conseguir la
coordinación adecuada, como en las orquestas, es necesario que haya un director, un líder que
tenga una visión global y que proporcione la información adecuada para actuar al unísono y
poder conseguir cosas maravillosas.
La idea de utilizar un sistema externo para proporcionar información e instrucciones adicionales
a los robots y así conseguir la coordinación no es nueva, en el Instituto Federal Suizo de
Tecnología hacen cosas extraordinarias con quadrucópteros basándose en esta idea
(http://www .youtube.com/watch?v=w2itwFJCgFQ) . Lo que buscamos en este proyecto es
acercar esta tecnología a todo el mundo, y especialmente a los niños a través de experimentos
muy fáciles de poner en marcha utilizando este concepto.
Nuestra propuesta, puede utilizarse para que los niños jueguen con las leyes de la gravedad,
para que entiendan la inercia, conceptos de geometría, mecánica, y en general para ayudarles
a entender y asentar conceptos abstractos mediante la experimentación y el juego.
Introducción
El proyecto se basa en el uso de robots con capacidad de comunicacion, un ordenador central,
y un sistema de visión artificial para posicionarlos. Mediante el ordenador es posible simular
diversos sistemas físicos utilizando como sistema de visualización de los resultados los
propios robots. Así, en vez de sólo mostrar la evolución del sistema simulado en una pantalla
de ordenador, una serie de robots pueden moverse tal y como lo harían los elementos de la
simulación.
Por ejemplo, se pondrían unir dos o más robots mediante un conjunto de cuerdas virtuales y
puntos fijos para explicar conceptos geométricos como el dibujo de una elipse. La unión
virtual de los robots se podría hacer también mediante muelles, de forma que se podría
estudiar el funcionamiento de las fuerzas elásticas. En cualquiera de estos dos experimentos
los niños podrían interactuar en tiempo real con los robots, “sintiendo” esta interacción y
asimilando los conceptos.
Podría incluso simularse la evolución de los planetas dentro del sistema solar, donde se
vería como los robots describen las órbitas en el suelo y rotan, mientras se le habla de las
características de cada uno.
Los robots son una herramienta extremadamente atractiva para enseñar conceptos de
ciencias naturales y física a alumnos de primaria y secundaria, y puede ser también útil para
alumnos de cursos universitarios. Al ser utilizados para visualizar los resultados de
simulaciones de física, enseñan al alumno de una forma visual, amena e interactiva conceptos
que tienen una naturaleza dináica y que tradicionalmente son mostrados de forma estática en
libros. Los robots añaden atractivo al uso de ordenadores para complementar las enseñanzas
de estas materias, al contar los alumnos con una maqueta físicamente realista de lo que se
les está enseñando, y con la que puede interactuar.
Posibilidades
Los robots permiten visualizar el comportamiento de diversos sistemas físicos interactuando en
un plano. Las actividades que se plantean son la siguientes, con diferentes grados de
complejidad según la edad de los alumnos:
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Conceptos de geometría: añadiendo un lápiz al robot y mediante cuerdas y puntos fijos
virtuales se puede hacer que el robot dibuje distintas formas de curvas simples como,
las elipses, las parábolas o los círculos, pero también formas más complejas, como las
cardioides o las cicloides.
Fuerzas elásticas: se pueden añadir a la simulación muelles virtuales, de forma que el
alumno pueda sentir y ver el funcionamiento de las fuerzas elásticas.
Simulación del sistema solar: los robots orbitan unos alrededor de otros, pudiendo
explicar así el movimiento de los planetas a los alumnos. Para los más pequeños, se
puede enseñar que la Tierra gira alrededor del Sol junto con el resto de planetas. Más
adelante, se puede mostrar las diferencias en el periodo de las órbitas de los distintos
planetas según su distancia al Sol y su masa.
Explicación de la gravedad: los robots se atraen unos a otros según su masa. El alumno
aprende qué es la gravedad y que los objetos caen al suelo al ser atraídos por la Tierra.
Explicación de los agujeros negros: modificando la masa simulada del robot, el alumno
comprueba cómo se dispara la atracción gravitatoria del cuerpo hasta que se convierte
en un agujero negro.
Explicación de las sondas espaciales y los satélites artificiales: en una simulación de
sistema solar, se le explica al alumno qué son las sondas y los satélites artificiales y
para qué se usan. El alumno envía sondas por el sistema solar simulado para realizar
experimentos.
Conceptos de física: inercia, leyes de Newton, fuerza centrífuga, ley de gravitación
universal, velocidad de escape: se le enseñan al alumno estos conceptos y cómo
afectan al movimiento de los cuerpos. Los alumnos de bachillerato pueden jugar con las
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ecuaciones de las leyes de Newton y comprobar cómo varía el comportamiento de los
robots.
Tipos de órbita básicos: elíptica, parabólica e hiperbólica. El alumno aprende por qué
unas órbitas son distintas que otras, modificando la velocidad de una sonda espacial
para que vaya cambiando su trayectoria desde una órbita elíptica a una órbita
hiperbólica.
