Exercicis: Robots i plaques controladores

Explica amb les teves paraules quines tres coses fa un robot perquè el considerem robot: percebre el seu entorn, processar aquesta informació i actuar sobre el món. Aplica-ho a un robot aspirador: amb què «sent» l'habitació, què «decideix» i què «fa».

La figura mostra la cadena de funcionament d'un robot mòbil que esquiva obstacles, però la verga central està tapada.

Indica quin element del robot està tapat a la cadena (el seu «cervell») i explica el paper de cadascun dels tres baules: quines dades recull el sensor, què fa l'element tapat amb aquestes dades i quina ordre reben els motors quan hi ha un obstacle a prop.

Els sensors són els «sentits» del robot. Relaciona cada sensor amb el que percep: (a) sensor de distància per ultrasons, (b) sensor de llum, (c) sensor de contacte o polsador i (d) sensor d'inclinació, amb aquestes situacions: el robot detecta que ha caigut de costat, nota que ha xocat amb la paret, mesura a quina distància està l'obstacle i distingeix el dia de la nit.

Els actuadors són les parts del robot que actuen sobre el món. Classifica aquests elements en sensor o actuador: motor, altaveu, sensor de temperatura, llums LED, sensor de distància, vibrador de mòbil i càmera. Explica la diferència general entre els uns i els altres amb una frase.

La placa controladora (com micro:bit o Arduino) és el cervell del robot. Explica què és una placa controladora amb les teves paraules: quines tres coses hi connectem (sensors, actuadors i el programa que escrivim) i per què es diu que és programable: qui decideix el que fa el robot, la placa o qui la programa?

Decideix quins d'aquests aparells són robots i quins no, justificant-ho amb la cadena sentir-decidir-actuar: (a) un robot aspirador, (b) un cotxe teledirigit per comandament, (c) un semàfor que canvia sol amb el temps i (d) un dron que manté l'alçària ell sol. Què els falta als que no són robots?

Programem el robot per blocs: una seqüència és «avançar 2 segons, girar 90° a la dreta, avançar 2 segons». Descriu el camí que dibuixarà el robot a terra en executar aquesta seqüència dues vegades seguides i explica quina diferència hi ha entre una seqüència i un bucle en un programa de moviments.

Un ordinador normal també té entrades i sortides (teclat, pantalla), però no és un robot. Explica la diferència clau: el robot actua físicament sobre el món (es mou, agafa, encén mecanismes) mentre que l'ordinador treballa sobretot amb informació. Posa dos exemples que il·lustrin aquesta diferència.

La figura mostra el diagrama de flux del programa d'un robot que esquiva obstacles, però la pregunta del rombe està tapada.

Escriu la pregunta que hauria d'anar al rombe perquè el robot funcioni (què mesura el sensor i amb quin valor es compara) i explica el comportament complet del robot amb aquest diagrama: què fa quan no hi ha res al davant i què fa així que detecta un obstacle.

El programa «seguir la paret» repeteix per sempre aquesta lògica: si el sensor de la dreta veu la paret lluny, girar a la dreta; si la veu a prop, girar a l'esquerra; si no, seguir recte. Explica quin paper tenen el bucle «per sempre» i els condicionals, i descriu quin camí farà el robot al costat d'una paret amb un revolt.

El sensor d'ultrasons mesura la distància a l'objecte més proper: emet un xiulet i mesura quant triga l'eco a tornar. Explica quina dada li arriba al programa (un nombre: els centímetres) i escriu dues regles de decisió que utilitzi aquesta dada: una per aturar el robot abans de xocar i una altra perquè avanci només si el passadís està lliure.

Vols que el robot dibuixi un quadrat a terra amb un retolador. Escriu el programa utilitzant un bucle «repetir 4 vegades»: quines dues ordres van dins del bucle (avançar i girar) i quin angle ha de girar cada vegada. Explica què canviaria en el programa per dibuixar un triangle equilàter en lloc d'un quadrat.

micro:bit i Arduino són les dues plaques escolars més utilitzades. Compara el que saps o investiga sobre elles: quina porta ja llums, botons i sensors integrats a punt per fer servir sense cables i quina és més oberta per muntar circuits amb components. Tria'n una per al teu primer robot esquivaobstacles i justifica-la.

