Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la educación y simulación en entornos virtuales con ROS: Especificaciones del modelo robot uniciclo Edubot-V4

Abstract

La robótica es una disciplina que viene siendo aplicada a los contextos de aprendizaje desde hace décadas. El uso de robots como tecnología mediadora en los procesos de enseñanzaaprendizaje ha evolucionado notablemente desde entonces, encuadrándose en diferentes perspectivas y aplicaciones. El desarrollo de la creatividad, así como la planificación y la resolución de problemas, o la adquisición de competencias procedimentales relacionadas con el ámbito tecnológico, son algunos de los aspectos que produce la robótica en el ámbito educativo. En el presente artículo describimos el desarrollo de un modelo de robot enmarcado dentro de este ámbito educativo, así como sus características y las aplicaciones. El modelo, cuyo primer prototipo fue iniciado en 2014 se ha desarrollado con componentes de hardware libre y código abierto. El presente artículo muestra las implicaciones de implementar dinámicas de trabajo con robots en ámbitos educativos universitarios, al tiempo que el uso de herramientas de simulación en entornos virtuales e inmersivos, usando librerías de software como ROS o simuladores como Gazebo, incrementa las posibilidades de desarrollar nuevas líneas de trabajo y dinámicas de aprendizaje innovadoras.

Full text

RETOS XXI
EXPANSIÓN POSTMODERNA TECNOLÓGICA,
ESCUELA INCLUSIVA TECNOLÓGICA
DESARROLLO DE UN MODELO DE ROBOT APLICADO A LA EDUCACIÓN Y SIMULACIÓN EN ENTORNOS
VIRTUALES CON ROS: ESPECIFICACIONES DEL MODELO ROBOT UNICICLO EDUBOT-V4
DEVELOPMENT OF A ROBOT MODEL APPLIED TO EDUCATION AND SIMULATION IN VIRTUAL ENVIRON-
MENTS WITH ROS: SPECIFICATIONS OF THE ROBOT UNICICLO MODEL EDUBOT-V4
Volumen 2, 2018.
Enviado: 26/9/2017
Aceptado: 8/3/2018
Carlos Solon Guimarães, José Luis Rubio-Tamayo, Renato Ventura Bayan Henriques,
Liliana María Passerino

DESARROLLO DE UN MODELO DE ROBOT APLICADO A LA EDUCACIÓN Y SIMULACIÓN
EN ENTORNOS VIRTUALES CON ROS: ESPECIFICACIONES DEL MODELO ROBOT
UNICICLO EDUBOT-V4
DEVELOPMENT OF A ROBOT MODEL APPLIED TO EDUCATION AND SIMULATION
IN VIRTUAL ENVIRONMENTS WITH ROS: SPECIFICATIONS OF THE ROBOT UNICICLO
MODEL EDUBOT-V4
Carlos Solon Guimarães1, José Luis Rubio-Tamayo2, Renato Ventura Bayan Henriques3,
Liliana María Passerino4
1 Investigador de Universidad Federal do Rio Grande do Sul (Brasil)
2 Profesor Asociado de Universidad Rey Juan Carlos (España) joseluisrubiotamayo@ciberimaginario.es
3 Investigador de la Universidad Federal do Rio Grande do Sul (Brasil). rventura@ece.ufrgs.br
4 Investigadora de la Universidad Federal do Rio Grande do Sul (Brasil). lpasserino@gmail.com
AÑO 2018 , VOLUMEN 2

Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
Resumen
La robótica es una disciplina que viene siendo
aplicada a los contextos de aprendizaje desde
hace décadas. El uso de robots como tecnología
mediadora en los procesos de enseñanza-
aprendizaje ha evolucionado notablemente
desde entonces, encuadrándose en diferentes
perspectivas y aplicaciones. El desarrollo de
la creatividad, así como la planicación y la
resolución de problemas, o la adquisición de
competencias procedimentales relacionadas
con el ámbito tecnológico, son algunos de los
aspectos que produce la robótica en el ámbito
educativo. En el presente artículo describimos
el desarrollo de un modelo de robot enmarcado
dentro de este ámbito educativo, así como sus
características y las aplicaciones. El modelo,
cuyo primer prototipo fue iniciado en 2014 se
ha desarrollado con componentes de hardware
libre y código abierto. El presente artículo
muestra las implicaciones de implementar
dinámicas de trabajo con robots en ámbitos
educativos universitarios, al tiempo que el uso
de herramientas de simulación en entornos
virtuales e inmersivos, usando librerías de
software como ROS o simuladores como
Gazebo, incrementa las posibilidades de
desarrollar nuevas líneas de trabajo y dinámicas
de aprendizaje innovadoras.
