Lego Mindstorms para niños
Lego Mindstorms fue una línea de robótica creada por la empresa LEGO. Permitía a los niños construir y programar sus propios robots usando piezas especiales y un bloque inteligente. Estos robots podían interactuar con su entorno. El primer kit se lanzó en septiembre de 1998 y la línea se dejó de fabricar a finales de 2022.
Se promocionaba como el "Sistema de Invención Robotizado" (RIS). También se usaba como herramienta educativa, gracias a una colaboración entre LEGO y el MIT. La versión para escuelas se llamaba "Lego Mindstorms for Schools" e incluía un software de programación visual.
Con Lego Mindstorms, podías construir modelos con partes que se movían y eran controladas por una computadora. Era posible crear casi cualquier cosa, desde un elevador hasta robots industriales. Su facilidad de uso, sin necesidad de conocimientos avanzados de electricidad, hizo que fuera muy popular en la educación.
Lego Mindstorms fue una excelente herramienta para empezar a experimentar con robots y aprender sobre ciencia y tecnología. Hasta 2021, hubo cuatro generaciones principales de Lego Mindstorms: el bloque RCX, el NXT, el EV3 y el EV4.
Contenido
- ¿Cómo surgió Lego Mindstorms?
- Otros desarrollos de Lego
- Generaciones de Lego Mindstorms
- Piezas especiales de Lego Mindstorms
- Ruedas de Lego Mindstorms
- ¿Cómo se construye y programa un robot Mindstorms?
- Sensores de Lego Mindstorms
- Véase también
¿Cómo surgió Lego Mindstorms?
Lego Mindstorms fue el resultado de una importante colaboración entre Lego y el MIT. Esta unión es un gran ejemplo de cómo la industria y la investigación académica pueden trabajar juntas para crear productos innovadores.
La visión del MIT y Lego
La idea de Lego Mindstorms nació en un momento desafiante para Lego. Se firmó un acuerdo con el MIT: Lego financiaría investigaciones sobre cómo aprenden los niños, y a cambio, obtendría nuevas ideas para sus productos sin pagar derechos. Así nació el "Bloque programable" del MIT.
El líder del grupo del MIT era Seymour Papert, un matemático interesado en cómo las computadoras pueden ayudar a los niños a aprender. El nombre "Mindstorms" viene de su libro, donde explica que los niños construyen su propio conocimiento. Papert creía que la educación debe dar herramientas para que los niños exploren y creen. Esta idea de "aprender construyendo" fue clave para Lego.
El grupo del MIT, dirigido por Mitchel Resnick, que fue alumno de Papert, se enfocó en "diseñar cosas que permitan a los estudiantes diseñar cosas". Querían que los niños actuaran como ingenieros e inventores, descubriendo los principios de la ciencia y la tecnología por sí mismos.
Primeros pasos y el "Bloque programable"
Lego Mindstorms no fue el primer proyecto de Lego y el MIT, pero sí el más exitoso. Antes, crearon el sistema "Lego TC Logo" en 1986, donde se programaba una computadora conectada a una construcción Lego con motores y sensores. Aunque tuvo éxito, tenía algunas limitaciones.
En 1993, lanzaron "Control Lab" con un software mejorado. La idea de programar un bloque directamente en la construcción Lego se estudió por mucho tiempo. Al principio, la tecnología era muy cara y las computadoras no estaban tan extendidas. Tuvieron que esperar varios años hasta que las condiciones fueran adecuadas.
Finalmente, comenzaron a desarrollar el bloque RCX, que se convirtió en el "cerebro" de Mindstorms. Con este bloque, las construcciones de Lego pasaron de ser estáticas a máquinas dinámicas que podían interactuar con el mundo. La filosofía era fomentar el "aprender diseñando", dando a los niños más libertad para crear.
Decisiones clave en el diseño
El público objetivo de Lego Mindstorms eran niños de 10 a 14 años, principalmente varones. Esta elección influyó en el diseño del producto final. El bloque RCX de Lego se desarrolló de forma independiente del diseño del MIT, porque Lego necesitaba un producto más económico y resistente para vender a gran escala.
Otras pautas de diseño importantes fueron:
- Sencillez y complejidad: El sistema debía ser fácil para principiantes, pero permitir diseños avanzados para usuarios experimentados.
- Versatilidad: El juguete debía poder usarse de muchas maneras diferentes. Si un niño sentía que había "terminado" con el juguete, se consideraba un fallo de diseño.
- Simplicidad: Se descubrió que diseños más pequeños y limitados, como los "Cricket", fomentaban la creatividad.
