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Univers 2008Plataf
Dissertaç de 2008, do grau Telecomu Doutor M Luís Co Departam Universid José Car Electrónic Aveiro. idade de Avforma R
ão apresenta para cumpri u de Mes unicações, re anuel Berna osta Pinto mento de Ele ade de Avei rneiro Pereir ca, Telecomu eiro Dep TeleRobótica
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Multi-rsidade de A equisitos nec Engenharia b a orientaçã or Cunha e d Professor lecomunicaç olaboração d or Auxiliar d e Informática de Electrónic ões e InformFuncion
Aveiro, em N cessários à o de Electró ão científica do Prof. Dou res Auxilia ções e Inform do Prof. Dou do Departam a da Univers ca, áticanal
Novembro obtenção ónica e do Prof. utor José ares do mática da utor Artur mento de sidade de
O júri / The jury
Presidente / President
Vogais / Examiners Committee
Prof. Dr. António Ferreira Pereira de Melo Professor Catedrático da Universidade de Aveiro
Prof. Dr. Manuel Bernardo Salvador Cunha Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro
Prof. Dr. José Luís Costa Pinto Azevedo Professor Auxiliar da Universidade de Aveiro
Prof. Dr. António Paulo Gomes Mendes Moreira Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Agradecimentos Aos orientadores e ao coordenador, aos meus pais e amigos, bem como a todos os envolvidos no projecto da exposição, pelo apoio, dedicação e orientação ao longo desta jornada. Um muito obrigado.
Palavras-Chave
Resumo
Robótica móvel, autónoma, didáctica, versatilidade, inovação, virtualização, interacção.
Esta dissertação descreve e contextualiza o desenvolvimento de uma plataforma robótica multi-funcional, apelidada de RODA – RObô Didáctico de Aveiro. O seu desenvolvimento surge da montagem paralela de uma exposição denominada “Sítio dos Robôs”, cuja forte vertente lúdico-didáctica levou ao surgimento de uma plataforma didáctica inovadora, cujo simples mecanismo de programação não faz recurso a qualquer linguagem de programação, literal ou gráfica, e permite a integração de sensores e actuadores que, em conjunto, determinam o comportamento do robô.
Keywords
Abstract
Mobile robotics, autonomous, didactic, versatility, innovation, virtualization, interaction.
This thesis describes the background and the development of a multi-functional robotic platform, named RODA – Robô Didáctico de Aveiro (Aveiro’s Didactic Robot). This platform was developed simultaneously with an exhibit named “Sítio dos Robôs”, a robotics exposition with strong didactic and entertainment component which led to the development of this revolutionary didactic platform. It’s simple programming mechanism doesn’t need any type of programming language, literal or graphic, and it allows connecting sensors and actuators that determine the behavior of the robot.
i
Conteúdo
1 – INTRODUÇÃO 1
1.1 – Enquadramento e Motivação 1
1.1.1 – Exposição “Sítio dos Robôs” 2
1.1.2 – Concurso “Micro-Rato” 4
1.1.3 – Concurso “Robô Bombeiro” 5
1.2 – Objectivos 5 1.3 – Trabalho Realizado 6 1.4 – Estrutura da Dissertação 7 2 – ROBÓTICA DIDÁCTICA 9 2.1 – Conceito e Objectivo 9 2.2 – Plataformas Didácticas 10
2.2.1 – Plataformas com Comportamentos Fechados 11
2.2.2 – Plataformas com Comportamentos Programáveis 14
2.3 – Concursos de Robótica 18
3 – ESPECIFICAÇÃO DA PLATAFORMA 23
3.1 – Requisitos da Plataforma 23
3.1.1 – Inspiração: Robô Micro-Rato 24
3.1.2 – Sistema de Tracção Diferencial 24
3.1.3 – Exposição “Sítio dos Robôs”: Implicações 25
3.1.4 – Concurso Micro-Rato e Robô Bombeiro: Implicações 26
3.2 – Comportamentos da Plataforma 27
3.2.1 – Blocos de Manipulação de Sinal 31
3.3 – Estrutura e Versatilidade da Plataforma 33
3.3.1 – Base Inferior 34
3.3.2 – Base Intermédia 35ii CONTEÚDO
3.4 – Método de Programação da Plataforma 36
3.4.1 – Modo Didáctico: Base de Ligações Virtuais 36
3.4.2 – Modo Micro-Rato e Robô Bombeiro 38
4 – CONCEPÇÃO DA PLATAFORMA 41
4.1 – Desenho e Construção da Plataforma 41
4.1.1 – Base Inferior 42
4.1.2 – Sistema Sensorial 42
4.1.3 – Sistema de Tracção Diferencial 43
4.1.4 – Sistema de Alimentação 44 4.1.5 – Base Central 44 4.1.6 – Base Superior 45 4.2 – Hardware da Plataforma 46 4.2.1 – Sensores e Actuadores 46 4.2.2 – Circuito de Alimentação 48
4.2.3 – Placa de Controlo Global 49
4.2.4 – Placa de Ligações Virtuais 56
4.2.5 – Placa Micro-Rato 60
4.2.6 – Placa Robô Bombeiro 61
4.3 – Software da Plataforma 64
4.3.1 – Comunicações I2 C 64
4.3.2 – Placa de Controlo Global 66
4.3.3 – Placa de Ligações Virtuais 71
5 – RESULTADOS 75
5.1 – RODA: RObô Didáctico de Aveiro 75
5.1.1 – O Robô 75
5.1.2 – Arquitectura Global do Sistema 77
5.1.3 – Versatilidade: Micro-Rato e Robô Bombeiro 78
5.2 – RODA: Base de Ligações Virtuais 79
5.3 – RODA: Comportamentos Básicos 81
6 – CONCLUSÕES 85
6.1 – Testes da base de Ligações Virtuais 86
6.2 – Ensaios 86
6.3 – Avaliação do Desempenho 86
Plataforma Robótica Multi-Funcional
iii
BIBLIOGRAFIA 89
LISTA DE ACRÓNIMOS 91
ANEXOS 93
Apêndice A – Módulo de Comportamento Básicos 95
Apêndice B – Disposição e zona de sensibilidade dos sensores 119
Apêndice C – Circuito e Placa de Alimentação 123
Apêndice D – Placa de Controlo Global 131
Apêndice E – Placa de Ligações Virtuais 145
Apêndice F – Placa do Micro-Rato 161
v
Lista de Figuras
1.1 A sala de exposições sobre robótica 3
1.2 Vista de uma das “Rodas da Robótica” 4
1.3 Exemplo do labirinto do Micro-Rato 4
1.4 Robô em prova no Robô Bombeiro 5
2.1 O Robô Roamer 11
2.2 WowWee Alive Chimp 12
2.3 O Robô Pet 12
2.4 O Robô Raptor 13
2.5 O Robô Sapien 14
2.6 Hitec Robonova 15
2.7 Robô GT (versão futebolista) 15
2.8 Ambiente gráfico de programação do Robô GT 16
2.9 Kit Robótico Bot’n Roll ONE 16
2.10 Módulo NXT com sensores e actuadores 17
2.11 Lego Mindstorms NXT (versão braço robótico) 17
2.12 Ambiente de programação NXT Software 17
2.13 Desafio da First Lego League 18
2.14 Prova de Busca e Salvamento 20
2.15 Prova de Dança Júnior 20
2.16 Prova de Futebol Robótico Júnior 21
3.1 Principais parâmetros do sistema de tracção diferencial 25
3.2 Experiência 1: Robô Íman 28
3.3 Experiência 2: Robô que foge 28
3.4 Experiência 3: Robô que se vira 28
3.5 Experiência 4: Robô no meio 29
vi LISTA DE FIGURAS
3.7 Experiência 6: Robô que mantém distância do obstáculos 30
3.8 Experiência 7: Robô que segue trajecto definido por muros 30
3.9 Experiência 8: Robô que não cai da mesa 31
3.10 Símbolo do sensor de obstáculos 31
3.11 Símbolo do sensor de chão 32
3.12 Símbolo do motor 32
3.13 Símbolo do inversor de sinal 32
3.14 Símbolo do gerador de sinal 32
3.15 Símbolo do bloco de ganho 32
3.16 Símbolo do somador de sinal 33