Palabras Clave: educación, sistema interactivo,
robótica, simulación, robótica educativa.
Abstract
Robotics is a discipline that has been
applied to learning contexts for decades. The
use of robots as a technology for approaching
to educational processes, has progressed
since then, and has been part of diverse
approaches and applications. The development
of creativity, the resolution of problems or
acquisition of competences connected with the
technological scope, are some of the features
set out by robotics in the educational domain.
This manuscript describes the development of
a model of robot for educational purposes, as
well as its features and applications. The model,
whose rst prototype was initiated in 2014, has
been developed with free hardware components
and open source. This manuscript shows
implications when implementing work dynamics
with robots in educational university contexts.
Simultaneously, when using tools for simulating
robots in virtual immersive environments, all
together increases possibilities for developing
new lines and dynamics for collaborative and
cooperative work.
Keywords: education, interactive system,
robotics, simulation, educational robotics.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
AÑO 2018 , VOLUMEN 2
INTRODUCCIÓN
Desde finales de los años 40 y principios
de los 50, a partir de aportaciones de
científicos como Walter (1950, 1950b, 1951),
la robótica es objeto de una serie de hitos
que marcarían el enfoque de aplicación y
uso de esta disciplina en diferentes ámbitos,
especialmente en lo que concierne a su
planteamiento como herramienta educativa,
o las implicaciones sociales de la misma. A
partir de entonces, innovaciones y nuevas
propuestas en áreas como la robótica social,
la imitación de la naturaleza para el desarrollo
de máquinas autónomas o el planteamiento
de que los robots pudieran aprender a modo
de inteligencia artificial, los avances en las
aplicaciones de la robótica han tenido una
gran repercusión, hasta el punto de que la
robótica se plantea como un instrumento en
las tecnologías de la educación.
La robótica es, al día de hoy, un área de
conocimiento y desarrollo que deja de estar
exclusivamente ligada a la industria y la
producción para ser aplicada en áreas de
trabajo interdisciplinares. En este contexto,
y desde hace un tiempo, es un instrumento
que actúa como mediador en los procesos de
enseñanza-aprendizaje, como aquellos de
perspectiva constructivista e interaccionista,
y que se centran en aspectos relacionados con
estos últimos, como el learning-by-doing, o la
resolución de problemas con base científico-
tecnológica. Por otra parte, el desarrollo de
entornos virtuales y simuladores plantea la
posibilidad de reforzar un debate en torno a
nuevas posibilidades de acceso en el ámbito
de la robótica, conectando necesariamente
esta disciplina con áreas del conocimiento
emergentes como el internet de las cosas.
Por su parte, las tecnologías de la información
y la comunicación (TIC), especialmente
aquellas en el ámbito digital, también están
potenciando la evolución y el desarrollo
en este campo de la robótica, gracias a la
simulación virtual de componentes que
permiten emular el funcionamiento de robots
sin disponer del dispositivo físico.
El trabajo actual consiste en una
propuesta metodológica centrada en ámbitos
universitarios, con la mediación del uso
de robots y de simuladores en entornos
virtuales. Mediante la implementación de
robots con características específicas, se
pretende potenciar el aprendizaje de áreas
propias del estudio de la ingeniería, como
son la programación, el aprendizaje del
funcionamiento de algoritmos, o la electrónica.
Entre las aproximaciones metodológicas
que se presentan en esta investigación, se
encuentra la teoría socio-histórica de Lev
Vygotsky (en Vygotsky, 1997). Esta propuesta
pedagógica con base epistémica en Vygotsky,
junto con herramientas de hardware y de
software, nos han permitido llevar a cabo
el desarrollo de un sistema de robótica con
fines pedagógicos que se ha denominado
EduBOT, cuya estructura, mecanismos,
proceso de desarrollo y aproximaciones a
la interacción, son descritas a lo largo del
presente artículo.
El período de desarrollo de EduBOT se
lleva a cabo entre marzo de 2014 y junio
de 2017, consistiendo en varias fases que
culminan con la versión V5. Los resultados
parciales y la descripción del modelo en
las etapas del proyecto, correspondiente
a la versión del modelo EduBOT-V2, se
dan a conocer en publicaciones anteriores
(Guimarães et al., 2014).
