Ciencias de la Ingeniería

PK- 38- CI Construcción de un prototipo de manera virtual, para separar la basura orgánica e inorgánica y mejorar el medio ambiente.

  • Categoría: Pandilla Kids (3ro., 4to., 5to. y 6to. Año de primaria)
  • Área de participación: Ciencias de la Ingeniería
  • Asesor: REYNA ELIZALDE GONZÁLEZ
  • Equipo [ ]: Enrique Calderón Santana() , José Antonio Maldonado Ortíz(6o Conejo)

Resumen

La robótica es un área interesante para el futuro de la humanidad, ya que es un campo relativamente nuevo donde podemos incursionar los niños, más adelante creando y cumpliendo desafíos en el diseño, construcción y programación de robots para diversos fines científicos.

Uno de ellos es el reciclaje inteligente que por medio de brazos robóticos guiados por cámaras, sensores e inteligencia artificial (IA) están ayudando a que las instalaciones de reciclaje funcionen de manera más eficiente. Los robots clasificadores usan un sistema que permite identificar cada elemento y selecciona elementos específicos por medio de sus brazos y sensores.

Los residuos son un problema enorme: según el Banco Mundial, globalmente se generan 1300 millones de toneladas de residuos sólidos cada año y para 2025 se espera que esa cifra alcance los 2,2 mil millones de toneladas. Y lo que es peor, los esfuerzos de reciclaje no están ayudando.

Pregunta de Investigación

¿Cómo funciona un recolector separador de basura virtual?

Planteamiento del Problema

Nuestro planeta tiene una gran problemática, porque las personas contaminan el medio ambiente con toda la basura que arrojan, por eso se cree que con este proyecto se puede disminuir ese problema de contaminación y hacer que nuestro planeta dure más tiempo y vivamos mucho más y no morir por causa de la basura.

Antecedentes

La gran problemática medioambiental, en que la sociedad actual se encuentra inmersa, ha motivado que la investigación en robótica haya orientado parte de sus desarrollos hacia sistemas que puedan contribuir, en lo posible, a mejorar la calidad del entorno en que vivimos. En particular, los desarrollos más significativos se pueden encontrar en los robots de vigilancia medioambiental o en aquellos que pueden contribuir a la lucha contra las situaciones originadas por los desastres medioambientales.

Día a día, nos sorprendemos con las noticias que aparecen en los medios de comunicación vinculadas a la presencia de robots en diversos campos de la vida cotidiana. Robots enfermeros, mascotas, repositores de supermercados, detectores de explosivos, aspiradoras hogareñas, o simples jugadores de fútbol, son algunos de los ejemplos que podemos encontrar en el mercado de la tecnología de última generación. En síntesis, la robótica ya no es parte de nuestro futuro sino de nuestro presente tangible. Sin embargo, probablemente gracias a la literatura y al cine de ciencia ficción, el concepto de lo que es un robot, sus posibilidades y sus limitaciones reales están desdibujados en el imaginario colectivo.

Existen muchas definiciones de la palabra robot. En cada una de ellas, encontramos destacado algún aspecto en particular, que es el que cada autor quiere resaltar en su obra. Según la Asociación Japonesa de Robótica Industrial (JIRA), los robots son dispositivos capaces de moverse de modo flexible, análogo al que poseen los organismos vivos, con o sin funciones intelectuales, lo que permite la realización de operaciones en respuesta a órdenes recibidas por humanos. Vemos que en esta definición se encuentra resaltada la capacidad de movimiento de los robots y su analogía con los seres de la naturaleza. Sin embargo, a la JIRA no le interesa la inteligencia artificial aplicada al robot, dado que su función fundamental es ser operado por un humano. Por su parte, el Instituto de Robótica de Norteamérica (RIA) define a un robot industrial como un manipulador multifuncional y reprogramable diseñado para desplazar materiales, componentes, herramientas o dispositivos especializados por medio de movimientos programados variables, con el fin de realizar diversas tareas. En este caso, el acento está puesto en la capacidad de programación del robot y, por lo tanto, en cierta independencia de funcionamiento con respecto a la operación humana.