3.17 Símbolo do comutador condicional 33
3.18 Símbolo do temporizador 33
3.19 Símbolo do medidor de sinal 33
3.20 Modo Didáctico: A base de ligações virtuais 38
4.1 Desenho e aspecto após construção e montagem do RODA 42
4.2 Base Inferior 42
4.3 Sistema Sensorial: Desenho e aspecto final após construção 43
4.4 Sistema tracção diferencial: Desenho e aspecto final após construção 43
4.5 Sistema Alimentação: Desenho e aspecto final após construção 44
4.6 Base Central e disposição dos elementos 44
4.7 Base superior: Modo Didáctico 45
4.8 Base superiores: Modo Micro-Rato e Robô Bombeiro 45
4.9 Circuito dos sensores de chão 46
4.10 Sensor Sharp GP2D12 46
4.11 Princípio de funcionamento Sharp GP2D12 47
4.12 Sensibilidade sensor na horizontal e vertical 47
4.13 Curva de resposta sensor Sharp GP2D12 47
4.14 Encoder HEDS-5500 47
4.15 Sinais gerados pelo encoder 48
4.16 Exemplo de Sinal PWM de controlo servo motor 48
4.17 RODA: Esquemático do circuito de alimentação 49
4.18 Comutador das baterias e placa de alimentação 49
4.19 Placa de Controlo Global 50
4.20 Esquemáticos: Fichas de alimentação e Regulador de tensão 51
4.21 Esquemático: Microcontrolador e módulos de comunicação 52
Plataforma Robótica Multi-Funcional vii
4.23 Esquemático: Sensores de Chão 53
4.24 Esquemático: Sensor do Farol 53
4.25 Esquemático: Sensor do Estado da Bateria 54
4.26 Esquemático: Circuito de controlo dos motores 54
4.27 Esquemático: Encoders HEDS-5500 55
4.28 Esquemático: Controlo do Servo Motor 55
4.29 Esquemático: Ficha Micro-Rato 55
4.30 Placa de Ligações Virtuais 56
4.31 Esquemáticos: Fichas de alimentação e Regulador de tensão 57
4.32 Esquemático: Microcontrolador LV/LCD/Buttons e módulos comunicação 58
4.33 Esquemático: Microcontrolador Led’s/Buzzer e módulos de comunicação 58
4.34 Esquemático: Circuito para efectuar a detecção das ligações virtuais 59
4.35 Esquemático: Interface com o LCD 59
4.36 Esquemático: Botões de Pressão 59
4.37 Esquemático: Led´s 60
4.38 Esquemático: Piezo Buzzer 60
4.39 Placa do Micro-Rato 60
4.40 Placa do Robô-Bombeiro 61
4.41 Esquemático: Circuito de detecção do sinal de Arranque Sonoro 63
4.42 Esquemático: Circuito de Controlo das Ventoinhas 63
4.43 Rede I2C do RODA 64
4.44 Trama I2C PIC1 Placa LV (master) – PIC2 Placa LV (slave) 65
4.45 Trama I2C PIC1 Placa LV (master) – PIC Placa Controlo Global (slave) 65
4.46 Fluxograma do algoritmo da Placa de Controlo Global 71
4.47 Fluxogramas dos algoritmos da Placa de Ligações Virtuais PIC1 73
4.48 Fluxogramas dos algoritmos da Placa de Ligações Virtuais PIC2 74
5.1 RODA: RObô Didáctico de Aveiro 76
5.2 RODA: Sensores, actuadores e baterias 76
5.3 Arquitectura Global do RODA 77
5.4 RODA: Modo Micro-Rato e Modo Robô Bombeiro 78
5.5 RODA: Base de Ligações Virtuais 79
5.6 Experiências Básicas: Configurações Sensores e Motores 82
5.7 Experiências Básicas: Configurações Inversor de Sinal 82
5.8 Experiências Básicas: Configurações Gerador de Sinal 83
5.9 Experiências Básicas: Configurações Somador 83
ix
Lista de Tabelas
3.1 Requisitos estruturais dos concursos Micro-Rato e Robô Bombeiro 27
4.1 Sinais dos conectores da placa de controlo global 51
4.2 Sinais dos conectores da placa de controlo global 57
4.3 Sinais dos conectores da placa do Micro-Rato 61
4.4 Sinais dos conectores da placa do Robô-Bombeiro 62
4.5 Portos I/O usados: programação e função 65
4.6 Parâmetros do sistema de tracção 67
4.7 Parâmetros do Sinal do Servo Motor 68
4.8 Rotinas de Software da Placa de Controlo Global 70
4.9 Rotinas de Software da Placa de Ligações Virtuais 72
1
Capítulo 1
Introdução
1.1 Enquadramento
e
Motivação
No âmbito do projecto “Concurso Micro-Rato da Universidade de Aveiro: Actividades de Divulgação de Robótica Móvel”, financiado pelo programa POCTI1, está a ser construída uma exposição permanente sobre robótica autónoma e móvel na Fábrica de Ciência Viva de Aveiro (FCV).
Conforme o nome do projecto indica, a sua génese está intimamente ligada às actividades de divulgação científica e tecnológica na área da robótica autónoma e móvel que vêm sendo desenvolvidas pelo Departamento de Electrónica, Telecomunicações e Informática (DETI) bem como pela Unidade de Investigação IEETA2 da Universidade de Aveiro (UA) e que se iniciaram em 1995 com o Concurso Micro-Rato.
A colaboração que vem sendo desenvolvida com a Fábrica da Ciência Viva, um centro Ciência Viva da Universidade de Aveiro, tem permitido potenciar o efeito de divulgação de ciência e tecnologia das actividades na área da robótica desenvolvidas pelo DETI/IEETA. Esta colaboração constituiu simultaneamente motivação e oportunidade para o desenvolvimento de um projecto que tem como principal objectivo desenvolver uma estrutura duradoura para suportar a divulgação científica e tecnológica no domínio da robótica autónoma e móvel, que incorporasse a experiência desenvolvida no DETI/IEETA e que potenciasse a divulgação dos resultados científicos relacionados aí obtidos. Esta estrutura, essencialmente consubstanciada numa exposição permanente e interactiva, designou-se Sítio dos Robôs.
Pretende-se que essa exposição seja interactiva, isto é, que tanto quanto possível a assimilação de conceitos se faça com base na experimentação.
Com esse objectivo, será criado um espaço onde o visitante assimile os conceitos fundamentais associados à robótica autónoma e móvel que lhe permitam compreender os processos básicos responsáveis pelo comportamento de um robô autónomo e móvel.
O projecto Sítio dos Robôs ([8], [9]) tem por objectivo a concepção de uma exposição interactiva permanente sob o tema da Robótica Autónoma e Móvel, incluindo o desenvolvimento
1
P.O.C.T.I – Programa Operacional Ciência, Tecnologia, Inovação 2
2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
dos respectivos materiais e conteúdos. Esta exposição fará um recurso intensivo à interactividade com o visitante, propondo-lhe formas lúdicas de adquirir os conhecimentos.
O visitante será, inicialmente, introduzido no mundo dos sensores, depois no dos actuadores e, finalmente, no dos comportamentos, que conjugam percepção e actuação. A exposição pretende apresentar os conceitos básicos associados à robótica móvel de modo a que os visitantes, no final do percurso, consigam compreender os processos responsáveis pelo comportamento de um robô móvel.
Na perspectiva da formação científica da população em geral, um dos objectivos fundamentais será transmitir a mensagem que todo o comportamento de um robô móvel, por muito “mágico” ou “complicado” que pareça, pode, em muitas situações, ser compreendido e explicado por conceitos simples.
