Ejercicios: Robots y placas controladoras

Explica con tus palabras qué tres cosas hace un robot para que lo consideremos robot: percibir su entorno, procesar esa información y actuar sobre el mundo. Aplícalo a un robot aspiradora: con qué «siente» la habitación, qué «decide» y qué «hace».

La figura muestra la cadena de funcionamiento de un robot móvil que esquiva obstáculos, pero el eslabón central está tapado.

Indica qué elemento del robot está tapado en la cadena (su «cerebro») y explica el papel de cada uno de los tres eslabones: qué datos recoge el sensor, qué hace el elemento tapado con esos datos y qué orden reciben los motores cuando hay un obstáculo cerca.

Los sensores son los «sentidos» del robot. Relaciona cada sensor con lo que percibe: (a) sensor de distancia por ultrasonidos, (b) sensor de luz, (c) sensor de contacto o pulsador y (d) sensor de inclinación, con estas situaciones: el robot detecta que se ha caído de lado, nota que ha chocado con la pared, mide a qué distancia está el obstáculo y distingue el día de la noche.

Los actuadores son las partes del robot que actúan sobre el mundo. Clasifica estos elementos en sensor o actuador: motor, bocina, sensor de temperatura, luces LED, sensor de distancia, vibrador de celular y cámara. Explica la diferencia general entre unos y otros con una frase.

La placa controladora (como micro:bit o Arduino) es el cerebro del robot. Explica qué es una placa controladora con tus palabras: qué tres cosas conectamos a ella (sensores, actuadores y el programa que escribimos) y por qué se dice que es programable: ¿quién decide lo que hace el robot, la placa o quien la programa?

Decide cuáles de estos aparatos son robots y cuáles no, justificándolo con la cadena sentir-decidir-actuar: (a) un robot aspiradora, (b) un carro a control remoto, (c) un semáforo que cambia solo con el tiempo y (d) un dron que mantiene la altura él solo. ¿Qué les falta a los que no son robots?

Programamos el robot por bloques: una secuencia es «avanzar 2 segundos, girar 90° a la derecha, avanzar 2 segundos». Describe el camino que dibujará el robot en el suelo al ejecutar esa secuencia dos veces seguidas y explica qué diferencia hay entre una secuencia y un bucle en un programa de movimientos.

Una computadora normal también tiene entradas y salidas (teclado, pantalla), pero no es un robot. Explica la diferencia clave: el robot actúa físicamente sobre el mundo (se mueve, agarra, enciende mecanismos) mientras que la computadora trabaja sobre todo con información. Pon dos ejemplos que ilustren esa diferencia.

La figura muestra el diagrama de flujo del programa de un robot que esquiva obstáculos, pero la pregunta del rombo está tapada.

Escribe la pregunta que debería ir en el rombo para que el robot funcione (qué mide el sensor y con qué valor se compara) y explica el comportamiento completo del robot con ese diagrama: qué hace cuando no hay nada delante y qué hace en cuanto detecta un obstáculo.

El programa «seguir la pared» repite por siempre esta lógica: si el sensor de la derecha ve la pared lejos, girar a la derecha; si la ve cerca, girar a la izquierda; si no, seguir recto. Explica qué papel juegan el bucle «por siempre» y los condicionales, y describe qué camino hará el robot al lado de una pared con un recodo.

El sensor de ultrasonidos mide la distancia al objeto más cercano: emite un pitido y mide cuánto tarda el eco en volver. Explica qué dato le llega al programa (un número: los centímetros) y escribe dos reglas de decisión que use ese dato: una para parar el robot antes de chocar y otra para que avance solo si el pasillo está despejado.

Quieres que el robot dibuje un cuadrado en el piso con un plumón. Escribe el programa usando un ciclo «repetir 4 veces»: qué dos órdenes van dentro del ciclo (avanzar y girar) y qué ángulo debe girar cada vez. Explica qué cambiaría en el programa para dibujar un triángulo equilátero en lugar de un cuadrado.

micro:bit y Arduino son las dos placas escolares más usadas. Compara lo que sabes o investiga sobre ellas: cuál trae ya luces, botones y sensores integrados lista para usar sin cables y cuál es más abierta para montar circuitos con componentes. Elige una para tu primer robot esquiva-obstáculos y justifícala.

El robot siguelíneas funciona en el aula pero falla en el pasillo: el suelo es distinto y hay más luz. Explica por qué los robots hay que probarlos y ajustarlos en el lugar real donde van a trabajar (los sensores leen valores distintos según el suelo y la luz) y qué es «calibrar» un sensor antes de la prueba.

Clasifica estos componentes de un robot en entradas (llevan información a la placa) o salidas (reciben órdenes de la placa): botón de marcha, sensor de línea, motor de la rueda, luz LED de estado, zumbador y sensor de choque. Explica qué relación tiene esa clasificación con la cadena sentir-decidir-actuar.

Describe el ciclo completo sentir-decidir-actuar de un robot aspiradora durante un minuto de trabajo: qué sensores usa (distancia, choque, desnivel de las escaleras), qué decisiones toma con esos datos (cambiar de dirección, volver a la base si le queda poca batería) y qué actuadores mueve en cada caso.

La figura muestra, vista desde arriba, un robot siguelíneas con dos ruedas motrices independientes y dos sensores infrarrojos (a y b) que distinguen la línea oscura del suelo claro.

Un grupo de clase ha programado el robot con esta regla: «Si el sensor a (izquierdo) detecta negro, enciende a tope el motor izquierdo para corregir el rumbo; si el sensor b (derecho) detecta negro, enciende a tope el motor derecho». Al probarlo, el robot se sale de la pista hacia la derecha en la primera curva a la izquierda.

