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Arduino

Arduino.
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Inventado por:Massimo Banzi
Fecha de invención:2005.
Vía 1:Placa computadora (microcontrolador de placa simple)

Arduino. Plataforma de prototipos electrónica de código abierto (open-source), basada en hardware y software flexibles y fáciles de usar. Se enfoca en acercar y facilitar el uso de la electrónica y programación de sistemas embebidos en proyectos multidisciplinarios. Toda la plataforma, tanto para sus componentes de hardware como de software, son liberados con licencia de código abierto que permite libertad de acceso a ellos.

Las placas Arduino están disponibles de dos formas: ensambladas o en forma de kits (por sus siglas en inglés "DIY"). Adafruit Industries estimó a mediados del año 2011 que, alrededor de 300,000 placas Arduino habían sido producidas comercialmente y en el año 2013 estimó que alrededor de 700.000 placas oficiales de la empresa Arduino estaban en manos de los usuarios. Se puede utilizar para desarrollar objetos interactivos autónomos o puede ser conectado a software tal como Adobe Flash, Processing, Max/MSP, Pure Data, etc.

Historia

Se inició en el año 2005 como un proyecto para estudiantes en el Instituto IVREA, en Italia. El nombre del proyecto viene del nombre del Bar di Re Arduino de Ivrea (Bar del Rey Arduino) donde Massimo Banzi pasaba algunas horas. En la creación de este proyecto contribuyó el estudiante colombiano Hernando Barragán, quien desarrolló la tarjeta electrónica Wiring, el lenguaje de programación y la plataforma de desarrollo. Una vez concluida dicha plataforma, los investigadores trabajaron para hacerlo más ligero, más económico y disponible para la comunidad de código abierto (hardware y código abierto). El instituto finalmente cerró sus puertas, así que los investigadores, entre ellos el español David Cuartielles, promovieron la idea, Banzi afirmó años más tarde, que el proyecto surgió como una necesidad de subsistir ante el inminente cierre del Instituto de diseño Interactivo IVREA. Es decir, que, al crear un producto de hardware abierto, este no podría ser embargado.

Posteriormente, Google colaboró en el desarrollo del Kit Android ADK (Accesory Development Kit), una placa Arduino capaz de comunicarse directamente con teléfonos móviles inteligentes bajo el sistema operativo Android para que el teléfono controle luces, motores y sensores conectados de Arduino. Google presenta ADK, interfaz basada en Arduino para Android. Para la producción en serie de la primera versión se tomó en cuenta que el coste no fuera mayor de 30 euros, que fuera ensamblado en una placa de color azul, debía ser Plug and Play y que trabajara con todas las plataformas informáticas tales como MacOSX, Windows y GNU/Linux. Las primeras 300 unidades se las dieron a los alumnos del Instituto IVREA, con el fin de que las probaran y empezaran a diseñar sus primeros prototipos.

En el año 2005, se incorporó al equipo el profesor Tom Igoe que había trabajado en computación física, después de que se enterara del mismo a través de Internet. Igoe ofreció su apoyo para desarrollar el proyecto a gran escala y hacer los contactos para distribuir las tarjetas en territorio estadounidense. En la feria Maker Fair de 2011 se presentó la primera placa Arduino 32 bit para realizar tareas más pesadas.

Hardware

Los modelos de Arduino se categorizan en placas de desarrollo, placas de expansión (shields), kits, accesorios e impresoras 3d.

  • Placas: Arduino Galileo, Arduino Uno, Arduino Leonardo, Arduino Due, Arduino Yún, Arduino Tre (En Desarrollo), Arduino Zero, Arduino Micro, Arduino Esplora, Arduino Mega ADK, Arduino Ethernet, Arduino Mega 2560, Arduino Robot, Arduino Mini, Arduino Nano, LilyPad Arduino Simple, LilyPad Arduino SimpleSnap, LilyPad Arduino, LilyPad Arduino USB, Arduino Pro Mini, Arduino Fio, Arduino Pro, Arduino MKR1000/Genuino MKR1000, Arduino MICRO/Genuino MICRO, Arduino 101/Genuino 101, Arduino Gemma.
  • Placas de expansión (shields): Arduino GSM Shield, Arduino Ethernet Shield, Arduino WiFi Shield, Arduino Wireless SD Shield, Arduino USB Host Shield, Arduino Motor Shield, Arduino Wireless Proto Shield, Arduino Proto Shield.
  • Kits: The Arduino Starter Kit, Arduino Materia 101.

