MODULO VI
PROYECTOS DE AULA EN BIOLOGÍA O FÍSICA O QUÍMICA
(PRIMERA PARTE)
ESQUEMA DE SECUENCIA DIDÁCTICA
ALUMNAS: Esperanza Torres Reyes
Erika López Cruz
Ofelia De La Cruz De los Santos
PROFRA: Luz Iris López Valdés
Energía motor de la humanidad (Energía solar y sus transformaciones)
JUSTIFICACIÓN
Esta secuencia esta dirigida a los alumnos de nivel básico secundaria con la finalidad de que relacionen la idea de energía con procesos energéticos que se manifiestan en los diferentes sistemas físicos, a través de los costos, riesgos
Beneficios del uso de algunas fuentes de energía (renovable y no renovable) que se han utilizado a lo largo de la historia (solar, leña, carbón, electricidad entre otras).
OBJETIVOS
Que los alumnos fortalezcan habilidades, valores y actitudes que rigen el comportamiento de la materia y la energía.
Conoce en forma teórica y experimental algunos aspectos que rigen el comportamiento de la materia y la energía.
Diferenciara entre energía y energéticos.
Establezca de la fusión nuclear (proceso que se lleva a cabo en el Sol).
Valore las importancias de las transformaciones de la energía potencial y cinética
Interaccione la ciencia y la tecnología con la sociedad.
Analice las ventajas y desventajas de obtener energía a partir del Sol y sus transformaciones.
Identifique la importancia de la nutrición en la obtención de la energía y conservación de la salud...
UBICACIÓN
CIENCIAS I (BIOLOGÍA)
Bloque II. La Nutrición
TEMA: 2. LA NUTRICIÓN DE LOS SERES VIVOS: DIVERSIDAD Y ADAPTACIÓN.
SUBTEMA: 2.3. Valoración de la importancia de la fotosíntesis como proceso de transformación de energía y como base de las cadenas alimentarías.
Aprendizajes esperados:
· Explica el proceso general de la fotosíntesis mediante modelos.
· Identifica la relación entre la fotosíntesis y las estructuras celulares donde se lleva a cabo: los cloroplastos.
· Reconoce la importancia de la fotosíntesis como base de las cadenas alimentarías.
CIENCIAS II (FÍSICA)
Bloque II Las fuerzas. La explicación de los cambios
TEMA: 3. LA ENERGÍA: UNA IDEA FRUCTIFERA Y ALTERNATIVA A LA FUERZA.
SUTEMAS: 3.1.LA EENRGÍA Y LA DESCRIPCIÓN DE LAS TRANSFORMACIONES
Experiencias alrededor de diversas formas de la energía.
La idea de energía en la cotidianidad.
Aprendizajes esperados:
Identificar las formas en que se manifiesta la energía en distintos procesos y fenómenos físicos cotidianos.
Describir las diferencias entre el uso del término energía en el lenguaje cotidiano de su uso en el lenguaje científico.
DESCRIPCION.
· Identifica las formas en que se manifiesta la energía en distintos procesos y fenómenos químicos.
· Describe las diferencias entre el uso de termino energía y el lenguaje cotidiano de su uso en el lenguaje científico.
· Analiza las transformaciones de la energía solar potencial y cinética en situaciones de entorno.
· Identifica los alimentos como fuentes nutrimentales que los seres humanos aprovechan para obtener la materia y energía
· Reconoce la participación de la energía que se obtiene de las transformaciones de los alimentos en el funcionamiento general del cuerpo humano.
· Relaciona el aprovechamiento de la energía solar los recursos alimentarios con la aplicación de medidas para el cuidado y la conservación ambiental.
· Apliquen e integren habilidades, actitudes y valores durante el desarrolla de proyectos enfatizando el planteamiento de hipótesis, así como la obtención y selección de información.
INTRODUCCIÓN
El tema de energía se plantea desde la escuela primaria, por lo que se propone la realización de diversas actividades de tipo experimental para discutir acerca de las formas de energía que los alumnos conocen y el significado que les dan.
En la naturaleza hay muchas clases de energía, como la luz, que nos proporciona el Sol, la cual reconocemos por la forma como cambian las propiedades de los cuerpos.
La vida en la tierra funciona casi exclusivamente con base en la luz solar. Las plantas convierten la energía luminosa en energía química a través de un proceso llamado fotosíntesis. Las plantas realizan esta reacción con la ayuda de una sustancia llamada clorofila se parece mucho a la hemoglobina es la que esta en nuestra sangre y es la que le da el color rojo.
Una de las diferencias entre la clorofila y la hemoglobina es que la primera tiene un átomo de magnesio (Mg) y la segunda un átomo de hiero (Fe), además de otros elementos.
Las dos sustancias son importantísimas para casi todos los seres vivos de la Tierra.
Tal ves al mirar al sol te hayas preguntado por que brilla. Sabemos que el sol es como una gran bola de fuego pero, ¿Qué combustible utiliza? ¿Que es lo que se quema en el sol? No puede ser gas como el que usamos para cocinar , ni gasolina como la que utilizan los automóviles, ni leña o carbón , porque con estos combustibles no se podrían alcanzar temperaturas tan altas como las que existen en la superficie del sol, que en promedio se calcula en 6000 grados centígrados. En una estufa de cocina se llega a hervir el agua, pero esto ocurre aproximadamente a los 100grados centígrados o373.15 grados Kelvin si utilizamos la escala de temperaturas absolutas...
Hoy sabemos que la química del sol no se basa en reacciones químicas comunes. En su interior ocurren transformaciones nucleares, es decir interacciones entre los núcleos de los átomos que lo componen, cuyo resultado es la liberación de gigantescas cantidades de energía.
Son explosiones son similares a las de las bombas nucleares, como loas que se lanzaron sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945, al final de la segunda guerra mundial.
Estas reacciones en el sol no tienen nada que ver con las explosiones que a veces suden en las minas de carbón. Aquí lo que ocurre es que el polvo de carbón, cuando es muy fino, esta propenso a explotar. La reacción es muy rápida y violenta porque el polvo de carbón fino se quema fácilmente. Esto produce una gran cantidad de gases. Los que ocupan más volumen que los sólidos, y por eso suceden las explosiones.
Aunque te parezca extraño, otros polvos finos, como el talco o la harina, también pueden explotar, se comprueba fácilmente con la siguiente experiencia.
CONTENIDOS A ENSEÑAR
Conceptos (Saber)
Procedimientos (Saber hacer)
Actitudes (Ser)
*Fotosíntesis
*Cloroplastos
*Partes de la hoja
*Energía
*Transformaciones de energía
*Observar al microscopio y poder ver estas estructuras.
* Realizar las diferentes experiencias para identificar las transformaciones de energía .
*Valorar a los vegetales
*Cuidar de ellos
OBJETIVOS DIDACTICOS DE APRENDIZAJE.
*Conceptuales : explique los diferentes términos relacionados con la energía y energéticos y reconozca e Identifica los recursos energéticos alternativos así como sus usos en diversos contextos históricos y culturales.
*Procedimentales: Identifica los recursos energéticos alternativos así como sus usos en diversos contextos históricos y culturales.
Explica distintos procesos y fenómenos cotidianos estudiados en el curso en términos de la transformación de la energía.
El alumno identifique donde se lleva a cabo el proceso de fotosíntesis y cuide de los vegetales.
* Actitudinales: Enumera y justifica acciones básicas orientadas al consumo responsable de los recursos energéticos en la escuela y el hogar.
Reflexiona sobre las formas de generación de energía con fundamento en lo analizado en el curso.
ACTIVIDADES
Identificación y manejo de ideas/conocimientos previos e intereses del alumno respecto al tema:
1.- Pedir que realicen, una representación de donde se lleva a cabo la fotosíntesis.
2.-Pregunten sobre las características de los vegetales.
3.-Las diferencias del color de los frutos.
4.- ¿Qué si en el tallo también hay fotosíntesis.
Actividades y estrategias de motivación y colaboración:
Cumplan al traer hojas de diferentes colores.
Sembrar la duda para que se utilizaran.
Con las hojas de colores representen un esquema de la fotosíntesis.
Actividades de
Enseñanza/aprendizaje
Tiempos y Espacios
Manejo del Grupo/ equipos
Estrategias
Materiales y recursos tecnológicos
1.-Esquema que representen la fotosíntesis.
2.-Pongan nombres a todo lo que realizaron.
3.-Identificando todo lo que interviene en este proceso.
4.-Analizar lo que realizaron con el grupo.
5.-Identifiquen lo que les falto.
1.-Salón de clase
2.-Laboratorio
3.-Cuatro clase
Trabajar en equipo de dos personas.