Las actividades que se desarrollan en
el marco de este proyecto se enfocan en
diferentes áreas y disciplinas. Entre las
áreas de conocimiento que potencia la
implementación de la robótica en procesos
de aprendizaje, se encuentran actividades
relacionadas con la programación, el
prototipado o la capacidad para llevar a cabo y
desarrollar un proyecto, con la robótica como
base. También, la construcción de prototipos
permite a los estudiantes elaborar hipótesis
(lo que les pone en contacto con el método
cientíco) o trabajar de manera colaborativa en
la resolución de problemas. En este contexto,
el aprendizaje mediado por una tecnología
como la robótica nos retrotrae a lo que
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
Vygotsky en los años 30 (en Vygotsky, 1978)
denomina como Zonas de Desarrollo Próximo
(ZDP), permitiendo esa mediación tecnológica
ampliar su radio de actuación. Estas ZDPs,
desde esta perspectiva, se conforman como
espacios de aprendizaje que potencian, de un
lado, la construcción de conceptos cientícos,
potenciando a su vez competencias y
habilidades importantes para las interacciones
sociales y culturales (Vygotsky, 1998).
REVISIÓN DE LA LITERATURA
La robótica aplicada al campo educativo ha
tenido muchas aproximaciones y tiene una
enorme proyección en este contexto, siendo,
tal y como se ha mencionado, un instrumento
para desarrollar procesos de trabajo
constructivistas, y conectar a las personas
con los fundamentos de la tecnología y el
funcionamiento de los sistemas.
Los dispositivos robóticos funcionan, en
ese sentido, y bajo esta perspectiva, como
interfaces, en la medida en que la forma en
que se diseña el robot es en gran parte la
forma en que se plantea esa interacción con el
usuario, profundizando en esa relación entre
la forma y la función. En esta línea, tal y como
arman autores como Cuadrado Alvarado
(2014), la “interfaz es una metáfora de control”,
y, aplicado a este contexto, la robótica es una
disciplina que atribuye unas funciones a un
objeto que interactúa, a modo de hardware,
con un entorno y una serie de usuarios. Bajo
esta perspectiva, el diseño que adapta las
funciones del robot bajo la conguración de
una estructura (hardware) es lo que, en cierta
medida, se corresponde con una interfaz.
La robótica aplicada al contexto de la
educación no es un fenómeno reciente, y han
sido numerosas las perspectivas y líneas de
trabajo bajo las cuales se han desarrollado
proyectos en estas áreas, teniendo en cuenta
esta relación entre conguración de un
dispositivo y las funciones que se le plantean
asignar. Esta relación profundiza, pues, en el
hecho de que la robótica fuera planteada desde
casi sus inicios como un contexto tecnológico
con un gran potencial para desarrollar líneas
de investigación en el ámbito de la educación,
dando lugar a la robótica educativa. Varios
autores (Ahlgren y Verner, 2002, Alimsis,
2013) han planteado, así recientemente,
los retos que presenta la robótica educativa
como medio para desarrollar nuevas líneas de
investigación.
Dentro de las diferentes aproximaciones a
esta área de investigación, estudios de autores
como Chiou (2012) enmarcan la robótica
educativa dentro del contexto de las Tecnologías
de la Información y la Comunicación (TIC).
Otros estudios recientes, como el de Chuah
et al. (2014), se centran en el desarrollo de
un instrumento para el aprendizaje de la
interacción, en este caso, aplicado a casos
como el desarrollo de las habilidades sociales
en niños autistas, incidiendo de nuevo en esa
idea de robot como dispositivo de interacción.
También trabajos como los de Denis y Hubert
(2001) o de Goldman et al. (2004) inciden en
este potencial colaborativo de la robótica, y
otros estudios, como los de De Cristoforis et
al. (2013), analizan la robótica colaborativa
desde la perspectiva del comportamiento
e interacción con los sujetos y/o usuarios.
Esta aproximación a la interacción también
se viene investigando en campos como el
autismo (Kozima et al. 2005), en la medida
en que los robots se constituyen como
dispositivos mediadores entre el usuario y su
entorno. Otros autores, como Oreggia et al.
(2016), plantean la inclusión de la robótica en
el currículum escolar.
La robótica también presenta enfoques de
gran interés en ámbito con otras disciplinas
que tienen relación con las TIC, especialmente
con esta nueva generación relacionadas con
los entornos inmersivos, la realidad virtual o la
telepresencia. En esta línea, estudios como los
de Kaerlein (2012) nos hablan de la aplicación
de la telepresencia al área de la robótica.
