PROJETO DE UM ROBÔ DE BAIXO CUSTO PARA UTILIZAÇÃO COMO
FERRAMENTA DE ROBÓTICA EDUCATIVA PARA ESCOLAS PÚBLICAS
Ernesto Fonseca Veiga
Wendi Müller Araújo
Carlos Roberto da Silveira Júnior
Instituto Federal de Goiás – Campus Inhumas Av. Universitária s/n, Vale das Goiabeiras
CEP 75400-000 - Inhumas GO
Resumo As crianças e jovens de hoje têm fácil acesso a
diferentes ferramentas tecnológicas. Para tanto, as escolas precisam adaptar-se ao mundo moderno, incorporando em suas atividades novos métodos de ensino com o intuito de melhorar o processo de ensino e aprendizagem e promover a multidisciplinaridade. Uma das ferramentas que pode ser destacada é a robótica educativa. No entanto a utilização de robôs comerciais torna-se bastante onerosa quando se deseja multiplicar o projeto para muitas escolas, necessitando de planejamento de médio ou longo prazo para tornar tal proposta possível. Nesse contexto, esse artigo apresenta o projeto de desenvolvimento de um robô de baixo custo, baseado em controlador de arquitetura aberta e sensores e atuadores de baixo custo, para ser utilizado como ferramenta de robótica educativa em escolas públicas, com alunos do ensino fundamental e médio como forma de multidisciplinaridade e nova ferramenta de ensino. O robô foi desenvolvido utilizando arquitetura e software Arduino e alguns sensores eletrônicos construídos. Um curso de robótica introdutório foi realizado com alunos do ensino médio e avaliado pelos alunos. Resultados e propostas de utilização são apresentados.
Palavras Chaves: Robótica, educação, multidisciplinaridade. Abstract: Children and teenagers nowadays have easy access
to various technological tools. Thus, schools need to adapt themselves to the modern world, incorporating into their activities new teaching methods in order to improve the teaching process, learning and multidisciplinary. One tool that can be highlighted is the educational robotics. However, the use of commercial robots becomes very costly when it's desired multiply the project for many schools, requiring medium to long term planning to make such a proposal possible. This project aims to develop a robot and software, both low-cost, as an educational robotics tool for use in public schools, to elementary and high school students. The robot used open arquiteture and software Arduino and many eletronic sensors. One experiment was do with high school students.
Keywords: Robotics, education, multidisciplinary.
1 INTRODUÇÃO
O ensino dos tempos modernos vem se modificando aos poucos, de forma a introduzir novas técnicas e novos métodos com o intuito de transmitir e avaliar o conhecimento de diferentes formas, tornando assim a assimilação mais efetiva e concreta. Para alcançar esse objetivo são introduzidas ações multidisciplinares, como por exemplo, o uso de música, filmes, teatro e outras atividades extracurriculares.
A tecnologia vem conquistando seu espaço de forma constante na vida do homem moderno, se impondo cada vez mais como elemento essencial na vida contemporânea, e como tal, é importante tirar a máxima vantagem dessa situação de tal modo que isso se torne um fator auxiliar no desenvolvimento do próprio homem.
Para alunos de ensino fundamental e médio já existem alguns projetos no sentido de se relacionar tecnologia e disciplinas curriculares, porém geralmente através de um software, tornando-se uma aplicação mais virtual que prática. Tal sistema é motivador e de grande auxílio no aprendizado, porém foge a ideia de trazer o aluno para o mundo real e prático (PEREIRA, 2010).
As vantagens oferecidas por uma atividade não só teórica, mas também prática na educação de alunos do ensino fundamental e médio são: maior facilidade no desempenho de raciocínio, mais convicção nas respostas, organização do raciocínio lógico e alta motivação (PEREIRA, 2010).
A robótica educativa ou robótica pedagógica é uma resposta à necessidade de incorporar ao processo de didático escolar uma ferramenta prática que agrega conhecimentos de diversas disciplinas curriculares, como matemática, física, lógica, dentre outras (SCHONS et. all, 2010).
