Robotarium-UCM makerlab: Impulsando el aprendizaje práctico entre los estudiantes de ciencias e ingeniería por medio del Robotarium-UCM

UNIVERSIDAD COMPLUTENSE DE MADRID Proyecto de Innovación Convocatoria 2023/2024 Nº de proyecto: 273 Robotarium-UCM makerlab. Impulsando el aprendizaje práctico entre los estudiantes de Ciencias e Ingeniería por medio del Robotarium-UCM. Coordinadora: Lía García Pérez Facultad de Ciencias Físicas Departamento de Arquitectura de Computadores y Automática Índice 1. Objetivos propuestos en la presentación del proyecto 2 2. Objetivos alcanzados 3 3. Metodologia 4 4. Recursos Humanos 5 5. Desarrollo de las actividades 6 5.1.Robotarium-UCM...................................... 6 5.2. Fomento de la cultura maker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1 Proporcionar un entorno de trabajo para la implementación de aplicaciones robóticas para los alumnos de la UCM. Generar un laboratorio que combine plataformas físicas con modelos virtuales para permitir ambos métodos de trabajo. Fomentar el trabajo en remoto y facilitar el acceso a Robotarium-UCM a un mayor número de estudiantes. Fomentar la cultura maker como complemento transversal al conocimiento obtenido por los estudiantes durante la carrera. Proporcionar talleres y cursos que usen las capacidades del Robotarium-UCM como ejemplo de implementación de tecnologías más modernas. Permitir el acceso a los estudiantes a plataformas robóticas complejas y enjambres de robots para la implementación y prueba de algoritmos avanzados en robótica. Fomentar la curiosidad del alumnado y proporcionar un entorno de implementación de las ideas propias que vayan teniendo. Disponer de un entorno de trabajo para la implementación de TFG/TFM que usen elementos de robótica. Objetivo 1 Ampliar las capacidades del Robotarium-UCM con nuevos sensores y dispositivos: lidar, sensor de ultrasonidos, anillo de leds y pantalla TFT. Para realizarlo deberemos alcanzar los siguientes subobjetivos: O1.1 Montar el sensor de ultrasonidos en los diez robots del Robotarium-UCM. O1.2 Montar en cinco de los robots el sensor mini-lidar. O1.3 Montar el anillo de leds en todos los robots. O1.4 Montar las pantallas TFT en los robots. Objetivo 2 Realizar microtalleres con estudiantes: soldadura electrónica, introducción a la programación en Arduino, programación del Robotarium-UCM, uso de sensores para el posicionamiento y detección de obstáculos. Para realizarlo deberemos alcanzar los siguientes subobjetivos: O2.1 Taller de soldadura electrónica (cuarto trimestre del año 2023 con el objetivo de ofrecerlo para los estudiantes de primer curso). O2.2 Taller de programación en Arduino (primer trimestre del año 2024) 02.3 Taller de programación del Robotarium-UCM (segundo trimestre del 2024) 02.4 Taller de detección de obstáculos con ultrasonidos (tercer trimestre del 2024) 2 1. Objetivos propuestos en la presentación del proyecto Los objetivos planteados se basan en la experiencia obtenida durante la primera arte del proyecto. Gran parte de estos objetivos forman parte de la implementación y desarrollo continuo en el que se basa Robotarium-UCM, otros surgen de ideas o recomendaciones que surgieron durante su ejecución: 3 2. Objetivos alcanzados Los objetivos propuestos al inicio del proyecto han sido alcanzados satisfactoriamente, como se refiere a continuación. El objetivo O1, ampliar las capacidades del Robotarium-UCM con nuevos sensores y dispositivos: lidar, sensor de ultrasonidos, anillo de leds y pantalla TFT, se ha alcanzado a través de la consecución de todos sus objetivos específicos. El objetivo O1.1 se ha cumplido satisfactoriamente, ya que actualmente disponemos de 5 robots con sensores de ultrasonidos y otros cinco con sensores de distancia infrarrojos. Se consideró cambiar en 5 robots los sensores de ultrasonidos por los de