Accesorios: TFT LCD Screen, USB/Serial Light Adapter, Arduino ISP, Mini USB/Serial Adapter. Impresoras 3d: Arduino Materia 101.

Aplicaciones

La plataforma Arduino ha sido usada como base en diversas aplicaciones electrónicas:

  • Xoscillo: Osciloscopio de código abierto.
  • Equipo científico para investigaciones
  • Arduinome: Un dispositivo [[MIDI|controlador MIDI
  • OBDuino: un económetro que usa una interfaz de diagnóstico a bordo que se halla en los automóviles modernos
  • SCA-ino: Sistema de cómputo automotriz capaz de monitorear sensores como el TPS, el MAP y el 02S y controlar actuadores automotrices como la bobina de ignición, la válvula IAC y aceleradores electrónicos
  • Humane Reader: dispositivo electrónico de bajo coste con salida de señal de TV que puede manejar una biblioteca de 5000 títulos en una tarjeta [[microSD
  • The Humane PC: equipo que usa un módulo Arduino para emular un computador personal, con un monitor de televisión y un teclado para computadora
  • Ardupilot: software y hardware de drones aeronaves no tripuladas
  • ArduinoPhone: un teléfono móvil construido sobre un módulo Arduino
  • Máquinas de control numérico por computadora (CNC)
  • Open Theremín Uno: Versión digital de hardware libre del instrumento Theremín
  • Impresoras 3D

Entradas y salidas

Poniendo de ejemplo al módulo Diecimila, este consta de 14 entradas digitales configurables como entradas y/o salidas que operan a 5 voltios. Cada contacto puede proporcionar o recibir como máximo 40 mA. Los contactos 3, 5, 6, 9, 10 y 11 pueden proporcionar una salida PWM (Pulse Width Modulation). Si se conecta cualquier cosa a los contactos 0 y 1, eso interferirá con la comunicación USB. Diecimila también tiene 6 entradas analógicas que proporcionan una resolución de 10 bits. Por defecto, aceptan de 0 hasta 5 voltios (aunque es posible cambiar el nivel más alto utilizando el contacto Aref y algún código de bajo nivel).

Lenguaje de programación

La plataforma Arduino se programa mediante el uso de un lenguaje propio basado en el lenguaje de programación de alto nivel Processing que es similar a C++. Arduino está basado en C y soporta todas las funciones del estándar C y algunas de C. A continuación, se muestra un resumen con la estructura y sintaxis del lenguaje Arduino:

Funciones básicas y operadores

Sintaxis básica

  • Delimitadores: {}
  • Comentarios: //, /* */
  • Cabeceras: #define, #include
  • Operadores aritméticos: +, -, *, /, %
  • Asignación: =
  • Operadores de comparación: ==, !=, <, >, <=, >=
  • Operadores Booleanos: &&, ||, !
  • Operadores de acceso a punteros: *, &
  • Operadores de bits: &, |, ^, ~, <<, >>
  • Operadores compuestos:
    • Incremento y decremento de variables: ++, --
    • Asignación y operación: +=, -=, *=, /=, &=, |=

Estructuras de control

  • Condicionales: if, if...else, switch case
  • Bucles: for, while, do. while
  • Bifurcaciones y saltos: break, continue, return, goto

Variables

En cuanto al tratamiento de las variables también comparte un gran parecido con el lenguaje C.

Constantes

  • HIGH/LOW: representan los niveles alto y bajo de las señales de entrada y salida. Los niveles altos son aquellos de 3 voltios o más.
  • INPUT/OUTPUT: entrada o salida.
  • false (falso): Señal que representa al cero lógico. A diferencia de las señales HIGH/LOW, su nombre se escribe en letra minúscula.
  • true (verdadero): Señal cuya definición es más amplia que la de false. Cualquier número entero diferente de cero es "verdadero", según el álgebra de Boole, como en el caso de -200, -1 o 1. Si es cero, es "falso".

