Crear una Máquina de dibujo de CNC

Preparar
- Lea este material para el profesor.
- Si lo considera necesario, prepare una lección con el material de primeros pasos que hay en la Aplicación de programación EV3 o el Software de Laboratorio EV3. Así, los alumnos pueden ir familiarizándose con LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Despertar el interés (30 min.)
- Aproveche las ideas de la sección Debate abierto para animar a los alumnos a hablar sobre temas relacionados con este proyecto.
- Explique el proyecto.
- Ponga a los alumnos por parejas.
- Deles tiempo para que digan todas las ideas que se les ocurran.

Explorar (30 min.)
- Pida a los alumnos que creen varios prototipos.
- Anímeles a explorar tanto el montaje como la programación.
- Haga que cada pareja de alumnos monte y pruebe dos soluciones.
- Deles una hoja grande de papel cuadriculado y lápices de colores o rotuladores.

Explicar (60 min.)
- Pida a los alumnos que prueben sus soluciones y elijan la mejor.
- Asegúrese de que son capaces de crear sus propias tablas de prueba.
- Deje tiempo para que cada equipo termine su proyecto y reúna datos para documentar su trabajo.

Desarrollar (60 min.)
- Dé a los alumnos tiempo para que preparen sus informes finales.
- Organice una sesión en la que cada equipo presente sus resultados.

Evaluar
- Valore el trabajo que ha hecho cada alumno.
- Puede usar las rúbricas de evaluación facilitadas para simplificar el proceso.

Las máquinas de control numérico por ordenador (CNC) usan instrucciones preprogramadas para controlar con suma precisión una herramienta a lo largo de uno o más ejes. Se suelen usar en la fabricación integrada por ordenador para convertir un diseño digital creado con ordenador en un objeto físico.

Anime a los alumnos a hacer una lluvia de ideas.

Pídales que se planteen estas preguntas:

• ¿Qué es una máquina de CNC y dónde se usa?
• ¿Cuál es la mejor manera de sujetar un lápiz o rotulador?
• ¿Qué tipo de mecanismo motorizado puede mover el lápiz o el rotulador en dos dimensiones?
• ¿Qué características de diseño garantizan que los movimientos de la máquina sean precisos y se puedan repetir?

Anime a los alumnos a que documenten sus ideas iniciales y expliquen por qué han elegido la solución que van a usar para su primer prototipo. Pídales que describan cómo van a evaluar sus ideas durante el proyecto. Así, mientras revisan y comprueban su trabajo, tendrán información específica que pueden usar para evaluar su solución y decidir si es o no efectiva.

Extensiones de lengua castellana

Para incluir el desarrollo de habilidades en lengua castellana, anime a los alumnos a:

Opción 1

• Usar su trabajo escrito, bocetos o fotos para resumir su proceso de diseño y crear un informe final.
• Crear un vídeo que muestre su proceso de diseño, desde sus ideas iniciales hasta su proyecto final.
• Crear una presentación de su programa.
• Hacer una presentación que relacione su proyecto con aplicaciones reales de sistemas similares y describa nuevos inventos que podrían realizarse tomando como base lo que han creado.

Opción 2
Además, en esta lección los alumnos han creado una máquina de dibujo de CNC. Las máquinas de CNC emplean modelos de diseño asistido por ordenador (CAD) creados por una persona para la producción de piezas, productos y prototipos. Estos modelos CAD están representados por datos almacenados por los ordenadores en redes locales o en la nube.

• Analizar y escribir acerca de las ventajas y desventajas de almacenar dibujos CAD en un solo ordenador frente a hacerlo en una red local y, a su vez, frente a hacerlo en la nube
• Teniendo en cuenta que los colegios y los proveedores de software educativo deben proteger los datos de los alumnos, incluyendo sus dibujos CAD, escribir un ensayo divulgativo que describa la privacidad de los datos y qué relación guarda esta con el almacenamiento online de los encargos de los alumnos
• Comparar y contrastar las preocupaciones relativas a la seguridad de los datos de una empresa de ingeniería que almacene dibujos CAD online respecto de aquellas de un colegio que almacene en línea dibujos CAD de los alumnos

Actividades adicionales de matemáticas

En esta lección los alumnos han creado una máquina de dibujo, pero ¿y si su objetivo fuera crear una máquina que pudiera dibujar formas geométricas específicas? ¿Y si quisieran que su máquina no dejase de mejorar en el dibujo de formas específicas? Una manera de hacerlo sería utilizar un tipo de inteligencia artificial denominada aprendizaje automático. Para utilizar el aprendizaje automático, debe proporcionarse al sistema datos de entrenamiento con el fin de «enseñarle» qué son las formas y cómo determinar si ha producido correctamente una forma específica.

Para incluir el desarrollo de habilidades matemáticas y practicar su aplicación al tema del aprendizaje automático, más concretamente al uso de los datos de entrenamiento, anime a los alumnos a:

• Escribir las definiciones de tres formas geométricas básicas (por ejemplo círculo, cuadrado, triángulo equilátero) e identificar cómo deben cambiarse estas definiciones si se pretende que ayuden a un robot a producir cada forma
• Escribir la definición de una forma geométrica específica de tal manera que pueda ayudar al robot de dibujo a producir tal forma en un tamaño concreto
• Echar un vistazo a las definiciones que acaban de escribir y crear una tabla de datos de entrenamiento que pueda enseñar a sus robots los movimientos necesarios para generar las formas pretendidas

Para relacionar mejor los conceptos y habilidades matemáticos en torno a este tema, haga las siguientes preguntas:

• ¿Qué es la inteligencia artificial? ¿En qué se diferencia de un conjunto de órdenes dictadas? ¿Qué papel desempeñan los modelos matemáticos en la distinción entre la inteligencia artificial y una simple lista de órdenes?
• ¿Qué harías para cambiar el diseño de tu robot de tal forma que pueda observar su entorno y aprender a dibujar las formas que vea?

