Docencia de conceptos de ingeniería mecánica para alumnos de

Asociación Española de
Ingeniería Mecánica
XVIII CONGRESO NACIONAL
DE INGENIERÍA MECÁNICA
Docencia de conceptos de ingeniería mecánica para alumnos de
diversa procedencia utilizando LEGO
J. Porras
Dpto. Ingeniería Mecánica, ICAI Universidad Pontificia Comillas
[email protected]
A. Sánchez
Dpto. Electrónica y Automática, ICAI Universidad Pontificia Comillas
Resumen
En el paradigma educacional tradicional, que está cambiando en la actualidad, el currículo se basa
fundamentalmente en haber acumulado un conjunto de créditos y no tanto en haber demostrado un conjunto de
competencias profesionales (capacidad de trabajo en equipos multidisciplinares y de resolver problemas
complicados) que son las más importantes que se esperan de un ingeniero. En consecuencia es necesario en
primer lugar trasladar los conocimientos de las diferentes áreas de la ingeniería no únicamente a aquellos
alumnos que han escogido la “especialidad” correspondiente, sino también a aquellos que han elegido otra
área distinta. Por ello se ha desarrollado el "diploma en Sistemas Robóticos Móviles" que consta de un conjunto
de asignaturas dentro del marco de las carreras de Ingeniería Industrial, Ingeniería Informática y el título de
segundo ciclo de Ingeniería en Automática y Electrónica Industrial. El diploma está estructurado en cuatro
asignaturas que se deben cursar de forma consecutiva en un mínimo de dos años académicos. Desde el punto de
vista de la mecánica, en dichas asignaturas se comienzan con conocimientos sencillos de cinemática (orientados
a posicionar un vehículo en el espacio), se continua con diseño de mecanismos (cadenas cinemáticas y
estructuras sencillas) . En el segundo año se añaden los conceptos de resistencia y rigidez, buscando además
optimizar los diseños desde este punto de vista y minimizando su peso, para terminar obteniendo modelos físicos
del comportamiento dinámico de los mecanismos. El desarrollo mecánico dentro del diploma se apoya en dos
grandes bases: LEGO Technics y SolidEdge. Todo esto sin olvidar que en el propio diploma se refuerzan
conocimientos de control, electrónica, electrotecnia y programación avanzada en C++.
En conclusión, se describe la aplicación de estas técnicas para conseguir motivar a los alumnos a adquirir
conocimientos en áreas de la ingeniería que en principio no eran de su predilección y la obtención en los
alumnos de unas competencias fundamentales para su desempeño profesional.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad es muy importante en la docencia universitaria tener en cuenta cual es el resultado final que
queremos obtener con los alumnos egresados, sobre todo teniendo en cuenta las variaciones que se están
produciendo últimamente tanto en la capacitación previa en los alumnos de nuevo ingreso como en los planes de
estudio. Para ello es importante reflexionar sobre que queremos conseguir y como lo hacemos.
En el mercado laboral actual los ingenieros deben enfrentarse a problemas que dependen de muchos campos
distintos y por tanto deben de ser capaces de resolverlos, según ABET [1] (Accreditation Board for Engineering
and Technolohgy) las competencias más importantes que se esperan de un ingeniero son: primero la capacidad
de trabajar en equipos multidisciplinares y segundo la capacidad de definir, plantear y resolver problemas reales
complicados, es decir cualquier ingeniero debe de ser capaz de enfrentarse a los problemas actuales que no están
enmarcados en las tradicionales “especialidades”, sino que precisan de conceptos de todas las áreas de
conocimiento. En consecuencia es necesario en primer lugar trasladar los conocimientos de las diferentes áreas
de la ingeniería no únicamente a aquellos alumnos que han escogido la “especialidad” correspondiente, sino
también a aquellos que han elegido otra área distinta. Esto supone un desafío, ya que precisamente por esa
elección, los alumnos han establecido previamente su poca predisposición a dichas materias. Además es
J. Porras et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010)
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necesario proporcionarles unas capacidades para enfrentarse tanto en solitario como, más importante, en equipo
a problemas reales y permitirles resolverlos según sea posible.
Por tanto se estableció que era necesario plantear un sistema docente en el que se desarrollarán las siguientes
competencias:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Trabajo en grupo
Presentación eficaz de proyectos e ideas de forma oral y escrita
Análisis crítico y selección de alternativas
Capacidad de desarrollar vectores de prueba completos para la detección de errores
Sistematización
Capacidad para aislar las fuentes de error de forma sistemática una vez detectadas
Honestidad profesional
Autonomía
Iniciativa y creatividad
DIPLOMA DE SISTEMAS ROBÓTICOS MÓVILES
Con todo esto en mente se desarrolló un conjunto de asignaturas dentro del marco de las carreras de Ingeniería
Industrial, Ingeniería Técnica Industrial, Ingeniería Informática y el título de segundo ciclo de Ingeniería en
Automática y Electrónica Industrial que se imparten en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería I.C.A.I. El
objetivo es aportar al alumno las competencias necesarias para su ejercicio profesional y al mismo tiempo que
adquiera conocimientos en áreas más allá de su elección disciplinar.
Tabla 1. Asignaturas que conforman el diploma.
Curso 1
12 créditos
Primer cuatrimestre
Segundo cuatrimestre
Programación de robots móviles
Sistemas mecatrónicos básicos
Programación de
sistemas autónomos
(1.5c)
Arquitecturas
mecánicas y
cinemáticas de
robots (1.5c)
Laboratorio asignatura 1 (3c)
Sistemas
electrónicos para
robots (1.5c)
Laboratorio asignatura 2 (4c)
Curso 2
Diseño de robots avanzados y
15 créditos
Sistemas mecatrónicos inteligentes
Dinámica y diseño de
robots (1.5c)
Gestión de energía
(1.5c)
Laboratorio asignatura 3 (3c)
Actuadores
eléctricos para
robots (0.5c)
Técnicas de
navegación y
control (1.5c)
Programación de
controles en
sistemas embebidos
(1.5c)
Laboratorio asignatura 4 (6c)
Estas asignaturas forman parte de un diploma propio en Sistemas Robóticos Móviles que se agrega al currículo
de los alumnos. Se escogió esta disciplina para el diploma por varias razones:

Necesita de cinco materias básicas para su desarrollo que abarcan prácticamente la totalidad del área de
conocimientos de la ingeniería industrial. Estas materias son: Mecánica, electricidad, electrónica,
automática e informática.

Es una materia motivante, lo que redunda en la dedicación de los alumnos a las asignaturas a pesar de
que las materias no son las de su elección curricular.

Permite fácilmente crear problemas complejos para que sean resueltos por los alumnos en equipos y a
su vez enfrentar varios equipos en competición.
El diploma está estructurado en cuatro asignaturas que se deben cursar de forma consecutiva en un mínimo de
dos años académicos, en estas asignaturas se van impartiendo conocimientos de las áreas mencionadas
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anteriormente, aumentando la complejidad de los problemas que deben resolver. En la tabla (1) se puede
observar la distribución de dichas asignaturas, supuesto que se realicen en dos años académicos consecutivos.
La distribución de conocimientos en todas las áreas se hace de forma que se comienza con conocimientos
básicos y se evoluciona añadiendo temas cada vez más avanzados que se apoyan en los anteriores. Esto se
planificó así dado que el perfil de alumno que se esperaba era muy diverso, y no era posible suponer
conocimientos previos en ninguna área.
Concretamente en el área de los conocimientos mecánicos se comienzan con conocimientos sencillos de
cinemática (orientados a posicionar un vehículo en el espacio), se continua con diseño de mecanismos (cadenas
cinemáticas y estructuras sencillas). En el segundo año se añaden los conceptos de resistencia y rigidez,
buscando además optimizar los diseños desde este punto de vista y minimizando su peso, para terminar
obteniendo modelos físicos del comportamiento dinámico de los mecanismos. En el resto de áreas se sigue una
política parecida, yendo de lo más básico hasta lo más avanzado.
En las asignaturas se reciben alumnos de las titulaciones mencionadas anteriormente y para realizar los proyectos
que conforman el cuerpo principal de las asignaturas se forman con ellos grupos de trabajo de cuatro personas,
buscando que los miembros del grupo provengan de áreas de conocimiento diferentes, es decir de titulaciones
distintas, con ello se consigue promover el trabajo en equipos multidisciplinares. Además se busca que los
alumnos con conocimientos de un área ayuden a los que no los tienen a adquirirlos más fácil y rápidamente; de
esta manera se potencian las diferencias obteniendo una sinergia en los resultados de los grupos de trabajo.
Fig. 1. Vehículo tipo moto con sistema de equilibrado del centro de gravedad.
DOCENCIA DE CONOCIMIENTOS MECÁNICOS
Para la correcta realización de los proyectos planteados en el diploma es necesario (y parte de los objetivos
fundamentales) que los alumnos adquieran y desarrollen ciertos conocimientos mecánicos, para ello aparecían
dos retos: por un lado el perfil de alumno no tiene una predisposición por lo temas de índole mecánica (en
algunos casos, ni siquiera se ha enfrentado a ellos anteriormente) y por otro lado es preciso hacer viable la
posibilidad de crear los elementos mecánicos necesarios para los proyectos de forma sencilla y económica.
Por todo ello se escogió utilizar elementos de LEGO Technics como la base de las construcciones mecánicas,
fueron precisas algunas adaptaciones de algunos elementos para incorporar sensores, actuadores y otros
dispositivos a las estructuras de LEGO. Aunque LEGO tenga una connotación de juguete, cabe destacar su
importancia en la docencia. En la tesis de Fred Martin del MIT [2] se describe la utilidad del LEGO y del
desarrollo de robots móviles como herramientas para enseñar ingeniería. En consecuencia, las razones de utilizar
estos elementos son varias:
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
Son de fácil obtención y manipulación por los alumnos. Además algunos de los alumnos ya se
encuentran familiarizados con ellos. Según [3] al usar LEGO en los diseños de robots sirve para
disminuir el tiempo de desarrollo de los mismos.