Tipos de robots

De la misma manera que con las definiciones, podemos encontrar muchas clasificaciones distintas de robots. En esta obra, al presentarlos, intentaremos acercarnos a los diversos problemas mecánicos, electrónicos y de software que encontramos en el desarrollo de un robot. Las clasificaciones elegidas son: Según el uso del robot.  A continuación, presentaremos una clasificación posible de los robots según su utilidad específica.

  • Industriales: se utilizan dentro de un proceso de trabajo industrial. Es el tipo de robot que más ha sido desarrollado en la historia.
  • Espaciales: deben desenvolverse en zonas inexploradas y a larga distancia de su centro de control.
  • Médicos: son utilizados como apoyo en la intervención médica Se trata de robots cuya misión fundamental consiste en la captura inteligente de información de variables ambientales, para su tratamiento e interpretación de manera manual o automática y actuación en consecuencia sobre los humanos y como complemento para las personas con capacidades disminuidas.
  • Domésticos: el sueño de todo amo o ama de casa, un robot que realice alguna o todas las tareas del hogar. Ya hay entre nosotros aspiradoras, lavarropas, heladeras, etcétera, que modifican su comportamiento en forma autónoma según el ambiente en el que trabajan.
  • Sociales: robots utilizados en ámbitos sociales (como películas, eventos y supermercados) con funciones de comunicación intensiva con los humanos. En estos casos, uno de los elementos de investigación fundamental es el aspecto estético del robot, el estudio de la interfaz con el humano para realizar una comunicación completa, con gestos, tonos, silencios, etcétera.
  • Agrícolas: así como en sus comienzos la robótica tuvo amplia aplicación en la industria, en los últimos años ha comenzado a crecer en forma exponencial el uso de robots y de la inteligencia artificial en el sector agrícola-ganadero. Las cosechadoras autónomas, las sembradoras controladas por mapas satelitales, los fumigadores robotizados y otros dispositivos hicieron su aparición dentro de lo que actualmente se conoce como agricultura de precisión.

Según el medio en el que desarrolla la actividad

  • Acuáticos: se caracterizan por movimientos tridimensionales en un ambiente hostil desde el punto de vista mecánico y electrónico.
  • Terrestres: son los más populares y económicos. Podemos, a su vez, subclasificarlos por sistema de locomoción: fijos, ruedas, orugas, patas, arrastre, etcétera.
  • Aéreos: con movimientos tridimensionales, como el acuático, pero con una exigencia mucho mayor en el control en tiempo real del sistema de levitación
  • Híbridos: combinación de algunos de los anteriores.

Según la ubicación de la inteligencia del robot

  • Autónomos: la inteligencia está ubicada en el mismo robot. Puede comunicarse con otros o con un sistema central, pero los aspectos esenciales de funcionamiento se resuelven en forma independiente en el propio robot.
  • Control automatizado (semiautónomos): la mayor parte de la inteligencia del robot está ubicada en un sistema central. Los sensores pueden ser locales, es decir que le envían la información obtenida a ese sistema central, o globales. El sistema central les comunica a los robots las acciones que deben realizar. Un ejemplo de este modelo es la categoría Mirosot de fútbol de robots de la FIRA.
  • Híbridos: son robots autónomos que, en ciertos momentos del proceso, pueden ser controlados por humanos o por un sistema central. Un ejemplo son los robots que se utilizan en misiones espaciales, que operan en forma autónoma pero que, ante un percance, pueden ser dirigidos desde nuestro planeta.

Unidades de un robot

En la arquitectura de cualquier computadora, podemos encontrar las siguientes unidades que la componen:

  • Unidades de procesamiento: es el conjunto de dispositivos que se encargan de realizar la transformación de los datos de entrada para obtener los datos de salida.
  • Unidades de entrada: son las unidades que permiten realizar el ingreso de información para su posterior procesamiento.
  • Unidades de salida: son las unidades que se ocupan de comunicarle los resultados del procesamiento al usuario u operador.