El robot seguidor de línia funciona a l'aula però falla al passadís: el terra és diferent i hi ha més llum. Explica per què els robots s'han de provar i ajustar al lloc real on treballaran (els sensors llegeixen valors diferents segons el terra i la llum) i què és «calibrar» un sensor abans de la prova.

Classifica aquests components d'un robot en entrades (porten informació a la placa) o sortides (reben ordres de la placa): botó de marxa, sensor de línia, motor de la roda, llum LED d'estat, brunzidor i sensor de xoc. Explica quina relació té aquesta classificació amb la cadena sentir-decidir-actuar.

Descriu el cicle complet sentir-decidir-actuar d'un robot aspirador durant un minut de treball: quins sensors utilitza (distància, xoc, desnivell de les escales), quines decisions pren amb aquestes dades (canviar de direcció, tornar a la base si li queda poca bateria) i quins actuadors mou en cada cas.

La figura mostra, vista des de dalt, un robot siguelínies amb dues rodes motrius independents i dos sensors infrarojos (a i b) que distingeixen la línia fosca del terra clar.

Un grup de classe ha programat el robot amb aquesta regla: «Si el sensor a (esquerre) detecta negre, encén al màxim el motor esquerre per corregir el rumb; si el sensor b (dret) detecta negre, encén al màxim el motor dret». En provar-lo, el robot se surt de la pista cap a la dreta en la primera corba a l'esquerra.

1. Justifica per què falla el raonament del grup: cap a quin costat gira realment un robot diferencial quan acceleres només la roda esquerra i què hauria de fer cada motor per girar a l'esquerra?

2. Dissenya la taula de control completa per als dos motors (motor esquerre i motor dret: avançar, parar o retrocedir) davant dels 4 casos possibles dels sensors a i b (blanc/blanc, negre/blanc, blanc/negre, negre/negre).

3. Algú afirma: «És impossible que un robot segueixi una línia amb un únic sensor». Demostra que aquesta afirmació és falsa explicant quina estratègia de moviment hauria de seguir un robot amb un sol sensor infraroig per mantenir-se sobre la pista.

Dissenya el programa d'un ventilador automàtic amb micro:bit: ha d'encendre el ventilador quan la temperatura superi els $28\ \text{°C}$ i apagar-lo quan baixi de $25\ \text{°C}$. Escriu la lògica amb bucles i condicionals (amb paraules, no en codi) i explica per què es deixen dos llindars diferents en lloc d'un de sol (què passaria si encengués i apagués amb el mateix valor exacte).

El robot esquivaobstacles xoca sempre pel costat dret. Fes el diagnòstic com una enginyera: enumera tres causes possibles ordenades de més a menys probable (un motor més lent, el sensor mal orientat, un error en el programa de gir) i descriu la prova concreta que faries per descartar cadascuna sense desmuntar el robot.

Una empresa de repartiment prova dos quadricòpters durant un dia amb vent ràfec de $35\ \text{km/h}$:

• Dron A (radiocontrolat): un operador a terra observa el vol amb prismàtics i mou les palanques de l'emissora per compensar els desviaments.

• Dron B (autònom): no té comandament a distància; el seu microcontrolador llegeix 100 vegades per segon un acceleròmetre, un giròscop, un baròmetre i un receptor GPS per governar els quatre motors de manera independent i mantenir-se en un punt fix.

• Prediu què passarà amb cada dron quan una ràfega sobtada de vent els empenyi tots dos $2\ \text{m}$ cap a un lateral: compara la rapidesa de reacció i la precisió de tots dos sistemes explicant la causa de la diferència.

• Identifica en el Dron B la cadena de control completa: quines variables físiques mesuren els seus sensors, quin càlcul o ordre genera el processador i què fan els actuadors per corregir la inclinació.

• A partir del concepte de sistema de control automàtic en llaç tancat enfront del llaç tancat per un operador humà (teleoperació), justifica per què el Dron B és estrictament un robot segons la definició tecnològica i per què és un error publicitari anomenar «robot» al Dron A.

Un robot mòbil equipat amb un sensor d' ultrasons avança en línia recta cap a una paret a una velocitat fixa de $40\ \text{cm/s}$. El sensor triga $0,05\ \text{s}$ a fer i processar cada mesurament, i els motors necessiten $0,30\ \text{s}$ addicionals per frenar i canviar el sentit de gir un cop la placa emet l'ordre.