En el estudio, el autor plantea este enfoque
interactivo en el que dispositivos de carácter
antropomórco se utilizan como tecnología
para que dos interlocutores remotos se puedan
comunicar.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
AÑO 2018 , VOLUMEN 2
Este contexto de la telepresencia (que
tiene una relación directa con otros ámbitos
de esta nueva generación de TICs como los
entornos inmersivos o la realidad virtual)
en el área de la robótica, profundiza en esa
noción del dispositivo tecnológico (y en este
caso, el dispositivo robótico) como interfaz,
que inuiría, de algún modo, en algunas
decisiones tomadas en lo referente al diseño
de interfaces. Además, este aspecto estaría
intrínsecamente ligado a otras áreas, tales
como el diseño de interacciones, que a su
vez deriva de las funciones potenciales para
las que se congura o se quiere implementar
en el dispositivo, por un lado, y a los medios
técnicos disponibles para desarrollar esa
interfaz. Además, Kaerlein (2012), plantea
una reexión en ese punto, sobre el aspecto
de las interfaces de usuario que clasica
en dos grupos fundamentales: “naturales”
y “tangibles”, y que aplicados al área de la
robótica y estudios de factores como el ya
referido de la telepresencia, sería el resultado
de una conexión continua entre entornos reales
y entornos generados de manera articial,
planteando, además, la relación entre medios
y la noción de inmediatez en el ámbito de la
comunicación y de la relación con el entorno.
METODOLOGÍA DE LA INVESTIGACIÓN
En esta sección se muestra la metodología de
enseñanza-aprendizaje que se viene utilizando
durante las fases de la docencia impartida. En
este caso, la metodología es la que se viene
llevando a cabo, de manera especíca, en los
cursos de Ingeniería de Computación e Ingeniería
de Control y Automatización en la Universidad
Federal do Río Grande do Sul (UFGRS, Porto
Alegre, Brasil). Durante el proceso se estuvo
reexionando sobre las diversas formas de
ofrecer a los estudiantes, en las primeras
etapas del grado, actividades que faciliten la
asimilación de conceptos cientícos a partir de
nociones fundamentales basados en el uso de la
tecnología robótica. Este proceso de asimilación
e interiorización de conceptos cientícos, que
parte de teorías como la teoría socio-histórica
desarrollada por Vygotsky alrededor de los años
20 (en Vygotsky, 1997), se potencia a través de
la acción mediadora del modelo de robot usado
en la investigación (EduBOT) y de las actividades
que permiten la interacción entre los sujetos.
El uso de la robótica en la educación requiere de
una planicación atenta y esmerada para todas y
cada una de las etapas del proceso de enseñanza-
aprendizaje. Este uso de la robótica no se limita al
montaje y ensamblaje de prototipos, sino, sobre
todo, cómo y qué conceptos se pueden abordar a
la hora de concebir la elaboración de llos mismos
y la forma como esos conceptos se relacionan
para planicar una hipótesis de solución de un
problema. Así, para que la robótica pueda ser
un instrumento de mediación en el proceso
de enseñanza-aprendizaje, se propone una
metodología (que se muestra en la gura 1) en la
que se diferencian algunas etapas fundamentales,
que son la presentación de los artefactos,
presentación de los desafíos y validación de las
propuestas de los grupos. La formación de los
Grupos Colaborativo tiene como nalidad el diseño
y la estructuración de los laboratorios, denición
de las diferentes herramientas que forman parte
del proceso, producción de los recursos que van
a ser empleados, realización de test de lógica y
programación para el uso de un robot móvil en un
laberinto y, nalmente, la evaluación del proceso
en su conjunto, mediante la resolución colectiva
por medio del trabajo grupal.
La metodología desarrollada tiene un enfoque
cualitativo, basada en la investigación-acción,
denida por Thiollent (2005) como un “tipo de
investigación social con base empírica y que es
concebida y realizada en estrecha asociación con
una acción o resolución de un problema colectivo”,
donde los investigadores se encuentran implicados
ya sea de modo cooperativo o participativo. En
este caso, las evaluaciones se realizan mediante
un proceso que consta de varias partes, como el
desarrollo y la elaboración de trabajos en grupo,
el envío de informes de las actividades que han
sido realizadas, una serie de pruebas de carácter
individual y, en la última fase, una presentación
nal de los trabajos que se han desarrollado,
en donde se analizan los diferentes conceptos
técnico-cientícos y la manera que estos han sido
interiorizados, asimilados y comprendidos por los
estudiantes.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
Por otro lado, y en lo referente al modelo de
robot desarrollado durante el periodo relativo
a este estudio, plantear el uso de este tipo de
modelos de robots en la educación presenta, entre
otras ventajas, la de que tiene un coste reducido,
de manera que pueda ser accesible a un número
elevado de organismos, colectivos, instituciones,
y usuarios a nivel particular. El uso de hardware y
software libre y el hecho de que gran parte de los
componentes hayan sido elegidos, en la medida
en que puedan ser accesibles para los centros
educativos, es otro de los planteamientos en los
que la propia robótica educativa tiene que incidir.