En un robot podemos encontrar la misma arquitectura. A las unidades de entrada de un robot las llamamos sensores, que pueden ser externos, como un sensor de tacto, o internos, como un encoder que permite determinar la distancia recorrida por una rueda. A las unidades de salida se las conoce como actuadores. Aquí podemos mencionar leds de señalización, buzzers, motores, displays, etcétera. En síntesis, el robot recibe información del ambiente mediante sus sensores, procesa la información con su unidad de procesamiento y realiza sus acciones al mover motores y encender luces y buzzers.

Procesamiento

Cuando comenzamos a analizar lo que nos ofrece el mercado de la robótica con respecto a procesamiento, probablemente nos encontremos confundidos ante la diversidad de posibilidades. Podemos encontrar desde micros de muy bajo precio, en los que debemos construir en forma artesanal toda la electrónica que los complementa para poder procesar las entradas y salidas, hasta costosos kits que tienen absolutamente todo resuelto. Está claro que con éstos últimos podremos hacer que nuestro robot funcione en algunas horas, pero es en el primer caso donde tendremos un control absoluto y de bajo nivel de las capacidades de procesamiento de nuestro dispositivo. De todas maneras, analizaremos en forma detallada las ventajas y las desventajas de ambas propuestas: el desarrollo con el uso de kits frente a la construcción en forma artesanal de los robots. Además, conoceremos brevemente algunos kits y micros disponibles en el mercado, y haremos una lista de los sitios web donde se puede conseguir información más detallada y completa.

Kits

Los kits para la construcción de robots, en general, presentan los siguientes elementos:

  • Un procesador o conjunto de procesadores con toda la electrónica de entrada y salida de los sensores resuelta. Además, poseen un sistema operativo dentro del controlador (firmware), que eleva el nivel de programación de los procesadores, lo que posibilita el uso de lenguajes de alto nivel o interfaces gráficas para el desarrollo de la inteligencia de nuestro robot en forma muy sencilla.
  • Un conjunto de sensores que

aprovechan la electrónica ya resuelta, y que con una simple conexión funcionan de manera casi mágica. Por ejemplo, sensores de luz donde el firmware interpreta el voltaje que entrega el sensor como un valor entre 0 y 100.

  • Un conjunto de motores que también utilizan la electrónica de salida, que se alimentan directamente de la misma fuente que alimenta al procesador, y que gracias al firmware podemos indicarle dirección, velocidad, etcétera, sin la necesidad de cálculos complejos.
  • Material constructivo para resolver la mecánica del robot, altamente reutilizable y que en poco tiempo permite la elaboración de la física del robot mediante la aplicación de conocimientos de nuestra infancia. Si tenemos en cuenta este conjunto de materiales, es sencillo notar que las ventajas que nos presenta el uso de kits para la construcción de nuestro robot son las siguientes:
  • Menor tiempo de construcción del robot: en pocas horas, podemos obtener robots poderosos para los desafíos habituales en robótica.
  • Alta reusabilidad del material: una vez terminado el desafío, podemos desarmar el robot y utilizar todas las piezas, los sensores, los motores y el procesador para armar un robot completamente distinto.
  • Baja necesidad de conocimientos técnicos: sin saber electrónica y prácticamente sin saber programación, podemos desarrollar un robot poderoso. Desde ya que para aquellos usuarios que sí tengan esos conocimientos, el aprovechamiento será mucho mayor. Más aún si los desarrolladores del kit tuvieron la precaución de dejar abiertos tanto el firmware como el hardware del procesador y los sensores.

De todas formas, no todas son cosas positivas. Las desventajas que tenemos con el uso de kits son:

  • El alto o altísimo costo de un kit: la relación puede ser de 20 a 1 con respecto a un desarrollo manual. El robot que construiremos en este libro mantiene esta relación con los kits más económicos de robótica.
  • La imposibilidad, en muchos casos, de poder realizar modificaciones de bajo nivel en el hardware o el firmware del robot. A pesar de todos los esfuerzos de documentación que haga la empresa creadora del kit, es imposible que todo sea altamente modificable, por la misma necesidad de mantener la arquitectura intrínseca del robot. Su elaboración artesanal desde cero nos permite modificar hasta el más mínimo detalle.
  • Baja precisión y calidad final de los robots: dado que los kits son para el desarrollo de robots de diversos propósitos, en todos los casos perdemos precisión y calidad.