Toda a apresentação será feita de uma forma lúdica, prática e interactiva. Tanto quanto possível, pretende-se que os visitantes tenham oportunidade de “mexer” nos robôs, e não ter apenas a possibilidade de actuar remotamente sobre robôs guardados nalguma zona inacessível aos visitantes. Esta abordagem irá obrigar a ter de pensar, para além dos aspectos que têm a ver com a realização e implementação dos conteúdos, nas questões de robustez dos equipamentos, para suportar a manipulação que vão sofrer, e da segurança, para evitar roubos.
Um componente fundamental dessa exposição será uma plataforma robótica que por simples reconfiguração de ligações físicas, directas ou com operadores simples, permita interligar sensores a actuadores, possibilitando assim a demonstração de vários comportamentos básicos que um robô móvel pode apresentar.
Do ponto de vista do utilizador, essas ligações serão construídas fisicamente, através de um mecanismo de programação simples e que não implique nenhum modo de programação, literal ou gráfico, que interliga as saídas e entradas adequadas.
No entanto, a realização concreta dessas ligações não será feita directamente através das ligações estabelecidas pelo utilizador. A plataforma terá uma camada inteligente de virtualização dessas ligações, responsável pela sua interpretação. Em resultado dessa interpretação, o software da plataforma realizará ela, de uma forma “virtual”, os comportamentos correspondentes.
A concepção da plataforma deverá ser inspirada nos robôs tipo Micro-Ratos, já bem conhecidos do público e com presença assídua na Fábrica da Ciência Viva. Esta inspiração poderá traduzir-se em versatilidade, sendo passível, e devido as características dos mesmos, o uso da plataforma robótica em competições robóticas às quais é adaptável, o Concurso Micro-Rato da Universidade de Aveiro e Concurso Robô Bombeiro, do Instituto Politécnico da Guarda.
1.1.1 Exposição “Sítio dos Robôs”
A exposição “Sítio dos Robôs” [11] dá corpo àquilo que desde o princípio do projecto era a intenção das pessoas nele envolvidas: criar um espaço de exposição onde o visitante assimilasse os conceitos básicos associados à robótica autónoma e móvel e o levasse a compreender os processos responsáveis pelo comportamento de um robô autónomo e móvel.
Nesse sentido, a exposição pretende primeiro captar a atenção do visitante, deslumbrando-o com artigos de grande efeito visual, seja com soluções robóticas adquiridas ou construídas para o efeito, seja com robôs usados em investigação e que são temporariamente disponibilizados. Algumas destas peças estarão a executar comportamentos de demonstração, enquanto outras estarão imóveis e apenas actuarão em consequência de interacção com o visitante. Uma vez
Plata motiv “prep básic robôs T e mó estão senso comp todos robô ambie vários quer princ Por e em u sobre E Mas pode F signif comp O porqu Conc existe Micro F const O espac apren se m robôs são c seus slides espaç O usand física ocupa comp D senso aforma Rob vado, o v parado” para cos por det
s. Tratando-se óvel os conc o subjacente ores, a portamentos s os elemen que lhe ente que o r s tipos de naquilo qu ípio físico q exemplo, um ultra-sons ou e o ambiente Em robótica há outros: o ter de comu Finalmente, fica que de portamentos O Concurso ue os eleme curso. Depoi ente na FCV o-Rato, espa Finalmente, trução de co O formato d cial dos mat ndizagem e otive com o s autónomos colocados. C objectivos. s e filmes e ços. O deslumbra do para isso a na sala d ando a entr ponentes da Durante a ap ores, actuad ótica Multi-visitante es a captar os trás de tod de robótica ceitos básic es são os as actuadore básicos. Se tos constitui permite p rodeia. Difere sensores ue “sentem ue usam pa m sensor para em luz infra e que o rodei móvel a loc o robô pode unicar com o se o robô é eve ser cap
adequados. o Micro-Rato ntos humano is, porque a V, herdando ço onde os r porque alg mportamento da exposição teriais de su aplicação de mundo da ro s e, por fim, Cada módulo Adicionalme é usado com amento tem o peças adq os materiais rada, o reci exposição. prendizagem ores e comp Funcional stará mais s conceitos os aqueles a autónoma cos que lhe ssociados a s e a ensores são ntes de um perceber o enças entre baseiam-se m” quer no ara o fazer. a medir a di avermelha. A a. comoção é c precisar de utros robôs o autónomo te paz de con o da UA tam os deste pro a exposição alguns dos e robôs do Mic gumas plata
os, foram cla o assenta nu porte. A visi e conhecime obótica, assi aplique esse o temporal po ente, existe mo apoio ou como objec uiridas, cons s de suport into do Mic m o visitante t portamentos stância a qu Actuadores s om toda a c e agarrar obj ou mesmo co em de sozinh njugar perce mbém influe ojecto são os o “Sítio dos elementos q cro-Rato actu aformas co aramente ins uma distribu ta à exposiç entos. A ideia imile os conc es conceitos ossui um es um espaço u complemen ctivo ser um struídas ou d te ao deslum ro-Rato e o toma conhec básicos. Fis Figur ue se encont são os elem certeza o mo jectos, pode om humanos ho interagir c epção e ac nciou o form s elementos Robôs” sub ue esta poss uavam, foi m ncebidas e spiradas no r uição tempor ção faz-se em a por detrás ceitos básico s na resoluçã paço próprio de projecçã nto das activ
elemento m disponibilizad mbramento outros espaç cimento dos icamente, es ra 1.1 – A sala (Fon tra um obstá entos usado odo de actua ter que em s. com o ambie ctuação no mato da exp do DETI/IEE bstituiu a sa suía; em pa antido na no desenvolvi robô tipo Mic ral da visita m três temp destes tem os que supor ão de peque o, com mate ão, que per vidades que motivador pa das para es assume um ços não ocu princípios bá sta fase asse a de exposiçõ nte da figura: [ áculo pode b os para o rob ção mais im mitir sons ou nte que o ro sentido de posição. De ETA que org ala dos Mic rticular, o lab ova exposiçã idas para a cro-Rato. e numa dis os: deslumb pos é que o rtam a const enos desafios riais apropria rmite a proje decorrem no ra toda a ex se fim. A loc ma forma dis upados pelo ásicos por de enta num co ões sobre rob
[11]) 3 basear-se bô actuar mportante. falar, ou deia. Isto e realizar sde logo anizam o cro-Ratos birinto do ão. apoiar a stribuição bramento, visitante trução de s que lhe ados aos ecção de os outros xposição, calização stribuída, os outros etrás dos njunto de bótica
4 experiên denomin central n balcão c enquanto roda do comport observaç visitante básicos Na adquirido Nesta f plataform o visitan nesta fa determin
1.1.2 C
O C por inic Departam (DET), c factor d formação Contudo actividad actual D resposta desenvo vanguard desmisti O M autónom No primeiro em regre informaç Em incluindo de infra marcaçã ncias distribu nados Rodas na exposição circular que p o os visitante os sensores amentos bá ção e exp s tomem c que suportam fase de apl os ao longo fase reveste ma, através d te consiga c ase é que nado comporConcurso
Concurso Mi ciativa de mento de E convencidos de motivaç o para os o, rápido se p de extravasa DETI e da a a uma so olver apetên da e de ficação, com Micro-Rato d mos, com dim decurso da objectivo é essar à área ção recolhida qualquer do o outros robô -vermelhos ão que possauídas por trê s da Robótica o (Figura 1.2 permite que es se distribu s, a roda d ásicos. Estas perimentação onhecimento m a robótica licação de c do percurso e-se de esp do seu meca construir um seja o visi rtamento.