Introducción a la mecánica orbital y la astronáutica: el alumno aprende conceptos más
avanzados de mecánica orbital y astronáutica, como el impulso específico de los
motores o la ecuación del cohete. Utilizando estos conceptos, el alumno podría enviar
una nave espacial en una misión a interplanetaria, usando incluso el impulso gravitatoria
de los planetas.
Modelo atómico de Bohr: los robots no sólo permiten la simulación de sistemas solares,
también se pueden usar para visualizar el modelo atómico de Bohr y el cambio de nivel
del electrón de un átomo de hidrógeno al emitir o absorber radiación electromagnética
virtual.
Mientras los alumnos aprenden y se divierten con estos experimentos, pueden aprender
conceptos de programación, robótica y electrónica. Así, pueden participar en el montaje de
los robots, la programación del microcontrolador y la programación del software del ordenador
de control para la simulación, las comunicaciones y el sistema de visión artificial.
Corazón abierto
Aunque se podría utilizar cualquier robot, la plataforma utilizada para este proyecto es el Kit de
Robótica de Bq, que está basada en hardware (Arduino) y software libre, promoviendo de este
modo un aprendizaje más profundo de las herramientas utilizadas por parte de los alumnos, y
sirviendo de este modo no sólo para la enseñanza de una forma divertida de las ciencias
naturales, sino también de un amplio rango de disciplinas como la programación, la electrónica
y la robótica.
El sistema director, que coordina los movimientos de todos los robots, está basado en el
framework de código abierto OpenCV ejecutándose sobre cualquier PC o tablet con Android
con cámara web. Este sistema minimiza el error de posicionamiento de los distintos robots del
sistema, ayudando a conseguir la sincronización de los movimientos deseada.
Para la enseñanza, el uso de herramientas y plataformas libres es fundamental, pues el alumno
avanzado cuenta con los planos y el código fuente de todo lo que se usa en las clases y
talleres, pudiendo adaptarlo, mejorarlo y compartirlo con total libertad. Además, en el caso de
las simulaciones de física, el código abierto le permite tener acceso al núcleo del conocimiento,
a aquello sobre lo que se fundamenta lo que ha experimentado.
En definitiva, conocimiento libre para todos, de todos y entre todos para maximizar los objetivos
de aprendizaje.
Descripción del experimento de simulación gravitatoria
Para el montaje de la estructura de los robots se pueden utilizar materiales reciclados (e.g.
caja de cartón y tapones) o utilizar la impresión 3D. En la web Thingiverse se pueden
encontrar múltiples diseños que pueden imprimirse con cualquier impresora 3D, como por
ejemplo la Witbox de Bq, la Prusa o la PowerCode.
Para los planetas también es posible utilizar materiales reciclados (e.g. bolas de corcho), o
imprimirlos en 3D, para lo que puede plantear hacer un diseño sencillo en clase. Se fijará un
planeta en la parte superior de cada robot.
Puesto que cada robot transportará un planeta, el reconocimiento de los objetos en OpenCV se
ha realizado mediante la detección de círculos. De cada círculo se determina su punto central
(el centro de masas) y en función de sus características: peso, velocidad,etc, se calcula la
evolución en el espacio virtual.
Tras montar los robots y cargar las instrucciones, se colocan en el suelo y se inician las
comunicaciones para inicializar el sistema. El ordenador detecta la posición y orientación de
cada uno, y da órdenes de control para que se coloquen en sus posiciones iniciales. A la orden
del profesor, la simulación comienza:
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El ordenador calcula el campo gravitatorio sobre cada uno de los robots, así como las
posibles fuerzas extra como el empuje de los motores en caso de sondas y naves
espaciales. Las fuerzas se calculan en el plano según la masa y posición de cada uno
de los cuerpos simulados.
Tras calcular las fuerzas, las ecuaciones de la mecánica orbital se utilizan para calcular
el movimiento de los robots en el tiempo.
El ordenador transmite las órdenes de movimiento a los robots, enviando señales de
corrección según la posición real de los mismos obtenida mediante visión artificial.
Mientras dura la simulación, los robots se mueven por el suelo tal y como lo harían los objetos
reales que se están simulando. Mientras los robots se mueven, también se muestra su
trayectoria en la pantalla del ordenador o mediante un proyector en la pared, con información
extra como el nombre de cada uno de los cuerpos, sus coordenadas y su velocidad. Los
parámetros de la física que se simula pueden ser modificados en tiempo real, pudiéndose
mostrar a los alumnos el efecto de la masa de los distintos cuerpos en su trayectoria final o el
efecto que tendría el cambio de la constante de gravitación universal.
En el caso de alumnos universitarios, se puede hacer incapié en los métodos numéricos de
resolución de sistemas de ecuaciones en derivadas ordinarias. Modificando durante la
simulación el esquema de integración, el alumno puede comprobar cómo el error numérico
acumulado puede provocar la divergencia de las órbitas.