Con el grupo analizar las propuestas e identificar las omisiones que hicieron.
Llevar material para que observen.
Cumplir con el material que se pida.
Que el material sea de gran utilidad para.
Microscopio
Imágenes de láminas.
Libros
PPROCESO
Extensión temporal de la unida y condiciones de aplicación previstas:
Si se requiere una clase más.
Contar con el material adecuado
Realizar preguntas antes de comenzar con el tema.
EVALUACIÓN DEL APRENDIZAJE DEL ALUMNO
Actividades/instrumentos para la evaluación inicial:
Cumplir con el material requerido.
Participen
Investigación
Consulta
Estrategias/instrumentos de evaluación formativa:
Que desarrollaran su creatividad al representar la fotosíntesis.
Estrategias, instrumentos e informe de la evaluación sumativa y la autoevaluación del aprendizaje:
Reconocer que les hizo falta en el tema visto.
Que con esta actividad aprendieron.
Permitió asociar y corregir algunas fallas de lo que ya conocían.
EVALUACIÓN DE LA SD
Grado de motivación y participación:
Valoración del profesor(a) Valoración del grupo
Grado de adecuación al grupo:
Valoración global final:
Fecha de elaboración 1ª SD
Fecha (s) de aplicación de la SD:
EXPERIENCIAS 2
Para esta actividad necesitas una lata de leche en polvo vacía, un embudo pequeño de plástico, una manguera de hule para mechero, una vela de cera y harina muy seca.
En la base de la lata de leche has un agujero por donde quepa la cola del embudo. Pon el embudo dentro de la lata como se indica en la figura. Conecta la manguera en la cola del embudo. Al embudo ponle harina hasta el borde. Pon la vela adentro, sujeta con cera derretida. Cuida que no se caiga. Prende la vela y cierra la lata. Por la manguera sopla con fuerza. Al quemarse la harina con gran rapidez ocurrirá una explosión que hará brincar la tapa hasta el techo. Si esto no ocurre inténtalo de nuevo. Puede ser que la vela se haya apagado antes de soplar o puede ser que la harina estuviera algo húmeda.
sábado, 18 de octubre de 2008
sábado, 7 de junio de 2008
sismos
Recomendaciones En Sismos
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Recomendaciones generales en sismos
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sábado, 31 de mayo de 2008
Pilas
BATERÍAS
Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas están compuestas de un electrodo positivo y otro negativo además de un separador. Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos. Los electrones son transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo(bombillas, motores de arranque etc.).
Las pilas se pueden dividir en dos tipos principales de estas, primarias o secundarias. Una pila primaria produce energía consumiendo algún químico que esta contiene. Cuando este se agota, la pila ya no produce mas energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo en este grupo encontramos a las pilas de zinc-carbono.
Las pilas secundarias, o pilas de almacenamiento, obtienen su energía transformando alguno de sus químicos en otro tipo de químicos. Cuando el cambio es total, la pila ya no produce mas energía. Sin embargo, esta puede ser recargada mandando una corriente eléctrica de otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original. Un ejemplo de este grupo es la batería de auto o pila de ácido-plomo.
Nombrando los tipos de pilas debemos mencionar las pilas experimentales, estas aunque aun se pueden clasificar en alguno de estos dos grupos, deben mencionarse aparte ya que son hechas a pedido y responden a necesidades especificas. Por ejemplo, una pila que deba alimentar a radiotransmisor en una región montañosa en una central autónoma, este tipo de pilas debería poder soportar grandes periodos de tiempo, ser muy confiable y probablemente soportar temperaturas extremas. O el claro ejemplo de las pilas usadas en los transbordadores espaciales ya que estas no pueden ser reemplazadas luego del lanzamiento.
Las pilas se pueden dividir en dos tipos principales de estas, primarias o secundarias. Una pila primaria produce energía consumiendo algún químico que esta contiene. Cuando este se agota, la pila ya no produce mas energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo en este grupo encontramos a las pilas de zinc-carbono.
Las pilas secundarias, o pilas de almacenamiento, obtienen su energía transformando alguno de sus químicos en otro tipo de químicos. Cuando el cambio es total, la pila ya no produce mas energía. Sin embargo, esta puede ser recargada mandando una corriente eléctrica de otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original. Un ejemplo de este grupo es la batería de auto o pila de ácido-plomo.
Nombrando los tipos de pilas debemos mencionar las pilas experimentales, estas aunque aun se pueden clasificar en alguno de estos dos grupos, deben mencionarse aparte ya que son hechas a pedido y responden a necesidades especificas. Por ejemplo, una pila que deba alimentar a radiotransmisor en una región montañosa en una central autónoma, este tipo de pilas debería poder soportar grandes periodos de tiempo, ser muy confiable y probablemente soportar temperaturas extremas. O el claro ejemplo de las pilas usadas en los transbordadores espaciales ya que estas no pueden ser reemplazadas luego del lanzamiento.
PILAS PRIMARIAS:
Sistema de dióxido de Zinc-Manganeso: Este es el tipo más usado de pilas en el mundo. Su usos típicos son, linternas, juguetes, walkmans, etc... Hay tres variantes para este tipo de pila: la pila Leclanché, la pila de cloruro de zinc, y la pila alcalina. Todas entregan un voltaje inicial de 1.58 a 1.7 volts, el cual declina con el uso hasta un punto de 0.8 volts aprox. La pila Leclanché es la más económica de estas, fue inventada en 1866 por un ingeniero francés (la pila lleva su nombre Charles Leclanché). Se convirtió en un éxito instantáneo debido a su constituyentes de bajo presupuesto. El ánodo de este tipo de pila es una hoja de aleación de zinc, esta aleación contiene pequeñas cantidades de; plomo, cadmio y mercurio. El electrolito consiste en una solución acuosa y saturada de cloruro de amonio conteniendo 20% de cloruro de zinc. El cátodo esta compuesto de dióxido de manganeso impuro, mezclado con carbón granulado, para creas un cátodo húmedo con un electrodo de carbón.
Aunque fue patentada en 1899 la pila de cloruro de zinc es realmente una adaptación moderna a la pila de Leclanché. La gran diferencia esta en que gracias a sellados de plástico esta pila a podido terminar con el uso de cloruro de amonio. También el dióxido de manganesos de alta pureza. Este tipo de pila tiene una más larga duración que la pila de Leclanché. También esta pila puede traer confiabilidad satisfactoria sin usar mercurio en la aleación de zinc.
La más alta densidad energética (wats por cm cubico) de las pilas de zinc-manganeso se puede encontrar en pilas con un electrolito alcalino el cual permite una construcción completamente distinta al resto de su tipo. Esta estuvieron disponibles comercialmente durante la década de los 50. El cátodo de un dióxido-grafito de manganeso muy puro y un ánodo de una aleación de zinc enriquecida son asociados con un electrolito de hidróxido de potasio y puesto en una lata de acero. Aunque el mercurio contenido en la aleación de zinc solía ser de hasta un 6 a 8 porciento, actualmente se ha logrado reducir este índice a un impresionante 0.15%, para así poder reducir el impacto ambiental que estas producen. Esta de más decir que este tipo de pila es altamente superior a ambas de las descritas anteriormente.
Pilas de dióxido de manganeso-magneseo:
Este sistema funciona bien para aplicaciones especializadas. Se parece mucho a la pila de cloruro de zinc pero tiene 0.3 volts mas por pila. Las pilas de dióxido de manganeso-magneseo tienen una larga vida, alta densidad energética, son livianas las cuales las hacen ideales para el uso de pilas para el poder de los radiotransmisores de las radios militares. Una desventaja de este tipo de pila es su funcionamiento en bajas temperaturas.
Pilas de mercurio con óxido-zinc:
Este sistema ocupa un electrolito alcalino. Ha sido largamente usada para el uso en pilas “botón” o las comúnmente usadas para relojes etc... Tienen una densidad energética de aproximadamente 4 veces mas que las pilas de zinc-manganeso. Es muy confiable y da casi siempre 1.35 volts, y gracias a esto se usa como una pila de referencia.
Pilas de plata con óxido-zinc:
Otra pila de tipo alcalina. Esta pila exhibe un cátodo de oxido de plata y un ánodo de polvo de zinc. Debido a que puede relativamente soportar altas cargas y tiene una casi constante, 1.5 volts de producción, este tipo de pila también es usado frecuentemente en relojes etc... También podemos encontrarla en algunos torpedos de uso militar, debido a su gran fiabilidad y capacidad.