Ideas de montaje
Dé a los alumnos la opción de montar algunos ejemplos que encontrarán en los siguientes enlaces. Anímeles a explorar cómo funcionan estos sistemas y a hacer una lluvia de ideas sobre cómo estos sistemas podrían inspirarles una solución que puedan desarrollar en la Presentación del diseño.

• Sensor de color 1
• Herramienta de agarre
• Sensor giroscópico
• Sujetalápiz
• Plataforma sube y baja
• Sensor de contacto
• Plataforma giratoria

Consejos para realizar pruebas
Anime a los alumnos a diseñar su propia configuración y procedimiento de prueba para elegir la mejor solución. Estos consejos pueden ayudar a los alumnos a la hora de preparar las pruebas:

• Marcar la posición de la máquina en el papel cuadriculado para cerciorarse de que la colocan en el mismo punto en cada prueba que hagan.
• Usar cuadrículas para identificar cuadrados de 1 cm x 1 cm que sirvan de ayuda para anotar los resultados de cada prueba realizada.
• Crear tablas de prueba para anotar las observaciones.
• Evaluar la precisión de la máquina comparando los resultados esperados con los reales.
• Repetir la prueba un mínimo de tres veces.

Solución de muestra
Esta es una solución de muestra que cumple los criterios de Presentación del diseño:

Programa de muestra MicroPython EV3

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor,
                                 GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

# Configure the turntable motor, which rotates the arm.  It has a
# 20-tooth, a 12-tooth, and a 28-tooth gear connected to it.
turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

# Configure the seesaw motor with default settings.  This motor raises
# and lowers the Pen Holder.
seesaw_motor = Motor(Port.C)

# Set up the Gyro Sensor.  It is used to measure the angle of the arm.
# Keep the Gyro Sensor and EV3 steady when connecting the cable and
# during start-up of the EV3.
gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect whether there is white
# paper under the drawing machine.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when it is pressed,
# telling it to start drawing the pattern.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

def pen_holder_raise():
    # This function raises the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_lower():
    # This function lowers the Pen Holder.
    seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
    wait(1000)

def pen_holder_turn_to(target_angle):
    # This function turns the arm to the specified target angle.
    
    # Run the turntable motor until the arm reaches the target angle.
    if target_angle > gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is greater than the current Gyro Sensor
        # angle, run clockwise at a positive speed.
        turntable_motor.run(70)
        while gyro_sensor.angle() < target_angle:
            pass
    elif target_angle < gyro_sensor.angle():
        # If the target angle is less than the current Gyro Sensor
        # angle, run counterclockwise at a negative speed.
        turntable_motor.run(-70)
        while gyro_sensor.angle() > target_angle:
            pass
    # Stop the motor when the target angle is reached.
    turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)


# Initialize the seesaw.  This raises the Pen Holder.
pen_holder_raise()


# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the Color Sensor detects white paper or a blue
# mark on the paper.
# Second, it waits for the Touch Sensor to be pressed before starting
# to draw the pattern.
# Finally, it draws the pattern and returns to the starting position.
#
# Then the process starts over, so it can draw the pattern again.
while True:
    # Set the Brick Status Light to red, and display "thumbs down" to
    # indicate that the machine is not ready.
    brick.light(Color.RED)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

    # Wait until the Color Sensor detects blue or white paper.  When it
    # does, set the Brick Status Light to green and display "thumbs up."
    while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
        wait(10)
    brick.light(Color.GREEN)
    brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

    # Wait until the Touch Sensor is pressed to reset the Gyro Sensor
    # angle and start drawing the pattern.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)

    # Draw the pattern.
    gyro_sensor.reset_angle(0)
    pen_holder_turn_to(15)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(30)
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(45)
    pen_holder_lower()
    pen_holder_turn_to(60)

    # Raise the Pen Holder and return to the starting position.
    pen_holder_raise()
    pen_holder_turn_to(0)

Es posible que a los alumnos que han disfrutado con la lección les interese explorar estas carreras profesionales:

• Fabricación e Ingeniería (tecnología mecánica)
• Medios de comunicación (medios digitales)

Lista de comprobación de la observación del profesor
Cree una escala que se ajuste a sus necesidades, por ejemplo:

1. Parcialmente superado
2. Totalmente superado
3. Superado con creces

Use estos criterios de logro de resultados para evaluar el progreso de los alumnos:

• Los alumnos son capaces de evaluar soluciones de diseño rivales basándose en criterios priorizados y soluciones de compromiso.
• Los alumnos son autónomos a la hora de desarrollar una solución creativa que funciona.
• Los alumnos son capaces de expresar sus ideas con claridad.

Autoevaluación
Cuando los alumnos hayan reunido varios datos sobre el funcionamiento, deles tiempo para que analicen sus soluciones. Ayúdeles planteando preguntas como:

• ¿Cumple tu solución los criterios de Presentación del diseño?
• ¿Puedes hacer que los movimientos de la máquina sean más precisos?
• ¿Cómo han resuelto otros este problema?

Pida a los alumnos que hagan una lluvia de ideas y documenten dos formas de mejorar sus soluciones.

Comentarios de los compañeros
Facilite un proceso de revisión con los compañeros en el que cada grupo tenga que evaluar sus propios proyectos y los de otros. Este proceso de revisión puede ayudar a los alumnos a desarrollar habilidades de crítica constructiva y mejorar sus habilidades de análisis y capacidad de usar datos objetivos para justificar un argumento.