Introducción
La introducción de las TIC en las instituciones
educativas ha tenido influencia en la mejora de la educación y la formación de
los estudiantes al posibilitar el aprendizaje colaborativo, sin embargo, las
escuelas continúan siendo pasivas y poco innovadoras, lo que dificulta el uso
de las TIC según (Pesantez Robles & Fernández Silva, 2023). Las
Instituciones de Educación Superior tienen ante sí la responsabilidad de buscar
herramientas que fortalezcan la formación de los estudiantes. En tema de
innovación, las transformaciones tecnológicas imponen el reto, la necesidad y
sobre todo la posibilidad de renovar las técnicas de enseñanza y el tipo de
material didáctico que se pone a disposición de los estudiantes y maestros. (Gallardo Alvarez et al., 2020)
La robótica lleva al aumento de la productividad y
la calidad, es la razón por la cual las grandes transnacionales utilizan robots
en sus procesos de embalaje ya que son más rápidos y más constantes (Perdomo
& Ordónez Ávila, 2019). Los robots se desarrollaron
para reemplazar la mano de obra en procesos riesgosos, mejorar la calidad y
aumentar la productividad. Apuntando a estas metas, el estudio de Robótica
Industrial en universidades incluye dos temas fundamentales: modelación
cinemática y programación de robots para la ejecución de tareas. (Sanz
Fernández, 2021)
Para lograr la enseñanza eficaz de las asignaturas
relacionadas con la robótica, los estudiantes han de ejercitar los
conocimientos adquiridos en laboratorios físicos donde puedan interactuar con
robots o construir variantes simples de los mismos. Lograr este objetivo es un
problema dado el alto costo económico de equipar un laboratorio y disponer de
varios puestos de trabajos, donde un grupo de estudiantes pueda de forma
individual desarrollar las habilidades prácticas requeridas (Zaldívar Colado,
2019; Goncalves López Medrano et al., 2021). Una vía para compensar estas
deficiencias en la formación del estudiante, es implementar por medio de
software de computadoras prácticas de laboratorio virtuales, donde el
estudiante puede interactuar con robots de modo semejante a la vida real según
(Ticante Hernández et al., 2019; Sanz Fernández,
2021). Dichos entornos virtuales son muy
similares a los videojuegos siendo de gran aceptación entre los jóvenes
estudiantes según reporta (Ticante Hernández et al.,
2019).
Existen videojuegos, que están diseñados con un
propósito educativo según (Ticante Hernández et al.,
2019; Marín Diaz et al., 2020; Méndez & Boude,
2021; Chanchí Golondrino et al., 2022). Se utilizan
para capacitar operarios de servicios de emergencia, operarios de maquinaria,
personal de hospitales, ejercito, etc. (Ticante
Hernández et al., 2019; Núñez Barriopedro et al.,
2020; Chanchí Golondrino et al., 2022). Un videojuego
de simulación permite al jugador experimentar e investigar el funcionamiento de
máquinas, y fenómenos, trabajando conceptos de ciencia, tecnología, matemáticas
y economía (Ticante Hernández et al., 2019; Chanchí Golondrino et al., 2022). Los programas de
simulación se han utilizado como ayuda para conseguir cambios conceptuales
según (Lorenzo Carralero et al., 2023) debido a la facilidad para alterar
parámetros y entornos experimentales sin las dificultades que se derivan de su
manipulación real según (Castellano Sanchez et al.,
2022; Lorenzo Carralero et al., 2023).
El objetivo de este artículo es presentar el software
informático nombrado VirtualLab BR4GL,
(Laboratorio virtual de un brazo robótico con 4 grados de libertad), para brindar
a los estudiantes una herramienta interactiva que les permita simular el
control y movimiento de un brazo robótico de cuatro grados de libertad en un
entorno virtual en tres dimensiones (3D), de manera similar a como lo harían
con un robot real en los laboratorios de la asignatura Robótica. Este software constituye una modelación en 3D
de una maqueta física (Figura 1) que se compone de un brazo robótico que es
controlado desde una computadora portátil (PC).
Figura 1. (a) Maqueta física de un brazo robótico de 4 Grados de
Libertad, (b) PC con el software para controlar el brazo. (Fuente: Elaboración
propia)
Materiales y métodos
Se empleó una metodología de desarrollo digital
ágil de forma similar al autor (Santana Garriga & Prieto Rodríguez, 2021).