Con ellos se pueden realizar prácticamente cualquier mecanismo o estructura para nuestros fines.

Son ligeros, aunque, en principio, no muy resistentes; no obstante esta última característica supone una
ventaja didáctica ya que se puede plantear como un reto conseguir estructuras robustas con ellos.

Tienen un coste reducido, lo que permite disponer de suficientes de ellos para nuestros objetivos.

Finalmente, se ha comprobado que son un elemento muy motivante para los alumnos [4], facilitando el
que aprendan los conceptos asociados de forma más fácil.
Otra ventaja que se ha comprobado y que puede ser trasladada a otro tipo de docencia, es la facilidad de crear
modelos sencillos que ilustren determinados mecanismos o estructuras que se pueden llevar al aula, mostrar a los
alumnos e incluso modificar directamente para explicar determinados aspectos de su comportamiento.
Otro objetivo que se quería cubrir era que los alumnos fuesen capaces de documentar sus proyectos de forma
clara, organizada y normalizada. En lo que competía a la parte mecánica de sus diseños eso implicaba la
realización de planos técnicos. Simultáneamente surgió la necesidad en las asignaturas de la segunda parte del
diploma de obtener parámetros mecánicos (masas, dimensiones, momentos de inercia,…) de los diseños de los
alumnos para poder crear los algoritmos de control. Esto supuso una dificultad doble, por una parte se
necesitaban estos parámetros antes de haber creado definitivamente los diseños, y además algunos de ellos eran
complejos de medir.
Por tanto, se tomó la decisión de utilizar un software de diseño 3D, en concreto SolidEdge, que nos permite por
un lado crear planos y modelos de los diseños de forma bastante sencilla y por otra parte proporciona
herramientas de obtención de parámetros físicos.
Fig. 2. Caja de velocidades con cambio (corta-larga) minimizando su volumen.
Docencia de conceptos de ingeniería mecánica para alumnos de diversa procedencia utilizando LEGO
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EXPERIENCIA
Con las condiciones anteriormente expuestas se llevan impartiendo tres cursos de las dos primeras asignaturas
del diploma y uno de las dos segundas. Los resultados desde el punto de motivación y aprendizaje de los
alumnos son muy buenos, la matriculación de alumnos en las dos últimas asignaturas del diploma muestra la
capacidad motivante conseguida. Esto es debido a que, aunque las dos primeras asignaturas se imparten como
parte de las asignaturas de libre elección dentro de las respectivas titulaciones de los alumnos, en las dos
asignaturas del último año del diploma los alumnos deben matricularse como créditos fuera de sus estudios
reglados para recibir el título acreditativo del diploma. Eso supone que los alumnos deben encontrar una razón
que les haga matricularse en dichas asignaturas, especialmente si tenemos en cuenta que el segundo año del
diploma suele coincidir con el último año de sus titulaciones principales, suponiendo una carga de trabajo
adicional.
Fig. 3. Sistema de transmisión 4x4 con tres diferenciales y rotación entre los dos ejes.
La experiencia desde el punto de vista de los profesores es muy positiva, hemos observado como los alumnos
han dedicado horas y esfuerzos fuera del horario lectivo para adelantar trabajo de sus proyectos, también ha sido
clara la formación de grupos cohesionados compuestos de alumnos de distintas titulaciones y el desarrollo de