Pilas de Litio:
El área de investigación de las pilas que ha atraído mas la investigación en los últimos años ha sido el área de las pilas con un ánodo de litio. Debido a su alta actividad química se deben usar electrolitos no acuosos como por ejemplo sales cristalinas. Se han hecho pilas que no tienen separación alguna entre el ánodo y el cátodo liquido, algo imposible con pilas de sistema acuoso. Una capa protectora se forma automáticamente en el litio, pero esta se rompe en la descarga permitiendo voltajes cercanos a los 3.6 volts. Esto permite una gran densidad energética. Sus usos varían desde la aeronáutica, marcapasos a cámaras automáticas.
Pilas de sulfuro Litio-hierro:
Estas pilas en porte miniatura ofrecen grandes capacidades y bajo costo. En operaciones que requieren de 1.5 a 1.8 volts, estas pueden ser un substituto a algunos tipos de pilas alcalinas.
Pilas de dióxido de litio-manganeso: Estas poco a poco van ganando aceptación. Tienen un voltaje de 2.8 volts, una alta densidad energética y un costo bajo dentro de las pilas de litio.
Pilas de monofluoruro de litio-carbono:
Estas han sido una de las pilas de litios mas comercialmente exitosas, de larga vida, alta densidad energética, buena adaptación a temperaturas y con un voltaje de 3.2 volts. Sin embargo, el costo de monofluoruro de carbono es alto.
Pilas de Litio-thionyl (lithium-thionyl): este tipo de pila provee la más alta densidad energética disponible comercialmente. El cloruro de thionyl no sirve solo como un solvente del electrolito sino que también como material del cátodo. Su funcionamiento es impresionante, ya sea a temperatura ambiente o hasta -54 grados celcius, por muy debajo del punto donde sistemas líquidos dejan de funcionar. Su uso va de equipos militares, vehículos aerospaciales hasta los famosos beepers.
Pilas de dióxido de litio-sulfuro: Este tipo de pila ha sido extensivamente usado en los sistemas de energía de emergencia de muchos aviones entre otros usos. El cátodo consiste en un gas bajo presión con otro químico como electrodo salino; muy parecido al funcionamiento del sistema anterior. Este sistema funciona increíblemente bien, pero se ha encontrado que aveces luego de su uso en frío libera gases tóxicos tales como dióxido de sulfuro.
Pilas de aire-depolarizado.
Una manera muy practica de obtener alta densidad energética es usar el oxigeno en el aire como “liquido” del material del cátodo. Si es juntado con un ánodo tal como el zinc, larga vida a bajo costo, pueden ser obtenidos. La pila, eso sí, debe ser construida de manera tal de que el oxigeno no entre en contacto con el ánodo, el cual atacaría.
Pilas de zinc-aire:
El diseño y principio de estas pilas es relativamente simple, pero su construcción no lo es, ya que el electrodo de aire debe ser extremadamente delgado. Se han hecho muchos estudios y grandes avances se han hecho en el aire del sellado del aire y la optimización de este tipo de pilas.
Pilas de aluminio-aire:
Estas no han tenido una gran aceptación comercial, pero su pequeñísimo peso y su gran densidad energética potencial han hecho que grandes estudios se hayan llevado acabo en esta área, tales como prolongar la vida de esta pila entre otros. Si estos problemas son resueltos podríamos ver grandes aplicaciones para este tipo de pilas en el futuro, incluidos su uso en autos eléctricos o incluso camiones.
Existen muchos otros tipos de pilas primarias usadas a más pequeña escala por ejemplo pilas de las cuales se sabe su rendimiento exacto como la pila de zinc-mercurio o sulfato-mercurio (1.434 volts) o las pilas de cadmio-mercurio o sulfato-mercurio (1.019 volts). O pilas tal como las de cloruro de magneseo-plata o cloruro de magneseo-plomo las cuales se ocupan en las operaciones submarinas donde el electrolito es el agua salina en el cual se encuentran sumergidas las pilas.
PILAS SECUNDARIAS:
También llamadas pilas de almacenamiento.
Pilas de ácido-plomo:
Este tipo de pila ha sido la pila recargable mas ampliamente usada en el mundo. La mayoría de este tipo de pilas son construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de estas, el electrodo positivo, esta cubierto con dióxido de plomo en una forma cristalina entre otros aditivos. El electrolito esta compuesto de ácido sulfúrico, y este participa en las reacciones con los electrodos donde sulfato de plomo es formado y lleva corriente en forma de iones. Estudios demuestran que la pila de plomo-ácido tiene una densidad energética de aproximadamente 20 veces mayor que la de las pilas de niquel-cadmio o niquel-hierro.
La razón por la cual este tipo de pila ha sido tan exitosa es que tiene un gran rango de entregar gran o poca corriente; una buena vida de ciclo con una gran fiabilidad para cientos de ciclos, facilidad de recargar, su bajo costo en comparación al resto de las recargables, alto voltaje (2.04 volts por celda), facilidad de fabricación y la facilidad de salvataje de sus componentes.
Pilas alcalinas de almacenamiento:
En las pilas de almacenamiento de este tipo la energía es derivada de la reacción química en una solución alcalina. Este tipo de pilas usan diversos materiales como electrodos tal como los que nombraremos a continuación.
Pilas de hidróxido de niquel-cadmio:
Estas son las pilas portátiles más comunes que existen. Tienen la característica de poder dar corrientes excepcionalmente altas, pueden ser rápidamente cargadas cientos de veces, son tolerantes al abuso de sobrecarga. Sin embargo, comparadas con otros tipos de pila primarias e incluso con otras de su tipo, estas pilas son pesadas y tienen una limitada densidad energética. Estas pilas funcionan mejor si es que son dejadas a descargarse completamente antes de cargarse nuevamente, sino puede producirse un fenómeno conocido como el efecto de la memoria donde las celdas se comportan como si estas tuvieran menos capacidad para la cual fueron hechas. Su uso es muy variado podemos encontrarlas desde los sistemas de partida para los motores de un avión hasta en el walkman que uno esta usando. Este tipo de pila se comporta bien bajo temperaturas frías.
Pilas de hidróxido de niquel-zinc: están bajo investigación y si su vida puede ser alargada podrían ser un viable substituto para las pilas de niquel-cadmio.
Pilas de hidróxido de niquel-hierro: este tipo de pilas puede proveer miles de ciclos, pero no al recargar necesitan mucha energía y al funcionar se calientan mas de lo deseado.
Pilas de hidróxido de niquel-hidrógeno:
Estas pilas fueron desarrolladas principalmente para el programa espacial de los EE.UU. Los estudios demuestran que aleaciones de niquel pueden reversiblemente disolver o soltar hidrógeno en proporcionalmente a cambios en la presión y temperatura. Este hidrogeno serviría como un material de ánodo. Hay especulación de que este tipo de pila podría reemplazar a la de niquel-cadmio en alguna aplicaciones.
Pilas alcalinas recargables de dióxido de zinc-manganeso: Este tipo de pilas fueron diseñadas para actuar como substitutos en sistemas donde se requieran cantidades moderadas de energía. Su gran densidad energética y su bajo costo incitan a mas estudios.
Pilas de oxido de plata-zinc:
Aunque son caras, estas pilas son usadas cuando la densidad energética, el tamaño, y el peso son fundamentales. Después de años de que su uso fue restringido a minas y torpedos su uso se ha ido diversificando hasta llegar a la exploración submarina y sistemas de comunicaciones.
Pilas secundarias (o de almacenamiento) de litio:
Este tipo de pila muestra una gran promesa a futuro ya que su energía teóricamente va de 600 a 2,000 wats por hora por kg. Algunos elementos con los cuales se investiga son: disulfito de litio-titanio, dióxido de litio-manganeso y disulfito de litio-molibdeno.
Pilas secundarias (o de almacenamiento) de sodio-sulfuro:
Mucha experimentación se ha llevado a cabo con este tipo de pila que funciona al rededor de los 350 grados C'. Aun se deben resolver bastantes problemas relativo a su estabilidad. Especialmente cuando se toma en cuenta que necesita ser enfriada y calentada entre usos. Pero su economía y la entrega de 2.3 volts hacen que este sistema sea extremadamente atractivo, especialmente en el área de los automóviles eléctricos.
PILA DE COMBUSTIBLE
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Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen. Una célula de combustible o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables. Los reactantes típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos.
Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas. Cada una de estas celdas están compuestas de un electrodo positivo y otro negativo además de un separador. Cuando la batería se está descargando un cambio electroquímico se está produciendo entre los diferentes materiales en los dos electrodos. Los electrones son transportados entre el electrodo positivo y negativo vía un circuito externo(bombillas, motores de arranque etc.).