o “Micro-R
cro-Rato [14 alguns do lectrónica e de que po ção e de alunos de percebeu qu ava em mui própria UA, licitação da cia por área contribuir p mpreensão e a Universida mensões não a competição ir desde a "á de partida, a durante o c os casos os ôs. A "área d de 28cm d a servir de re ês balcões c a e que dese 2). Cada uma um monitor uem à sua vo dos actuado s rodas rep o onde se o dos dispo a autónoma e conhecimento o da exposi pecial impo anismo de pr robô que de tante a ideRato”
4] nasceu em ocentes do Telecomuni deria consti complemen este departa ue o potencia to as fronte e constituí sociedade as tecnológi para a res utilização. ade de Aveir o excedendo o, estes rob área de parti ou aproxima cumprimento s robôs deve de farol" é um de altura. A eferência aos circulares qu empenham u a destas rod esteja no se olta. Há três ores e a ro presentam á pretende ositivos e p e móvel. os o visitant ção na reso rtância a p rogramação sempenhe u entificar as m 1995 então icações tuir um nto de amento. al desta eiras do ía uma civil de icas de spectiva ro é uma co os 300x300x bôs devem c da" até à "ár ar-se dessa o do primeiro em evitar tod m círculo de 1 "área de p s robôs em c CA ue foram um papel das é um eu centro rodas: a oda dos áreas de que os princípios te é desafia olução de pe plataforma r simples, tor um determina ligações qu mpetição en x400mm. cumprir dois rea de farol"; área o mais objectivo. dos os obst 1m de diâme partida" não competição. Figura 1.3 – (Fo PÍTULO 1. ado a usar o equenos pro robótica mu na possível ado papel. U ue permitem ntre pequeno s objectivos ; o segundo possível util áculos que etro e assina o tem qualq – Exemplo do Micro Rato onte da figura: Figura 1.2 – “Rodas (Fonte d INTRODU os conhecim oblemas robó lti-funcional. que em tem Uma das inte m estabelece os robôs móv em sequên objectivo co izando, para se lhes dep alado com um uer indicaçã o labirinto do [14]) Vista de uma da Robótica da figura: [11]) UÇÃO mentos óticos. Esta po útil nções er um veis e cia: o nsiste a tal, a parem, m farol ão ou a das ”Plata
1.1.3
O concu Depa Supe Polité Trinit Conte Hartfo O consi autón exting pequ casa robót extra conhe1.2
P concu funçõ N dever intuiti E de pr conju D comp aforma Rob3 Concur
O Concurso urso de artamento erior de Tec écnico da Gu y College est, organiz ord, Connec O desafio d iste na con nomos que guir um in ena vela), d formado po tica e usar curricular in ecimentos mObject
Pretende-se urso Micro-R ões: • Utilizaçã • Particip Robô B Na perspect rá ser desen ivo e acessív Esse mecan rogramação, unto, determi Do ponto de portamentos • Compre • Percebe robô qu • Compre óticaMulti-rso “Robô
o Robô Bo robótica de Informá cnologia e G uarda e é ins Fire Fight zado pelo T ticut, Estado do Concurs nstrução de sejam capaz ncêndio (si dentro de u or corredores esta tecnolo nteressante multidisciplinativos
construir u Rato da Unão como ele ação em co ombeiro. tiva de utiliz nvolvido um vel ao visitan nismo de pro literal ou grá nam o comp e vista da su têm como o eender os pri er o significa e controla o eender a inte Funcional
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mbeiro [15] organizado ática da Gestão do I spirado no co ting Home Trinity Colle os Unidos. so Robô Bo e robôs mó zes de enco imulado po m modelo d s e quartos. ogia como u e divertido ares tipicame uma platafo niversidade mento-base mpetições ro zação da p mecanismo nte comum, s gramação d áfica, e deve portamento d a integração bjectivos: incípios bási ado de um ro movimento c eracção entreo”
] é um pelo Escola nstituto oncurso Robot ege de ombeiro óveis e ontrar e or uma de uma O objectivo uma ferrame o, onde os ente adquirid rma robótic de Aveiro, da exposiçã obóticas com lataforma co o de program sem conhecieve ser cons e permitir a in do robô. o na exposiç cos de funcio obô autónom com base na e sensores e F o do concurs enta de ens s alunos p dos em curso a, inspirada que pudess
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onamento de mo (existência a recolha de e actuadores Figura 1.4 – R so é contribu sino, proporc possam apl os de engenh a na platafo se ser adap Robôs”, ante mplo, o Conc nto-base da omportamen área. m o recurso a e sensores e s Robôs”, es e um robô re a de um órgã dados senso num robô m Robô em prov (Fonte da figu uir para o av cionando um icar na pr haria. orma tipo u ptada para eriormente re curso Micro-exposição nto do robô a qualquer lin e actuadores sta plataform eactivo ão decisor n oriais) móvel va no Robô B ura: [15]) 5 vanço da m evento rática os usada no diversas eferida. -Rato e o robótica, que seja nguagem s que, em ma e seus no próprio Bombeiro
6 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO
• Experimentar e utilizar vários exemplos de comportamentos básicos de robôs autónomos e móveis
1.3 Trabalho
Realizado
No âmbito desta dissertação foi desenvolvida uma plataforma robótica multi-funcional que preenchesse os requisitos e objectivos definidos.
O seu desenvolvimento passou por várias etapas, desde a concepção da arquitectura da mesma, até à realização de testes finais:
• Especificação da plataforma – Definição do conjunto de sensores e caixas de manipulação de sinal a incorporar na plataforma, bem como os comportamentos a implementar na fase de desenvolvimento. A especificação da plataforma resultou na introdução de novos comportamentos e elementos de manipulação de sinal (não previstos nos guiões para os módulos da exposição), que se revelaram uma mais-valia e aumentaram as potencialidades da plataforma.
Durante esta fase de especificação da plataforma foi sempre tida em conta a versatilidade da mesma, quer para satisfazer os objectivos pretendidos no âmbito da exposição, bem como a sua adaptação e conformidade para participação nas provas robóticas referidas. • Projecto e testes ao “sistema de ligações virtuais” – O mecanismo de programação da
plataforma, apelidado de sistema de ligações virtuais, foi projectado numa fase inicial num circuito externo à plataforma desenvolvido para o efeito, e de acordo com os objectivos pretendidos atrás referidos. Os testes efectuados demonstraram a validade e eficiência da solução, sendo esta posteriormente incorporada na projecção do hardware da plataforma e sujeita a vários testes de modo a determinar a validade e eficiência da solução adoptada.
• Projecto da plataforma – Projecto do robô, incluindo a definição do processo de realização das ligações virtuais. Procedeu-se a um desenho prévio do robô que permitiu não só uma visualização 3D do aspecto final do robô, bem como facilitou o processo de construção. O projecto tridimensional tornou possível a análise de detalhes de construção, efectuar alterações e correcções, o debate de ideias e melhorias, etc.
• Selecção de componentes e montagem do protótipo – Selecção de componentes para a montagem e aprovisionamento. O modelo tridimensional do robô, desenhado à escala, foi fielmente reproduzido durante a fase de construção. A planificação de todas as peças desenhadas e medidas determinadas no desenho do robô, permitiram uma construção mais simples, sem problemas e com medidas exactas.
• Projecto do Hardware e selecção de componentes – Projecto do todo o hardware da plataforma, selecção de componentes e aprovisionamento. Circuito de alimentação, controlo de sensores e actuadores, sistema de ligações virtuais, micro controladores e interligação destes, etc. Após a projecção do hardware, desenharam-se e fabricaram-se
Plataforma Robótica Multi-Funcional 7
os PCB’s3 necessários, nos quais efectuou-se a montagem de componentes e inúmeros testes ao hardware.
• Desenvolvimento de Software – Desenvolvimento de todo o software necessário para o controlo da plataforma e sistema de ligações virtuais. O software foi desenvolvido em linguagem C, no ambiente MPLAB4, compilado com compiladores da HI-TECH Software. Para programar os microcontroladores recorreu-se ao programador da Microchip MPLAB ICD25.
• Ensaios, avaliação do desempenho e correcções – Ensaio do protótipo desenvolvido na realização dos comportamentos definidos. Revisão do projecto desenvolvido para a plataforma em função dos ensaios realizados.
