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PROTOTIPO ROBÓTICO APLICANDO METODOLOGÍA STEAM Y ROBÓTICA EDUCATIVA

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JOSÉ JULIÁN PEÑA RAMÍREZ

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIAS

PROGRAMA INGENIERÍA DE SISTEMAS NEIVA 2020

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PROTOTIPO ROBÓTICO APLICANDO METODOLOGÍA STEAM Y ROBÓTICA EDUCATIVA

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JOSÉ JULIÁN PEÑA RAMÍREZ

Informe Final de práctica social, empresarial y solidaria presentado como requisito para optar al título de INGENIERO DE SISTEMAS

Asesora

Ing. IRLESA INDIRA SANCHEZ

UNIVERSIDAD COOPERATIVA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERIAS

PROGRAMA INGENIERÍA DE SISTEMAS NEIVA 2020

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NOTA DE ACEPTACIÓN

Presidente del Jurado

Jurado

Jurado

Neiva, Diciembre de 2021

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DEDICATORIA Dedico este trabajo a todas las personas que ayudaron detrás de él y me permitieron llevarlo a cabo, al personal docentente de la Universidad Cooperativa por el apoyo brindado en el proyecto y agradezco enormemente a mis seres queridos que me dieron el empuje de investigar.

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CONTENIDO

Pág. 1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA 9

2. JUSTIFICACIÓN 10

3. OBJETIVOS 11

3.1 OBJETIVO GENERAL 11

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11

4. MARCO REFERENCIAL 12

5. METODOLOGÍA 14

5.1 FASE 1. IDENTIFICACIÓN 14

5.2 FASE 2. SELECCIÓN DEL RETO 14

5.3 FASE 3. APLICACIÓN 14

6. RESULTADOS 16

7. CONCLUSIONES 18

BIBLIOGRAFÍA 19

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LISTA DE TABLAS

Pág. Tabla 1. Sensores Arduino 13

Tabla 2. Eventos de robótica 2018 14

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LISTA DE FIGURAS

Pág. Figura 1. Acrónimo de Metodología STEAM 12

Figura 2. Sensor Ultrasonido HC-SR04 13

Figura 3. Sensor Infrarrojo LM393 13

Figura 4. Plan de trabajo System Robotics 15

Figura 5. Malú, primer prototipo de System Robotics 16

Figura 6. Arduino MEGA 2560 17

Figura 7. Malú 3.0 17

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RESUMEN

Este documento redacta la labor y trayectoria que desarrolla System Robotics desde el año 2018, en su primera participación en #SRI2018 Semana de la Robótica y la Innovación – RoboRAVE Colombia 2018, en la construcción de distintos prototipos robóticos, aplicando el modelo que especifica la Metodología STEAM y los aprendizajes que brinda la robótica educativa, donde los conocimientos son puestos a pruebas en la práctica, experimentación y evaluación. Es así como en base a una estructura de trabajo, System Robotics, grupo de robótica del semillero de investigación Innovación Educativa de la Universidad Cooperativa de Colombia, inicia y continua con esta ruta de aprendizaje. PALABRAS CLAVE: Arduino, robótica educativa, Metodología STEAM, Ingeniería de Sistemas.

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1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La ingeniería de sistemas siempre ha tenido un amplio campo de acción cuando se involucra en el área laboral que demandan diferentes empresas o entidades, sin embargo, es una profesión poco estudiada, por lo que su demanda es amplia. Se afirma que toda empresa requiere de las cualidades de un ingeniero, no solo por sus competencias para el desempeño de funciones administrativas e industriales, sino por su gran capacidad de poseer cualidades para la resolución de problemas y elaboración de procesos o proyectos más eficientes dentro de la organización. Teniendo esto en cuenta y el avance tecnológico del siglo XXI, los ingenieros de sistemas son y serán profesionales de grande cotización1. System Robotics es un grupo de robótica del semillero de investigación INNOVACIÓN EDUCATIVA de la Universidad Cooperativa de Colombia conformado por jóvenes investigadores del programa de ingeniería de sistemas, desde el año 2018 busca la oportunidad de participar en concursos nacionales de robótica con el fin de poder llevar los conocimientos de Robótica Educativa y metodología STEAM en prácticas de competencias ante otros conocedores de la materia. Al identificar el torneo Semana de la Robótica y la Innovación – RoboRAVE Colombia 2018 (#SRI2018), el equipo System Robotics debe de iniciar con la elaboración del prototipo robótico que será producto para esta competencia y así lograr la clasificación a RoboRAVE Internacional 2019.