Este enfoque permitió una constante retroalimentación con docentes y
estudiantes para asegurar la adecuación del software a los requisitos y necesidades
de la asignatura de Robótica. Para el desarrollo del software educativo, se
utilizó el entorno gráfico y el motor de videojuegos de Unity, una plataforma
de desarrollo de videojuegos ampliamente utilizada que facilita la creación de
entornos interactivos bidimensionales (2D) y tridimensionales (3D). Unity
ofrece herramientas visuales y de programación que permiten diseñar y
desarrollar juegos de manera eficiente y atractiva para los usuarios. En cuanto
a los materiales utilizados para la ejecución del software, se requiere una PC
estándar, ya sean las disponibles en los laboratorios de computación de la
Facultad de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Oriente o las PC
portátiles de los estudiantes. El software educativo desarrollado posee un ejecutable
independiente, lo que significa que no necesita de ningún complemento adicional
para su funcionamiento, lo que facilita su implementación en cualquier PC.
Esta investigación se enfocó en aplicar el software
en el laboratorio de la asignatura de Robótica, una asignatura optativa
impartida en el último año de la carrera de Ingeniería Automática, y mejorar la
experiencia de aprendizaje de los estudiantes a través de un enfoque innovador
y atractivo que simula un videojuego educativo. Teniendo en cuenta lo planteado
por los autores (Arroba Arroba & Acurio
Maldonado, 2021) la vinculación teoría-práctica puede lograrse de diversas
maneras, una de las formas utilizadas para vincular la teoría con la práctica
es a través de laboratorios, que pueden ser reales o virtuales. Los
laboratorios virtuales se han utilizado para complementar los conocimientos de
los estudiantes en asignaturas teórico-prácticas en la educación universitaria
en general.
Resultados y discusión
Desde su aparición, los videojuegos son parte del desarrollo social y
cultural de las personas y llegan a influir en su desarrollo físico, sensorial,
mental y creativo. Dada su importancia, en la vida cotidiana, se han creado
videojuegos educativos con el objetivo de generar estrategias y métodos de
enseñanza alternativos a los tradicionales, animando a los infantes y jóvenes a
obtener conocimiento con una herramienta atractiva y motivadora a través de
retos y actividades que van presentando dichos videojuegos (Ticante Hernández et al., 2019; Chanchí
Golondrino et al., 2022).
Los autores
respaldan a (Zaldívar Colado, 2019) cuando expresa que actualmente, gracias al
avance en la programación de videojuegos es posible construir un laboratorio
virtual para que los estudiantes de carreras de ingeniería realicen prácticas
sobre robótica, con un mínimo de inversión y con la posibilidad de dar acceso a
cientos o miles de alumnos a la vez, en cualquier momento y lugar. Podría
decirse que la única limitante es la tenencia de una computadora o dispositivo
móvil.
Desarrollo del software
Las metodologías
de desarrollo de software se han desarrollado con el objetivo de ofrecer un
conjunto de técnicas tradicionales y modernas para modelar sistemas, con el fin
de permitir el desarrollo de software de alta calidad. Estas metodologías
incluyen heurísticas para la construcción de sistemas y criterios para comparar
diferentes modelos de sistemas, lo que permite un mejor aprovechamiento de los
recursos y del tiempo de ejecución del proyecto (Santana Garriga & Prieto
Rodríguez, 2021). En resumen, las metodologías de desarrollo de software buscan
proporcionar un marco de trabajo estructurado que facilite la creación de
software de calidad, optimizando el uso de recursos y el tiempo del proyecto.
Existen diversas
metodologías de desarrollo de software que se utilizan dependiendo del tipo de
software que se desee crear, las cuales se clasifican en dos grupos
principales: las metodologías ágiles y las metodologías tradicionales. Las
metodologías ágiles se caracterizan por ser sencillas y adaptables, donde el
cliente participa de forma activa a lo largo del proceso de desarrollo, lo que
permite una mayor flexibilidad para responder a los cambios y necesidades que
surjan durante el proyecto según (Santana Garriga & Prieto Rodríguez, 2021).
La metodología
de desarrollo de contenidos educativos digitales utilizada
para el desarrollo del software VirtualLab
BR4GL se clasifica como ágil y se describe por (Santana Garriga &
Prieto Rodríguez, 2021). Esta metodología divide el proceso de desarrollo en
cinco fases:
- Proyección: Fase
inicial donde se llevan a cabo las primeras reuniones con el cliente (en
este caso estudiantes) para recoger los requisitos de usuario. Incluye la
etapa de establecer las bases, fundamentos y normas del equipo de trabajo,
así como la etapa de análisis que se ejecuta durante todo el ciclo de desarrollo.