1.4 Estrutura da Dissertação
Neste capítulo introdutório foram delineados os traços gerais desta dissertação, tendo sido feito o enquadramento com o projecto “Concurso Micro-Rato da Universidade de Aveiro: Actividades de Divulgação de Robótica Móvel” e os concursos de robótica Micro-Rato e Robô Bombeiro, bem como a motivação para o desenvolvimento da plataforma e objectivos da mesma, quer no âmbito desta dissertação, quer no âmbito da sua inclusão na exposição “Sítio dos Robôs”.
Os capítulos seguintes surgem no seguimento do trabalho desenvolvido no âmbito desta dissertação, encontrando-se esta organizada do seguinte modo:
No segundo capítulo, Robótica Didáctica, faz-se uma breve apresentação do conceito de Robótica Didáctica. São referidos alguns exemplos de plataformas existentes no mercado, que tipo de comportamentos é que estas permitem efectuar e o modo como o fazem e os despoletam. È ainda efectuada uma breve referência aos concursos de Robótica com cariz mais didáctico, que funcionam de certo modo com grande impulsionadores e promotores da Robótica e iniciação à mesma.
No terceiro capítulo, Especificação da Plataforma, tal como o nome indica, é descrita toda a especificação da plataforma robótica, desde os requisitos a satisfazer, passando pela definição de comportamentos, até ao método de programação, concepção e implementação.
O quarto capítulo, Concepção da Plataforma, descreve todo o processo de concepção, desenho e construção da plataforma, projecto e soluções ao nível do hardware implementado, bem como de todo o software desenvolvido, rotinas de controlo do robô e algoritmos implementados.
No capítulo cinco, Resultados, efectua-se a descrição da plataforma obtida, sua arquitectura e comportamentos básicos definidos. Descreve-se ainda a solução das “Ligações Virtuais”, nome atribuído ao método de programação, suas características e funcionalidade.
As Conclusões desta dissertação são apresentadas no sexto e último capítulo. É efectuado um juízo crítico referente aos testes e ensaios efectuados com a plataforma, reacções e aceitação da mesma junto do público-alvo.
No final do documento estão presentes os Apêndices referidos ao longo da dissertação.
3
P.C.B. – Printed circuit board 4
MPLAB – Microprocessor (PIC) Programming Laboratory 5
9
Capítulo 2
Robótica Didáctica
A plataforma robótica multi-funcional tem na sua génese a componente didáctico-lúdica como principal referência e objectivo. A sua singularidade reside na sua arquitectura versátil e no método de programação inovador, motivo pelo qual, neste capítulo se faz uma análise sucinta do estado da arte da robótica didáctica. Que tipo de plataformas existem no mercado e quais as suas principais características, que metodologia é usada para programar as mesmas e o qual o carácter dos comportamentos despoletados, bem como uma breve análise dos concursos de robótica como grandes promotores e impulsionadores da robótica didáctica.
2.1 Conceito e Objectivo
“A palavra didáctica vem da expressão grega Τεχνή διδακτική (techné didaktiké), que se pode traduzir como arte ou técnica de ensinar. A Didáctica é a parte da pedagogia que se ocupa dos métodos e técnicas de ensino destinados a colocar em prática as directrizes da teoria pedagógica. A didáctica estuda os processos de ensino e aprendizagem.” (Wikipédia, 2008)
Concordante com a definição, Robótica Didáctica (ou pedagógica ou educacional) são termos utilizados para caracterizar ambientes de aprendizagem que reúnem plataformas robóticas ou kits de montagem compostos por peças diversas, actuadores e sensores, controláveis por micro controladores e/ou computadores, com softwares que permitam programar de alguma forma o funcionamento dos modelos montados.
A Robótica é um ramo da tecnologia que engloba diversas áreas tais como mecânica, electrónica, hidráulica, electricidade, computação, entre outros, e obviamente as ciências base, como física, matemática e química, e requer um nível de conhecimentos elevado e proporcional ao grau de complexidade dos sistemas que se pretendam implementar. Contudo, a sua génese tem um conjunto de noções, conhecimentos e comportamentos básicos, comuns e aplicados na maioria das aplicações robóticas, e que constituem o pilar central da robótica didáctica.
O objectivo da robótica didáctica é transmitir de um modo lúdico e educacional os conceitos base da robótica, principalmente para satisfazer a curiosidade e explicar conceitos a um público-alvo, bem como incutir-lhes interesse e gosto pela área no intuito destes aprofundarem os seus conhecimentos em robótica. As instituições de ensino são seguramente o maior universo de aplicação da robótica didáctica.
10 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA DIDÁCTICA
Do escalão secundário até mesmo ao superior, o aumento do interesse e criatividade dos alunos demonstrado, bem como a integração de várias áreas e disciplinas e potencial de aprendizagem, fez com que robótica educacional, ou robótica pedagógica, tenha despertado a atenção de professores e alunos. Nesse tipo de actividade, o aluno vivencia na prática, através, por exemplo, da construção de maquetas e robôs controlados por computador, conceitos estudados no âmbito das disciplinas. Tratando-se de uma actividade lúdica e desafiadora, que une a teoria à prática, tem ainda como mais-valia a valorização do trabalho em grupo, a cooperação, planeamento, pesquisa, tomada de decisões, definição de acções, promoção o diálogo e o respeito por diferentes opiniões. A robótica pedagógica envolve um processo de motivação, colaboração, construção e reconstrução, utilizando os conceitos de várias disciplinas para a construção de modelos, proporcionado aos alunos uma rica vivência interdisciplinar.
Um exemplo disto é a enorme representação ao nível de escolas do ensino básico e secundário nas competições de robótica do Robótica – Festival Nacional de Robótica [22], principalmente nas classes de Dança Júnior e classe de Busca e Salvamento, tendo, a título de exemplo, este ano contado com mais uma centena de instituições presentes.
2.2 Plataformas
Didácticas
Actualmente, a introdução no mundo da robótica não pressupõe necessariamente a construção de um robô ou de uma plataforma robótica, nem implica um conjunto de conhecimentos vastos, ou mínimos até, para o fazer.
São diversas as formas em que se apresentam os materiais que servem de base às actividades de Robótica Didáctica. Existem no mercado inúmeros kits de robótica e plataformas didácticas de vários fabricantes que incluem já um conjunto de materiais pré-estabelecidos, indicados e adequados a várias faixas etárias e graus de exigência. As escolhas são inúmeras, as possibilidades infinitas. Contudo, todas estas possibilidades seguem a filosofia da robótica didáctica, a vertente lúdica e recreativa, sempre associada à estimulação do utilizador e à sua constante aprendizagem. O mercado acompanha esta constante evolução, oferecendo soluções cada vez mais complexas e diversas, levando o utilizador a transpor o “conceito didáctico” de robótica.
No entanto, todo este enorme leque de diversidade leva-nos a uma questão base da robótica: o que é, afinal, um robô? A maioria de nós será com toda a certeza capaz de identificar um robô, mas terá algumas dificuldades em elaborar uma definição abrangente.
Uma definição consensual: Um robô é um mecanismo que possuí elementos que lhe permitem “sentir” o ambiente que o rodeia e mecanismos para “actuar” no mesmo.
A resposta a esta pergunta pode subdividir-se na seguinte classificação de robôs:
• De 1ª Geração - são incapazes de obter qualquer informação sobre o meio. Podem realizar apenas movimentos pré-programados e as informações que eles retornam sobre o ambiente de operação é mínima ou até nula.
• De 2ª Geração - possui todas as características da 1ª Geração, acrescentando uma detalhada comunicação com o seu ambiente. Esta comunicação é atingida através de sistemas de sensoriais e identificação. Pressupõe uma maior capacidade de processamento e memória, mobilidade, autonomia, e também um grande avanço na capacidade de sensorial e meios de actuação.
Plataforma Robótica Multi-Funcional 11
Uma rápida análise da classificação anterior permite identificar as características chave de um robô autónomo e móvel:
• Robô com comportamentos fechados ou pré-programados. • Robô com comportamentos programáveis, passíveis de alteração.