1. Justifica por qué falla el razonamiento del grupo: ¿hacia qué lado gira realmente un robot diferencial cuando aceleras solo la rueda izquierda y qué debería hacer cada motor para girar a la izquierda?

2. Diseña la tabla de control completa para los dos motores (motor izquierdo y motor derecho: avanzar, parar o retroceder) ante los 4 casos posibles de los sensores a y b (blanco/blanco, negro/blanco, blanco/negro, negro/negro).

3. Alguien afirma: «Es imposible que un robot siga una línea con un único sensor». Demuestra que esa afirmación es falsa explicando qué estrategia de movimiento tendría que seguir un robot con un solo sensor infrarrojo para mantenerse sobre la pista.

Diseña el programa de un ventilador automático con micro:bit: debe encender el ventilador cuando la temperatura supere los $28\ \text{°C}$ y apagarlo cuando baje de $25\ \text{°C}$. Escribe la lógica con bucles y condicionales (en palabras, no en código) y explica por qué se dejan dos umbrales distintos en lugar de uno solo (qué pasaría si encendiera y apagara con el mismo valor exacto).

El robot esquiva-obstáculos choca siempre por el lado derecho. Haz el diagnóstico como una ingeniera: enumera tres causas posibles ordenadas de más a menos probable (un motor más lento, el sensor mal orientado, un error en el programa de giro) y describe la prueba concreta que harías para descartar cada una sin desmontar el robot.

Una empresa de reparto prueba dos cuadricópteros durante un día con viento racheado de $35\ \text{km/h}$:

• Dron A (radiocontrolado): un operador en tierra observa el vuelo con prismáticos y mueve las palancas de la emisora para compensar los desvíos.

• Dron B (autónomo): no tiene mando a distancia; su microcontrolador lee 100 veces por segundo un acelerómetro, un giróscopo, un barómetro y un receptor GPS para gobernar los cuatro motores de forma independiente y mantenerse en un punto fijo.

• Predice qué ocurrirá con cada dron cuando una ráfaga súbita de viento empuje a ambos $2\ \text{m}$ hacia un lateral: compara la rapidez de reacción y la precisión de ambos sistemas explicando la causa de la diferencia.

• Identifica en el Dron B la cadena de control completa: qué variables físicas miden sus sensores, qué cálculo u orden genera el procesador y qué hacen los actuadores para corregir la inclinación.

• A partir del concepto de sistema de control automático en lazo cerrado frente al lazo cerrado por un operador humano (teleoperación), justifica por qué el Dron B es estrictamente un robot según la definición tecnológica y por qué es un error publicitario llamar «robot» al Dron A.

Un robot móvil equipado con un sensor de ultrasonidos avanza en línea recta hacia una pared a una velocidad fija de $40\ \text{cm/s}$. El sensor tarda $0.05\ \text{s}$ en realizar y procesar cada medición, y los motores necesitan $0.30\ \text{s}$ adicionales para frenar y cambiar el sentido de giro una vez que la placa emite la orden.

1. Calcula la distancia que recorre el robot desde el instante en que el sensor detecta un obstáculo hasta que el robot se detiene por completo.

2. En el programa del robot se ha fijado la instrucción: «si distancia < $12\ \text{cm}$, entonces frena y gira». Predice con datos numéricos si el robot chocará contra la pared o si logrará esquivarla a tiempo, y calcula cuál es el umbral de distancia mínimo seguro que debería tener configurado.

3. Si el robot dispone de dos modos de velocidad ($15\ \text{cm/s}$ y $60\ \text{cm/s}$), explica por qué un umbral de distancia fijo es inadecuado y diseña una fórmula o regla lógica para que la placa ajuste automáticamente la distancia de frenado en función de la velocidad a la que circule.

Un robot tiene dos sensores a la vez: uno de obstáculos y otro de línea negra en el suelo (que marca un precipicio de juguete). Diseña las prioridades del programa: qué debe mandar si detecta obstáculo y borde a la vez, en qué orden se evalúan las condiciones y qué pasa si el orden de las preguntas se cambia. Justifica tu jerarquía pensando en la seguridad del robot.

Un equipo de diseño crea una prótesis robótica mioeléctrica para la mano de una persona. La prótesis cuenta con un sensor de impulsos musculares en el antebrazo, un microcontrolador, servomotores que mueven los dedos y un sensor de presión en la yema del dedo índice.

1. Describe la cadena funcional completa del sistema cuando el usuario intenta agarrar un huevo: indica qué señal capta el sensor muscular, qué calcula la placa, qué hacen los servomotores y qué información crucial devuelve el sensor de presión a la placa.

2. Predice qué ocurriría si la prótesis funcionara en «lazo abierto» (es decir, sin sensor de presión en los dedos, dependiendo únicamente de la fuerza que haga el músculo del antebrazo del usuario).

3. Imagina que el sensor de presión se avería por un golpe y queda bloqueado enviando siempre una lectura de «$0\ \text{N}$» (presión nula). Analiza el riesgo que esto supone tanto para el objeto como para los motores de la prótesis, y diseña una medida de seguridad (por programa o con un sensor complementario) para evitar daños cuando se produzca este fallo.

«El robot decidió atropellar la maceta»: analiza esa frase hecha en casa y argumenta por qué es engañosa: quién decidió realmente su comportamiento, dónde estaban los límites de sus sensores y de su programa, y qué responsabilidad tenemos quienes programamos máquinas que actúan en el mundo. Termina con dos reglas que debería cumplir todo robot casero.