A utilização da robótica como instrumento de ensino permite aos estudantes desenvolverem a capacidade de elaborar hipóteses, investigar soluções, estabelecer relações e tirar conclusões (BENITTI et. all, 2010).
Atualmente, para realização de atividades de robótica educativa, utilizam-se kits robóticos comerciais, permitindo realizar diferentes tipos de experimentos (BENITTI et. all, 2010), mas o custo ainda se apresenta elevado para grande
Artigo Submetido em xx/xx/xx
1a. Revisão em xx/xx/xx; 2a. Revisão em xx/xx/xx; 3a. Revisão em xx/xx/xx; 4a. Revisão em xx/xx/xx;
Aceito sob recom endação do Ed. Consultor Prof. Dr. Yyyy Yyyyyyyy yy Yyyyyyyy
maioria das escolas públicas, privando-as de oferecer tais possibilidades aos discentes.
Existem kits com preços acessíveis, mas que possuem funcionalidades e mobilidade limitadas comparadas a outros kits, como o kit da Lego (LEGO, 2010). Infelizmente a grande maioria desses kits possui arquitetura fechada, limitação de expansão ou alterações futuras e falta de suporte técnico, inviabilizando seu uso em escolas.
Uma alternativa é o desenvolvimento de robôs para tal aplicação. Através de conhecimento de programação, eletrônica e um pouco de mecânica podem-se desenvolver estruturas robóticas baseadas em controladores programáveis, além de sensores e atuadores similares aos de kits comerciais, com custos relativamente mais baixos (ENCICLOPÉDIA BIOSFERA, 2010).
O governo do estado de Goiás iniciou no ano de 2010 um projeto piloto de robótica educativa em 12 escolas, com o intuito de avaliar os resultados e a possibilidade de sua expansão em todas as escolas estaduais de Goiás (AGECOM, 2010).
O custo de tal ferramenta apresenta-se relativamente alto e pode gerar impacto econômico quando se deseja expandi-lo para todas as escolas, tornando o projeto de implantação nas escolas de médio em longo prazo, ou inviável. Como exemplo cita-se o projeto da rede municipal da cidade de João Pessoa que investiu R$ 2.635.700,00 na aquisição de 607 kits e 25 mil apostilas, alcançando cerca de 50 escolas municipais (JOÃO PESSOA, 2010).
Percebe-se então o interesse dos governantes em utilizar tais ferramentas para acrescentar nas metodologias de ensino, no entanto, os custos se apresentam volumosos quando se deseja alcançar uma parcela significativa dos estudantes.
2 OBJETIVOS
Esse projeto teve como objetivo principal desenvolver a estrutura física de um robô e seu respectivo software, ambos de baixo custo, para ser utilizado como ferramenta de robótica educativa para escolas públicas.
2.1 Objetivos específicos
Os objetivos específicos foram:• Criar perspectivas para desenvolvimento de projetos integrando áreas multidisciplinares, como física, matemática, eletrônica, informática, dentre outras, no ambiente escolar;
• Proporcionar uma alternativa viável de projeto de extensão comunitária, realizando posteriormente, após a concepção do projeto, produção em maior escala e cursos de formação de multiplicadores, disseminando o projeto em várias escolas.
3 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia de desenvolvimento do robô de baixo custo foi dividida em três etapas.
A primeira etapa foi dedicada à definição do modelo de robô e dos seus componentes (estrutura mecânica, controlador, sensores, atuadores) e aquisição dos mesmos. Para tanto foi realizada uma pesquisa com enfoque na necessidade de aproveitar materiais de sucata para criar a estrutura física do robô e nos componentes que poderiam ser aproveitados de
percebeu-se que o uso da sucata condiciona a reprodução do robô à presença de sucata específica, o que poderia se tornar um entrave em etapas futuras do projeto. Dessa forma focou-se na utilização de componentes de baixo custo ou sensores construídos.