• Presença de sensores e actuadores, mobilidade, autonomia e processamento.
A clarificação do conceito de robô em duas gerações, bem como a análise feita à mesma, está formulada de acordo com a orientação desta dissertação. A nome deste ponto (Plataformas Didácticas) faz uso destas definições no sentido de apresentar soluções existentes de plataformas robóticas, de carácter diferente e com diferentes elementos sensoriais e/ou de actuação, com comportamentos fechados ou programáveis, mas que têm como ponto comum a componente lúdico-didáctica.
2.2.1 Plataformas com Comportamentos Fechados
No enquadramento da robótica didáctica, uma plataforma robótica de comportamentos fechados é aqui entendida como um mecanismo de interacção, isto é, uma estrutura que apresenta determinadas reacções e comportamentos quando manuseada por um utilizador.
São plataformas robóticas que podem até permitir uma pré-assemblagem, mas que não permitem uma livre programação (literal, gráfica ou outra) de movimentos, encontrando-se estes pré-programados pelo fabricante. O desencadeamento de um determinado movimento é normalmente efectuado premindo conjuntos de botões, presentes na plataforma ou através de um comando de Infra-Vermelhos, ou accionando diferentes sensores, de pressão, de movimento, de som, entre outros.
Apesar de a programação livre de movimentos não ser possível, nalgumas destas plataformas é possível “programar” comportamentos, isto é, algumas permitem que o utilizador insira uma sequência de movimentos pré-programados, sequência a qual é memorizada e executada por esta.
Este tipo de plataformas robóticas apresenta um enorme potencial didáctico pois possibilitam a compreensão do funcionamento de sensores e actuadores comuns na robótica, de um modo divertido e didáctico.
Neste contexto, apresenta-se de seguida algumas plataformas robóticas desta natureza, de diferentes complexidades, características e comportamentos:
• Robô Roamer
O Robô Roamer [18], desenvolvido pela Valiant Technology (www.valiant-technology.com), trata-se de uma plataforma robótica bastante utilizada nos níveis mais básicos da educação (a partir dos 4 anos) e que permite a programação do robô numa consola própria, de utilização bastante simples. Movimenta-se em
qualquer direcção, sendo capaz de rodar, esperar e Figura 2.1 – O Robô Roamer
12 • • emitir sons solo. Pode-se en sua carapa Possui um algarismos número. Is instrução, d WowWee A O WowWe que consis bom grau d Tem uma actuadores de movim expressões quatro sen olho, dois s e cinco se atrás da ca cada orelha Possui ser mover os o mover o na chimpanzé Na versão modos de programad sentidas pe Robô Pet O Robô quadrúped sensores, um sensor colocado obstáculos colocados posição, co se está to colocado n s, podendo a nsinar o Rob aça. ma tecla pa s. Para dar u so diz ao Ro deve carrega Alive Chimp e Alive Chim te numa cab de realismo e quantidade s que lhe per mentos fac s. Do ponto sores de infr sensores de ensores de abeça, um em a. rvo-motores olhos, na ho ariz e lábio s é. comercializ funcionamen o com diver elos seus órg Pet [27] é e, inspirado cinco servo-r de chão, na posição , também b na posição olocado no t mbado, e u o peito. ainda ser eq bô Roamer a ra cada um uma instruçã obô Roamer ar-se na tecla p mp [26] é uma beça de chim em relação a apreciável rmitem realiz iais capaze de vista se ravermelhos e som, um em toque, um n m cima da ca que lhe per orizontal e n superior. Alé ada, o Chim nto. Pode, p rsos compor gãos sensori é um pequ o num cão, -motores e u baseado em da boca, baseados em o dos olho tronco e que m sensor d CA uipado de u a fazer tudo ma dessas o, carrega-s o que fazer a verde Go, a peça robót mpanzé com ao animal rea de sensores zar um conju es de ge ensorial pos s, dois em ca m cada orelh no queixo, u abeça e um e rmitem move a vertical, fe m disso con mpanzé é ac por exemplo, rtamentos qu iais. ueno robô dotado de um altifalant m infraverme dois senso m infraverme os, um sen e lhe permite e som (micr APÍTULO 2 m marcador isso pressio funções e e numa tecla e quantas v para executa tica um al. s e nto erar ssui ada ha, um em er a cabeça echar e abri nsegue emitir ctuado por u reagir à pre ue são dese móvel e cinco e. Tem elhos e ores de elhos e sor de e saber rofone), Figur . ROBÓT
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Plataforma Robótica Multi-Funcional 13
Possui um servo-motor por cada uma das quatro patas e um outro a meio do tronco que permite que a parte inferior do tronco rode em relação à superior. Tem um telecomando para ser operado pelo utilizador e pode funcionar de modo autónomo através da interacção com os seus sensores. Este permite a programação de uma sequência de movimentos de modo a executar.
Vários comportamentos básicos que integram o RoboPet podem ser usados para mostrar a interacção entre sensores e actuadores. Do ponto de vista de divulgação da robótica móvel, a simplicidade das funções que contém tornam mais fácil a sua compreensão pelo público. O robô tem a capacidade de se deslocar autonomamente com algum grau de percepção do ambiente. Os sensores de infra-vermelhos permitem detectar obstáculos à sua frente e os bordos das mesas; o Robopet pode assim ser deixado livre sobre uma mesa que não cai. Tem também a capacidade de seguir uma mão que seja colocada à sua frente. No caso de o robô estar parado e sentado, o colocar a mão à frente faz com que o Robopet “dê a pata”. Este tipo de interacções é orientada para tornar o Robopet semelhante a um pequeno cão, o que permite uma mais fácil interacção com o público.
• Robô Raptor
O Robô Raptor [28] é um robô bípede, inspirado num dinossauro. Relativamente ao modo de operação, este é operado por telecomando e tem também modos autónomos de funcionamento. Tem algum grau de autonomia e de percepção do ambiente: é capaz de evitar obstáculos, desviando-se dos obstáculos que encontrar no caminho.
O Robô Raptor está munido com sete sensores, cinco servo-motores e um altifalante. Tem dois sensores de obstáculos, baseados em
infravermelhos e colocados nas narinas, dois sensores de som, colocados nas partes laterais da cabeça, e três sensores de toque, um no queixo, um no céu-da-boca e um na cauda. Possui dois servo-motores por cada pata e um quinto no tronco para apoio à locomoção, dotando-o de movimentos que se assemelham ao de um dinossauro.
Tem vários comportamentos em que reage à actividade sentida pelos sensores. Os sensores de som do robô, colocados lateralmente, permitem ao robô identificar o lado donde vem um som provocado pelo utilizador, reagindo a esse som virando para o lado corresponde e emitindo um ruído semelhante a um rugido. Os sensores de obstáculos da cabeça do robô fazem-no reagir na presença de um obstáculo, tal como os sensores de toque. Em particular, a reacção do robô à pressão do sensor no céu-da-boca faz com que este morda, comportamento bastante apelativo, e obviamente, inofensivo.
Figura 2.4 – O Robô Raptor
14 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA DIDÁCTICA
• Robô Sapien
O Robô Sapien [29] é um robô humanóide bastante rico em termos de interactividade que pode ser comando por um telecomando e apresenta alguns comportamentos autónomos, graças ao grande número de sensores de que dispõe. Possui dois sensores de infravermelhos, um em cada orelha, dois sensores de som, um em cada orelha, seis sensores de toque, um em cada mão e dois em cada pé, uma câmara colocada na testa e seis codificadores de posição, usados para programação. Doze servo-motores permitem-lhe movimentos da cabeça, do tronco, das pernas, dos braços, dos punhos e das mãos. Consegue ainda verbalizar uma série de expressões em inglês pré-definidas.