Tipos de datos

  • void, boolean, char, unsigned char, byte, int, unsigned int, word, long, unsigned long, float, double, string, array.

Conversión entre tipos Estas funciones reciben como argumento una variable de cualquier tipo y devuelven una variable convertida en el tipo deseado.

  • char(), byte(), int(), word(), long(), float()

Cualificadores y ámbito de las variables

  • static, volatile, const.

Utilidades

  • sizeof()

Funciones básicas

E/S digital

  • pinMode(pin, modo).
  • digitalWrite(pin, valor).
  • int digitalRead(pin).

E/S analógica

  • analogReference(tipo)
  • int analogRead(pin)
  • analogWrite(pin, valor)

E/S avanzada

  • shiftOut(dataPin, clockPin, bitOrder, valor)
  • unsigned long pulseIn(pin, valor)

Tiempo

  • unsigned long millis()
  • unsigned long micros()
  • delay(ms)
  • delayMicroseconds(microsegundos)

Matemáticas

  • min(x, y), max(x, y), abs(x), constrain(x, a, b), map(valor, fromLow, fromHigh, toLow, toHigh), pow(base, exponente), sqrt(x)

Trigonometría

  • sin(rad), cos(rad), tan(rad)

Números aleatorios

  • randomSeed(semilla), long random(máx), long random(mín, máx)

Bits y Bytes

  • lowByte(), highByte(), bitRead(), bitWrite(), bitSet(), bitClear(), bit()

Interrupciones externas

  • attachInterrupt(interrupción, función, modo)
  • detachInterrupt(interrupción)

Interrupciones

  • interrupts(), noInterrupts()

Comunicación por puerto serie Las funciones de manejo del puerto serie deben ir precedidas de la palabra "Serial" aunque no necesitan ninguna declaración en la cabecera del programa. Por esto se consideran funciones base del lenguaje. Estas son las funciones para transmisión serial:

  • begin(), available(), read(), flush(), print(), println(), write()


Manipulación de puertos

Los registros de puertos permiten la manipulación a más bajo nivel y de forma más rápida de los contactos de entrada/salida del microcontrolador de las placas Arduino. Los contactos eléctricos de las placas Arduino están repartidos entre los registros B(0-7), C (analógicos) y D(8-13). Mediante estas variables se observa y se modificada su estado:

  • DDR[B/C/D]: Data Direction Register (o dirección del registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura que sirve para especificar cuales contactos serán usados como entrada y salida.
  • PORT[B/C/D]: Data Register (o registro de datos) del puerto B, C ó D. Es una variable de Lectura/Escritura.
  • PIN[B/C/D]: Input Pins Register (o registro de pines de entrada) del puerto B, C ó D. Variable de sólo lectura.

Por ejemplo, para especificar los contactos 9 a 13 como salidas y el 8 como entrada (puesto que el puerto D usa los pines de la placa Arduino 8 al 13 digitales) bastaría utilizar la siguiente asignación:

DDRD = B11111110;

Como se ha podido comprobar, el conocimiento del lenguaje C, permite la programación en Arduino debido a la similitud entre este y el lenguaje nativo del proyecto, lo que implica el aprendizaje de algunas funciones específicas de que dispone el lenguaje del proyecto para manejar los diferentes parámetros. Se pueden construir aplicaciones de cierta complejidad sin necesidad de muchos conceptos previos.

AVR Libc

Los programas compilados con Arduino (salvo en las placas con CorteX M3) se enlazan contra AVR Libc por lo que tienen acceso a algunas de sus funciones. AVR Libc es un proyecto de software libre con el objetivo de proporcionar una biblioteca C de alta calidad para utilizarse con el compilador GCC sobre microcontroladores Atmel AVR. Se compone de 3 partes:

  • avr-binutils
  • avr-gcc
  • avr-libc

La mayoría del lenguaje de programación Arduino está escrita con constantes y funciones de AVR y ciertas funcionalidades sólo se pueden obtener haciendo uso de AVR.

Interrupciones Las señales de interrupción son las siguientes:

  • cli(): desactiva las interrupciones globales
  • sei(): activa las interrupciones

Esto afectará al temporizador y a la comunicación serial. La función delayMicroseconds() desactiva las interrupciones cuando se ejecuta.