Por ejemplo, los motores sirven para moverse en un determinado ambiente con alto margen de error, pero no son veloces ni permiten movimientos de precisión como lo pueden exigir ciertos objetivos.

En general, los sensores son económicos, y el rango de valores que devuelven es pobre.

Los kits de robótica más conocidos en el mercado son los siguientes:

  • Lego Nxt: sucesor del modelo

Mindstorms, es el kit de mayor difusión en todo el mundo Su procesador es un ARM7 de 32 bits. Cuenta con 256 Kb de Flash y 64 Kb de RAM. Se comunica por Bluetooth clase 2 y por USB. Tiene 4 entradas para sensores y 3 salidas para actuadores. En el kit se integran 3 motores servo con encoders incorporados para controlar su movimiento con precisión. Además, cuenta con un sensor de tacto, uno de sonido, otro de luz y por último un sensor ultrasónico. Para la mecánica del robot cuenta con piezas de las denominadas Technic, que permiten diseñar diferentes estructuras según el destino del robot creado.

El lenguaje de programación es un ambiente gráfico muy sencillo, similar al Robolab de las versiones anteriores, pero con mayor potencia y versatilidad. Para finalizar, una de las mejores decisiones que ha tomado la firma Lego es publicar muchísima información sobre el desarrollo tanto de hardware como de software del kit, lo que ha permitido que en poco tiempo (salió a la venta en agosto de 2006) las personas de todo el mundo que tienen este hobby hayan desarrollado hardware y software específico fuera del oficial.

Los sectores a los que actualmente está orientada la robótica son muy amplios desde la industria manufacturera (automóvil y máquina herramienta) hasta la exploración de ambientes hostiles, tales como entornos submarinos y espacio. Así, la robotización no sólo atañe a sectores industriales, sino también a una gran variedad de aplicaciones sociales, tales como asistencia personal, medicina, limpieza, inspección y mantenimiento de infraestructuras, entre otras. De hecho, la robótica actual se divide en dos grandes áreas, la robótica industrial y la robótica de servicio, entendiéndose esta última en un sentido amplio, incluyendo servicios personales y a la sociedad. Aunque la robótica industrial está bien establecida desde hace varias décadas y la de servicios está en una fase incipiente, ambas presentan grandes posibilidades de investigación y desarrollo que dan lugar a la robótica avanzada.

Cuando los estudiantes de cualquier nivel educativo construyen un robot están inmersos en un mundo multidisciplinar, dónde la geometría, la trigonometría, la electrónica, la programación, el control, la mecánica, etc, proporcionan las capacidades básicas que redundarán en el éxito de dicha tarea integradora. Aparte de los conceptos que le son propios, la robótica da la oportunidad de desarrollar otras aptitudes como son: la ingeniería de sistemas, el diseño, conceptos de ergonomía del trabajo y la planificación.

Además, en el nuevo panorama del mercado global es imprescindible dominar las tecnologías que permiten automatizar muchos de los procesos de producción. La robótica toma un papel decisivo al ser una alternativa al bajo coste de la mano de obra de algunos países. Desafortunadamente, la automatización de muchos procesos de manufactura, manipulación de objetos flexibles u objetos con formas imprecisas, presenta retos tecnológicos de difícil solución o de un coste aún no asumible. Podría decirse que con los conocimientos actuales muchos procesos de manufactura no serán razonablemente automatizados a corto plazo.

Por lo tanto, consideramos que es de mucha utilidad para la separación de la basura y hacer más fácil su reciclado y de esta forma disminuir la contaminación del medio ambiente y mejorar la calidad de vida de los seres vivos (fauna y flora), así como la del ser humano.