O telecomando pode actuar ao nível do movimento (comandar actuadores autonomamente) ou ao nível do comportamento (provocar uma determinada acção pela actuação conjunta de vários actuadores). Estes
comportamentos podem também ser influenciados pela leitura dos sensores. Apresenta ainda um conjunto de comportamentos autónomos. Tem alguma capacidade de manipulação, embora esteja bastante condicionado no tipo de objectos que pode manipular.
2.2.2 Plataformas com Comportamentos Programáveis
O conceito de comportamentos programáveis é muito abrangente e generalista. Contudo, e no seguimento da contextualização anterior, as plataformas robóticas de carácter didáctico de comportamentos programáveis reúnem todas as características das plataformas mencionadas na secção anterior com a diferença de proporcionarem uma total liberdade de programação ao utilizador.
Numa análise geral da definição, esta pode-se aplicar a praticamente todo o universo da robótica, mas retingindo à robótica didáctica, este tipo de plataformas robóticas apresentam estruturas de complexidade diferentes mas com métodos de programação simplificados. Isto é, ambientes gráficos ou de programação literal concebidos especificamente para as mesmas, nas quais os elementos sensoriais ou actuadores destas plataformas são representados sobre a forma de elementos visuais ou rotinas de código, permitindo ao utilizador estruturar e implementar comportamentos, abstraindo-se de saber como é feito o controlo e interacção desses ou com esses elementos.
A abstracção mencionada é provavelmente o elemento-chave destas plataformas robóticas. Apesar de algumas permitirem fazê-lo, o que implica o conhecimento total da plataforma e elementos constituintes, o utilizador não necessita de gerar os sinais de controlo de um servo-motor ou de um outro actuador, nem efectuar o condicionamento do sinal proveniente de um qualquer sensor, de modo a poder fazer uso dos mesmos e desenvolver o seu algoritmo.
Comparativamente às plataformas com comportamentos fechados, estas plataformas têm um grau de exigência superior, pressupõem um estudo destas e do seu modo de programação, Figura 2.5 – O Robô Sapien
Plata mas progr actua de m difere aforma Rob no entanto ramação da adores comu ovimento e c Neste conte entes comple • Hitec R O Rob (www.h dezasse (cinco e comand infra-ve movime anda, c outras h Trata-se possuin kit, send Apesar pode comport um mic totalmen compila para es próprio. • Robô G O Robô é um m de robó Este rob cuja pri capaz d A versã três sen linha no Poderá disponib efeito. ótica Multi-o, possuem plataforma uns na robót comportame exto, apresen exidades, ca Robonova bonova [30] itecrobotics.c eis graus d em cada per dado remota rmelhos e entos, alguns corre, dá cam habilidades. e de uma p ndo órgãos s do necessári de possuir ser progra tamentos. É cro controlad nte program ador RoboBA sta plataform GT ô GT, desenv muito popular tica. bô programá incipal carac de acomodar
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16 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA DIDÁCTICA
Este conjunto é baseado numa placa de controlo com um micro controlador da MICROCHIP (www.microchip.com), que pode ser programado através da aplicação MPLAB, onde é usada uma linguagem de baixo nível, tipo assembly, que poderá ser obtida gratuitamente no site da MICROCHIP. No entanto, para programadores menos experientes, é disponibilizada uma aplicação visual de alto nível, desenvolvida pela IdMind, onde o programador se limita a introduzir conjuntos de blocos numa janela de trabalho de forma a construir o fluxograma de funcionamento pretendido para o robô.
A modularidade e adaptabilidade da plataforma, aliada ao ambiente gráfico de programação, tornam o robô Circular GT ideal para concorrer nas competições robóticas do RoboCup Júnior [36]: Futebol Robótico Júnior, Dança Júnior e Busca e Salvamento. • Bot’n Roll ONE
O Bot'nRoll ONE foi desenvolvido especificamente para a RoboParty [33] pela empresa SAR - Soluções de Automação e Robótica [32] e pela Universidade do Minho.
Trata-se de um robô autónomo fornecido em peças para montagem, no qual as partes electrónicas e mecânicas são fornecidas acompanhadas de um guia de instruções completo. O Bot'nRoll ONE contém dois sensores infravermelhos para a detecção de obstáculos e dois motores para locomoção.
Para programar a plataforma é usado o software de programação "PICAXE Programming Editor", o
qual se trata de uma ferramenta ideal para desenvolver aplicações de sucesso. A ligação USB ao computador facilita a conectividade e programação do robô, sendo a programação através de um diagrama de fluxo possível, facilitando a aprendizagem dos novatos e o desenvolvimento das suas próprias aplicações. O Bot'n Roll ONE é o robô oficial do RoboParty e é compatível com as competições do RoboCup Júnior referidas anteriormente.
• Lego Mindstorms
A empresa de brinquedos Lego (www.lego.com) tem uma longa tradição no desenvolvimento e comercialização de brinquedos com características inovadoras e que juntam à sua componente lúdica uma faceta pedagógica que nunca foi descurada pela marca. Há cerca de 30 anos que a Lego comercializa brinquedos que incluem componentes electrónicos no seu funcionamento. Não será de estranhar que esta
Figura 2.9 – Kit Robótico Bot’n Roll ONE
(Fonte da figura: [33])
Figura 2.8 – Ambiente gráfico de programação do Robô GT
Plataforma Robótica Multi-Funcional 17
empresa tenha procurado ter um papel de liderança ao nível das componentes de entretenimento e educação no que à Robótica diz respeito.
Neste sentido, no início dos anos 80 a Lego procurou junto do MIT (Massachusetts Institute of Technology) uma colaboração no sentido de poder criar robôs que fossem controlados por programas de computador de uma forma interessante para as crianças.
Fruto dessa parceria, surgiram os Lego Mindstorms [34], um kit robótico baseado nas típicas peças Lego claramente voltado para a Educação tecnológica. A primeira versão era constituída por um conjunto de peças da linha tradicional (tijolos cheios, placas, rodas) e da linha LEGO Technic (tijolos, motores, eixos, engrenagens, polias e correntes), acrescidos de sensores de toque, de intensidade luminosa e de temperatura, controlados por um processador programável, o módulo RCX1
(Robotic Command Explorer). Em 2006 surge a nova versão da linha Mindstorms original, o LEGO Mindstorms NXT.
O Lego Mindstorms NXT constitui-se numa versão mais avançada, equipado com um processador mais potente, software próprio e sensores de luz, de toque e de som, permitindo a criação, programação e montagem de robôs com noções de distância, capazes de reagir a movimentos, ruídos e cores, e de executar movimentos com razoável grau de precisão. Os novos modelos permitem que se criem não apenas estruturas, mas também comportamentos, permitindo a construção de modelos interactivos, com os quais se aprendem conceitos básicos de ciência e de engenharia. Os empregos didácticos abrangem as áreas de automação, controle, robótica, física, matemática, programação e projectos.
Relativamente ao kit robótico, é seguramente um
dos mais versáteis do mercado. O Mindstorms NXT vem com instruções de montagem para a construção de quatro robôs diferentes (humanóide, braço robótico, escorpião mecânico e veículo tribot). Para além das peças Lego para montagem das estruturas, possuí quatro sensores diferentes (sensor de pressão, de som, de luz e de ultra-sons), três servo-motores e o controlador NXT.O controlador NXT está munido de um microprocessador de 32 bits com memória flash, altifalante com som real, matrix display, botões de controlo e portas de interface para os sensores e actuadores.
1R.C.X. – Robotic Command Explorer
Figura 2.11 – Lego Mindstorms NXT (versão braço robótico)
(Fonte da figura: [34])
Figura 2.12 – Ambiente de programação NXT Sotware
(Fonte da figura: [34])
Figura 2.10 – Módulo NXT com sensores e motores
18 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA DIDÁCTICA
A programação do NXT pode ser efectuada por comunicação USB 2.0 ou por Bluetooth, graças a um módulo Bluetooth integrado no controlador NXT, o qual possibilita também o controlo remoto do robô.