El hecho de facilitar el acceso e implementación
de la robótica educativa dentro de las TICs
también surge a partir de la posibilidad de usar
simuladores de robots virtuales (muchos de
ellos de código abierto) que posibiliten formas
de trabajar con robots sin necesidad de tener el
dispositivo de manera física.
ESTRUCTURA DEL PROYECTO
Descripción
La plataforma EduBOT-V4 se dene como
un robot móvil de tipo no holonómico con
accionamiento diferencial, y que usa las ruedas
como sistema de locomoción (Guimarães, 2015).
El modelado del Sistema Embebido del modelo
EduBOT se presenta en la gura 2, cuyo diagrama
de implantación dene las relaciones entre los
componentes de software y hardware.
Con la pretensión de desarrollar una cinemática
de carácter más sintética, la conguración por la
que se optó fue la de un modelo de tipo uniciclo
(Secchi, 2008), compuesto por dos ruedas jas
de carácter convencional, posicionadas sobre
un mismo eje, y que son accionadas de forma
independiente -lo que se denomina mecanismo
diferencial- (Barros, 2014). Esta conguración
utiliza uno o más elementos de contacto con la
supercie, de manera que le pueda conferir al
robot la estabilidad deseada (Nourbakhsh &
Siegwart, 2004). A nivel general, se emplean
una o más ruedas pasivas, ya sea de carácter
orientable y no centrada, o bien de tipo esférico,
tal y como se especica en la gura 2. El robot
móvil EduBOT ha sido modelado mediante un
software de diseño mecánico CAD, que se basa
en la computación paramétrica. El desarrollo de
las formas tridimensionales con el software CAD
se ha realizado a partir de formas geométricas
elementales, que luego han sido ensambladas
para construir el dispositivo. Desde el inicio del
proyecto, tanto los diseño mecánicos, como
electromecánicos del EduBOT han sido objeto
de modicaciones y mejoras, centrando dichas
Figura 1. Estructura de la Propuesta de Metodología de Enseñanza, propuesta por Thiollent (2005) y otros, y donde se muestran tres
áreas fundamentales diferenciadas: por un lado, los Conceptos Tradicionales (en donde se enmarca la presentación de la tecnología
que va a ser ulizada), el Proceso de Internalización (en donde se enmarcan los propios desaos propuestos por la tecnología) y, como
tercer estrato del proceso, los conceptos que enen relación con la validación.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
AÑO 2018 , VOLUMEN 2
mejoras en la estructura mecánica, por un lado, y
en aspectos relacionados con el rendimiento del
robot. La versión correspondiente a la fase actual
de desarrollo del EduBOT puede ser observada
en las gura 3.
Simulación del Robot en Entornos
Virtuales: ROS (Robot Operating
System), STDR, y Gazebo
La evolución de la robótica en el campo de
la educación plantea cuestiones de interés
que ponen de maniesto su relación directa
con las tecnologías digitales (TICs), y que,
necesariamente, se hace preciso conectar, tal
y como se ha explicado. La robótica, como área
tecnológica relacionada de forma directa con
otras áreas, no es ajena a la evolución de las
tecnologías digitales, y se desarrolla de manera
paralela, en un proceso de retroalimentación
entre tales tecnologías digitales, los dispositivos
de hardware y los métodos de investigación y
de proyección de actividades. De este modo,
la emergencia de simuladores y de entornos
virtuales e inmersivos, y su aplicabilidad a
cada vez más campos del conocimiento y de la
ciencia, viene teniendo también un impacto de
gran calado en la propia robótica, en la medida
en que ésta se puede simular gracias a estos
entornos inmersivos 3D que la trasladan al
espacio virtual.
En el actual proyecto está siendo utilizado
un framework para poner en contexto el
entorno real del robot EduBOT-V4 para los
estudiantes. Este framework viene siendo
utilizado con el ya mencionado Robot Operating
System (ROS), que consiste en una estructura
exible que permite escribir software aplicado
a robots. Así, ROS se basa en una colección
de herramientas, librerías y estándares que
pretenden simplicar el proceso de desarrollo
de acciones y dinámicas en una amplia
variedad de plataformas robóticas. En los test
iniciales, han sido utilizados dos simuladores
integrados en el ROS, un simulador y un multi-
robot 2D simple, exible y escalable, y, por otro
lado, un simulador 3D realista con un soporte
de hardware.