Temporizadores La función delayMicroseconds() crea el menor retardo posible del lenguaje Arduino que ronda los 2μs. Para retardos más pequeños se debe utilizar la llamada de ensamblador 'nop' (no operación). Cada sentencia 'nop' se ejecutará en un ciclo de máquina (16 MHz) de aproximadamente 62,5ns.

Manipulación de puertos La manipulación de puertos con código AVR es más rápida que utilizar la función digitalWrite() de Arduino.

Establecer Bits en variables cbi y sbi son mecanismos estándar (AVR) para establecer o limpiar bits en PORT y otras variables.

Diferencias con Processing

La sintaxis del lenguaje de programación Arduino es una versión simplificada de C/C++ y tiene algunas diferencias respecto de Processing. Debido a que Arduino está basado en C/C++ mientras que Processing se basa en Java, existen varias diferencias en cuanto a la sintaxis de ambos lenguajes y el modo en que se programa:

Arreglos

Arduino Processing
int bar[8];
bar[0] = 1;
int[] bar = new int[8];
bar[0] = 1;
int foo[] = { 0, 1, 2 };
 int foo[] = { 0, 1, 2 };
o bien
 int[] foo = { 0, 1, 2 };

Impresión de cadenas

Arduino Processing
Serial.println("hello world");
println("hello world");
int i = 5; 
Serial.println(i);
int i = 5; 
println(i);
int i = 5; 
Serial.print("i = "); 
Serial.print(i); 
Serial.println();
int i="5"; 
println("i =" + i);

Ejemplo de programación

El primer paso antes de comprobar que la instalación es correcta y empezar a trabajar con Arduino, es usar ejemplos prácticos que vienen disponibles con el dispositivo. Se recomienda abrir el ejemplo “led_blink” el cual crea una intermitencia por segundo en un led conectado en el pin 13.

El código necesario es el siguiente:

# define LED_PIN 13
void setup () {
 // Activado del contacto 13 para salida digital
 pinMode (LED_PIN, OUTPUT);
}
// Bucle infinito
void loop () {
 // Encendido del diodo LED enviando una señal alta
 digitalWrite (LED_PIN, HIGH);
 // Tiempo de espera de 1 segundo (1000 ms)
 delay (1000);
 // Apagado del diodo LED enviando una señal baja.
 digitalWrite (LED_PIN, LOW);
 // Tiempo de espera de 1 segundo
 delay (1000);
}

Bibliotecas en Arduino

Las bibliotecas estándar que ofrece Arduino son las siguientes:

Serial: Lectura y escritura por el puerto serie.

EEPROM: Lectura y escritura en el almacenamiento permanente

  • read(), write()

Ethernet: Conexión a Internet mediante “Arduino Ethernet Shield“. Puede funcionar como servidor que acepta peticiones remotas o como cliente. Se permiten hasta cuatro conexiones simultáneas Los comandos usados son los siguientes:

  • Servidor: Server(), begin(), available(), write(), print(), println()
  • Cliente: Client(), connected(), connect(), write(), print(), println(), available(), read(), flush(), stop()

Firmata. Es una biblioteca de comunicación con aplicaciones informáticas utilizando el protocolo estándar del puerto serie.

LiquidCrystal: Control de LCDs con chipset Hitachi HD44780 o compatibles

Servo: Biblioteca para el control de [[servo motoresA partir de la versión 0017 de Arduino la biblioteca soporta hasta 12 motores en la mayoría de las placas Arduino y 48 en la Arduino Mega. Estos son los comandos usados:

  • attach(), write(), writeMicroseconds(), read(), attached(), detach()

SoftwareSerial: Comunicación serie en contactos digitales. Por defecto Arduino incluye comunicación sólo en los contactos 0 y 1 pero gracias a esta biblioteca puede realizarse esta comunicación con los restantes.

Stepper: Control de motores paso a paso unipolares o bipolares.

  • Stepper(steps, pin1, pin2), Stepper(steps, pin1, pin2, pin3, pin4), setSpeed(rpm), step(steps)

Wire: Envío y recepción de datos sobre una red de dispositivos o sensores mediante Two Wire Interface (TWI/I2C). Las bibliotecas Matrix y Sprite de Wiring son totalmente compatibles con Arduino y sirven para manejo de matrices de diodos LED. También se ofrece información sobre diversas bibliotecas desarrolladas por diversos colaboradores que permiten realizar muchas tareas.