conocimientos por alumnos que en principio no tenían especial predisposición hacia ellos. En los proyectos se ha
mostrado que alumnos exclusivamente de las titulaciones de electrónica e informática han desarrollado
mecanismos como cajas de velocidades, direcciones de vehículos o transmisiones con diferencial, optimizando
las relaciones de transmisión, el volumen ocupado y el número de engranajes utilizados. Esos mismos alumnos
han obtenido los pesos, centro de gravedad, momentos de inercia y dimensiones de sus diseños utilizando
SolidEdge. Ejemplos de esto se pueden observar en las figuras (1), (2) y (3).
También han sido capaces de comunicar sus resultados, ventajas y dificultades utilizando documentación gráfica
y realizar planos normalizados, figuras (1), (2) y (3) también son muestra de esto ya que han sido realizadas por
los alumnos para los informes finales de sus proyectos.
Otra característica que se ha observado en los alumnos y que se ha promovido por los profesores es la autonomía
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que han obtenido en la resolución de problemas. Cuando los proyectos llegaban a un punto de bloqueo muchas
veces eran los propios alumnos los que proponían soluciones o posibilidades a investigar. Esto era debido
fundamentalmente al dialogo que se desarrollaba en el interior del propio grupo fomentado por la variedad de
procedencia de los alumnos.
Además se han conseguido el resto de objetivos que se plantearon a la hora de crear el diploma, por el lado de
los conocimientos los alumnos aprendido y desarrollado habilidades sobre sensores y actuadores típicos de
robótica móvil, sobre algoritmos de lógica y navegación de robots, visión artificial de bajo nivel y control
avanzado; han programado en C++ en entornos múltiples (PDA, placas de desarrollo específicas y PC). En
cuanto a las competencias, han aprendido a planificar y llevar a cabo un proyecto complejo en equipo y han sido
capaces de presentar su trabajo en público defendiendo las soluciones adoptadas.
CONCLUSIÓN
Por todo lo anteriormente expuesto podemos concluir los siguientes puntos:

Los robots móviles, el LEGO Technics y las aplicaciones de diseño 3D son elementos motivantes para
la docencia de diferentes materias.

Se ha logrado transmitir conocimientos de áreas fundamentalmente mecánicas a alumnos con
preferencias curriculares muy apartadas de la mecánica a través de la motivación.

Se ha conseguido que los alumnos presenten documentación técnica de sus proyectos de forma
organizada y clara, tanto en forma oral como escrita.

La motivación también logra que la dedicación del alumno a la materia fuera de las horas lectivas
aumente considerablemente.

El trabajo en equipos multidisciplinares potencia el aprendizaje de todos los miembros del equipo.
REFERENCIAS
[1] ABET. 2nd National Conference on Outcomes Assessment for Program Improvement, Pittsburgh, (2002).
[2] Martin, F. Ideal and real systems: A study of notions of control in undergraduates who design robots.
Constructionism in Practice: Designing, Thinking, and Learning in a Digital World. Tesis Doctoral MIT
(Yasmin Kafai and Mitchel Resnick, eds.), Lawrence Erlbaum. 1996.
[3] Pack D. J., Avanzato R., Ahlgren D. J., Verner I. Fire-Fighting Mobile Robotics and Interdisciplinary.
Design-Comparative Perspectives. IEEE Trans on Education. Aug 2004. 47 (3): 369.
[4] Randall D. Beer, Hillel J. Chiel, and Richard F. Drushel. Using Autonomous Robotics to Teach Science and
Engineering, Communications of the ACM 42(6), 85-92 (June 1999)