Crear una Máquina clasificadora

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.
- Dé a los alumnos vasos o algún otro recipiente para dejar los objetos clasificados.

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 clasificadoras pueden ordenar los objetos teniendo en cuenta propiedades como el tamaño, el peso, la calidad o el color. Usan una serie de sensores para medir estas propiedades y luego clasificar cada objeto en la categoría correcta.

Anime a los alumnos a hacer una lluvia de ideas.

Pídales que se planteen estas preguntas:

• ¿Qué colores vas a clasificar?
• ¿Qué tamaños vas a clasificar?
• ¿Qué tipo de mecanismo motorizado puede mover esos elementos?
• ¿Cómo puede detectar la máquina diferentes ubicaciones?
• ¿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

Opción 1
Para incluir el desarrollo de habilidades en lengua castellana, anime a los alumnos a:

• 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
En esta lección, los alumnos han creado una máquina clasificadora. Las industrias alimentaria y agrícola emplean máquinas clasificadoras para la gestión de la producción y distribución de sus productos a gran escala.
Para incluir el desarrollo de habilidades en lengua castellana, anime a los alumnos a:

• Describir la escala de las industrias alimentarias y agrícolas de su municipio y región
• Escoger un producto alimenticio o agrícola concreto a una escala específica, que puede ir de las pequeñas empresas/granjas hasta la producción a nivel nacional o internacional, e investigar los problemas de ciberseguridad relativos a las industrias alimentaria y agrícola (por ejemplo, cómo garantizar la producción segura y fiable de los productos alimenticios)

Actividades adicionales de matemáticas

En esta lección, los alumnos han construido una máquina clasificadora robótica para clasificar objetos en función del color. El aprendizaje automático es una técnica que pueden emplear los ingenieros para construir máquinas que clasifiquen objetos en función de diferencias aún más complejas que el color. Para lograr este objetivo, los desarrolladores utilizan un procedimiento de aprendizaje automático denominado clasificación.
Para incorporar el desarrollo de habilidades matemáticas y explorar el procedimiento de aprendizaje automático conocido como clasificación, anime a los alumnos a:

• Recoger algún tipo de objeto clasificable (por ejemplo rocas, variedades de fruta, pulseras) y, a continuación, rellenar una tabla donde se enumeren las diferencias cualitativas y cuantitativas observables entre los objetos
• Definir qué diferencias observables conduciría a criterios de clasificación (por ejemplo peso, color, tamaño, imperfecciones) “deseados” frente a “no deseados” para cualquier categoría individual de objetos
• Sugerir y quizá construir un nuevo algoritmo de programación y diseño de clasificación para sus robots que les permita clasificar en función de características adicionales, tales como el tamaño o el peso

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.

• Rampa
• Sensor de color 1
• Sensor de color 2
• Cuadrados de color
• Sensor giroscópico
• Sensor de contacto
• Orugas
• 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 el punto para señalar dónde la máquina debería dejar los objetos.
• Usar vasos o algún otro recipiente para dejar los objetos clasificados.
• 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
from pybricks.parameters import (Port, Button, Color, ImageFile,
                                 SoundFile)
from pybricks.tools import wait

# The Color Squares are red, green, blue, or yellow.
POSSIBLE_COLORS = (Color.RED, Color.GREEN, Color.BLUE, Color.YELLOW)

# Configure the belt motor with default settings.  This motor drives
# the conveyor belt.
belt_motor = Motor(Port.D)

# Configure the feed motor with default settings.  This motor ejects
# the Color Squares.
feed_motor = Motor(Port.A)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the belt motor
# has moved the sorter module all the way to the left.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S1)