Os comportamentos do robô são programados num ambiente gráfico desenvolvido, baseado na plataforma LabVIEW da National Instruments (www.ni.com/labview), desenvolvida especificamente para o sistema Mindstorms NXT. Baseado em programação drag and drop, os sensores e actuadores do robô, e outros blocos, são representados sobre a forma de elementos visuais, possibilitando a implementação de comportamentos de modo fácil e intuitivo.
2.3 Concursos de Robótica
No âmbito da Robótica Didáctica é incontestável que as competições ocupam um lugar de grande destaque, constituindo-se como as iniciativas que envolvem uma maior quantidade de participantes.
Este tipo de actividades exerce sobre todos, em especial sobre as crianças, um grande fascínio, motivando níveis de participação e de entusiasmo normalmente bastante elevados. São, por esta razão, privilegiados como ferramentas de divulgação da Robótica junto dos mais novos. Mas nem só junto destes se sente este impacto, pois o número e tipo de disciplinas envolvidas nestes concursos impõem desafios técnicos aliciantes e educativos para qualquer entusiasta da electrónica e dos computadores. Podem, neste contexto salientar-se as seguintes iniciativas:
• First Lego League (FLL)
A First LEGO League [35] trata-se de uma competição que envolve alunos dos níveis de ensino básico, com idades compreendidas entre os 9 e os 16 anos. Nasceu nos Estados Unidos fruto de uma parceria entre a organização FIRST (que se dedica á promoção da ciência e tecnologia entre os jovens) com a Lego.
A primeira competição data já do ano de 1992 e a adesão tem vindo a crescer anualmente. A competição aborda temáticas
distintas nos seus desafios, os quais têm duas partes: o projecto e a competição robótica.
Em cada ano, são lançados diversos desafios que as equipas (de 5 a 10 elementos) tentam resolver, orientadas pelo menos por um adulto. Ao final de algum tempo (tipicamente cerca de 8 semanas) dedicados à construção dos robôs usando os kits da Lego Mindstorms e de treinos, as equipas disputam provas regionais e nacionais, sendo as melhores seleccionadas para a final mundial
A avaliação das equipas tem 4 facetas distintas: uma entrevista por um painel de juízes, a avaliação
Figura 2.13 – Desafio da First Lego League
Plataforma Robótica Multi-Funcional 19
da construção do robô para os objectivos dados, um projecto independente realizado pela equipa sobre o tema e, finalmente, o desempenho do robô num campo de provas onde terá que desempenhar as tarefas propostas o melhor possível.
Em Portugal a FLL é desde 2006 representada pela associação Evoluir21 (www.evoluir21.org) que se propõe organizar localmente estas competições e seleccionar as equipas portuguesas para as finais.
• RoboParty
A RoboParty [33] é um evento nacional, promovido pela Universidade do Minho, que consiste num evento pedagógico que reúne equipas de quatro pessoas durante três dias, para ensinar a construir robôs móveis autónomos, de uma forma simples, divertida e com acompanhamento por pessoas qualificadas.
Inicialmente, é dada uma curta formação (para aprender a dar os primeiros passos em Electrónica, programação de robôs, e construção mecânica), depois é entregue o kit robótico Bot'nRoll ONE, descrito anteriormente, para ser montado pelos participantes (Mecânica, electrónica, e programação) e que no final do evento pertence à equipa. Todas as equipas têm acompanhamento para de pessoas com conhecimento para ajudar na construção e programação do robô.
Decorrem em paralelo outras actividades lúdicas como desporto, música, internet, jogos, festas, etc. A RoboParty é idêntica a uma LANParty e também funciona 24h/24h mas tem um objectivo pedagógico e educacional, vocacionado para a promoção da robótica.
• Concurso Micro-Rato e Concurso Robô Bombeiro
O Concurso Micro-Rato da Universidade de Aveiro e o Concurso Robô Bombeiro do Instituto Politécnico da Guarda, referidos no capítulo introdutório, são excelentes exemplos de iniciativas para divulgação da robótica móvel e autónoma.
Contudo, o facto de exigirem uma construção de robôs móveis e autónomos conforme as especificações torna-os num desafio técnico que exige conhecimentos que vão da electrónica digital e analógica, microprocessadores (software e hardware), electrónica de potência, controlo, etc. Daí que esta vertente extremamente didáctica esteja mais vocacionada, maioritariamente, para alunos do ensino superior.
Relativamente ao concurso Micro-Rato, a pensar naqueles que são mais adeptos de computação, e não tanto da electrónica, ou que não possuam um robô que lhes possibilite a participação no concurso, surgiu recentemente a modalidade do Ciber-Rato. Na modalidade Ciber-Rato a competição decorre em ambiente simulado em computador. Todos os robôs virtuais têm o mesmo tipo de sensores e de actuadores. Um simulador envia a cada robô os valores medidos dos sensores, recebe dos robôs os comandos sobre os "motores" e actualiza em conformidade as posições dos robôs no labirinto. As equipas participantes constroem o programa que permite ao seu agente robótico, através dos dados sensoriais enviados pelo simulador, comandar os "motores" de forma a cumprir da melhor forma os objectivos estabelecidos nas regras da competição.
20 CAPÍTULO 2. ROBÓTICA DIDÁCTICA
• RoboCup Júnior
O RoboCup Júnior [36] é um projecto orientado sobretudo para a educação com uma projecção a nível nacional e internacional, destinado a alunos até aos 19 anos. Surgiu em 1998, incialmente como uma demonstração no RoboCup 98 em Paris. No ano seguinte em Estocolmo, a edição contou já com a exibição de workshop das modalidades integrantes do projecto, modalidades as quais em 2000 integraram o concurso oficial do RoboCup Júnior.
São três as modalidades integrantes do RoboCup Júnior:
o Busca e Salvamento Júnior
Na prova de Busca e Salvamento Júnior [22] pequenos robôs autónomos seguem uma pista traçada a preto sobre fundo branco. Ao longo dessa pista existem diversas “vítimas” que devem ser assinaladas pelo robô durante o seu percurso. Além das “vítimas”, o percurso pode ter obstáculos, que obrigam o robô a abandonar temporariamente a pista, rampas, ou interrupções temporárias da linha preta, que dificultam o seu seguimento. Para a pontuação final contribuem o tempo total e as penalizações sofridas durante o percurso.
o Dança Júnior
A prova de dança [22] consiste na realização de uma coreografia em que um ou mais robôs "dançam" ao ritmo da música, sendo avaliados por um júri de especialistas em Robótica e Dança. Se, do ponto de vista de programação, a prova é muito pouco exigente, a associação do movimento dos robôs à música a par da imaginação que é colocada em algumas coreografias faz com que o resultado final atinja bons níveis de beleza artística. Esta é avaliada por um júri que poderá ainda ter em consideração todos os adereços do robô.
o Futebol Robótico Júnior
A prova de futebol robótico júnior [22] é uma competição em que cada equipa tem dois robôs autónomos que disputam um jogo de futebol contra outra equipa.
Figura 2.14 – Prova de Busca e Salvamento (Fonte da figura: [22]) Figura 2.15 – Prova de Dança Júnior (Fonte da figura: [22])
Plataforma Robótica Multi-Funcional 21
A construção dos robôs é relativamente livre desde que as dimensões não ultrapassem os 22 cms em diâmetro e altura.
O jogo é realizado num campo num campo pintado com níveis de cinzento para os robôs determinarem a sua orientação e posição, com todos os sensores a bordo e dimensão de 122x183 cm.
A bola emite radiação infravermelha o que permite aos robôs determinarem a posição desta por processos simples.
Em Portugal, têm-se realizado diversas provas do projecto RoboCup (www.robocup.org) tipicamente integradas nos festivais nacionais de Robótica que ocorrem já desde 2001. O facto de se ter realizado a principal competição mundial em Portugal, no ano de 2004 (www.robocup2004.pt), trouxe ainda mais animação a esta comunidade a nível nacional
Figura 2.16 – Prova de Futebol Robótico Júnior