- Componentes clave: Los niños podían usar motores, sensores y microcontroladores, pero no modificarlos internamente. El juego trataba de cómo combinarlos.
- Énfasis en la programación: Se buscó una forma sencilla de enseñar programación. Se experimentó con un lenguaje visual llamado "LogoBlocks", donde las instrucciones eran bloques. Lego decidió usar una versión gráfica y un nuevo lenguaje llamado RCX Code.
- Puertos de conexión: El bloque debía tener suficientes puertos para conectar diferentes tipos de sensores (temperatura, sonido, luz).
- Observar a los niños: En lugar de solo seguir sugerencias, se observaba lo que los niños intentaban hacer con el juguete en el laboratorio para obtener mejores ideas.
Lanzamiento y éxito
El proyecto inicial se dividió en varias ramas, incluyendo el bloque RCX de Lego. La primera versión de Lego Mindstorms se lanzó por 200 dólares e incluía 717 piezas y el bloque RCX. En solo tres meses, se vendieron 80,000 unidades.
Lo sorprendente fue el gran interés de los adultos aficionados a la robótica, lo que triplicó las expectativas de ventas. Además, se formó una comunidad de entusiastas que expandieron las posibilidades del producto, creando programas alternativos y sitios web para compartir ideas.
A lo largo de los años, Lego lanzó nuevas versiones, como el robot "Cybermaster" en 1998. A pesar de algunos rumores de que Lego abandonaría la línea, en 2006 anunciaron el Mindstorms NXT, y en 2013, el Mindstorms EV3.
Algunas opiniones y mejoras
Algunas decisiones comerciales de Lego no siempre coincidieron con los principios del MIT. Por ejemplo, algunos miembros del grupo del MIT no estaban de acuerdo con que el kit comercial incluyera solo modelos de robots de combate, ya que esto limitaba la experimentación libre de los niños.
Aunque el juego se basaba en la idea de que los niños construyen su propio conocimiento, muchos profesores lo usaban de forma más tradicional. Esto hizo que la filosofía de aprendizaje detrás del juguete no se difundiera tanto como se esperaba.
Otros desarrollos de Lego
CyberMaster
CyberMaster fue uno de los primeros kits de Lego con un bloque programable, lanzado en el año 2000 en algunos países. Venía con un control remoto que se programaba para enviar instrucciones al bloque. Este bloque usaba comunicación por radio, que luego se cambió a infrarrojos en el RCX. Era un experimento temprano y tenía algunas limitaciones:
- Solo permitía un programa en la memoria del control remoto con el software original.
- Los motores estaban fijos en el bloque.
- Solo tenía un espacio de memoria para el programa y podía ejecutar pocas instrucciones a la vez.
MicroScout y Scout
MicroScout fue un bloque programable más pequeño lanzado en 1999. Podía transmitir instrucciones usando luz visible, tenía un sensor de luz y una bocina. Incluía funciones predefinidas como mover el motor, seguir una fuente de luz o activar una alarma.
Generaciones de Lego Mindstorms
Primera generación: Bloque RCX
El bloque RCX era el corazón de Lego Mindstorms. Contenía la lógica y la electrónica que permitían al robot realizar acciones. Podía almacenar hasta 5 programas y el software básico para controlar los dispositivos conectados.
Hubo tres versiones oficiales del bloque RCX: 1.0, 1.5 y 2.0. Tenían mejoras en el software, aunque el hardware era similar.
El cerebro del RCX
El RCX tenía un microcontrolador interno que funcionaba a una velocidad de 16 MHz. Tenía memoria para guardar programas y podía convertir señales de los sensores en datos digitales. Este microcontrolador podía procesar muchas instrucciones por segundo, pero no podía ejecutar dos tareas al mismo tiempo.
Conexiones de entrada y salida
El bloque RCX tenía tres conectores de entrada para los sensores. Estos conectores, de color gris, estaban numerados 1, 2 y 3. Permitían al robot "sentir" su entorno.
Las salidas del bloque RCX, de color negro y marcadas con A, B y C, servían para dar energía a los motores. Proporcionaban 9 voltios para que los motores se movieran según las instrucciones del programa.
Pantalla LCD
La pantalla LCD del Lego Mindstorms mostraba información importante:
- Arriba: Detección de sensores y nivel de batería.
- Centro: Números para contadores, temporizadores o valores de sensores.
- Abajo: Dirección de movimiento de los motores.
- Izquierda: Si había conexión inalámbrica por infrarrojos.