Figura 2. Diagrama para la implantación del sistema de control del robot EduBOT. Este diagrama, además de ayudar a entender las
relaciones entre los diferentes componentes de hardware y soware del modelo ulizado, también ayuda a comprender y sintezar las
propias funciones del mecanismo, incorporando la perspecva de disciplinas como el diseño de interacciones, en el que la interacción
dene la función de un sistema, y éste especica el componente que va a ser usado para el mismo.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
A - ROS Simulador 2D STDR (Simple
Two-Dimensional Robot Simulator:
El STDR Simulator (STDR 2017) implementa
una arquitectura distribuida basada en
el modelo de diseño de software cliente-
servidor, permitiendo que cada nodo pueda
ser ejecutado en una máquina diferente y
comunicarse a través del uso de las interfaces
ROS. El simulador de STDR proporciona a
su vez una interfaz gráca de usuario (GUI-
Graphical User Interface), desarrollada
en QT, que permite la visualización de los
componentes, entre otras funciones. La gura 5
muestra el proceso de ejecución del simulador
STDR para la navegación de un robot, donde
el STDR proporciona varios lanzadores (que
van incluidos en el paquete stdr_launchers)
para abarcar escenarios de uso básicos,
ejecutándose la ventana GUI STDR.
La GUI no es precisa para que se ejecute
el simulador, pudiendo ser sus funciones
ejecutadas usando herramientas en líneas
de comando, que son proporcionadas por el
paquete. El uso del simulador STDR tiene dos
principales enfoques:
● No pretende ser el simulador con mayor
grado de realismo, por un lado, ni, por
otro, el que incorpore un mayor número de
funcionalidades. Lo que se pretende, mediante
el uso de este simulador, es poder simular
uno o más robots de manera simplicada, y
minimizando las acciones necesarias que un
investigador en el área debe ejecutar para
iniciar la experiencia. Aparte de este hecho, el
STDR puede funcionar de dos maneras, con o
sin entorno gráco, lo que a su vez permite que
las experiencias ocurran utilizando conexiones
a través del protocolo de red.
● El simulador STDR se desarrolla de
forma que sea totalmente compatible con
ROS. Los robots y los sensores emiten una
transformación (tf) ROS, un paquete que
permite al usuario observar los múltiples
cuadros de coordenadas a lo largo del tiempo,
siendo todas las medidas publicadas en temas
ROS. De esta forma, la STDR, utiliza todas las
ventajas de ROS, apuntando a un uso fácil con
una estructura robótica más avanzada. Esta
compatibilidad con ROS también sugiere que la
GUI y el servidor STDR pueden ser ejecutados
en máquinas diferentes, pudiendo, a su vez,
el STDR trabajar junto con el ROS Rviz para
visualizaciones.
Figuras 3 y 4. Diseño en CAD 3D del robot EduBOT-V3 y V4. En la gura 3 se presenta el robot con la placa Arduino. En la gura 4, se
presentan modicaciones, como la integración de la placa Venturino (UFRGS) y cambios en componentes como las ruedas.
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
AÑO 2018 , VOLUMEN 2
B - ROS Simulador 3D GAZEBO
Gazebo puede simular uno o varios robots
en un entorno 3D, presentando una elevada
capacidad de interacción dinámica entre
objetos. El simulador posibilita testar de manera
rápida, realizar proyecciones de robots, realizar
test de navegación y entrenar el sistema
mediante el uso de escenarios realistas.
Gazebo ofrece también la capacidad de simular
de forma precisa y eciente grupos de robots
en entornos internos y externos complejos,
con un motor de física consistente, grácos
de alta calidad e interfaces programáticas.
Gazebo suministra un paquete para trabajar
en el entorno ROS, iniciando un nodo llamado
igualmente “gazebo” que inmediatamente, a su
vez, abastece a las interfaces de ROS. A su vez,
a API ROS permite que un usuario manipule las
propiedades del entorno de simulación, además
de permitir la observación sobre el estado de
cada modelo dentro del entorno. La gura 6
muestra la ejecución del simulador Gazebo
para la navegación del robot EduBOT, después
de congurar variables de entorno ROS y
Figura 5. Interfaz gráca de usuario (GUI) y de ejecución del simulador STDR en ROS.
realizar el accionamiento de Gazebo, se inicia
el simulador con una ventana GUI.