Las pilas se pueden dividir en dos tipos principales de estas, primarias o secundarias. Una pila primaria produce energía consumiendo algún químico que esta contiene. Cuando este se agota, la pila ya no produce mas energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo en este grupo encontramos a las pilas de zinc-carbono.
Las pilas secundarias, o pilas de almacenamiento, obtienen su energía transformando alguno de sus químicos en otro tipo de químicos. Cuando el cambio es total, la pila ya no produce mas energía. Sin embargo, esta puede ser recargada mandando una corriente eléctrica de otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original. Un ejemplo de este grupo es la batería de auto o pila de ácido-plomo.
Nombrando los tipos de pilas debemos mencionar las pilas experimentales, estas aunque aun se pueden clasificar en alguno de estos dos grupos, deben mencionarse aparte ya que son hechas a pedido y responden a necesidades especificas. Por ejemplo, una pila que deba alimentar a radiotransmisor en una región montañosa en una central autónoma, este tipo de pilas debería poder soportar grandes periodos de tiempo, ser muy confiable y probablemente soportar temperaturas extremas. O el claro ejemplo de las pilas usadas en los transbordadores espaciales ya que estas no pueden ser reemplazadas luego del lanzamiento.
Las pilas se pueden dividir en dos tipos principales de estas, primarias o secundarias. Una pila primaria produce energía consumiendo algún químico que esta contiene. Cuando este se agota, la pila ya no produce mas energía y debe ser reemplazada. Por ejemplo en este grupo encontramos a las pilas de zinc-carbono.
Las pilas secundarias, o pilas de almacenamiento, obtienen su energía transformando alguno de sus químicos en otro tipo de químicos. Cuando el cambio es total, la pila ya no produce mas energía. Sin embargo, esta puede ser recargada mandando una corriente eléctrica de otra fuente a través de ella para así poder volver a los químicos a su estado original. Un ejemplo de este grupo es la batería de auto o pila de ácido-plomo.
Nombrando los tipos de pilas debemos mencionar las pilas experimentales, estas aunque aun se pueden clasificar en alguno de estos dos grupos, deben mencionarse aparte ya que son hechas a pedido y responden a necesidades especificas. Por ejemplo, una pila que deba alimentar a radiotransmisor en una región montañosa en una central autónoma, este tipo de pilas debería poder soportar grandes periodos de tiempo, ser muy confiable y probablemente soportar temperaturas extremas. O el claro ejemplo de las pilas usadas en los transbordadores espaciales ya que estas no pueden ser reemplazadas luego del lanzamiento.
PILAS PRIMARIAS:
Sistema de dióxido de Zinc-Manganeso: Este es el tipo más usado de pilas en el mundo. Su usos típicos son, linternas, juguetes, walkmans, etc... Hay tres variantes para este tipo de pila: la pila Leclanché, la pila de cloruro de zinc, y la pila alcalina. Todas entregan un voltaje inicial de 1.58 a 1.7 volts, el cual declina con el uso hasta un punto de 0.8 volts aprox. La pila Leclanché es la más económica de estas, fue inventada en 1866 por un ingeniero francés (la pila lleva su nombre Charles Leclanché). Se convirtió en un éxito instantáneo debido a su constituyentes de bajo presupuesto. El ánodo de este tipo de pila es una hoja de aleación de zinc, esta aleación contiene pequeñas cantidades de; plomo, cadmio y mercurio. El electrolito consiste en una solución acuosa y saturada de cloruro de amonio conteniendo 20% de cloruro de zinc. El cátodo esta compuesto de dióxido de manganeso impuro, mezclado con carbón granulado, para creas un cátodo húmedo con un electrodo de carbón.
Aunque fue patentada en 1899 la pila de cloruro de zinc es realmente una adaptación moderna a la pila de Leclanché. La gran diferencia esta en que gracias a sellados de plástico esta pila a podido terminar con el uso de cloruro de amonio. También el dióxido de manganesos de alta pureza. Este tipo de pila tiene una más larga duración que la pila de Leclanché. También esta pila puede traer confiabilidad satisfactoria sin usar mercurio en la aleación de zinc.
La más alta densidad energética (wats por cm cubico) de las pilas de zinc-manganeso se puede encontrar en pilas con un electrolito alcalino el cual permite una construcción completamente distinta al resto de su tipo. Esta estuvieron disponibles comercialmente durante la década de los 50. El cátodo de un dióxido-grafito de manganeso muy puro y un ánodo de una aleación de zinc enriquecida son asociados con un electrolito de hidróxido de potasio y puesto en una lata de acero. Aunque el mercurio contenido en la aleación de zinc solía ser de hasta un 6 a 8 porciento, actualmente se ha logrado reducir este índice a un impresionante 0.15%, para así poder reducir el impacto ambiental que estas producen. Esta de más decir que este tipo de pila es altamente superior a ambas de las descritas anteriormente.
Pilas de dióxido de manganeso-magneseo:
Este sistema funciona bien para aplicaciones especializadas. Se parece mucho a la pila de cloruro de zinc pero tiene 0.3 volts mas por pila. Las pilas de dióxido de manganeso-magneseo tienen una larga vida, alta densidad energética, son livianas las cuales las hacen ideales para el uso de pilas para el poder de los radiotransmisores de las radios militares. Una desventaja de este tipo de pila es su funcionamiento en bajas temperaturas.
Pilas de mercurio con óxido-zinc:
Este sistema ocupa un electrolito alcalino. Ha sido largamente usada para el uso en pilas “botón” o las comúnmente usadas para relojes etc... Tienen una densidad energética de aproximadamente 4 veces mas que las pilas de zinc-manganeso. Es muy confiable y da casi siempre 1.35 volts, y gracias a esto se usa como una pila de referencia.
Pilas de plata con óxido-zinc:
Otra pila de tipo alcalina. Esta pila exhibe un cátodo de oxido de plata y un ánodo de polvo de zinc. Debido a que puede relativamente soportar altas cargas y tiene una casi constante, 1.5 volts de producción, este tipo de pila también es usado frecuentemente en relojes etc... También podemos encontrarla en algunos torpedos de uso militar, debido a su gran fiabilidad y capacidad.
Pilas de Litio:
El área de investigación de las pilas que ha atraído mas la investigación en los últimos años ha sido el área de las pilas con un ánodo de litio. Debido a su alta actividad química se deben usar electrolitos no acuosos como por ejemplo sales cristalinas. Se han hecho pilas que no tienen separación alguna entre el ánodo y el cátodo liquido, algo imposible con pilas de sistema acuoso. Una capa protectora se forma automáticamente en el litio, pero esta se rompe en la descarga permitiendo voltajes cercanos a los 3.6 volts. Esto permite una gran densidad energética. Sus usos varían desde la aeronáutica, marcapasos a cámaras automáticas.
Pilas de sulfuro Litio-hierro:
Estas pilas en porte miniatura ofrecen grandes capacidades y bajo costo. En operaciones que requieren de 1.5 a 1.8 volts, estas pueden ser un substituto a algunos tipos de pilas alcalinas.
Pilas de dióxido de litio-manganeso: Estas poco a poco van ganando aceptación. Tienen un voltaje de 2.8 volts, una alta densidad energética y un costo bajo dentro de las pilas de litio.
Pilas de monofluoruro de litio-carbono:
Estas han sido una de las pilas de litios mas comercialmente exitosas, de larga vida, alta densidad energética, buena adaptación a temperaturas y con un voltaje de 3.2 volts. Sin embargo, el costo de monofluoruro de carbono es alto.
Pilas de Litio-thionyl (lithium-thionyl): este tipo de pila provee la más alta densidad energética disponible comercialmente. El cloruro de thionyl no sirve solo como un solvente del electrolito sino que también como material del cátodo. Su funcionamiento es impresionante, ya sea a temperatura ambiente o hasta -54 grados celcius, por muy debajo del punto donde sistemas líquidos dejan de funcionar. Su uso va de equipos militares, vehículos aerospaciales hasta los famosos beepers.
Pilas de dióxido de litio-sulfuro: Este tipo de pila ha sido extensivamente usado en los sistemas de energía de emergencia de muchos aviones entre otros usos. El cátodo consiste en un gas bajo presión con otro químico como electrodo salino; muy parecido al funcionamiento del sistema anterior. Este sistema funciona increíblemente bien, pero se ha encontrado que aveces luego de su uso en frío libera gases tóxicos tales como dióxido de sulfuro.
Pilas de aire-depolarizado.