# Set up the Color Sensor.  It is used to detect the color of the Color
# Squares.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it moves the 2 motors to their correct starting positions.
# Second, it waits for you to scan and insert up to 8 Color Squares.
# Finally, it sorts them by color and ejects them in their correct
# positions.
#
# Then the process starts over, so you can scan and insert the next set
# of Color Squares.
while True:
    # Initialize the feed motor.  This is done by running the motor
    # forward until it stalls.  This means that it cannot move any
    # further.  From this end point, the motor rotates backward by 180
    # degrees.  This is the starting position.
    feed_motor.run_until_stalled(120)
    feed_motor.run_angle(450, -180)

    # Initialize the conveyor belt motor.  This is done by first
    # running the belt motor backward until the Touch Sensor is
    # pressed.  Then the motor stops and the angle is reset to "0."  
    # This means that when it rotates backward to "0" later on, it
    # returns to this starting position.
    belt_motor.run(-500)
    while not touch_sensor.pressed():
        pass
    belt_motor.stop()
    wait(1000)
    belt_motor.reset_angle(0)

    # Clear all the contents from the Display.
    brick.display.clear()

    # Scanning a Color Square stores the color in a list.  The list is
    # empty to start.  It will grow as colors are added to it.
    color_list = []

    # This loop scans the colors of the objects.  It repeats until 8
    # objects are scanned and placed in the chute.  This is done by
    # repeating the loop while the length of the list is less than 8.
    while len(color_list) < 8:
        # Display an arrow that points to the Color Sensor.
        brick.display.image(ImageFile.RIGHT)

        # Display how many Color Squares have been scanned so far.
        brick.display.text(len(color_list))

        # Wait until the Center Button is pressed or a Color Square is
        # scanned.
        while True:
            # Store "True" if the Center Button is pressed or "False"
            # if not.
            pressed = Button.CENTER in brick.buttons()
            # Store the color measured by the Color Sensor.
            color = color_sensor.color()
            # If the Center Button is pressed or one of the possible
            # colors is detected, break out of the loop.
            if pressed or color in POSSIBLE_COLORS:
                break

        if pressed:
            # If the button was pressed, end the loop early.  It will
            # no longer wait for any Color Squares to be scanned and
            # added to the chute.
            break
        else:
            # Otherwise, a color was scanned, so it is added (appended)
            # to the list.
            brick.sound.beep(1000, 100, 100)
            color_list.append(color)

            # It should not register the same color again if it is
            # still looking at the same Color Square.  So, before
            # continuing, wait until the sensor no longer sees the
            # Color Square.
            while color_sensor.color() in POSSIBLE_COLORS:
                pass
            brick.sound.beep(2000, 100, 100)

            # Display an arrow pointing down and wait 2 seconds to
            # allow some time to slide the Color Square into the
            # motorized chute.
            brick.display.image(ImageFile.BACKWARD)
            wait(2000)

    # Play a sound and display an image to indicate that scanning is
    # complete.
    brick.sound.file(SoundFile.READY)
    brick.display.image(ImageFile.EV3)

    # Now sort the bricks using the list of colors that have been
    # stored.  Do this by looping over each color in the list.
    for color in color_list:

        # Wait for 1 second between each sorting action.
        wait(1000)

        # Run the conveyor belt motor to the position that corresponds
        # to the stored color.
        if color == Color.BLUE:
            brick.sound.file(SoundFile.BLUE)
            belt_motor.run_target(500, 10)
        elif color == Color.GREEN:
            brick.sound.file(SoundFile.GREEN)
            belt_motor.run_target(500, 132)
        elif color == Color.YELLOW:
            brick.sound.file(SoundFile.YELLOW)
            belt_motor.run_target(500, 360)
        elif color == Color.RED:
            brick.sound.file(SoundFile.RED)
            belt_motor.run_target(500, 530)

        # Now that the conveyor belt is in the correct position, eject
        # the colored object.
        feed_motor.run_angle(1500, 90)
        feed_motor.run_angle(1500, -90)

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

• Agricultura y Horticultura (tecnología y mecánica agrícola)
• Fabricación e Ingeniería (tecnología mecánica)

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.