- Diseño: Fase en la
que se proponen las interfaces de usuario, siguiendo diseños simples,
claros y reutilizables, con la opinión constante del cliente. Se definen
los patrones de diseño y la arquitectura de software.
- Implementación:
Fase de desarrollo de la aplicación, donde se sugiere utilizar dos
programadores trabajando en requisitos de usuario independientes para
reducir el tiempo de esta fase. Se aboga por el uso de estándares y
paradigmas de programación que permitan la reutilización del código.
- Prueba: Fase de
verificación y validación del correcto funcionamiento del producto,
cumpliendo con las exigencias del cliente, quien participa activamente en
esta etapa con la posibilidad de realizar cambios.
- Despliegue:
Fase final donde el producto desarrollado se lleva al entorno de uso,
siendo responsabilidad del equipo de desarrollo capacitar al personal
docente que hará uso del producto.
Fase de Proyección
Siguiendo el procedimiento descrito por (Santana Garriga
& Prieto Rodríguez, 2021), en el
inicio de esta fase se definió el equipo de trabajo y los roles que desempeñan.
El Ing. Angel Orlando Castellano Sánchez fue designado como analista, el Dr. C.
Henry Bory Prevez como
diseñador, y el Ing. Alexander Fernández Matos como programador. Para concluir
esta etapa inicial, se llevó a cabo la aceptación del proyecto de software,
donde se destacó la importancia práctica y el impacto del software VirtualLab BR4GL en la mejora de la enseñanza de la
robótica. En la etapa de análisis, se detalla el entorno de
enseñanza-aprendizaje donde se implementará el software. En este caso, el
escenario principal es la asignatura Robótica de la
carrera de Ingeniería Automática de la Facultad de Ingeniería Eléctrica de la
Universidad de Oriente, ubicada en el municipio Santiago de Cuba. Se
identifican los requerimientos de usuario, divididos en dos grupos: los
requerimientos de diseño y sistema, y los requerimientos educativos. Además, se
establece un cronograma de ejecución, se analiza el contenido que se presentará
en el software para mejorar la interacción usuario-software.
Fase de
diseño
Se seleccionaron las herramientas informáticas para desarrollar el
software, Unity es un motor de desarrollo de videojuegos multiplataforma muy
utilizado en la industria. Algunas de sus principales características y usos
son:
- Desarrollo
Multiplataforma: Unity permite desarrollar juegos y experiencias
interactivas para una amplia gama de plataformas, incluyendo PC, consolas,
dispositivos móviles, realidad virtual y aumentada. Esto permite a los
desarrolladores llegar a más usuarios sin tener que rehacer el proyecto
desde cero.
- Herramientas
Integradas: Unity ofrece un editor visual integrado que permite a artistas,
diseñadores y desarrolladores colaborar en un mismo entorno. Incluye
herramientas para modelado 3D, animación, iluminación, física, audio y
más.
- Rendimiento y
Optimización: Unity está diseñado para ofrecer un alto rendimiento, lo que
permite crear juegos y experiencias visualmente atractivas. Además, cuenta
con herramientas para optimizar el rendimiento en diferentes plataformas.
- Monetización y
Analíticas: Unity proporciona servicios para monetizar los juegos, como
sistemas de compras integrados, así como herramientas de analítica para
entender el comportamiento de los usuarios.
- Comunidad y Recursos:
Unity cuenta con una extensa comunidad de desarrolladores que comparten
tutoriales, scripts y assets que constituyen
cualquier recurso, como: modelos 3D, sonidos, imágenes, scripts o escenas,
que se puede importar y utilizar en un proyecto de desarrollo de
videojuegos o aplicaciones interactivas. Estos assets
permiten a los equipos de desarrollo construir experiencias de manera más
eficiente, reutilizando y combinando diferentes elementos. y soluciones a
problemas comunes.
- Ofrece una amplia
documentación y recursos de aprendizaje.
En resumen, Unity es una plataforma de desarrollo 3D en tiempo real que
permite a equipos creativos y técnicos colaborar en la creación de juegos y
experiencias interactivas de alta calidad para múltiples plataformas. Es
ampliamente utilizado en la industria de los videojuegos, pero también en otros
sectores como la realidad virtual, la animación y aplicaciones industriales.