Nesta etapa de desenvolvimento o Arduino foi definido como software de interação usuário/robô. O Arduino foi escolhido por diversos motivos, entre outros por possuir uma interface simples e de fácil programação, além de ser uma ferramenta gratuita e com bastante suporte, tanto para os que estão iniciando como também para aqueles que já têm certa experiência. Esse ambiente de desenvolvimento utiliza uma linguagem baseada em linha de código, que tem sintaxe semelhante à linguagem C e possui ampla documentação à respeito de suas funcionalidades. Na figura 1 é apresentada a tela de programação do software Arduino.
Figura 1 – Tela de programação do software Arduino
Ainda na primeira etapa foi realizado um estudo sobre conceitos de mecânica, eletrônica e programação para fundamentar o desenvolvimento do robô. Esse estudo teve grande importância no decorrer do projeto, pois nele se baseou todo o processo de projeto e construção do robô.
O controlador escolhido para o robô foi o Seeeduino Atmega 328, da família Arduino, e tal como o software, tem arquitetura aberta, flexível e é uma das plataformas de menor custo no mercado. No controlador estão ligados os componentes do robô, como os sensores e atuadores, por exemplo. Esse controlador possui 8 pinos analógicos e 14 pinos digitais, pinos de 5V e GND, os quais podem ser estendidos através de ligações bastante simples, tornando assim a placa bastante versátil. Além disso, o Seeeduino Atmega 328 possui memória de 32KB e comunicação USB, para transmissão de programa e comunicação serial, a figura 2 apresenta o controlador.
Figura 2 – Controlador ATMega328
Para controle dos motores foi utilizada uma ponte-H, modelo L298 da Seeeduino. Ponte-H é um circuito eletrônico que tem como função controlar um ou mais motores de corrente contínua e permitir que estes girem em ambas as direções. Para cada motor conectado à ponte-H são necessárias três das entradas digitais da placa de circuito, sendo que dessas três, uma tem a função de enviar o sinal de PWM (Modulação por Largura de Pulso) que define a velocidade do motor e as outras duas funcionam como controle do sentido de rotação do motorpodendo ser horário ou anti-horário. . A ponte-H utilizada é apresentada na figura 3.
Figura 3 – Ponte-H
Os sensores utilizados no projeto foram sensor ultrassom e sensor infravermelho. O sensor ultrassom é utilizado para detectar a distância de obstáculos e o sensor infravermelho utilizado para detectar linha de cores predefinidas.
Os sensores ultrassom são instrumentos que tem a função de detectar ou medir a distância da posição de determinado objeto através da emissão de pulsos de sinal ultrassônico. Para tanto, quando solicitado, um pulso ultrassônico é transmitido pelo sensor, e quando refletido por um objeto, retorna um sinal ultrassônico, chamado eco, que é convertido em um sinal elétrico, através do controlador do sensor. A variável medida é o tempo de trajeto (de ida e volta) do sinal ultrassônico entre a face do sensor e a superfície do objeto, cujo resultado é utilizado no cálculo da distância, considerando-se ainda que a velocidade de propagação do ultrassom no ar é praticamente constante.
O modelo SEN136B5B da Seeeduino é bastante utilizado em robótica móvel, este sensor tem um alcance que vai de 3 cm a atá 4 m de distância, sendo que seu melhor ângulo de atuação é 30°, e funciona com uma fonte de alimentação de 5 Vcc. O sensor possui dois transdutores: um para transmissão e outro para recepção. A figura 4 apresenta o sensor de ultrassom.
Figura 4 – Sensor ultrassom
O sensor de infravermelho é constituído de dois LED’s, onde um LED emite luz infravermelha e o outro recebe a reflexão proveniente da emissão. A luz infravermelha emitida pelo primeiro LED só pode ser vista pelo receptor se ela estiver focada em um ambiente branco funcionando como um espelho. Quando a luz infravermelha bate no solo claro, é refletida de volta a ponto de bater no LED receptor. Já a cor preta não possui a capacidade de refletir a luz, por isso não retorna para que o LED receptor possa enxergá-la. A figura 5 apresenta o sensor infravermelho utilizado.