Una manera muy practica de obtener alta densidad energética es usar el oxigeno en el aire como “liquido” del material del cátodo. Si es juntado con un ánodo tal como el zinc, larga vida a bajo costo, pueden ser obtenidos. La pila, eso sí, debe ser construida de manera tal de que el oxigeno no entre en contacto con el ánodo, el cual atacaría.
Pilas de zinc-aire:
El diseño y principio de estas pilas es relativamente simple, pero su construcción no lo es, ya que el electrodo de aire debe ser extremadamente delgado. Se han hecho muchos estudios y grandes avances se han hecho en el aire del sellado del aire y la optimización de este tipo de pilas.
Pilas de aluminio-aire:
Estas no han tenido una gran aceptación comercial, pero su pequeñísimo peso y su gran densidad energética potencial han hecho que grandes estudios se hayan llevado acabo en esta área, tales como prolongar la vida de esta pila entre otros. Si estos problemas son resueltos podríamos ver grandes aplicaciones para este tipo de pilas en el futuro, incluidos su uso en autos eléctricos o incluso camiones.
Existen muchos otros tipos de pilas primarias usadas a más pequeña escala por ejemplo pilas de las cuales se sabe su rendimiento exacto como la pila de zinc-mercurio o sulfato-mercurio (1.434 volts) o las pilas de cadmio-mercurio o sulfato-mercurio (1.019 volts). O pilas tal como las de cloruro de magneseo-plata o cloruro de magneseo-plomo las cuales se ocupan en las operaciones submarinas donde el electrolito es el agua salina en el cual se encuentran sumergidas las pilas.
PILAS SECUNDARIAS:
También llamadas pilas de almacenamiento.
Pilas de ácido-plomo:
Este tipo de pila ha sido la pila recargable mas ampliamente usada en el mundo. La mayoría de este tipo de pilas son construidas de planchas de plomo o celdas, donde una de estas, el electrodo positivo, esta cubierto con dióxido de plomo en una forma cristalina entre otros aditivos. El electrolito esta compuesto de ácido sulfúrico, y este participa en las reacciones con los electrodos donde sulfato de plomo es formado y lleva corriente en forma de iones. Estudios demuestran que la pila de plomo-ácido tiene una densidad energética de aproximadamente 20 veces mayor que la de las pilas de niquel-cadmio o niquel-hierro.
La razón por la cual este tipo de pila ha sido tan exitosa es que tiene un gran rango de entregar gran o poca corriente; una buena vida de ciclo con una gran fiabilidad para cientos de ciclos, facilidad de recargar, su bajo costo en comparación al resto de las recargables, alto voltaje (2.04 volts por celda), facilidad de fabricación y la facilidad de salvataje de sus componentes.
Pilas alcalinas de almacenamiento:
En las pilas de almacenamiento de este tipo la energía es derivada de la reacción química en una solución alcalina. Este tipo de pilas usan diversos materiales como electrodos tal como los que nombraremos a continuación.
Pilas de hidróxido de niquel-cadmio:
Estas son las pilas portátiles más comunes que existen. Tienen la característica de poder dar corrientes excepcionalmente altas, pueden ser rápidamente cargadas cientos de veces, son tolerantes al abuso de sobrecarga. Sin embargo, comparadas con otros tipos de pila primarias e incluso con otras de su tipo, estas pilas son pesadas y tienen una limitada densidad energética. Estas pilas funcionan mejor si es que son dejadas a descargarse completamente antes de cargarse nuevamente, sino puede producirse un fenómeno conocido como el efecto de la memoria donde las celdas se comportan como si estas tuvieran menos capacidad para la cual fueron hechas. Su uso es muy variado podemos encontrarlas desde los sistemas de partida para los motores de un avión hasta en el walkman que uno esta usando. Este tipo de pila se comporta bien bajo temperaturas frías.
Pilas de hidróxido de niquel-zinc: están bajo investigación y si su vida puede ser alargada podrían ser un viable substituto para las pilas de niquel-cadmio.
Pilas de hidróxido de niquel-hierro: este tipo de pilas puede proveer miles de ciclos, pero no al recargar necesitan mucha energía y al funcionar se calientan mas de lo deseado.
Pilas de hidróxido de niquel-hidrógeno:
Estas pilas fueron desarrolladas principalmente para el programa espacial de los EE.UU. Los estudios demuestran que aleaciones de niquel pueden reversiblemente disolver o soltar hidrógeno en proporcionalmente a cambios en la presión y temperatura. Este hidrogeno serviría como un material de ánodo. Hay especulación de que este tipo de pila podría reemplazar a la de niquel-cadmio en alguna aplicaciones.
Pilas alcalinas recargables de dióxido de zinc-manganeso: Este tipo de pilas fueron diseñadas para actuar como substitutos en sistemas donde se requieran cantidades moderadas de energía. Su gran densidad energética y su bajo costo incitan a mas estudios.
Pilas de oxido de plata-zinc:
Aunque son caras, estas pilas son usadas cuando la densidad energética, el tamaño, y el peso son fundamentales. Después de años de que su uso fue restringido a minas y torpedos su uso se ha ido diversificando hasta llegar a la exploración submarina y sistemas de comunicaciones.
Pilas secundarias (o de almacenamiento) de litio:
Este tipo de pila muestra una gran promesa a futuro ya que su energía teóricamente va de 600 a 2,000 wats por hora por kg. Algunos elementos con los cuales se investiga son: disulfito de litio-titanio, dióxido de litio-manganeso y disulfito de litio-molibdeno.
Pilas secundarias (o de almacenamiento) de sodio-sulfuro:
Mucha experimentación se ha llevado a cabo con este tipo de pila que funciona al rededor de los 350 grados C'. Aun se deben resolver bastantes problemas relativo a su estabilidad. Especialmente cuando se toma en cuenta que necesita ser enfriada y calentada entre usos. Pero su economía y la entrega de 2.3 volts hacen que este sistema sea extremadamente atractivo, especialmente en el área de los automóviles eléctricos.
PILA DE COMBUSTIBLE
De Wikipedia, la enciclopedia libre
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Pila de hidrógeno. La celda en sí es la estructura cúbica del centro de la imagen. Una célula de combustible o celda de combustible es un dispositivo electroquímico de conversión de energía similar a una batería, pero se diferencia de esta última en que está diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos; es decir, produce electricidad de una fuente externa de combustible y de oxígeno en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía que posee una batería. Además, los electrodos en una batería reaccionan y cambian según como esté de cargada o descargada; en cambio, en una celda de combustible los electrodos son catalíticos y relativamente estables. Los reactantes típicos utilizados en una celda de combustible son hidrógeno en el lado del ánodo y oxígeno en el lado del cátodo (si se trata de una celda de hidrógeno). Por otra parte las baterías convencionales consumen reactivos sólidos y, una vez que se han agotado, deben ser eliminadas o recargadas con electricidad. Generalmente, los reactivos "fluyen hacia dentro" y los productos de la reacción "fluyen hacia fuera". La operación a largo plazo virtualmente continua es factible mientras se mantengan estos flujos.
jueves, 29 de mayo de 2008
Robótica Pedagógica
CONSTRUCCIÓN DE UN ROBOT PROMOCIONAL
OMAR LUCIO CABRERA JIMÉNEZ
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
cjol@xanum.uam.mx
RESUMEN
En el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma Metropolitana tenemos gran interés en los proyectos de Robótica Pedagógica, es por ello que hemos realizado el diseño y la construcción de un Prototipo de Robot Promocional que puede realizar las funciones de avanzar, retroceder, girar, mover los brazos y mover la cabeza. Estas funciones del sistema pueden ser controladas mediante programas grabados en una Unidad de Microcontrol o bien, de manera remota, por un operador.
El Prototipo tiene la imagen de un robot antropomórfico del tamaño de una persona y cuenta con un tablero para mensajes, un radio AM/FM con reproductor de cassettes y un sistema que recibe una señal de voz y la hace pasar a través de un procesador. Así mismo se han instalado, en el robot, un micrófono y una cámara que envían señales hasta donde se encuentra el operador.
El prototipo fue construido utilizando material de recuperación y algunos aparatos que, al no estar siendo utilizados, fueron puestos a nuestra disposición. A pesar de esto el sistema ha sido utilizado en diferentes eventos de promoción de la UAM teniendo una gran aceptación del público en general y ha participado en dos programas de TV.
PALABRAS CLAVE: Robótica Pedagógica, Radio Control, Microcontrolador.