También mostraba el número del programa en ejecución y una figura que se movía cuando el robot estaba activo. Si no se cargaba el software básico, algunas funciones de la pantalla no funcionaban correctamente.
Comunicación por infrarrojos
El bloque RCX tenía un puerto infrarrojo en la parte delantera para comunicarse con la computadora y transferir programas. Funcionaba a una frecuencia similar a la de un control remoto de televisión. Podía conectarse con otros dispositivos con puerto infrarrojo, como algunas computadoras portátiles.
La distancia máxima de comunicación era de unos 30 cm, siempre que no hubiera objetos que bloquearan la señal. La luz ambiental también podía afectar la distancia.
Alimentación eléctrica
El bloque RCX se alimentaba con 6 pilas AA de 1.5 voltios, que daban energía tanto al bloque como a los motores. El manual de Lego Mindstorms advertía que al cambiar las pilas, si se tardaba más de 1 minuto, la información guardada (programas y software básico) podía perderse. También se recomendaba evitar pilas recargables, ya que podían afectar el rendimiento.
Se podía programar el apagado automático del robot, desde 1 minuto hasta 99 minutos, o deshabilitarlo. El software también mostraba el nivel de carga de las baterías. Cuando las baterías se agotaban, el robot emitía un sonido constante.
Segunda generación: Bloque NXT
El bloque NXT fue una versión mejorada del Lego Mindstorms RCX. Lego vendió el NXT en dos versiones: "Retail Version" (para el público general) y "Education Base Set" (para escuelas). La versión educativa incluía baterías recargables y un cargador.
Lego también ofreció kits para desarrolladores con información sobre los controladores USB, los sensores y los protocolos de comunicación Bluetooth. Hubo varias versiones del Lego Mindstorms NXT: 1.0, 1.1, 2.0 y 2.1.
El cerebro del NXT
El microcontrolador del NXT era más potente, con mayor capacidad para ejecutar programas y evitar errores.
Entradas y salidas del NXT
El bloque NXT tenía cuatro entradas para sensores, con conectores diferentes a los del RCX. Sin embargo, el kit NXT incluía un adaptador para que los sensores del RCX pudieran usarse con el NXT.
Las salidas de energía seguían siendo tres, ubicadas en la parte posterior del bloque, para conectar los motores.
Comunicaciones del NXT
El bloque NXT podía comunicarse con la computadora mediante un puerto USB. Además, tenía una interfaz Bluetooth para conectarse con otros robots, computadoras, o teléfonos móviles.
Las posibilidades de conexión Bluetooth incluían:
- Conectar hasta tres dispositivos diferentes.
- Buscar y conectarse a otros dispositivos Bluetooth.
- Recordar dispositivos conectados anteriormente para una conexión más rápida.
- Hacer el bloque NXT visible o invisible para otros dispositivos.
Software básico (Firmware)
El software básico (firmware) de Lego Mindstorms contenía las instrucciones esenciales para el bloque. Venía en un CD-ROM y debía cargarse cada vez que el robot se encendía o se cambiaban las baterías y la memoria se borraba.
Si no se cargaba el firmware, el robot solo podía ejecutar un programa básico que venía de fábrica. Cargar el firmware completo tardaba unos 3 minutos. Las versiones más nuevas del RCX eran compatibles con las anteriores, permitiendo que los programas funcionaran en diferentes generaciones.
Torre de comunicación
Para transferir programas, Lego Mindstorms usaba una torre con un rayo infrarrojo que se conectaba a la computadora. Había dos versiones:
- Torre serial
Se conectaba a un puerto COM de la computadora y transmitía instrucciones hasta 15 cm. Necesitaba una pila AA.
- Torre USB
Se incluyó con el RCX 2.0 y se conectaba al puerto USB de la computadora. No necesitaba baterías, ya que se alimentaba del computador. La distancia máxima era de 30 cm.
Motores
| Motor | Velocidad normal (RPM) |
Torque (kg/cm) |
Velocidad estándar (RPM) |
|---|---|---|---|
| Estándar | 3240 | 1,760 | 40 |
| 9 voltios | 370 | 3.840 | 15 |
| Micro | 36 | 0,128 | 36 |
| Tabla correspondiente a las mediciones para los distintos motores desmontables de Lego Robotics |
|||
Los motores de Lego Robotics eran de tres tipos y se podían conectar al bloque para dar movimiento al robot. El motor estándar era más rápido, mientras que el de 9 voltios tenía más fuerza para mover objetos pesados, aunque era más lento y preciso. El motor Micro era para funciones pequeñas debido a su poca fuerza y baja velocidad.