El diseño del modelado de mecánica 3D del
EduBOT, es, posteriormente, exportado a STL
(Standard Tessellation/Triangulation Language),
consistente en un formato de archivo 3D que
usa una serie de triángulos para realizar una
descripción de las supercies externas de un
modelo de 3D. Así, de este modo, el robot 3D en
STL es importado dentro de un entorno virtual
de Gazebo junto con URDF (Universal Robotic
Description Format), que consiste en un formato
de archivo XML utilizado en ROS para describir
todos los elementos del robot.
Además, y dentro del contexto del uso de
estos simuladores, es importante resaltar el
valor de la función para el desarrollo del sistema
o del dispositivo. A partir de una necesidad
aplicada de interacción con el entorno y el
diseño de unas características previas de este
sistema, se pueden simular robots que han
sido diseñados previamente mediante otros
procedimientos, así como testarlos, además
de tener la posibilidad, a través del uso de
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Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
la plataforma, de concebir nuevos modelos
de robots que presenten nuevas funciones, y
testarlos antes de desarrollarlos e implantarlos.
SIMULADORES DE ROBOTS
APLICADOS AL ÁMBITO DE LA
INVESTIGACIÓN Y LA EDUCACIÓN
Existen otros simuladores virtuales de robots,
algunos de ellos aplicados exclusivamente
al campo educativo, como pueden ser Robot
Virtual World (RBO) o el Virtual Robotics
Toolkit de Lego. Las investigaciones en
este campo vienen dando resultados bajo
diferentes perspectivas, fundamentalmente
desde la primera década del siglo XXI. Así,
investigaciones como las de Gamez et al.
(2006) desarrollan dos herramientas para
simular robots inspirados en la biónica. Otros
estudios, se centran en el desarrollo de estos
entornos, como es el caso de USARSim
(Carpin y Lewis, 2007). Por su parte, Tikhanoff
et al. (2008) desarrollan también un simulador
de código abierto para investigación en el área
de robótica cognitiva, denominado iCub (en
Tikhanoff et al., 2008), y otros autores como
Freese et al (2010) desarrollan una plataforma
para la experimentación con robots virtuales,
con el nombre de V-rep.
En cuanto a desarrollos más recientes de
simuladores virtuales de robots aplicados al
campo de la investigación y la experimentación
en tecnología, encontramos ejemplos como
Roborobo!, un simulador de robots destinado
a ser usado, fundamentalmente, en robótica
colectiva o en robótica de enjambres (Bredeche
et al 2013). Mendonça et al. (2013) desarrollan
un simulador basado en el ya mencionado
framework ROS para aplicarlo, de manera
especíca, a físicas en entornos simulados en
desplazamiento e interacción en aire y entornos
acuáticos. En otra línea, Collins et al (2016)
también realizan su aportación con Rebots,
un simulador enfocado de manera especíca
a robots autocongurables. Y, en lo que en la
búsqueda de aplicaciones de la robótica en
ámbitos especícos, Jeon y Lee (2017) aplican
los simuladores de robots y los frameworks a
áreas como la logística hospitalaria.
IMPLEMENTACIÓN EN EL
CONTEXTO DE LA UFGRS: BREVE
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
Tal y como se ha explicitado, el proyecto
pretende implementar dinámicas de trabajo
colaborativo en clase. Durante el proceso de
trabajo en grupo, se realizan varias acciones
orientadas a abordar los diferentes aspectos
de la metodología. Así, en la fase inicial de
Figura 6. Interfaz Gráca y ejecución del simulador Gazebo en ROS con EduBOT.
83

Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
AÑO 2018 , VOLUMEN 2
la disciplina, los estudiantes son divididos
en grupos, para, posteriormente, introducir
los simuladores en las aulas. En la etapa
final, posteriormente a la fase de testeo, de
las aplicaciones de los artefactos y de los
desafíos propuestos en la metodología, los
estudiantes inician la parte práctica de los
test con un robot EduBOT en un contexto
real, utilizando un laberinto construido en
madera como entorno de experimentación,
tal y como se muestra en la figura 7. La
configuración de los grupos se realiza de
manera espontánea, o bien pueden ser
formados por el profesor. Por otro lado, se
deben mantener como meta la capacidad de
abordar y confrontar las diferencias para que
los procesos puedan conducir al surgimiento
de nuevos hallazgos, perspectivas, ideas, y
la emergencia de nuevas ZDPs.