1 INTRODUCCIÓN
El interés por realizar proyectos dentro de la disciplina llamada Robótica Pedagógica como parte de nuestro quehacer académico nos llevó a plantear la idea de desarrollar un proyecto al que hemos llamado Prototipo de ROBOT PROMOCIONAL mismo que tiene por objetivo integrar diferentes componentes tecnológicos (desde chips de circuitos integrados hasta micrófonos y cámaras inalámbricos) con el propósito de construir un sistema electromecánico que pueda ser controlado utilizando un Radio Control
o bien mediante programas almacenados en la memoria de una Unidad de Microcontrol .
El sistema se pensó con la imagen de un robot antropomórfico y debe servir, por una parte, para ilustrar a los estudiantes de manera práctica los conceptos teóricos involucrados en el mismo y, por otro, lado al ser puesto en funcionamiento debe hacer promoción de diferentes bienes y servicios, por ejemplo puede ser presentado en los eventos de promoción en los que participa la Universidad como una muestra del trabajo que hemos realizado en cuanto a desarrollos tecnológicos.
2 EL USO DE ROBOTS
La palabra Robot, para diferentes idiomas, tiene sus raíces en palabras que significan sirviente y trabajo o faena lo cual nos da una idea de los que podemos esperar de un robot. Además desde la antigüedad ha existido, en diferentes culturas, la idea de tener sirvientes parecidos a los humanos o a los animales que se encarguen de hacer todo tipo de trabajos pesados.
Tal como lo entendemos en la actualidad, los robots, son dispositivos tecnológicos que sirven para realizar la tarea para la cual han sido construido y son utilizados donde la velocidad y la precisión de los mecanismos automatizados superan las habilidades del hombre así como para hacer aquellas tareas que resulten especialmente peligrosas para los seres humanos, siendo la industria de manufactura, y principalmente la industria automotriz, donde más se utilizan.
Las tareas en que más frecuentemente encontramos robots son :
Recubrimiento de Superficies.
Moldeo por inyección.
Soldadura por puntos.
Acoplamiento de herramientas.
Empaque.
3. LA ROBÓTICA PEDAGÓGICA
La idea de “aprender jugando” resulta muy atractiva para todos los estudiantes, independientemente de su edad y su nivel educativo, además la robótica despierta, en los alumnos de las carreras técnicas, un gran interés, pues el diseño, construcción y programación de un robot involucra diferentes disciplinas, todas ellas de gran importancia como la electrónica, la mecánica y los lenguajes de programación entre otras. Es por ello que los prototipos que se hacen en la Universidad Autónoma Metropolitana como proyectos robóticos logran captar la atención y despertar el interés por el proceso de fabricación del robot. De igual forma el funcionamiento de tales proyectos puede ser orientado hacia la transmisión de diversos tipos de conocimientos.
Lo anterior sirvió como base para que, a finales de los años 80, apareciera una nueva disciplina conocida como Robótica Pedagógica. En la actualidad una gran cantidad de investigadores alrededor de todo el mundo trabajan sobre esta línea de investigación según lo demuestra la gran cantidad de trabajos presentados en los diversos congresos que se han organizado, acerca de ella, en diferentes países de Europa y América (uno de ellos se realizó en la Universidad Nacional Autónoma de México).
La Robótica Pedagógica fue definida por Martial Vivet, uno de los primeros investigadores que realizó proyectos de robótica con la finalidad de apoyar el proceso de Enseñanza - Aprendizaje, de la siguiente manera:
“Es la actividad de concebir, construir y poner en funcionamiento, con fines pedagógicos, objetos tecnológicos que son reproducciones muy fieles y significativas de los procesos y herramientas robóticos que son usados cotidianamente sobre todo en el medio industrial”.
4 EL ROBOT PROMOCIONAL
El sistema, como se mostró en la figura de la página anterior, fue diseñado y construido con una imagen antropomórfica del tamaño de una persona (1.70 mts. aproximadamente), pesa alrededor de 60 kgs y posee las siguientes características:
Despliega mensajes programables.
Simula oído, visión y habla.
Sintoniza las estaciones de AM/FM y reproduce cassettes.
Cuenta con un anuncio luminoso.
Se desplaza hacia atrás o hacia delante y gira hacia la izquierda o la derecha.
Mueve los brazos.
Mueve la cabeza.
En este documento haremos la descripción de las diferentes partes que integran al sistema, separándolas por el tipo de funciones de las que se encargan y viéndolas como estructuras diferentes, es decir, tendremos la Estructura Electrónica. la Estructura Mecánica y la Estructura de Control del sistema.
5 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
Despliegue de mensajes programables.
En la parte de enfrente, debajo de lo que vemos como la cintura del robot, se colocó un Display que presentará hasta cinco mensajes diferentes. Cada mensaje puede ser programado con un total de hasta 640 caracteres y que se estará repitiendo, un mensaje a la vez, sin ningún tipo de intervención del usuario.
Simulación de oído, visión y habla.
El robot posee un micrófono, colocado en la parte superior del pecho, y una cámara de un sistema de monitoreo (similar a los sistemas de circuito cerrado de televisión) cuya lente está enmedio de los ojos. Estos aparatos envían señales, en forma inalámbrica, a los aparatos receptores que controla el operador para que éste pueda escuchar y ver a las personas que interactúan con el prototipo.
Para simular que el robot es capaz de hablar, el operador envía un mensaje a través de un micrófono inalámbrico cuya señal es captada en el robot y se pasa por un procesador de voz para que el sonido tenga el timbre de un sintetizador, en las bocinas que se encuentran en los costados del robot así quienes lo escuchan tendrán la idea de que es el robot quien está hablando con ellos (ver la siguiente figura).
Sintonía de estaciones de AM/FM y capacidad de reproducir cassettes.
El robot posee un estero de automóvil con radio de AM / FM y reproductor de cassettes conectado con un ecualizador y con un par de bocinas que se encuentran en la parte inferior del frente del robot. El radio puede ser sintonizado en alguna estación o bien se puede poner a reproducir un cassette con música o con un guión grabado con anterioridad. Ver la siguiente figura.
Exhibición de Anuncio Luminoso.
En el interior del pecho del Robot se ha colocado una lámpara de halógeno de luz blanca con su propia batería. En la parte exterior se colocó una cubierta de acrílico con el logotipo de la UAM que se ilumina al encender la lámpara.
6 ESTRUCTURA MECÁNICA
El prototipo puede desplazarse hacia atrás o hacia delante y girar hacia la izquierda o la derecha.
La base del robot está montada sobre tres ruedas: dos de ellas se encuentran alineadas en la parte posterior y la tercera está en la parte frontal de la mencionada base. La ruedas traseras serán movidas de manera independiente mediante un sistema como el que se muestra a continuación.
Para cada llanta hemos utilizado un motor que en otro tiempo sirviera para subir y bajar los cristales eléctricos de un automóvil. El motor tiene en su eje un engrane sinfín que hace mover un engrane corona, mismo que, a su vez, hace mover otro engrane corona . La llanta ha sido asegurada firmemente con este último engrane.
Los movimientos quedan determinados por el sentido en el que giren ambas ruedas traseras ya que la rueda frontal puede acomodarse para tomar una dirección acorde con el tipo de movimiento. A continuación mencionamos cómo deben girar ambas ruedas traseras para que el prototipo tenga movimiento.
Avanzar. Ambas ruedas giran al mismo tiempo hacia delante.
Retroceder. Ambas ruedas giran al mismo tiempo hacia atrás.
Girar a la Derecha “haciendo como compás”. La llanta izquierda gira hacia delante y la derecha no gira o bien la llanta derecha gira hacia atrás mientras la otra permanece fija.
Girar a la Derecha sobre su propio eje. La izquierda va hacia adelante y la hacia atrás.
Girar a la Izquierda “haciendo como compás”. La llanta derecha gira hacia delante y la izquierda no gira o bien la llanta derecha gira hacia atrás mientras la otra permanece fija.
Girar a la Izquierda sobre su propio eje. La derecha va hacia adelante y la otra hacia atrás.
Movimiento de los brazos
El robot tiene la capacidad de levantar o bajar de forma independiente sus brazos. Cuenta con un sistema que utiliza un engrane sinfín y un engrane corona, éste último hace mover una palanca en cuyo extremo ha sido asegurado la parte superior del brazo, así el motor siempre gira en el mismo sentido y la longitud de las palancas determina el punto en el cual el brazo deja de subir para empezar a bajar y de la misma forma el punto donde el brazo termina de bajar para empezar a subir. En la figura que tenemos a continuación presentamos un esbozo del sistema descrito.
Movimiento de la cabeza.
En la figura de la derecha presentamos un bosquejo del sistema que hace que el robot mueva la cabeza de un lado a otro, de manera semejante al movimiento que hacemos cuando decimos “no”.