Los motores se conectaban con cables. Los motores del modelo NXT eran servomotores, que podían detectar los giros de la rueda, lo que permitía un control más preciso.
Tercera generación: Bloque EV3
LEGO MINDSTORMS EV3 se lanzó en 2013. La versión básica permitía construir cinco modelos diferentes, y había más modelos disponibles en línea y en libros.
El bloque EV3 era el centro de control y la fuente de energía del robot. Tenía:
- 4 puertos de entrada para sensores.
- 4 puertos de salida para motores.
- Un puerto mini-USB para conectar a una computadora.
- Un puerto USB para añadir un conector Wi-Fi o conectar varios bloques.
- Un puerto para tarjetas Micro SD para ampliar la memoria.
- Un altavoz integrado.
- Receptor de señales infrarrojas y Bluetooth y Wi-Fi.
Los conectores de los cables estaban modificados para que no fueran compatibles con los de teléfono, que usan voltajes más altos y podrían ser peligrosos.
El kit también incluía:
- 2 servomotores grandes y 1 servomotor pequeño.
- Sensores de color y de contacto.
- Un mando a distancia por infrarrojos.
- Una guía de usuario.
- Piezas de fijación, movimiento y flexibles, compatibles con Lego Technic.
Cuarta generación: Bloque EV4
La cuarta generación se llama LEGO Mindstorms Robot Inventor y se lanzó en 2020, con nuevas características.
Piezas especiales de Lego Mindstorms
A diferencia de otros sets de Lego, Mindstorms incluía piezas especiales para dar movimiento y flexibilidad a los robots. Estas piezas se clasificaban en móviles, flexibles y de fijación.
- Piezas móviles
Permitían la rotación de un bloque, como para las ruedas. Se dividían en:
- Pieza de rotación: Permitía que un bloque girara sobre otro. Se usaba en robots con ruedas o cintas transportadoras.
- Pieza de giro: Permitía girar un bloque en el espacio, como para simular los ojos de un robot.
- Piezas flexibles
Servían para crear articulaciones en el robot, permitiendo movimientos no rígidos, como en un brazo robótico. Eran tubos de plástico que conectaban bloques a poca distancia.
- Piezas de fijación
Se usaban para asegurar los ejes de rotación, como los de las ruedas. Eran tubos pequeños que evitaban que las piezas se salieran durante el movimiento.
Ruedas de Lego Mindstorms
Las ruedas eran componentes clave de Lego Mindstorms, ya que permitían que los robots se movieran e interactuaran con su entorno.
Había diferentes tipos de ruedas: desde las anchas para mayor estabilidad y velocidad, hasta las pequeñas para moverse en espacios reducidos. También se incluían orugas, como las de los tanques, para que el robot pudiera desplazarse por superficies irregulares o funcionar como una cinta transportadora.
Los aficionados a la robótica solían medir las características de cada rueda y compartían información en línea sobre su rendimiento en diferentes superficies, con distintos pesos o velocidades.
¿Cómo se construye y programa un robot Mindstorms?
Construcción
La construcción del robot se basaba en unir bloques de plástico de Lego, junto con piezas flexibles y otras que permitían la rotación de ruedas o partes. El robot se construía alrededor del bloque programable, ya que este proporcionaba la energía y las órdenes. También se podían añadir sensores del kit para que el robot tomara decisiones.
Una buena estrategia era decidir primero qué tipo de robot se quería construir. Luego, se ensamblaban las partes por separado, como las ruedas o los sensores. La fase más importante era unir todo al bloque principal, asegurándose de no tapar el sensor infrarrojo (en el RCX) para poder cargar el software. Una vez montado, se cargaba el programa y se probaba, corrigiendo los errores.
Los errores comunes incluían la falta de movimiento de las piezas o que los sensores no detectaran los valores correctos. Resolver estos problemas ayudaba a desarrollar la lógica y la capacidad de solucionar desafíos.
Programación
La programación de Lego Mindstorms se hacía con el software incluido en el kit. Este software tenía un entorno visual que simulaba la construcción con bloques, lo que facilitaba el aprendizaje.
Este lenguaje permitía crear programas con instrucciones en secuencia, ciclos (repetir acciones) y decisiones (basadas en los datos de los sensores).
Otros lenguajes de programación
Aunque Lego Mindstorms venía con su propio software, también se podía programar con otros lenguajes. Algunas personas lograron acceder al código interno del bloque para programarlo de formas más avanzadas.