1. Calcula la distància que recorre el robot des de l'instant en què el sensor detecta un obstacle fins que el robot s'atura del tot.

2. En el programa del robot s'ha fixat la instrucció: «si distància < $12\ \text{cm}$, aleshores frena i gira». Prediu amb dades numèriques si el robot xocarà contra la paret o si aconseguirà esquivar-la a temps, i calcula quin és el llindar de distància mínim segur que hauria de tenir configurat.

3. Si el robot disposa de dos modes de velocitat ($15\ \text{cm/s}$ i $60\ \text{cm/s}$), explica per què un llindar de distància fix és inadequat i dissenya una fórmula o regla lògica perquè la placa ajusti automàticament la distància de frenada en funció de la velocitat a la qual circuli.

Un robot té dos sensors alhora: un d'obstacles i un altre de línia negra a terra (que marca un precipici de joguina). Dissenya les prioritats del programa: què ha de manar si detecta obstacle i vora alhora, en quin ordre s'avaluen les condicions i què passa si l'ordre de les preguntes es canvia. Justifica la teva jerarquia pensant en la seguretat del robot.

Un equip de disseny crea una pròtesi robòtica mioelèctrica per a la mà d'una persona. La pròtesi compta amb un sensor d'impulsos musculars a l'avantbraç, un microcontrolador, servomotors que mouen els dits i un sensor de pressió al tou del dit índex.

1. Descriu la cadena funcional completa del sistema quan l'usuari intenta agafar un ou: indica quin senyal capta el sensor muscular, què calcula la placa, què fan els servomotors i quina informació crucial retorna el sensor de pressió a la placa.

2. Prediu què passaria si la pròtesi funcionés en «llaç obert» (és a dir, sense sensor de pressió als dits, depenent únicament de la força que faci el múscul de l'avantbraç de l'usuari).

3. Imagina que el sensor de pressió s'avaria a causa d'un cop i queda bloquejat enviant sempre una lectura de «$0\ \text{N}$» (pressió nul·la). Analitza el risc que això suposa tant per a l'objecte com per als motors de la pròtesi, i dissenya una mesura de seguretat (per programa o amb un sensor complementari) per evitar danys quan es produeixi aquesta fallada.

«El robot va decidir atropellar el test»: analitza aquesta frase feta a casa i argumenta per què és enganyosa: qui va decidir realment el seu comportament, on eren els límits dels seus sensors i del seu programa, i quina responsabilitat tenim els qui programem màquines que actuen al món. Acaba amb dues regles que hauria de complir tot robot casolà.

Repte del tema. Dissenya el prototip virtual d'un robot climatitzador per optimitzar el confort tèrmic de la teva llar fent servir una placa controladora.

1. Recollida de dades reals: Consulta al web oficial d'AEMET les temperatures màximes registrades al teu municipi durant els darrers $3$ dies i calcula'n la mitjana aritmètica (per exemple, $26,4$ ºC). Aquest valor serà el llindar d'activació.

2. Disseny i simulació: Al simulador gratuït MakeCode per a micro:bit (o Tinkercad), planifica l'arquitectura del robot identificant les seves tres parts essencials: placa controladora, sensor (termòmetre intern) i actuador (servomotor simulant l'obertura d'una reixa o avís a la matriu LED).

3. Programació: Programa l'algorisme de control mitjançant blocs. Ha de llegir contínuament la temperatura i, si aquesta supera el llindar calculat, activar l'actuador; en cas contrari, romandrà en repòs.

4. Informe final: Elabora un informe breu (màxim $1$ pàgina a LibreOffice Writer) que inclogui les dades d'AEMET, la justificació dels components triats i una captura de pantalla del codi funcionant al simulador.

Es valorarà:

• Obtenció rigorosa de les dades reals d'AEMET i càlcul correcte del llindar tèrmic.

• Identificació precisa i justificada de la placa controladora, sensors i actuadors del robot.

• Algorisme funcional i sense errors al simulador segons les condicions donades.

• Qualitat tècnica, claredat i ordre en la redacció de l'informe final.