A su vez, estos grupos tienen que
desarrollar algoritmos que posibiliten al
robot, de una forma autónoma, llevar a cabo
un desplazamiento por el laberinto, partiendo
desde un punto de origen hasta una única
salida disponible. El objetivo principal dentro
del proyecto final es el desarrollo de una
serie de algoritmos que permitan al robot
desplazarse por el laberinto y salir del mismo
en el menor tiempo posible. Estas actividades
y retos plantean que los y las estudiantes
promuevan el sentido crítico, así como
capacidades asociadas a la metacognición,
a la colaboración y al trabajo en equipo,
fomentando de este modo el desarrollo de
capacidades y aptitudes relacionadas con
la formación en ámbitos no técnicos y la
formación en competencias humanas, que
84
va ligada de manera implícita a la formación
académica en el ámbito universitario.
CONCLUSIONES Y DISCUSIÓN
La aplicación del campo de la robótica
en áreas como la educación, y el uso de
simuladores, abre la puerta a numerosas
proyecciones que pueden suponer un salto
cualitativo en la forma y las perspectivas en
que la tecnología se aplica en los diferentes
contextos. Los procesos de aprendizaje
con tecnologías de la información y la
comunicación, no solamente precisan de
reformular, de manera constante, el uso y
la implementación de la propia tecnología,
sino que también, plantear los siguientes
pasos en los que es posible innovar, además
de contribuir a ampliar el marco definitorio
de lo que se corresponden con tecnologías
de la información y de la comunicación. A
este respecto, si recientemente venimos
observando un contexto en el que las TICs
se han encuadrado, fundamentalmente, en
lo que venía siendo el uso de equipos de
sobremesa y laptops, actualmente la idea
es ampliar el término a toda tecnología
susceptible de ser usada en un contexto
educativo, lo que evidentemente abre, desde
hace tiempo, numerosas posibilidades en el
campo de la educación.
Por otro lado, no se puede plantear la
robótica sin hacer referencia a conceptos que
se encuentran, de una manera cada vez más
visible, conectados a la propia naturaleza de
esta área tecnológica. Entre estos conceptos
Figura 7. Documentación del proceso descrito en la estructura del proyecto con EduBOT V-4.

Desarrollo de un modelo de robot aplicado a la Educación y simulación en entornos virtuales
RETOS XXI
cabe destacar el internet de las cosas, que es
un área que proyecta numerosas posibilidades
de cara a futuras investigaciones, además de
los casos ya mencionados de la simulación
o los entornos inmersivos. En el caso del
internet de las cosas, la robótica tiene una
proyección de gran interés en la medida en
que es un vector de gran relevancia para
conectar el mundo físico con información
y elementos generados de manera digital,
incidiendo en el incremento de posibilidades
de esta interconexión entre ambos mundos
(Kopetz, 2011), e, incluso, de la conexión de
los objetos cotidianos para redenir su uso
(Xia et al., 2012), donde la robótica presenta
un rol fundamental. Esta conexión entre los
objetos físicos y la información digital también
ha sido abordada por autores como Gubbi
et al. (2013), en donde la disciplina de la
robótica va a presentar un rol relevante en los
próximos años conectando estas áreas.
En el contexto del actual proyecto, tal
y como se ha explicitado, la metodología
de trabajo descrita viene siendo aplicada
semestralmente desde el año 2014, dentro
de las disciplinas Introducción a la Ingeniería,
de los cursos de Ingeniería de Computación
e Ingeniería de Control y Automatización
en la UFRGS. En base a las evaluaciones
realizadas por los monitores del Programa
de Post-Graduado en Ingeniería Eléctrica
(PPGEE), las observaciones a lo largo del
transcurso de las clases, o los testimonios de
las personas que participaron en el proceso,
se pudo percibir en los alumnos un incremento
en su interés por los contenidos que fueron
abordados en clase. Otros aspectos que
fueron observados fue el incremento del
rendimiento o de la creatividad, así como un
desempeño más óptimo en el desarrollo de
las actividades. Entre los trabajo futuros que
se plantean dentro de esta línea de trabajo,
se incluye un análisis de tipo cuantitativo
sobre varios aspectos relacionados con la
motivación y la implicación de los estudiantes,
enfocándose en factores como las tasas
de abandono, o, por otro lado, la calidad y
originalidad de los proyectos desde diferentes
perspectivas y enfoques.
Colaboradores en el Desarrollo del
Proyecto EduBOT-V4
Carlos Eduardo Pedroso de Oliveira,
Gabriel Figueiredo Schmitz, Guilherme Alan
Ritter, Maik Basso.
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