1 CAPOTE LEON, RIZO RABELO, & BRAVO LÓPEZ, 2016

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2. JUSTIFICACIÓN

La robótica es un área del conocimiento que puede mostrar las grandes ventajas de aplicar la Metodología STEAM. Esta metodología es interdisciplinar, ya que recoge grandes enfoques del conocimiento, la ciencia, la tecnología, la ingeniería, las artes y las matemáticas, pero ninguna de estas se trabaja en particular, sino que entre todas hay una transferencia de contenidos2. La Robótica Educativa es una de las escuelas del conocimiento que lleva al estudiante como protagonista del aprendizaje3, de manera que al tener un estudio interdisciplinario que adquiere gracias a la aplicación de la Metodología STEAM, puede así obtener habilidades qué demostrar en competencias que implique RETOS para asumir. RoboRAVE Internacional 2019 es el evento más grande a nivel internacional que lleva la robótica educativa a todos los países interesados en ser partícipes de ello, por lo que la participación de este evento no solo otorga un gran reconocimiento para el grupo System Robotics, también brinda amplias oportunidades de que los estudiantes que conforman dicho grupo evidencien el trabajo en su semillero de investigación.

2 FREEMAN, MAGERKO, & MCKLIN, 2016 3 ADAYA PRESS, 2018

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3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Aplicar la metodología STEAM para el fortalecimiento de competencias en ingeniería de sistemas mediante la Robótica Educativa que permite dar solución a necesidades en un contexto. 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Identificar contextos que permitan el desarrollo de la robótica educativa para que los estudiantes del programa de ingeniería de sistemas puedan participar.

• Seleccionar un reto que tenga ajuste a las cualidades y habilidades adquiridas por los estudiantes del programa de ingeniería de sistemas.

• Utilizar la metodología STEAM para la elaboración de un prototipo mediante la robótica educativa que permita cumplir con los requisitos del reto seleccionado.

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4. MARCO REFERENCIAL

Metodología STEAM: Metodología que basa los conocimientos de STEAM para la aplicación de estos en un plan de trabajo estructurado, el cual tiene etapas de experimentación, teoría y nueva experimentación o experimentación orientada4. Figura 1. Acrónimo de Metodología STEAM Fuente: autor

Como se evidencia en la Figura 1 la metodología STEAM, se basa en el estudio de diferentes disciplinas: Ciencia, tecnología, ingeniería, artes y matemáticas. Por lo que al ser una actividad interdisciplinaria hay transferencia de conocimientos a través de estos contenidos. Arduino: Arduino es una compañía de software y hardware libre. La cuál opera desde el año 2000, en el desarrollo de plataformas y código abierto para el libre uso de sus usuarios, de igual manera la elaboración de dispositivos como: Placas y sensores, para utilizar en la construcción de prototipos robóticos. Arduino es una gran herramienta para la aplicación de Metodología STEAM, al tiempo que ofrece soluciones de hardware y software a bajo costo, de fácil acceso, y sencillo aprendizaje5. Ultrasonido HC-SR04: Este sensor ultrasonido producido por Arduino (Figura 2), es un sensor que utiliza las ondas para calcular distancias e identificar objetos, un principio basado en la biología del murciélago o los delfines y ballenas para identificar y obtener ubicación de objetos sin utilizar la vista. La aplicación de este sensor es bastante amplia, se utiliza desde proyectos didácticos para la Robótica