infrarrojos para que los estudiantes y usuarios del robotarium puedan experimentar con más tipos de sensores. Así mismo, hemos alcanzado parcialmente los objetivos O1.2, O1.3 y O1.4, por falta de presupuesto. Sólo dos de los robots cuentan con sensor Lidar en lugar de los 5 propuestos, sólo 5 de los robots cuentan con anillo LED (en lugar de los 10 propuestos) y sólo uno de ellos cuenta con pantalla TFT (en lugar de los 10 propuestos). Respecto al segundo objetivo general (O2), realizar microtalleres con estudiantes: soldadura electrónica, introducción a la programación en Arduino, programación del Robotarium-UCM, uso de sensores para el posicionamiento y detección de obstáculos, también se ha alcanzado. Se han realizado los siguientes talleres previstos: 02.1Taller soldadura y de programación en Arduino el 27 de octubre, al que acudieron estudiantes tanto de la facultad de Físicas como de la Facultad de Informática, que incluyó la actividad en su Copa de las Casas. Además durante el tercer trimestre del año se apoyó a un grupo de estudiantes de la facultad de Físicas interesados en la robótica en un taller de programación de robots para salir de un laberinto que organizaron para la Semana de la Ciencia. El 12 de febrero se realizó un taller en la Facultad de Informática llamado ”Follow the Leader”de programación de Arduino 02.2 en el contexto de la Semana de la Informática. El taller correspondiente al objetivo 0.2.3 de programación del Robotarium-UCM se cambió por un taller de programación de robots simulados el 7 de febrero. El último de los talleres 0.2.4 lo realizaron los propios estudiantes el 30 de abril en la Facultad de Físicas. Tanto la creación del Robotarium-UCM como los talleres asociados a este proyecto han motivado a un grupo de estudiantes de varias titulaciones de la Facultad de Físicas a crear una Asociación de Robótica. Este no era un objetivo del proyecto pero creemos que es un resultado en la línea del objetivo general del proyecto que nos habíamos propuesto. 4 3. Metodologia El trabajo se estructuró en las siguientes tareas: Tarea 1 Preparación y realización del taller de soldadura electrónica (objetivo O2.1). Tarea 2 Montaje del sensor de ultrasonidos (e infrarrojos) en los robots (objetivo O1.1). Se podrá contar con la colaboración de los estudiantes interesados que participaron en el taller de soldadura electrónica. Tarea 3 Desarrollo del software necesario para leer el sensor e incorporarlo a la API (interfaz de programación de aplicaciones) del Robotarium-UCM (objetivo O1.1). Tarea 4 Preparación y realización del taller de programación en Arduino (objetivo O2.2). Parte de la práctica de este taller consistirá en el montaje y desarrollo de software de encendido de los anillos LEDs (objetivo O1.3). Tarea 5 Montaje y puesta en marcha del mini-lidar. Los estudiantes interesados que ya tengan conocimientos básicos de Arduino o que hayan acudido al taller de programación en Arduino podrán colaborar con el desarrollo del software de lectura del mini-lidar (objetivo O1.2). Tarea 6 Preparación y realización del taller de programación del Robotarium-UCM (objetivo O2.3). Tarea 7 Desarrollo de la API del Robotarium-UCM para activar el anillo de LEDs (objetivo O1.3). Tarea 8 Preparación y realización del taller de detección de obstáculos con ultrasonidos (objetivo O2.4). Tarea 9 Montaje, puesta en marcha y desarrollo de la API del Robotarium-UCM para las pantallas TFTs de los robots (objetivo O1.4). Tarea 10 Publicitar y publicar el Robotarium-UCM, tanto en nuestro ámbito más próximo (las Facultades de Ciencias Físicas e Informática) como en el mundo académico educativo (mediante publicaciones en conferencias o revistas especializadas en herramientas educativas: Jornadas de Automática, Revista Iberoamericana de Automática e Informática Industrial (RIAI), IEEE-RITA. Revista