Creación de bibliotecas: Los usuarios de Arduino tienen la posibilidad de escribir sus propias bibliotecas. Ello permite disponer de código que puede reutilizarse en otros proyectos, mantener el código fuente principal separado de las bibliotecas y la organización de los programas construidos es más clara.

Ejemplo de biblioteca

El siguiente ejemplo permite el envío de caracteres mediante el código Morse:

Se crea el archivo Morse.h que incluye la definición de la clase Morse que tiene 3 funciones: un constructor (Morse()), una función para enviar 1 punto (dot()) y una función para enviar una raya (dash()). La variable _pin permite indicar el contacto a usar.

/*
  Morse.h - Biblioteca para el envío de Código Morse.
  Creado por David A. Mellis, el 2 de noviembre de 2007.
  Liberado al dominio público.
*/
 
# ifndef Morse_h
# define Morse_h
 
# include "WProgram.h"
 
class Morse
{
  public:
    Morse(int pin);
    void dot();
    void dash();
  private:
    int _pin;
};
 
# endif

Debe ser creado el archivo Morse.cpp con el código, es decir con la implementación de los métodos declarados:

/*
  Morse.cpp - Biblioteca para el envío de Código Morse.
  Creado por David A. Mellis, el 2 de noviembre de 2007.
  Liberado al dominio público.
*/
 
# include "WProgram.h"
# include "Morse.h"
 
Morse::Morse(int pin)
{
  pinMode(pin, OUTPUT);
  _pin = pin;
}
 
void Morse::dot()
{
  digitalWrite(_pin, HIGH);
  delay(250);
  digitalWrite(_pin, LOW);
  delay(250);
}
 
void Morse::dash()
{
  digitalWrite(_pin, HIGH);
  delay(1000);
  digitalWrite(_pin, LOW);
  delay(250);
}

La biblioteca creada así, puede ser usada mediante el comando #include. Si se desea enviar una petición de auxilio SOS por el contacto 13 bastaría con llamar a Morse(13) y ejecutar la siguiente secuencia:

  • morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();
  • morse.dash(); morse.dash(); morse.dash();
  • morse.dot(); morse.dot(); morse.dot();

Ejemplos de Código

La página de Arduino cuenta con una serie de ejemplos para comenzar a entender su funcionamiento, con componentes base tales como Pantallas, LED’s, Potenciometros, etc.

Ejemplo de parpadeo de LED

/*
  Blink
  Turns on an LED on for one second, then off for one second, repeatedly.
 
  This example code is in the public domain.
 */
 
// Pin 13 has an LED connected on most Arduino boards.
// give it a name:
int led = 13;
 
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() { 
  // initialize the digital pin as an output.
  pinMode(led, OUTPUT);     
}
 
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  digitalWrite(led, HIGH);   // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
  delay(1000);               // wait for a second
  digitalWrite(led, LOW);    // turn the LED off by making the voltage LOW
  delay(1000);               // wait for a second
}


Ejemplo de lectura de Potenciometro

/*
  ReadAnalogVoltage
  Reads an analog input on pin 0, converts it to voltage, and prints the result to the serial monitor.
  Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins to +5V and ground.
 
 This example code is in the public domain.
 */
 
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
  // initialize serial communication at 9600 bits per second:
  Serial.begin(9600);
}
 
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
  // read the input on analog pin 0:
  int sensorValue = analogRead(A0);
  // Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V):
  float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
  // print out the value you read:
  Serial.println(voltage);
}

ejemplo hacer contar un display de 7 segmentos de 1 a 3 cada 1 segundo, llamando a una función