Algunos de los programas alternativos más conocidos eran BrickOS, LejOS y Not Quite C.
- BrickOS (o LegOS)
BrickOS era un conjunto de programas que permitía instalar un pequeño sistema operativo en el bloque. Con este cambio, el bloque podía programarse en lenguajes como C o C++. BrickOS funcionaba en sistemas como Linux y Windows. Al principio se llamaba LegOS, pero Lego pidió que se cambiara el nombre.
- LejOS
A diferencia de BrickOS, LejOS no reemplazaba el software básico del bloque RCX. En su lugar, instalaba una "máquina virtual de Java", lo que permitía programar el bloque en el lenguaje Java.
- Not Quite C
Not Quite C era un conjunto de programas que no reemplazaba el software original del bloque, sino que funcionaba junto a él. Esto lo hacía un poco más lento. Estaba disponible para Mac OS y Windows y usaba una versión propia del lenguaje C. Era compatible con la mayoría de los bloques Mindstorms.
- Physical Etoys
Physical Etoys permitía programar el bloque NXT con un entorno visual. Ofrecía dos modos:
- Modo "directo": Los programas se ejecutaban en la computadora y las órdenes se enviaban al robot al instante. Esto facilitaba la programación y permitía ver los valores de los sensores en tiempo real.
- Modo "compilado": Los programas se cargaban directamente en el bloque NXT. Esto eliminaba el retraso de la comunicación con la computadora, siendo mejor para tareas que requerían una respuesta rápida.
- TurtleBots
TurtleBots ofrecía un entorno de programación visual basado en bloques. Solo tenía un modo "directo", donde el programa se ejecutaba en la computadora y los comandos se enviaban al NXT por Bluetooth o USB.
Desafíos con otros lenguajes
Al usar otros lenguajes o sistemas operativos, a veces podía haber un pequeño retraso en la ejecución de las instrucciones. Esto se debía a que el bloque tenía que "traducir" las órdenes. Cuantas más instrucciones, mayor era el tiempo de espera.
Sensores de Lego Mindstorms
| Voltaje | Raw | Sensor (Ohm) | Luz (lux) | Temp (°C) | Toque |
|---|---|---|---|---|---|
| 0.0 | 0 | 0 | - | - | 1 |
| 1.1 | 225 | 2816 | - | 70.0 | 1 |
| 1.6 | 322 | 4587 | 100 | 57.9 | 1 |
| 2.2 | 450 | 7840 | 82 | 41.9 | 1 |
| 2.8 | 565 | 12309 | 65 | 27.5 | 0 |
| 3.8 | 785 | 32845 | 34 | 0.0 | 0 |
| 4.6 | 945 | 119620 | 11 | -20.0 | 0 |
| 5.0 | 1023 | Inf | 0 | - | 0 |
| Tabla para las correspondientes constantes, la cual sirve para analizar los valores captados por los sensores |
|||||
Sensor de luz
El sensor de luz permitía al robot "ver" la cantidad de luz en su entorno. Podía detectar luces en un rango de 0.6 a 760 lux y lo convertía en un porcentaje de luminosidad. Este sensor no distinguía colores, solo la claridad (blanco), la oscuridad (negro) y los tonos de gris.
Sensor de temperatura
El sensor de temperatura medía la temperatura aproximada usando un componente llamado termistor. Este componente generaba un pequeño campo que permitía detectar la temperatura del bloque.
Sensor de contacto
El sensor de contacto detectaba si el robot chocaba con algún objeto. Al tocar una superficie, una pequeña parte externa se movía, cerrando un circuito eléctrico y enviando una señal al bloque. Si la presión superaba un cierto nivel, el sensor se consideraba "presionado".
Sensor de giro
El sensor de giro permitía al robot saber su posición en cualquier momento. Detectaba cambios de energía que indicaban giros. Cada cambio de voltaje representaba un giro de aproximadamente 22.6 grados.
Sensor ultrasónico
El sensor ultrasónico solo se incluía en el kit Lego Mindstorms NXT. Su función principal era detectar distancias y el movimiento de objetos usando ondas de sonido que no podemos oír. Podía detectar objetos desde 0 hasta 255 cm.
Funcionaba mejor con objetos grandes, planos o duros. Los objetos pequeños, curvos o suaves, como pelotas, eran más difíciles de detectar. Si había varios sensores ultrasónicos cerca, podían interferir entre sí.
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Véase también
En inglés: Lego Mindstorms Facts for Kids
- Lego WeDo
- Robótica educativa