Figura 5 – Sensor infravermelho
A segunda etapa consistiu na criação do robô, desenvolvimento do software e dos testes de integração. Essa etapa foi subdividida em duas partes, sendo a primeira dedicada à montagem da estrutura física (carcaça) do robô e a segunda ao acoplamento dos componentes como controlador, sensores, atuadores e ponte-H nessa estrutura.
A estrutura física proposta é apresentada na figura 6, onde. pode-se ver a disposição dos sensores e motores.
Figura 6 – Protótipo do robô de baixo. Sendo (a) Sensor ultrassom, (b) Sensor infravermelho, (c) Motor.
Assim, com a estrutura física e os seus componentes já definidos e devidamente montados, iniciou-se o desenvolvimento do software para o mesmo. Foram desenvolvidas várias aplicações para o robô, entre elas destacam-se:
• Software para desvio de obstáculos: esse programa utiliza o sensor de ultrassom e os atuadores para realizar seu objetivo. A função desse programa é permitir a locomoção independente do robô sem que este tenha seu percurso paralisado por obstáculos. Assim foi desenvolvido um algoritmo que permite ao robô, assim que este encontra um obstáculo, imediatamente tratar a situação-ambiente e alterar sua rota, desviando-se do mesmo;
• Software para identificação de cores e percurso de trajetória: o programa utiliza um sensor de infravermelho para obter a reflexão do piso e transformá-la em um valor numérico que representa um valor. Assim o robô pode encontrar uma linha de determinada cor e segui-la, percorrendo uma trajetória pré-definida;
A última parte dessa etapa foi voltada à realização de testes de integração, que tiveram como função refinar e melhorar as rotinas de programação do robô com o intuito de manter a facilidade de programação e interação com o mesmo. Nesta etapa, o robô e software foram apresentados para profissionais da área de educação e informática para que suas opiniões pudessem acrescentar em melhorias para o projeto.
A terceira etapa do projeto foi dedicada ao desenvolvimento e aplicação de atividades com alunos de escola pública. Para tanto, 10 alunos do 2° ano do ensino médio técnico de informática foram convidados para um curso de extensão, no qual robô e software foram apresentados e atividades foram propostas e realizadas com o intuito de avaliar capacidades, interesse e aprendizado, através de testes e questionários de questões objetivas e subjetivas.
4 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Durante o mês de junho/2011 foi realizado um curso de extensão em robótica com os alunos do 2° ano do ensino médio técnico do Instituto Federal de Goiás, campus Inhumas, com duração de 25 horas. Esse curso teve como objetivo apresentar a robótica de uma forma simples e aplicada, alternado entre teoria e prática, e desenvolvendo atividades específicas e também interdisciplinares.
Foi observado grande interesse dos alunos sobre o robô, tanto sobre seus componentes, placa controladora e sensores, como também pela sua programação. A nova ferramenta, de início só conhecida pelos alunos através de meios de comunicação como televisão e internet, despertou a curiosidade e estimulou o aprendizado sobre o assunto. Essa reação dos alunos foi avaliada como muito positiva, pois a motivação impulsiona à investigação, a interação, a busca por respostas e consequentemente, um melhor aprendizado.
Percebeu-se de todos os alunos uma grande aprovação quanto à realização de atividades práticas, uma vez que em sua grade curricular normal as avaliações e atividades são geralmente teóricas. O resultado dessa mudança de metodologia foi um maior interesse dos alunos além de melhora na atenção e na assimilação do conteúdo aplicado, que em sua maior parte pôde ser convertido em atividades com o robô.
Quando é possibilitado ao aluno ver na prática o resultado de seu esforço, fica claro como isso tem influências positivas sobre o aprendizado e até mesmo sobre fatores psicológicos do aluno, como autoconfiança e motivação.
Ao final do curso de extensão os alunos responderam a um questionário de avaliação do método de multidisciplinaridade utilizando a robótica como ferramenta auxiliar de ensino.
Os alunos avaliaram o aprendizado teórico e prático durante o período do curso, sendo que cerca de 80% avaliaram como bom e 20% como ótimo. A influência positiva do curso de robótica em outras disciplinas da grade curricular, como algoritmos e física, foi avaliada como muito positiva ou positiva por cerca de 70% dos alunos.
