Un prototipo de autobús autónomo

Resumen: Esta actividad ofrece una perspectiva general sobre el uso del sensor de distancia del robot LEGO Mindstorms EV3. El objetivo de la actividad es construir un prototipo de autobús autónomo utilizando el robot LEGO Mindstorms EV3 y facilitar la comprensión de los principios subyacentes (a un nivel muy básico) que guían el comportamiento de los autobuses autónomos.   Palabras clave: Autobús autónomo, LEGO Mindstorms EV3, prototipo, robot. Lista de recursos: Por cada equipo de estudiantes (entre 2 y 4 miembros) un robot LEGO Mindstorms EV3 y un dispositivo de control (iPad, tableta Android, PC con Windows 10 u ordenador Macintosh) con la aplicación LEGO EV3 Classroom instalada.

Los autobuses autónomos son una tipo de vehículos automóviles autónomos. Las primeras pruebas de este tipo de sistemas se remontan a la década de 1920. Sin embargo, el primer automóvil semiautomático no se desarrolló hasta 1977 en Japón. Este automóvil podía conducir hasta a 30 km/h y usaba dos cámaras, un ordenador analógico y un carril elevado para conducir por calles debidamente señalizadas. Con la ayuda de tecnologías digitales avanzadas, entre las que se incluyen las potentes CPU actuales, las cámaras, el big data y la inteligencia artificial, los automóviles autónomos modernos pueden conducir de forma independiente durante miles de kilómetros. Por el momento, dado que la tecnología aún no está lo suficientemente avanzada, no se está investigando demasiado sobre los autobuses autónomos. Sin embargo, su uso podría resultar positivo en ciertos aspectos; por ejemplo, los autobuses autónomos tienen el potencial de disminuir los costes operativos, reducir la congestión vial y reducir las emisiones debidas al transporte (Mouratidis & Cobena Serrano, 2021). Además, los autobuses autónomos podrían reducir la cantidad de accidentes en los que se ven involucrados este tipo de vehículos (Gibson, 2022). En esencia, un autobús autónomo es un robot. Tiene un cuerpo robótico en el que se integra una serie de sensores avanzados que le permiten determinar su posición en la carretera, detectar posibles peligros y estar atento al tráfico que le rodea, incluidos los peatones. Este cuerpo robótico está impulsado por una combinación de software avanzado que incluye visión por ordenador, aprendizaje automático, big data e inteligencia artificial. De forma un tanto rudimentaria, es posible imitar en el aula un autobús autónomo mediante el uso de robots educativos simples (dependiendo de las habilidades, conocimientos y capacidades de los estudiantes). El propósito de tal imitación es introducir el concepto de autobuses autónomos a los estudiantes y animarlos a aprender algunos de los principios conceptos relacionados con la programación y la construcción de robots.

En esta actividad, se utiliza el robot LEGO Mindstorms EV3 para imitar un autobús urbano autónomo que hace un recorrido de ida y vuelta entre dos puntos (por ejemplo, de la escuela a la estación de tren y viceversa). Además, el programa que usamos como ejemplo detecta cuando un peatón pisa la carretera y, para evitar una colisión, detiene el autobús para dejar pasar al peatón y, a continuación, reanudar la marcha. El LEGO Mindstorms EV3 es un kit de robótica popular y de buena calidad con el que es posible construir varios tipos de robots (que caminan, se arrastran, conducen, etc.). En nuestro ejemplo, utilizamos el robot «Driving base» (puede consultar las instrucciones aquí), que tiene dos motores de conducción (que le permiten girar) y varios sensores (que le permiten interactuar de forma básica con el entorno circundante). El comportamiento del robot viene determinado por su programación. En este ejemplo utilizamos la aplicación LEGO EV3 Classroom para programarlo. La programación es sencilla, ya que la aplicación se basa en el popular lenguaje de programación Scratch, que está diseñado para un público objetivo de 8 a 16 años.  El ejemplo dado se puede realizar con otros robots educativos, incluso con el BeeBot, que es un robot para niños de educación infantil. En estos casos, los programas deben simplificarse y personalizarse según los requisitos de los correspondientes lenguajes de programación (o, en el caso del robot BeeBot, debe programarse con sus botones).