Iberoamericana de Tecnologías del Aprendizaje entre otras). Prof. Eva Besada Portas Prof. Jesús Chacón Sombría Prof. Juan Francisco Jiménez Castellanos Prof. Jose Antonio López Orozco Prof. Segundo Esteban San Román Prof. Raúl Fernández Fernández Prof. José Luis Risco Martín PAS UCM. Félix Marquez Vidal Alumnos UCM. Giordy Alexander Andrade Aimara Gonzalo Carazo Barbero Samuel Ferrero Losada Ignacio Galeote García Alfredo González Calvin Alejandro Gutierrez Fontan Beatriz Herguedas Pinedo Las responsabilidades y participación de los miembros del proyecto en cada tarea fueron distribuidas atendiendo a sus experiencias previas: Las tareas 1, 4, 6 y 8 las coordinaron los profesores Jesús Chacón, Juan Francisco Jiménez y Lía García. En estos talleres colaboraron los estudiantes Giordy Andrade, Alfredo González, Gonzalo Carazo Barbero y Alejandro Gutierrez. Las tareas 3, 7 y 9 las coordinaron los profesores Jesús Chacón, José Antonio López, Segundo Esteban y Eva Besada. Los profesores Raúl Fernández y Lía García corrdinaron las tareas 2 y 3. En estas tareas colaboraron los estudiantes Samuel Ferrero, Ignacio Galeote, Giordy Andrade, Alfredo González y Alejandro Gutierrez. Los profesores Jesús Chacón, José Antonio López Orozco y Eva Besada coordinaron las tareas 7 y 8. El personal técnico compuesto por Félix Márquez proporcionó el apoyo necesario en diferentes labores: instalación de las herramientas necesarias, montaje del hardware de las nuevas prácticas, conexión de los equipos a la red, y otras. Todos los estudiantes participantes y profesores realizaron de manera conjunta la tarea 10 coordinados por el profesor José Luis Risco. 5 4. Recursos Humanos Las personas que han participado en la realización de este proyecto se listan a continuación: Responsable Prof. Lía García Pérez PDI UCM. (a) Robot (tipo A). (b) Robot (tipo B). Figura 1: Robots del Robotarium-UCM. El control de los motores, mediante el cálculo de la señal apropiada de PWM, y la lectura de los encoders se realiza desde la placa de control Arduino Nano 33 IoT. En los modelos más potentes, este Arduino comunica via puerto serie con una Raspberry Pi incorporada al robot. En ese caso, la Raspberry Pi es la encargada de comunicarse con el servidor del Robotarium-UCM para transmitir y recibir datos y órdenes. Cada agente robot tiene asignado un identificador único, un código ArUCO [1], (Fig. 1a) que permite al servidor identificar y localizar al agente, utilizando una cámara cenital. El software que da soporte al funcionamiento del Robotarium-UCM se compone de tres pilares: Firmware,Agent yHub. La división conceptual en estos tres componentes resulta conveniente y mantenerlos desacoplados facilita tanto en el diseño como en el posterior mantenimiento. Este software se encuentra en desarrollo activo, y es de código abierto y distribución gratuito. Está disponible para descargar en el repositorio https://github.com/UCM-237/robotarium-hub. Una contribución importante del Robotarium-UCM es que ofrece a los estudiantes la posibilidad de llevar a cabo experimentes con los robots móviles de forma remota, con el único requisito de disponer de una conexión estable a Internet y cualquier dispositivo personal capaz de ejecutar un navegador web moderno. ReNoLabs proporciona una interfaz web (WebUI) a la que los estudiantes pueden acceder con sus credenciales de usuario. Una característica importante del sistema es que, gracias a esta interfaz web, puede accederse al sistema desde prácticamente cualquier dispositivo, siempre que este pueda ejecutar un navegador web, por ejemplo cualquier dispositivo personal como un teléfono móvil, tableta u ordenador portátil. Dentro de la aplicación web, los alumnos visualizan 6 5. Desarrollo de las actividades 5.1. Robotarium-UCM Robotarium-UCM dispone de dos modelos de robots holonómicos, con dos ruedas