void setup(){   // configuramos los pines de salida donde conectaremos los pines con una resistencia en serie al display de 7 segmentos
  pinMode(34, OUTPUT);  // a 
  pinMode(36, OUTPUT);  // b
  pinMode(38, OUTPUT);  // c
  pinMode(40, OUTPUT);  // d
  pinMode(42, OUTPUT);  //e
  pinMode(44, OUTPUT);  //f
  pinMode(46, OUTPUT);  //g
 }
void display (int a, int b, int c, int d, int e, int f, int g)// Función del display 
{
  digitalWrite (34,a);   
  digitalWrite (36,b);   
  digitalWrite (38,c);
  digitalWrite (40,d);
  digitalWrite (42,e);
  digitalWrite (44,f);
  digitalWrite (46,g);
}
 void loop(){
  display (0,1,1,0,0,0,0); //  mostrará 1 en el display
  delay(1000);
display (1,1,0,1,1,0,1); //  mostrará 2 en el display
  delay(1000);
display (1,1,1,1,0,0,1); //  mostrará 3 en el display
  delay(1000);  // por Laiolo Santiago
}

Instalación en diferentes entornos

Windows Los pasos a seguir son los siguientes:

  • Descargar las versiones más reciente de Java Runtime Enviroment (J2RE) y del IDE Arduino.
  • Instalar los controladores FTDI USB, con la placa Arduino conectada.
  • Ejecutar el IDE Arduino para abrir la interfaz y configurar el puerto USB donde está conectada la placa.

GNU/Linux Para instalar Arduino en un sistema GNU/Linux necesitamos los siguientes programas para resolver las dependencias:

  • Sun java runtime, jre.
  • avr-gcc, compilador para la familia de microcontroladores avr de atmel.
  • avr-libc, libc del compilador avr-gcc.

En algunas distribuciones conviene desinstalar, si no es necesario, el programa "brltty" que permite el acceso al terminal a personas invidentes. Para concluir, se descarga el framework de Arduino, se descomprime y ejecuta.

Otras interfaces de programación

Es posible comunicar una aplicación que corra sobre Arduino con otros dispositivos que corran otros lenguajes de programación y aplicaciones populares. debido a que Arduino usa la transmisión serial de datos, la cuál es soportada por la mayoría de los lenguajes que se mencionan a continuación. Y para los que no soportan el formato serie de forma nativa, es posible utilizar software intermediario que traduzca los mensajes enviados por ambas partes para permitir una comunicación fluida. Algunos ejemplos de lenguajes son:

Pduino Pduino nace de la fusión de los proyectos Pure Data y Arduino. Ambos proyectos de fuente abierta permiten trabajar con interfaz gráfica. Cargando el firmware de Pure Data (PD) a la placa Arduino se puede acceder a ella mediante el lenguaje de programación gráfico.

Minibloq Minibloq es un entorno gráfico de programación que puede generar código nativo de Arduino y escribirlo directamente en la memoria flash de la placa. Tiene un modo que permite visualizar el código generado, el cual también puede ser copiado y pegado en el Arduino-IDE, para los usuarios que intentan hacer el pasaje de una herramienta gráfica a la programación en sintaxis C/C++. Minibloq es de uso libre y sus fuentes también están disponibles gratuitamente. Una característica importante, es que puede correr también en la computadora portátil OLPC, mediante el software Wine.

Physical Etoys Physical Etoys es una extensión libre y gratuita que permite que diversos dispositivos electrónicos como Lego NXT, las placas Arduino, Sphero, Kinect, Joystick Wiimote, entre otros, puedan ser programados fácilmente y que interactúen entre sí gracias a su sistema de bloques.

En el caso de Arduino, Physical Etoys ofrece dos modos de programación, el modo "directo" y el modo "compilado".

Modo directo: El modo "directo", en el cual los programas se ejecutan en la computadora del usuario y las órdenes se transmiten inmediatamente a través del puerto serie. El modo "directo" permite modificar los programas y ver los cambios producidos de manera inmediata en el comportamiento del robot, lo cual facilita la programación, sobre todo al usuario inexperto. Asimismo, permite ver constantemente los valores de los sensores y utilizar el robot, por ejemplo, como para adquirir datos.

Modo compilado: El modo "compilado", en el cual los programas se traducen a C++ y se bajan a la placa, para luego ejecutarse de manera independiente de la computadora. El modo "compilado", por su parte, elimina el retardo que introduce la comunicación con la computadora, lo cual lo hace preferible para el desarrollo de tareas autónomas, en las cuales la velocidad de respuesta del robot debe ser óptima.

Véase también

Fuentes