Se puede observar que tenemos un motor que mueve una palanca que, mediante otra palanca, hace que se mueva la base en que se coloca la cabeza, de esta manera, este juego de palancas determina el ángulo en que puede moverse la base de la cabeza y el motor sólo tiene que girar en un único sentido.
En la figura de la dercha hemos bosquejad
7 ESTRUCTURA DE CONTROL
El robot puede ser controlado mediante programas que se graban en la memoria de una Unidad de Microcontrol o bien de manera remota utilizando un radio control del tipo de los que se utilizan para volar aeromodelos.
El micontrolador requiere el uso de lenguaje ensamblador para establecer una rutina de movimientos que el robot estará repitiendo sin intervención de algún usuario. Este sistema aún está siendo evaluado en cuanto a sus ventajas y desventajas.
de potencia, conectadas en cascada, para manejar los niveles de voltaje y corriente que se necesitan para activar los motores que harán que el robot realice las funciones que ya hemos mencionado.
En la figura que se presenta a la derecha vemos el tipo de Radio-Control que estamos utilizando.
El sistema de Radio – Control posee un conjunto de servomecanismos que son activados por el receptor con ellos podemos abrir y cerrar interruptores, así que hemos diseñado una tarjeta electrónica para tomar las señales de los interruptores manejados por los servomecanismos y convertirlas en niveles de voltaje para circuitos lógicos de TTL, las salidas de estos circuitos tienen codificadas las instrucciones para las funciones del robot, existen además, dos etapas
8 CONCLUSIONES
La Robótica Pedagógica motiva el trabajo de los investigadores que desean apoyarse en la tecnología para apoyar el Proceso de Enseñanza – Aprendizaje es por ello que en la UAM estamos trabajando en el desarrollo de sistemas como el que aquí hemos presentado. El prototipo que tenemos se encuentra en un proceso de mejora continua pues consideramos que todos los sistemas que lo integran son perfectibles.
Los resultados han sido sumamente alentadores pues los alumnos de la UAM están empezando a participar, con gran entusiasmo, en este proyecto pues consideran que pueden aprender mucho al involucrarse en este tipo de desarrollos tecnológicos y, por otro lado, el prototipo se ha presentado en diferentes eventos de promoción de la Universidad y recientemente se ha estado presentando en dos programas de televisión que se transmite para el sur de los Estados Unidos y Latinoamérica.
Existen proyectos en la UAM, como los desarrollos de agentes inteligentes que podrían ser integrados a nuestro prototipo para hacerlo mucho más interesante.
9 BIBLIOGRAFÏA
1] Vivet, M. y Nonnon, P. (1989) “Actes du Premier Congrès Francophone de Robotique Pédagogique” Université Du Maine. Le Mans, Francia.
[2] Vivet, M. y Nonnon, P. (1990) “Robotique Pédagogique Les Actes du IIe Congrès International” Université de Montreal, Montreal Canadá.
[3] Ruíz Velasco, E. (1991). “Robotica Pedagógica Memoria de la 3a Conferencia Internacional” UNAM, Ciudad de México.
[4] Cohen, J. (1969) “Los Robots en el Mito y en la Ciencia” Grijalbo S.A.México.
[5] Pawson, R. (1986). “El Libro del Robot” Gustavo Gili, S.A. Barcelona, España.
[6] McCloy, D. y Harris, M. (1993) “Robótica, una introducción”., Editorial Limusa, México
[7] HC-11 Reference Manual Motorola
OMAR LUCIO CABRERA JIMÉNEZ
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA
UNIDAD IZTAPALAPA
cjol@xanum.uam.mx
RESUMEN
En el Departamento de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Autónoma Metropolitana tenemos gran interés en los proyectos de Robótica Pedagógica, es por ello que hemos realizado el diseño y la construcción de un Prototipo de Robot Promocional que puede realizar las funciones de avanzar, retroceder, girar, mover los brazos y mover la cabeza. Estas funciones del sistema pueden ser controladas mediante programas grabados en una Unidad de Microcontrol o bien, de manera remota, por un operador.
El Prototipo tiene la imagen de un robot antropomórfico del tamaño de una persona y cuenta con un tablero para mensajes, un radio AM/FM con reproductor de cassettes y un sistema que recibe una señal de voz y la hace pasar a través de un procesador. Así mismo se han instalado, en el robot, un micrófono y una cámara que envían señales hasta donde se encuentra el operador.
El prototipo fue construido utilizando material de recuperación y algunos aparatos que, al no estar siendo utilizados, fueron puestos a nuestra disposición. A pesar de esto el sistema ha sido utilizado en diferentes eventos de promoción de la UAM teniendo una gran aceptación del público en general y ha participado en dos programas de TV.
PALABRAS CLAVE: Robótica Pedagógica, Radio Control, Microcontrolador.
1 INTRODUCCIÓN
El interés por realizar proyectos dentro de la disciplina llamada Robótica Pedagógica como parte de nuestro quehacer académico nos llevó a plantear la idea de desarrollar un proyecto al que hemos llamado Prototipo de ROBOT PROMOCIONAL mismo que tiene por objetivo integrar diferentes componentes tecnológicos (desde chips de circuitos integrados hasta micrófonos y cámaras inalámbricos) con el propósito de construir un sistema electromecánico que pueda ser controlado utilizando un Radio Control
o bien mediante programas almacenados en la memoria de una Unidad de Microcontrol .
El sistema se pensó con la imagen de un robot antropomórfico y debe servir, por una parte, para ilustrar a los estudiantes de manera práctica los conceptos teóricos involucrados en el mismo y, por otro, lado al ser puesto en funcionamiento debe hacer promoción de diferentes bienes y servicios, por ejemplo puede ser presentado en los eventos de promoción en los que participa la Universidad como una muestra del trabajo que hemos realizado en cuanto a desarrollos tecnológicos.
2 EL USO DE ROBOTS
La palabra Robot, para diferentes idiomas, tiene sus raíces en palabras que significan sirviente y trabajo o faena lo cual nos da una idea de los que podemos esperar de un robot. Además desde la antigüedad ha existido, en diferentes culturas, la idea de tener sirvientes parecidos a los humanos o a los animales que se encarguen de hacer todo tipo de trabajos pesados.
Tal como lo entendemos en la actualidad, los robots, son dispositivos tecnológicos que sirven para realizar la tarea para la cual han sido construido y son utilizados donde la velocidad y la precisión de los mecanismos automatizados superan las habilidades del hombre así como para hacer aquellas tareas que resulten especialmente peligrosas para los seres humanos, siendo la industria de manufactura, y principalmente la industria automotriz, donde más se utilizan.
Las tareas en que más frecuentemente encontramos robots son :
Recubrimiento de Superficies.
Moldeo por inyección.
Soldadura por puntos.
Acoplamiento de herramientas.
Empaque.
3. LA ROBÓTICA PEDAGÓGICA
La idea de “aprender jugando” resulta muy atractiva para todos los estudiantes, independientemente de su edad y su nivel educativo, además la robótica despierta, en los alumnos de las carreras técnicas, un gran interés, pues el diseño, construcción y programación de un robot involucra diferentes disciplinas, todas ellas de gran importancia como la electrónica, la mecánica y los lenguajes de programación entre otras. Es por ello que los prototipos que se hacen en la Universidad Autónoma Metropolitana como proyectos robóticos logran captar la atención y despertar el interés por el proceso de fabricación del robot. De igual forma el funcionamiento de tales proyectos puede ser orientado hacia la transmisión de diversos tipos de conocimientos.
Lo anterior sirvió como base para que, a finales de los años 80, apareciera una nueva disciplina conocida como Robótica Pedagógica. En la actualidad una gran cantidad de investigadores alrededor de todo el mundo trabajan sobre esta línea de investigación según lo demuestra la gran cantidad de trabajos presentados en los diversos congresos que se han organizado, acerca de ella, en diferentes países de Europa y América (uno de ellos se realizó en la Universidad Nacional Autónoma de México).
La Robótica Pedagógica fue definida por Martial Vivet, uno de los primeros investigadores que realizó proyectos de robótica con la finalidad de apoyar el proceso de Enseñanza - Aprendizaje, de la siguiente manera:
“Es la actividad de concebir, construir y poner en funcionamiento, con fines pedagógicos, objetos tecnológicos que son reproducciones muy fieles y significativas de los procesos y herramientas robóticos que son usados cotidianamente sobre todo en el medio industrial”.
4 EL ROBOT PROMOCIONAL
El sistema, como se mostró en la figura de la página anterior, fue diseñado y construido con una imagen antropomórfica del tamaño de una persona (1.70 mts. aproximadamente), pesa alrededor de 60 kgs y posee las siguientes características:
Despliega mensajes programables.
