Diseño e implementación de un robot con inteligencia conversacional para estimulación del lenguaje y lectura guiada

Abstract

A pesar de los avances en robótica educativa, existe un vacío tecnológico respecto a sistemas accesibles que integren inteligencia artificial conversacional para proveer retroalimentación fonética en tiempo real durante la primera infancia. Para abordar esta problemática, el presente trabajo expone el diseño e implementación de un prototipo robótico enfocado en la estimulación del lenguaje y lectura guiada en educación inicial. El diseño mecánico se materializó mediante impresión 3D en PLA, estructurando un dispositivo de 0,42 m de alto, 0,44 m de largo, 0,15 m de ancho y un peso aproximado de 4 kg, rigiéndose por los lineamientos de seguridad de la norma ISO 8124. Su robustez se validó mediante simulaciones de elementos finitos, garantizando un factor de seguridad estructural de 15 en la mayoría de sus componentes y un mínimo de 1,6862 en la conexión crítica del cuello, evitando deformaciones permanentes. El diseño electrónico, sustentado por una batería de 12,8 V y 9000 mAh, utiliza convertidores que entregan salidas estables de 5,75 V y 4,60 A para alimentar los periféricos de forma segura, logrando una autonomía comprobada de 2,5 horas. En el apartado de control, una Raspberry Pi 5 gobierna la cinemática de la cabeza implementando un controlador PID sintonizado para garantizar un movimiento sobreamortiguado, suave y seguro para el usuario. Respecto al diseño de software, se desarrolló un pipeline conversacional asíncrono integrando modelos avanzados (OpenAI GPT-4o-Mini y Deepgram), permitiendo una interacción natural con una latencia promedio de 2,676 segundos. Esto se complementa con un algoritmo de visión artificial (OpenCV y MediaPipe) que opera con un 100% de precisión en un rango de 300 a 4500 mm. La viabilidad del sistema fue corroborada mediante evaluaciones realizadas por docentes universitarios, obteniendo una calificación de 4,06/5 en la validación técnica y 4,73/5 en la validación pedagógica. Se concluye que el prototipo, fabricado con un costo de $608,97 USD, se consolida como una herramienta tecnológicamente accesible y altamente competitiva frente a opciones comerciales cuyos valores oscilan entre $799 y $2200 USD las cuales carecen de un enfoque metodológico exclusivo para el desarrollo lingüístico infantil.