4 KIM, 2016 5 VIDAL SILVA, URIBE, OLMOS, & LINEROS, 20

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Educativa hasta en prototipos de desarrollo avanzado con el fin de optimizar recursos6. Sensor Infrarrojo LM393: Este es un modelo básico de sensor infrarrojo, el cual utiliza un comparador LM393, para comparar las señales infrarrojas que produce una flama, este se basa en pulsos láser infrarrojos, hasta algunos utilizados para hacer detecciones en los efectos fotoacústicos7. Robótica Educativa: Práctica que lleva a cabo aplicación de la robótica para el aprendizaje de diferentes asignaturas o conocimientos. La RE (Robótica Educativa) en Colombia, inicia desde los 1990 cuando instituciones como el SENA (Servicio Nacional de Aprendizaje) quiso incorporar nuevas estrategias para estructurar el aprendizaje a transmitir hacia sus alumnos en pequeños proyectos robóticos8. Competencias en Ingeniería: En la ingeniería siempre ha sido un reto adquirir competencias de creatividad e innovación, ya que son estas siempre las que deberían de resaltar en estos profesionales, para muchas instituciones es un reto la enseñanza en sus aprendices de ingeniería estas competencias. La enseñanza de competencias para ingenieros se estructura en cuatro conceptos: Formación, desarrollo, adquisición y construcción9. En la Tabla 1 se hace evidencia de las ilustraciones de los sensores Arduino descrito en párrafos anteriores. Tabla 1. Sensores Arduino

Figura 2. Sensor Ultrasonido HC-SR04 Figura 3. Sensor Infrarrojo LM393

Fuente: autor

6 VALENTÍN, Y OTROS, 2017 7 ALDAMA-REYNA, ALDAMA-GUARDIA, & AGREDA-DELGADO, 2018 8 CORREA ORTIZ, VALLEJO JÍMENEZ, MARTÍNEZ PUERTA, & TRUJILLO POSADA, 2019 9 GALÁN, 2019

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5. METODOLOGÍA

Al ser un proyecto basado en la Metodología STEAM y la Robótica Educativa, se debe de tener en cuenta que se desarrolló en una investigación cualitativa, para aplicar este modelo de competencia10. Planear, orientar, ejecutar y experimentar, son procesos basados desde la robótica en la observación del ensayo y error. Por ello, se han desarrollado 3 fases de ejecución: 5.1 FASE 1. IDENTIFICACIÓN Para esta fase se inicia con la búsqueda de eventos de robótica como se presenta en la Tabla 2, de categoría nacional donde System Robotics tuviese la oportunidad de participar y aplicar los conocimientos y procesos de la Robótica Educativa y Metodología STEAM. Tabla 2. Eventos de robótica 2018 Nombre del evento Organizador de evento Categoría Ciudad

UNRobot Ceimtun Nacional Pasto

WRO 2018 WRO Nacional Bogotá

#SRI2018 RoboRAVE-Pygmalion Nacional Medellín

Fuente: autor

5.2 FASE 2. SELECCIÓN DEL RETO Mediante la observación se identifican los diferentes eventos organizados por distintas entidades dedicadas a la promoción de la Robótica Educativa, se revisan las siguientes cualidades de cada evento: Reputación, instituciones que apoyan, histórico de competencias, posibilidad de clasificación, variedad de retos internos, reglamentos y requerimientos de participación. Luego de identificar dichos detalles a cada evento se hace selección de #SRI2018 Semana de la Robótica e Innovación 2018 – RoboRAVE Internacional, específicamente el reto FIRE FIGHTING. 5.3 FASE 3. APLICACIÓN Para el cumplimiento de esta Fase, se tiene en cuenta la descripción del reto FIRE FIGHTING según #SRI2018.