motrices y una de libre movimiento. Los robots tienen dos motores DC controlados por Modulación de Anchura de Impulso (PulseWidth Modulation, PWM) como únicos actuadores, como es habitual en robots educacionales. Todos los robots tienen incorporados codificadores (encoders) unidos al eje de cada rueda, que permiten estimar la velocidad de cada rueda con una resolución de 20 pulsos por vuelta. Además algunos de ellos tienen sensores de distancia infrarrojos 7 el Robotarium-UCM a través de las cámaras situadas en el laboratorio (que poseen una doble función, ya que como se menciono antes permiten localizar a los robots mediante el uso de marcadores ArUCO). 5.2. Fomento de la cultura maker Una de las bases de este proyecto, además de la de proporcionar a los alumnos un entorno de trabajo robótico, es la de fomentar la cultura maker como motor de generación de ideas propias y emprendimiento para complementar el aprendizaje más dirigido, propio de las asignaturas tradicionales. La creatividad y la capacidad de invención son competencias clave en los estudiantes de Ingeniería y Ciencias, que necesitamos desarrollar y potenciar en el entorno universitario. En universidades de todo el mundo los espacios Maker (makerspaces) suponen una oportunidad para ofrecer a los estudiantes una herramienta con la que involucrarse en proyectos prácticos y desarrollar muchas de estas competencias, más complicadas de trabajar en las clases convencionales. Crear un Makerspace queda por completo fuera del ámbito de este proyecto por el esfuerzo y financiación necesarios, sin embargo se han realizado una serie de microtalleres de robótica en torno al Robotarium-UCM. Estos talleres se detallan a continuación. Además, Robotarium-UCM ha sido un espacio de experimentación para algunos estudiantes de la facultad de Físicas, tanto del grado de Físicas como del grado de Ingeniería Electrónica de Comunicaciones. Tanto a nivel individual con proyectos personales como a nivel colectivo, apoyando a un grupo de etudiantes que están en proceso de fundar una asociación de robótica en la Facultad. Se han realizado los siguientes talleres: Taller soldadura y de programación en Arduino. El 27 de octubre, al que acudieron estudiantes tanto de la facultad de Físicas como de la Facultad de Informática, que incluyó la actividad en su Copa de las Casas. Además durante el tercer trimestre del año se apoyó a un grupo de estudiantes de la facultad de Físicas interesados en la robótica en un taller de programación de robots para salir de un laberinto que organizaron para la Semana de la Ciencia. Taller ‘Follow the Leader’. El 12 de febrero se realizó un taller en la Facultad de Informática llamado de programación de Arduino en el contexto de la Semana de la Informática. En este taller los estudiantes programaron los robots para que haciendo uso de los sensores de distancia infrarrojos siguiesen a un robot líder. Taller de programación de robots en simulación. El 7 de febrero en la Facultad de Informática también en el contexto de la Semana de la Informática se realizó un taller de programación de robots en simulación. Taller programado por estudiantes El último de los talleres lo realizaron los propios estudiantes el 30 de abril en la Facultad de Físicas. En la figura 2 pueden verse fotografías de algunos de los momentos de estos talleres. Estamos muy satisfechos de estar despertando en los estudiantes el interés por el RobotariumUCM, de modo que algunos ya están involucrados en su mantenimiento y mejora. Esto, sin duda, contribuirá a su sostenibilidad a medio y largo plazo. 8 Figura 2: Momentos de los talleres de robótica Referencias [1] R. M.-S. F. M.-C. Garrido-Jurado, S. and M. Marín-Jiménez, “Automatic generation and detection of highly reliable fiducial markers under occlusion,” Pattern Recognition, vol. 47, no. 6, pp. 2280–2292, 2014.