En nuestro país El Centro de Tecnología Avanzada (Ciateq), unidad Aguascalientes, en conjunto con la empresa Ingenia 4ti, realizó el proyecto Planta recicladora de residuos sólidos urbanos automatizada con sistemas de control y monitoreo. Para poder detectar en una máquina transportadora cuatro tipos de elementos: aluminio, papel o cartón, vidrio y tereftalato de polietileno (PET, por sus siglas en inglés). La basura entra a granel a la banda transportadora, primero pasa por un área de inspección, que es la cámara de visión desarrollada por Ingenia 4ti, esa cámara detecta qué tipo de reciclable es el que está pasando por la banda transportadora y en qué ubicación está, la basura continúa desplazándose por el área transportadora y llega al área de separación”.

Se decidió que iban a ser necesarios cuatro robots, cada robot estaba desinado para dos tipos de materiales. El primero de los robots toma el material (papel o vidrio), y dependiendo del tipo lo lanza hacia la izquierda o la derecha de la banda transportadora, donde están unos contenedores de cada uno de los tipos de materiales. Después, vuelve a pasar por una zona de inspección, porque a raíz del movimiento puede haber algún cambio en la posición de los materiales, entonces pasa donde está otra cámara, vuelve a hacer la inspección, vuelve a dar la ubicación del material del interés del robot siguiente (PET y aluminio), y así sucesivamente”.

Para ello se desarrollaron dos herramentales, cada uno para distintos tipos de reciclables: uno de garra y otro de ventosas. El herramental de ventosas resultaba más viable para separar cartón y papel, pero no resultaba eficiente para sujetar, por ejemplo, latas de aluminio arrugadas, por consiguiente, se incluyeron otros de garra que pudieran atajar este tipo de objetos.

Por lo tanto, consideramos que es de mucha utilidad para la separación de la basura y hacer más fácil su reciclado y de esta forma disminuir la contaminación del medio ambiente y mejorar la calidad de vida de los seres vivos (fauna y flora), así como la del ser humano.

Objetivo

Elaborar un prototipo de robot recolector y separador de basura, para poder ayudar a nuestro planeta con la contaminación.

Enseñar a las personas a separar la basura para ser más limpios y cuidadosos con nuestro planeta.

Justificación

Nosotros elegimos ese tema porque nos interesa saber cómo podemos ayudar a nuestro planeta con toda la basura que lo contamina, porque últimamente habido muertes de animales y personas enferman debido a la contaminación de nuestro medio ambiente.

Hipótesis

Si con un prototipo recolector de basura de manera virtual podemos ayudar a nuestro planeta, entonces este experimento sería de gran ayuda para las personas que no recogen la basura y la tiran en las calles.

Método (materiales y procedimiento)

Investigación documental

La investigación se realizó en casa, mediante la búsqueda de artículos de divulgación científica y literatura en la web

Galería Método

Resultados

Al terminar el reto del diseño y construcción del robot, llevamos a cabo la programación de nuestro robot EV3 y obtuvimos  efectivamente que nuestro robot logro tomar y transportar basura de un lugar y depositarla en un contenedor, por lo que este tipo de robots podrían remplazar a las personas, negando problemas como cansancio o lesiones, y produciendo volúmenes de basura más altos y consistentes, por lo que permitiría aumentar y mejorar nuestras capacidades de reciclaje como sociedad y disminuir la contaminación por basura que en la actualidad es un problema que afecta nuestro entorno y al planeta.

Galería Resultados

Discusión

Conclusiones

Para nosotros fue importante saber utilizar los componentes específicos de un robot, y poder cumplir el desafío de nuestro proyecto, además de que implementamos las funciones  que  cumplen  los   sensores  y   la   programación   del   robot   para   que    ejecutara   la    tarea     de   reciclar.  El   estudio  de   la  robótica   y  su  aplicación,presenta la  oportunidad    de  conocer   áreas    muy   importantes     en   la    electrónica  ,  informática   y  mecánica   e    integra     otras    como   la   ecología    para    poder      cumplir      nuestro    objetivo      de  ayudar   a   nuestro   planeta   a     disminuir  la   contaminación   enseñándole     a   las   personas     a    separar   la   basura      para    que    su    reciclaje   sea  más   fácil.