10 KIM, 2016

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El reto FIRE FIGHTING consiste en construir y programar un robot que localice y apague sin tocar 4 velas de diferentes alturas en ubicaciones al azar dentro de un campo con borde marcado por una línea blanca y negra, en la pista se ubican barreras que obstaculizan el paso del robot. Se elabora el plan de trabajo para esta Fase, por ello en la Robótica Educativa y de acuerdo con la Metodología STEAM en aplicar las diferentes áreas de conocimiento se definió: Planeación: Se revisan los diferentes requerimientos que debe de tener el prototipo para cumplir con las expectativas del reto seleccionado. Al mismo tiempo, la tecnología interna a utilizar debe de cumplir con características que permitan la buena integración a este modelo, de manera proporcional a manejar un LOW COST en estas tecnologías. Modelamiento: Se debe de modelar el diseño del prototipo, de acuerdo con la planeación llevada anteriormente, así se revisa las primeras características del hardware de este prototipo. Experimentación: Se dispone a funcionar los primeros modelos del prototipo, en sus diferentes versiones y cada una de sus partes funcionales para la ejecución del reto. Observación: Se observa y toma datos de todos los resultados evidenciados en la etapa de experimentación, se deben de tomar a detalle, los resultados de los diferentes modelos y cada una de sus pruebas internas en las diferentes secciones del prototipo. Evaluación: Evaluar los resultados y verificar su validez permite identificar los éxitos y fallos en el prototipo, así se puede repetir este plan de acción en volver a la planeación y hacer las correcciones pertinentes que requiera el prototipo para cumplir con el propósito de su elaboración. Figura 4. Plan de trabajo System Robotics Fuente: autor

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6. RESULTADOS El resultado del primer prototipo elaborado por el grupo System Robotics es Malú, el cuál fue construido con tecnología de Arduino y hardware mixto de distintos orígenes, tal como se evidencia en la Figura 5. Este primer prototipo contaba con 1 dispositivo mixto de 5 sensores de flama, 4 sensores individuales de flama, 3 sensores ultrasonido HC-SR04, con los que obtenía información, para su control, utilizaba una placa madre modificada basada en un dispositivo Arduino Leonardo, similar al Arduino UNO, cuenta con dos motores que daban movimiento a dos aspas. Figura 5. Malú, primer prototipo de System Robotics Fuente: autor

Este primer prototipo fue el desarrollado para competir en #SRI2018 - Semana de la Robótica e Innovación 2018 – RoboRAVE Internacional. Tras haber obtenido la puntuación suficiente gracias a la participación, el equipo System Robotics logra la clasificación para participar del concurso RoboRAVE INTERNACIONAL 2019 China. Para lo que se le realizan algunas modificaciones de tecnología, el primer cambio es reemplazar la tarjeta madre modificada mencionada anteriormente por una placa Arduino MEGA 2560 ilustrada en la Figura 6. Este cambio debido a que el nuevo dispositivo posee mayor capacidad de sensores y conexiones.

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Figura 6. Arduino MEGA 2560 Fuente: autor

Posterior a ello, se cambia el diseño de movimiento, remplazando los motores y ruedas tradicionales, por motores y ruedas omnidireccionales, lo que le permitían poder llevar un mejor desplazamiento hacia cualquier dirección, estas modificaciones se ven evidenciadas en la Figura 7.

Figura 7. Malú 3.0

Fuente: autor

Estas modificaciones permitieron que la participación en #SRI2019 - Semana de la Robótica e Innovación 2018 – RoboRAVE Internacional, permitiera la clasificación a RoboRAVE INTERNACIONAL 2020 Japón, evento el cuál fue suspendido debido a la cuarentena mundial, debido a la propagación del virus COVID-19. Se plantean cambios para el robot construido por System Robotics, lo que propone un prototipo Malú 3.1 que remplazará la tecnología Arduino por M5GO, dispositivos elaborados y producidos por M5STACK.