Fase de implementación
En la fase de implementación del software para la simulación en un
entorno en 3D de un brazo robótico didáctico con 4 grados de libertad (VirtualLab BR4GL), el programador utiliza
Unity como motor de desarrollo. En primer lugar, se importan los modelos 3D del
brazo robótico, junto con los materiales y texturas necesarios. Posteriormente,
se crean los scripts en C# para programar la cinemática y movimiento del brazo,
integrando las librerías de física y animación de Unity. Para la interacción
del usuario, se diseña una interfaz gráfica intuitiva con botones, sliders y
otros controles que permitan manipular el brazo robótico en tiempo real.
Finalmente, se optimiza el rendimiento y la experiencia del usuario, probando
el software en diferentes plataformas para garantizar su funcionamiento óptimo,
convirtiéndolo en un auténtico videojuego educativo.
Fase de prueba
Tras completar la fase de implementación del software, siguiendo el
procedimiento descrito por (Santana Garriga & Prieto Rodríguez, 2021), se
procede a realizar pruebas mediante un test de calidad que evalúa el cumplimiento
de cada uno de los requerimientos de usuarios identificados en la etapa de
análisis. Estas pruebas utilizan una escala que abarca desde Muy Adecuado (MA),
Bastante Adecuado (BA), Adecuado (A), Poco Adecuado (PA) hasta Inadecuado (I).
La evaluación es llevada a cabo por un equipo multidisciplinario de
profesionales en educación y tecnología, incluyendo docentes de la Facultad de
Ingeniería Eléctrica, quienes analizan las dimensiones tecnológica, didáctica y
psicopedagógica del software. Los resultados de esta evaluación confirman la
eficacia del software en cumplir con los requerimientos de los usuarios, lo que
facilita su implementación.
Fase de despliegue
Es la fase final del proceso de desarrollo del software, se establecen
las condiciones tecnológicas que necesita el usuario para utilizarlo.
- Transportación: puede ser transportada mediante
cualquier dispositivo de almacenamiento (Discos Duros Extraíbles, Memorias
USB o SD, Discos DVD, Almacenamiento Interno de Dispositivos Móviles).
- Portabilidad: al clasificar como software nativo
VirtualLab BR4GL solo es
compatible con sistemas operativos Windows.
- Ejecución: para la ejecución del software es
necesario un PC estándar con sistema operativo Windows 7 o superior.
- El software VirtualLab
BR4GL se despliega en la carrera de Ingeniería Automática de la Facultad
de Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Oriente, específicamente en
la asignatura de Robótica. Para su implementación, se cuenta con la
participación de dos profesores de la disciplina, quienes utilizarán los
laboratorios de computadoras de la facultad. De esta manera, el software
podrá ser utilizado por los estudiantes de la carrera de Ingeniería
Automática en el contexto de la asignatura de Robótica, con el apoyo y
supervisión de los docentes a cargo.
Descripción del software
VirtualLab BR4GL es un software implementado en Unity
(motor de videojuegos). El software
posee su propio instalador y corre independiente a otro software de PC. Al
iniciar el software se abre la
ventana principal Figura 2 (a), y en esta se muestra el cartel Bienvenidos al Laboratorio Virtual de Robot
de 4GDL. En la parte inferior de esta ventana está el botón Continuar que le permite al usuario
pasar a la ventana donde se realizará la simulación, en la esquina superior
derecha se muestra el botón Salir de color verde que permite terminar la
ejecución del software.
Figura 2. (a) ventana principal del software, (b) ventana de
simulación. (Fuente: Elaboración propia)
Al presionar el botón Continuar en la Figura 2 (a), se despliega la ventana de
simulación Figura 2 (b), donde el usuario puede interactuar
con el brazo robótico. La ventana de simulación tiene dos paneles, uno a la
izquierda y el otro a la derecha. El panel de la izquierda le permite al
usuario controlar una por una las articulaciones del brazo robótico. A modo de
ejemplo, con la Articulación 1, los botones de Izquierda y Derecha le
permiten al usuario controlar la rotación con respecto a la base del robot. En
la Articulación 2, con los botones Abajo y Arriba el usuario
puede subir y bajar el brazo del robot. En la Articulación 3, con los botones Abajo
y Arriba el usuario puede subir y bajar el antebrazo del robot. En la
Articulación 4, con los botones Abajo y Arriba el usuario puede
subir y bajar la pinza del robot (Las capturas de pantalla que muestran el
movimiento de las articulaciones se pueden apreciar en el Anexo de este
articulo).