El programa está compuesto de tres bloques lógicos que se inician simultáneamente cuando se ejecuta el programa. Cuando diseñe el programa, siga el ejemplo y coloque los tres bloques en la misma página del documento. Al ejecutar el programa del ejemplo, el robot (1) avanza 4 rotaciones de la rueda (en el caso de una rueda estándar de 56 mm de diámetro, esto supone un movimiento de aproximadamente 70 cm); (2) se gira sobre sí mismo; (3) retrocede 70 cm; (4) se gira sobre sí mismo; (5) y se detiene en su posición inicial. El robot analiza el área frente a él mientras conduce. Cuando detecta un peatón, el robot se detiene y emite un pitido hasta que la carretera vuelve a estar despejada. Después, continúa con su recorrido inicial.

Intente modificar el programa para hacerlo más interesante o significativo para sus propios objetivos. Para ello, puede utilizar otros sensores y funcionalidades o características del robot (por ejemplo, intente que siga una línea, cambie el color de las luces LED del robot o haga que el robot muestre una imagen o emita sonidos diferentes). También podría permitir que los operadores humanos controlen el robot a través de un sensor táctil (p. ej., el «autobús autónomo» se detiene cuando el usuario presiona el botón de parada y luego continúa automáticamente o cuando se presiona de nuevo el botón de parada).

Este taller STEAM de actividades de aprendizaje está pensado para que los docentes de secundaria en formación y en servicio se familiaricen con el uso de los robots educativos (RE) como herramientas didácticas. En particular, en esta actividad se introduce a docentes sin experiencia previa en robótica conceptos sobre hardware y software de los RE, aportando ejemplos y discusiones sobre actividades reales realizadas en las aulas.  En este taller, los participantes tienen que construir y programar un prototipo de un autobús autónomo a partir de un robot LEGO Mindstorms EV3. Por lo tanto, su tarea consiste en conseguir que el robot viaje de un punto a otro y que durante el recorrido sea capaz de detectar a los peatones. Como se ha comentado anteriormente, no es necesario que los participantes tengan conocimientos previos sobre programación ni que tengan experiencia previa trabajando con robots. Sin embargo, durante el taller, los participantes se familiarizarán con conceptos de robótica y de programación, utilizando mediciones y cálculos matemáticos simples para crear códigos para los diferentes robots. Se trabajarán cuestiones como el trabajo en equipo (colaborativo), las habilidades para resolver problemas, las habilidades digitales, el aprendizaje a su propio ritmo y la tutoría entre pares. El robot que se utiliza en este taller es el robot LEGO Mindstorms EV3.

Al principio del taller, se les facilita a los participantes el vocabulario, los términos y los conceptos necesarios para usar los robots educativos. A continuación, se explica el papel de los robots educativos (RE) como herramientas de aprendizaje atractivas y cómo su uso puede relacionarse con diferentes temas. Después, se trata el tema de la edad apropiada para utilizar los robots. También se describen los principios de la programación basada en bloques, buscando analogías con el aprendizaje de idiomas y la formación de oraciones. Después, se discute durante unos minutos los conceptos de entradas y salidas de los robots utilizados en el taller y se explica en detalle cómo se puede conseguir que se muevan todos estos robots y qué representa el bloque del bucle (repetición). Por último, pero no por ello menos importante, se comparten en la parte teórica los conocimientos adquiridos a partir de la investigación sobre por qué aún no está generalizado el uso de robots y otros conjuntos STEAM por parte de los docentes. A continuación, se forman tres equipos centrados en los robots (un equipo para cada tipo de robot) y se continúa con la resolución del desafío planteado. Los equipos tienen que ponerse de acuerdo sobre la ruta que debe seguir su robot y los sensores que tiene que utilizar para detectar el entorno que lo rodea. A continuación, deben familiarizarse con el robot que haya seleccionado su equipo y programarlo para que actúe como un autobús autónomo. Para la consecución de la tarea con la mejor solución posible, los participantes deben recurrir a cálculos matemáticos, al uso de la lógica y deben tener una actitud investigadora. Los equipos tienen que presentar sus soluciones a los otros equipos. Finalmente, se lleva a cabo una discusión en grupo en la que, en primer lugar, los miembros de un equipo conversan entre ellos para, a continuación, compartir con todo el mundo sus reflexiones sobre el taller y los beneficios pedagógicos que éste aporta a la enseñanza interdisciplinar, centrándose especialmente en elementos de matemáticas, las artes, la robótica y la programación. A continuación se enumeran las ventajas que tiene esta actividad para los participantes desde un punto de vista didáctico. Cada participante es capaz de:

• Ver las posibilidades de usar RE como herramientas motivacionales en las clases de matemáticas y arte
• Programar movimientos simples del robot LEGO Mindstorms EV3 con la ayuda de instrucciones paso a paso
• Utilizar recursos de aprendizaje digitales interactivos creados en GeoGebra
• Evaluar de forma crítica la calidad y la utilidad de los recursos de aprendizaje digital

El taller de 90 minutos está pensado para ofrecer a los docentes una experiencia práctica y motivadora sobre las ventajas del uso de los robots como herramientas educativas en las clases de matemáticas, esperando mantener conversaciones fructíferas con los participantes del taller sobre la efectividad de llevar a cabo talleres tan cortos. El foco del debate es determinar si estos talleres pueden utilizarse para concienciar sobre las ventajas de los paquetes STEAM, especialmente los de robots, y así reducir la ansiedad respecto al uso de STEAM en las prácticas docentes.

Los estudiantes especialmente sensibles a los sonidos pueden usar auriculares para amortiguar los ruidos producidos por el robot. Los estudiantes especialmente sensibles a los colores pueden usar piezas LEGO de su color favorito y/o luces LED. Los estudiantes especialmente sensibles a las luces intermitentes (epilepsia) deberán tener la opción de utilizar luz constante. Para ayudar a los estudiantes con problemas de visión, será necesario que la sala esté adecuadamente iluminada. Los estudiantes con TEA a veces tienen dificultades para tomar decisiones y/o resolver tareas creativas. Por ello, se les debe dirigir cuidadosamente para que puedan resolver tareas específicas. Los estudiantes con dificultades de aprendizaje y/o habilidades cognitivas bajas deben conocer de antemano el robot y su entorno antes de realizar actividades en grupo, ya que esto les ayudará a comprender mejor la tarea y a tener éxito en las actividades conjuntas.

Si no se pueden usar robots reales, existen muchos entornos de programación robótica virtual en internet. En este vídeo https://youtu.be/xrcPw_Mspu0 se presenta el entorno GearsBot en el que es posible diseñar, programar y probar robots: https://gears.aposteriori.com.sg/. Los archivos están disponibles en este enlace:

• link_to_gearsbot_website.url es un enlace al sitio web de GearsBot.
• gearsbot-robot.json es la descripción del robot virtual. Ábralo con el comando «Cargar mundo».
• program.xml es el programa para el robot virtual. Abra el programa con el comando «Cargar programa».
• self-driving-bus-program.PNG es la captura de pantalla del programa. Así es como debería verse su programa.

• Gibson, J. (2022). Autonomous Buses Will Revolutionize Public Transportation, but at What Cost? GoGoCharters, gogocharters.com/blog/autonomous-buses-will-revolutionize-public- transportation-cost/

• LEGO EV3 Classroom app. https://education.lego.com/en-us/downloads/mindstorms-ev3/ software#downloads
• Line Detection with LEGO Mindstorms EV3. https://education.lego.com/en-us/lessons/mindstorms-ev3/line-detection#continue 
• LEGO Mindstorms EV3 Driving Base Building Instructions. https://education.lego.com/v3/assets/blt293eea581807678a/blt9f94cc95ebe17900/5f8801dd69efd81ab4debf02/ev3-medium-motor-driving-base.pdf 
• Mouratidis, K., Cobena Serrano, V. (2021). Autonomous buses: Intentions to use, passenger experiences, and suggestions for improvement. Transportation Research Part F: Traffic Psychology and Behaviour, 76, 321-335. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369847820305921