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7. CONCLUSIONES Aplicar la Metodología STEAM para la construcción de un prototipo robótico permite la aplicación de diferentes conocimientos para revisar cada uno de los detalles de su construcción, lo que conllevaba a conservar una mejor perspectiva de cada reto a solucionar en elaborar y maquetar sus componentes. Llevar la Robótica Educativa de Colombia a eventos internacionales, evidencia el gran avance de aprendizaje que poseen las escuelas que aplican el Modelo STEAM en sus instituciones. Sin embargo, en otros países, la Robótica Educativa y la metodología STEAM son solo fundamento de una estructura de aprendizaje, las nuevas tecnologías no solo requieren de innovadores conocimientos técnicos sino grandes habilidades en creatividad y aplicación de estas. Tras participar en RoboRAVE INTERNACIONAL 2019 China, se logró evidenciar la importancia de adquirir por ingenieros competencias y habilidades de la Robótica Educativa, así mismo, el aprendizaje tras aplicar la Metodología STEAM, se obtienen conocimientos desde diferentes contenidos de áreas de estudio, se logran enriquecer las competencias como estudiantes de ingeniería que buscan entrar en posteridad, aplicar al mundo laboral estos aprendizajes.

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BIBLIOGRAFÍA ADAYA PRESS. (2018). Book of abstracts CIVINEDU 2018: 2nd International Virtual Conference on Educational Research and Innovation. Netherlands: Adaya Press. ALDAMA-REYNA, C. W., ALDAMA-GUARDIA, J. D., & AGREDA-DELGADO, J. F. (2018). DETECTOR DE ENERGÍA DE PULSOS LASER INFRARROJO BASADO EN EL EFECTO FOTOACUSTÍCO. Momento. doi:10.15446/mo.n56.69828 CAPOTE LEON, G. E., RIZO RABELO, N., & BRAVO LÓPEZ, G. (2016). La formación de ingenieros en la actualidad. Una explicación necesaria. Universidad y Sociedad. Obtenido de http://scielo.sld.cu/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S2218-36202016000100004 CORREA ORTIZ, L. C., VALLEJO JÍMENEZ, M. M., MARTÍNEZ PUERTA, J. J., & TRUJILLO POSADA, J. A. (2019). Herramienta de robótica educativa basada en Lego Mindstorms y VEX Robotics mediante software 3D y diseño mecatrónico. Scielo. doi:10.17013/risti.34.1-19 FREEMAN, J., MAGERKO, B., & MCKLIN, T. (2016). EarSketch: A STEAM-Based Approach for Underrepresented Populations in High School Computer Science Education. Associaton for Computing Machinery. doi:10.1145/2886418 GALÁN, Y. I. (2019). ¿Cómo desarrollar competencias de creatividad e innovación en la educación superior? Caso: carreras de ingeniería del Instituto Politécnico Nacional. SciELO. doi:10.23913/ride.v9i18.427 KIM, B. H. (2016). Development and Validation of Evaluation Indicators for Teaching Competency in STEAM Education in Korea. MODESTUM. doi:10.12973/eurasia.2016.1537a MARZO NAVARRO, M., PEDRAJA IGLESIAS, M., & RIVERA TORRES, P. (1 de Septiembre de 2006). researchgate. Obtenido de researchgate: https://www.researchgate.net/profile/Mercedes_Marzo/publication/28132776_Las_competencias_profesionales_demandadas_por_las_empresas_el_caso_de_los_ingenieros/links/00b7d52396d89528cb000000.pdf SÁNCHEZ, I. P. (2017). uvadoc.uva. Obtenido de uvadoc.uva: https://uvadoc.uva.es/bitstream/handle/10324/30952/TFM-B.134.pdf?sequence=1&isAllowed=y VALENTÍN, M. B., BOM, C. R., ALBUQUERQUE, M. P., ALBUQUERQUE, M. P., FARIA, E. L., & CORREIA, M. D. (2017). Aquisição de imagens ultrassônicas como experimento didático. Brasileira de Ensino de Física. Obtenido de

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https://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S1806-11172018000200603&lang=es VIDAL SILVA, C., URIBE, G., OLMOS, C., & LINEROS, M. (2019). Electrónica para Todos con el Uso de Arduino: Experiencias Positivas en la Implementación de Soluciones Hardware-Software. Scielo. doi:10.4067/S0718-07642019000600377