Simula oído, visión y habla.
Sintoniza las estaciones de AM/FM y reproduce cassettes.
Cuenta con un anuncio luminoso.
Se desplaza hacia atrás o hacia delante y gira hacia la izquierda o la derecha.
Mueve los brazos.
Mueve la cabeza.
En este documento haremos la descripción de las diferentes partes que integran al sistema, separándolas por el tipo de funciones de las que se encargan y viéndolas como estructuras diferentes, es decir, tendremos la Estructura Electrónica. la Estructura Mecánica y la Estructura de Control del sistema.
5 ESTRUCTURA ELECTRÓNICA
Despliegue de mensajes programables.
En la parte de enfrente, debajo de lo que vemos como la cintura del robot, se colocó un Display que presentará hasta cinco mensajes diferentes. Cada mensaje puede ser programado con un total de hasta 640 caracteres y que se estará repitiendo, un mensaje a la vez, sin ningún tipo de intervención del usuario.
Simulación de oído, visión y habla.
El robot posee un micrófono, colocado en la parte superior del pecho, y una cámara de un sistema de monitoreo (similar a los sistemas de circuito cerrado de televisión) cuya lente está enmedio de los ojos. Estos aparatos envían señales, en forma inalámbrica, a los aparatos receptores que controla el operador para que éste pueda escuchar y ver a las personas que interactúan con el prototipo.
Para simular que el robot es capaz de hablar, el operador envía un mensaje a través de un micrófono inalámbrico cuya señal es captada en el robot y se pasa por un procesador de voz para que el sonido tenga el timbre de un sintetizador, en las bocinas que se encuentran en los costados del robot así quienes lo escuchan tendrán la idea de que es el robot quien está hablando con ellos (ver la siguiente figura).
Sintonía de estaciones de AM/FM y capacidad de reproducir cassettes.
El robot posee un estero de automóvil con radio de AM / FM y reproductor de cassettes conectado con un ecualizador y con un par de bocinas que se encuentran en la parte inferior del frente del robot. El radio puede ser sintonizado en alguna estación o bien se puede poner a reproducir un cassette con música o con un guión grabado con anterioridad. Ver la siguiente figura.
Exhibición de Anuncio Luminoso.
En el interior del pecho del Robot se ha colocado una lámpara de halógeno de luz blanca con su propia batería. En la parte exterior se colocó una cubierta de acrílico con el logotipo de la UAM que se ilumina al encender la lámpara.
6 ESTRUCTURA MECÁNICA
El prototipo puede desplazarse hacia atrás o hacia delante y girar hacia la izquierda o la derecha.
La base del robot está montada sobre tres ruedas: dos de ellas se encuentran alineadas en la parte posterior y la tercera está en la parte frontal de la mencionada base. La ruedas traseras serán movidas de manera independiente mediante un sistema como el que se muestra a continuación.
Para cada llanta hemos utilizado un motor que en otro tiempo sirviera para subir y bajar los cristales eléctricos de un automóvil. El motor tiene en su eje un engrane sinfín que hace mover un engrane corona, mismo que, a su vez, hace mover otro engrane corona . La llanta ha sido asegurada firmemente con este último engrane.
Los movimientos quedan determinados por el sentido en el que giren ambas ruedas traseras ya que la rueda frontal puede acomodarse para tomar una dirección acorde con el tipo de movimiento. A continuación mencionamos cómo deben girar ambas ruedas traseras para que el prototipo tenga movimiento.
Avanzar. Ambas ruedas giran al mismo tiempo hacia delante.
Retroceder. Ambas ruedas giran al mismo tiempo hacia atrás.
Girar a la Derecha “haciendo como compás”. La llanta izquierda gira hacia delante y la derecha no gira o bien la llanta derecha gira hacia atrás mientras la otra permanece fija.
Girar a la Derecha sobre su propio eje. La izquierda va hacia adelante y la hacia atrás.
Girar a la Izquierda “haciendo como compás”. La llanta derecha gira hacia delante y la izquierda no gira o bien la llanta derecha gira hacia atrás mientras la otra permanece fija.
Girar a la Izquierda sobre su propio eje. La derecha va hacia adelante y la otra hacia atrás.
Movimiento de los brazos
El robot tiene la capacidad de levantar o bajar de forma independiente sus brazos. Cuenta con un sistema que utiliza un engrane sinfín y un engrane corona, éste último hace mover una palanca en cuyo extremo ha sido asegurado la parte superior del brazo, así el motor siempre gira en el mismo sentido y la longitud de las palancas determina el punto en el cual el brazo deja de subir para empezar a bajar y de la misma forma el punto donde el brazo termina de bajar para empezar a subir. En la figura que tenemos a continuación presentamos un esbozo del sistema descrito.
Movimiento de la cabeza.
En la figura de la derecha presentamos un bosquejo del sistema que hace que el robot mueva la cabeza de un lado a otro, de manera semejante al movimiento que hacemos cuando decimos “no”.
Se puede observar que tenemos un motor que mueve una palanca que, mediante otra palanca, hace que se mueva la base en que se coloca la cabeza, de esta manera, este juego de palancas determina el ángulo en que puede moverse la base de la cabeza y el motor sólo tiene que girar en un único sentido.
En la figura de la dercha hemos bosquejad
7 ESTRUCTURA DE CONTROL
El robot puede ser controlado mediante programas que se graban en la memoria de una Unidad de Microcontrol o bien de manera remota utilizando un radio control del tipo de los que se utilizan para volar aeromodelos.
El micontrolador requiere el uso de lenguaje ensamblador para establecer una rutina de movimientos que el robot estará repitiendo sin intervención de algún usuario. Este sistema aún está siendo evaluado en cuanto a sus ventajas y desventajas.
de potencia, conectadas en cascada, para manejar los niveles de voltaje y corriente que se necesitan para activar los motores que harán que el robot realice las funciones que ya hemos mencionado.
En la figura que se presenta a la derecha vemos el tipo de Radio-Control que estamos utilizando.
El sistema de Radio – Control posee un conjunto de servomecanismos que son activados por el receptor con ellos podemos abrir y cerrar interruptores, así que hemos diseñado una tarjeta electrónica para tomar las señales de los interruptores manejados por los servomecanismos y convertirlas en niveles de voltaje para circuitos lógicos de TTL, las salidas de estos circuitos tienen codificadas las instrucciones para las funciones del robot, existen además, dos etapas
8 CONCLUSIONES
La Robótica Pedagógica motiva el trabajo de los investigadores que desean apoyarse en la tecnología para apoyar el Proceso de Enseñanza – Aprendizaje es por ello que en la UAM estamos trabajando en el desarrollo de sistemas como el que aquí hemos presentado. El prototipo que tenemos se encuentra en un proceso de mejora continua pues consideramos que todos los sistemas que lo integran son perfectibles.
Los resultados han sido sumamente alentadores pues los alumnos de la UAM están empezando a participar, con gran entusiasmo, en este proyecto pues consideran que pueden aprender mucho al involucrarse en este tipo de desarrollos tecnológicos y, por otro lado, el prototipo se ha presentado en diferentes eventos de promoción de la Universidad y recientemente se ha estado presentando en dos programas de televisión que se transmite para el sur de los Estados Unidos y Latinoamérica.
Existen proyectos en la UAM, como los desarrollos de agentes inteligentes que podrían ser integrados a nuestro prototipo para hacerlo mucho más interesante.
9 BIBLIOGRAFÏA
1] Vivet, M. y Nonnon, P. (1989) “Actes du Premier Congrès Francophone de Robotique Pédagogique” Université Du Maine. Le Mans, Francia.
[2] Vivet, M. y Nonnon, P. (1990) “Robotique Pédagogique Les Actes du IIe Congrès International” Université de Montreal, Montreal Canadá.
[3] Ruíz Velasco, E. (1991). “Robotica Pedagógica Memoria de la 3a Conferencia Internacional” UNAM, Ciudad de México.
[4] Cohen, J. (1969) “Los Robots en el Mito y en la Ciencia” Grijalbo S.A.México.
[5] Pawson, R. (1986). “El Libro del Robot” Gustavo Gili, S.A. Barcelona, España.
[6] McCloy, D. y Harris, M. (1993) “Robótica, una introducción”., Editorial Limusa, México
[7] HC-11 Reference Manual Motorola
sábado, 24 de mayo de 2008
Presentación
Hola, este blog se realizará para llevar una comunicación, no sólo alumno- maestro, sino también maestro- maestro o bien público en general, con la finalidad de enriquecer nuestra ardua tarea cotidiana que llevamos en nuestra secundaria. Saludos profra Erika
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