El panel de la
derecha, muestra campos editables para las articulaciones desde la 1 a la 4, en
estos campos el usuario puede introducir posiciones específicas de cada
articulación del brazo robótico. En el menú desplegable que se encuentra en la
parte inferior del panel de la derecha, el usuario puede seleccionar tres
opciones; Eje a eje, Ejes simultáneos y Ejes coordinados estas opciones permiten ajustar el orden y la
velocidad con que se accionaran los motores de las articulaciones del brazo
robótico.
Trayectorias eje
a eje: cada motor moverá su articulación correspondiente cuando
acabe el anterior. El orden en que se mueven las articulaciones sería: la 3, la
2, la 1 y la 4.
Trayectorias
ejes simultáneos: las articulaciones se muevan al mismo tiempo, lo
que exige que los 4 motores funcionen a la vez, al enviarles los pulsos de
control de cada motor uno a continuación del otro, tan rápido, que para la vista
del ser humano parece que las articulaciones se mueven de forma simultánea.
Trayectorias
ejes coordinados: en este caso las articulaciones deben moverse
simultáneamente, las articulaciones se muevan a determinadas velocidades para
determinados desplazamientos angulares que le permitan comenzar y acabar el
movimiento al unísono.
Elementos didácticos
del software
El laboratorio
virtual consolida las investigaciones, experimentos y trabajos de carácter
científico o técnico, producido por un sistema informático que surge de la
necesidad de apoyar al estudiante en sus prácticas, los educandos desarrollan
su conocimiento mediante la reconstrucción, reflexión, discusión e interacción
con los compañeros, con el profesor, su vivencia y sus intereses (Arroba Arroba & Acurio Maldonado, 2021). Logran desarrollar
habilidades que le permiten organizar la información para solucionar problemas,
mejorar la planificación al desarrollar cálculos mentales, gestionar recursos y
tomar decisiones (Mendez & Boude,
2021).
Como se
programaron los modelos cinemáticos en VirtualLab
se obtienen resultados similares a los alcanzados por (Sanz Fernández, 2021).
Al realizar la práctica con el VirtualLab los
estudiantes pueden comparar los diferentes movimientos de trayectorias, darle
coordenadas que el robot no pueda alcanzar, comparar que sucede cuando se debe ubicar
el robot en un punto usando las opciones del panel izquierdo, luego la del
panel derecho. Durante el desarrollo de la práctica de laboratorio en VirtualLab los estudiantes ganaron habilidades en el
modelado de cambios en la localización de objetos manipulados por el robot y
simular la ejecución de tareas en un ambiente 3D.
Conclusiones
Tras la implementación del software educativo VirtualLab BR4GL en la carrera de Ingeniería
Automática de la Universidad de Oriente, se confirma la preferencia de los estudiantes
de ingeniería por el uso de laboratorios virtuales, especialmente aquellos
becados. Este enfoque no solo les permite aprovechar su tiempo libre en la
universidad para realizar prácticas de laboratorio, sino que también crea un
ambiente de aprendizaje interactivo y motivador, donde los estudiantes pueden
explorar la dinámica de los procesos de robótica de manera lúdica. La
flexibilidad y portabilidad de VirtualLab
BR4GL han demostrado ser aspectos clave, al permitir a los estudiantes
instalar y utilizar el software en sus propias PC sin depender de otros
programas, lo que facilita su acceso y uso en diferentes entornos educativos.
Además,
VirtualLab BR4GL cumple con las
exigencias pedagógicas al ofrecer a los estudiantes la oportunidad de apreciar
el funcionamiento de un brazo robótico real en un entorno virtual, sin
exponerlos a riesgos físicos. Este laboratorio virtual ha demostrado ser una
herramienta valiosa que complementa la enseñanza de la robótica, al brindar una
experiencia de aprendizaje interactiva, motivadora y segura. En resumen, VirtualLab BR4GL ha mejorado
significativamente el proceso de enseñanza-aprendizaje al proporcionar a los
estudiantes una plataforma innovadora y efectiva para explorar y comprender los
conceptos de robótica de manera práctica y atractiva.
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Anexos
Anexo 1