O aumento de interesse na área de robótica foi avaliado como muito por cerca de 80% dos alunos e médio por cerca de 20%. Já o aumento na área de exatas, que é um dos objetivos da robótica educativa, foi avaliado como muito por cerca de 20% dos alunos e médio por cerca de 60%. Percebe-se que o curso alcançou seus objetivos apresentando a robótica a alunos do ensino médio de uma escola pública e tendo boa aceitação e aprendizado pelos alunos.
Apesar de o projeto ainda não ter sido aplicado para alunos do ensino fundamental e médio não técnico, já está sendo desenvolvida uma metodologia que se aplique de maneira mais adequada aos conhecimentos desses alunos. A ideia fundamental é que o robô e o projeto que envolve a sua utilização sejam aproveitados por todos os alunos, sejam do ensino fundamental, médio ou técnico, se adequando a cada uma dessas etapas do ensino.
Como os alunos que participaram do curso de extensão já tinham a matéria de algoritmos em sua grade curricular, a metodologia adotada nesse caso foi a utilização de linguagem de programação para desenvolver o software do robô. Foram introduzidos os comandos básicos e as principais funções da linguagem, e assim os próprios alunos conseguiram desenvolver aplicações para o robô utilizando o ambiente tradicional da Arduino.
No caso dos alunos de ensino fundamental e médio não técnico seria complicado ou até inviável aplicar conteúdos como a programação através de linguagem, uma vez que suas matrizes curriculares não oferecem esse embasamento, que é mais voltado para o ensino técnico. Por causa disso, outras formas de programação do robô devem ser cogitadas e estudadas para que seja possível a sua utilização nesses casos.
Enfim, a metodologia a ser utilizada deve se adequar ao nível dos alunos, ser adaptada a eles, e não o contrário. Para isso podem ser utilizadas outras ferramentas que não sejam baseadas no desenvolvimento através de linguagens de programação, como é o caso da plataforma Amici, que é um ambiente de desenvolvimento voltado para a programação através de blocos.
O ambiente Amici, ao contrário do ambiente Arduino tradicional, não utiliza código para o desenvolvimento de suas aplicações, e sim uma gama de blocos com rotinas pré-definidas, onde cada programa pode construído através de uma interface baseada em arrastar e montar, o que a torna bastante acessível aos alunos que não tem conhecimento de programação, mesmo para os alunos do ensino fundamental. Quanto às atividades que podem ser desenvolvidas tendo o robô como ferramenta auxiliar, elas devem ser planejadas, modeladas e aplicadas de acordo com a etapa do ensino que esteja em foco, para que não venham causar impactos quanto ao nível de aprendizado dos alunos, e assim, melhores resultados possam ser obtidos.
5 CONCLUSÕES
O projeto de um protótipo de robô de baixo custo desenvolvido possui um custo de cerca de R$ 200,00. A tabela 1 apresenta o
Tabela 1 – Custo do protótipo do robô de baixo custo Equipamento ou componente Custo (R$)
Controlador ATMega328P R$ 38,00 Sensor de ultrasom SEN136B5B R$ 25,00 Módulo ponte H L298N R$ 48,00 Estrutura robótica metálica R$ 86,00
Total R$ 197,00
Esse custo ainda pode ser diminuído através da confecção de um módulo de ponte-H próprio e uma estrutura física utilizando materiais alternativos como madeira ou acrílico. A alteração do robô para diminuição deste custo será realizada em trabalhos futuros.
O robô apresentou resultados satisfatórios quando aplicado a alunos do ensino médio em um curso de extensão. Em trabalhos futuros serão realizados experimentos com o uso do software de programação Amici com alunos do ensino fundamental.
Através desses resultados percebe-se que robótica é uma nova e poderosa ferramenta que pode e deve ser aproveitada para o ensino nos dias de hoje. Assim como a informática foi aos poucos sendo adotada e integrada às escolas e atualmente é largamente utilizada para o ensino, novas ferramentas educacionais devem ser buscadas como forma de aproximar o aluno das novas tecnologias.
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