Bibliografía

Zabala, Gonzalo Robótica. – 1a ed. – Banfield – Lomas de Zamora: Gradi, 2007.288 p.; 22 x 16 cm. (Users Express; 29).
Libro blanco de la robótica 1ª ed. 2008. Ministerio de ciencia e innovación de gobierno de España.
LEGO.com/Mindstorms
www.conacytprensa.mx/index.php/centros-conacyt/15567-tecnologia-reciclador-residuos-solidos-urbanos.
www.icex.es/icex/es/navegacion-principal/…/NEW2017702644.HTML?



PK- 38- CI Construcción de un prototipo de manera virtual, para separar la basura orgánica e inorgánica y mejorar el medio ambiente.

Summary

Robotics is an interesting area for the future of humanity, since it is a relatively new field where we can venture into children, later creating and fulfilling challenges in the design, construction and programming of robots for various scientific purposes.

One of them is the intelligent recycling that by means of robotic arms guided by cameras, sensors and artificial intelligence (AI) are helping to make recycling facilities work more efficiently. Classification robots use a system that identifies each element

and selects specific elements by means of its arms and sensors.

Waste is a huge problem: according to the World Bank, globally 1300 million tons of solid waste are generated every year and by 2025 this figure is expected to reach 2.2 billion tons. And what’s worse, recycling efforts are not helping.

 

 

Research Question

How can this project help the environment?

Problem approach

Our planet has a great problem, because people pollute the environment with all the garbage they throw, so it is believed that this project can reduce this problem of pollution and make our planet last longer and live much more and not die because of garbage.

Background

Objective

Develop a prototype of a collection robot and garbage separator, in order to help our planet with pollution.

Teach people to separate garbage to be cleaner and more careful with our planet.

Justification

We choose that topic because we are interested in knowing how we can help our planet with all the garbage that contaminates it, because lately there have been deaths of animals and people who are sick due to the contamination of our environment.

Hypothesis

If with a virtual garbage prototype we can help our planet, then this experiment would be a great help for people who do not collect garbage and throw it in the streets.

Method (materials and procedure)

Documentary research

The research was conducted at home, through the search of scientific articles and literature on the web (Fig.1).

Challenge 1

It consisted in the construction, design (Fig.2) and programming (Fig.3) of a robot that separated the organic and inorganic waste by means of sensors. The scenario simulated a controlled environment where the robot autonomously recognized what type of waste would correspond. To meet the objective, the robot recognized and separated the garbage and thus met the challenge for possible recycling.

The challenge of the robot was to take the pieces of different types of waste to the containers located in the recycling plant. The two pieces corresponding to the different types of waste were represented by two containers made of 2×2 lego bricks of the blue and green colors, where the blue color represented the inorganic waste and the green the organic waste. The containers were empty so that the robot could meet the challenge and deposit the garbage in the respective container (Fig.4).

Results

At the end of the design and construction challenge of the robot, we carried out the programming of our EV3 robot and we obtained that our robot managed to take and transport trash from a place and deposit it in a container, so this type of robots could replace people, denying problems such as fatigue or injury, and producing higher and more consistent volumes of garbage, which would allow us to increase and improve our recycling capabilities as a society and reduce contamination by garbage that is currently a problem that affects our environment and the planet.

Discussion

Conclusions

For us it was important to know how to use the specific components of a robot, and to be able to meet the challenge of our project, in addition to implementing the functions that the sensors and the programming of the robot fulfill to carry out the task of recycling.

The study of robotics and its application, presents the opportunity to know very important areas in engineering such as electronics, computer science and mechanics and integrates others such as ecology to meet our goal of helping our planet to reduce pollution by teaching to the people to separate the garbage so that its recycling is easier.

Bibliography

Zabala, Gonzalo Robótica. – 1a ed. – Banfield – Lomas de Zamora: Gradi, 2007.288 p.; 22 x 16 cm. (Users Express; 29).

Libro blanco de la robótica 1ª ed. 2008. Ministerio de ciencia e innovación de gobierno de España.

LEGO.com/Mindstorms

www.conacytprensa.mx/index.php/centros-conacyt/15567-tecnologia-reciclador-residuos-solidos-urbanos.

www.icex.es/icex/es/navegacion-principal/…/NEW2017702644.HTML?