Educacional em Plataforma Virtual
Carla Fernandes and Luiz Marcos Garcia GonçalvesPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica e de Computação, UFRN, Natal, Brasil
{carlafcf}@gmail.com {lmarcos}@dca.ufrn.br
Abstract Educational robotics is a teaching methodology that uses ro-botics kits on classes that include interdisciplinary or social themes. Ro-botic simulators allow a reduction of nancial costs, facilitate testing, decrease the damage to the robot, and other bene ts. This paper pro-poses the development of a robotic simulator, called S-Educ, for use in educational robotics classes in order to increase the adhesion of Brazilian schools to the educational robotics methodology.
Resumo: A robótica educacional é uma metodologia de ensino em que são utilizados kits de robótica em aulas que contemplam temas inter-disciplinares ou sociais. Simuladores robóticos possibilitam uma redução de custos nanceiros, facilitam os testes e diminuem os danos no robô, além de outras vantagens. Este trabalho propõe o desenvolvimento de um simulador robótico, chamado S-Educ, para ser utilizado em aulas de ro-bótica educacional, de forma a aumentar a adesão das escolas brasileiras à metodologia da robótica educacional.
Palavras-Chave: Simulador, Robótica Educacional, Ambiente Virtual Nível do aluno Mestrando
Data prevista da conclusão: 12/12/2012
CTDR: Este artigo não deve ser considerado no CTDR.
1 Introdução
A população é consumidora de tecnologia, e mesmo conhecendo os benefícios destas inovações, muitos não possuem uência digital, já que as transformações no mundo tecnológico são mais rápidas do que as transformações do sistema educacional. A m de que a população, em particular os estudantes, usufrua das ferramentas tecnológicas existentes, é necessário que sejam incluídas práticas tecnológicas no ambiente educativo das escolas brasileiras.
A robótica educacional é um ambiente de aprendizagem rico e inovador, ca-paz de inserir novas tecnologias no âmbito acadêmico. Caracteriza-se como um ambiente de trabalho em que os alunos têm a opção de montar e programar seu próprio sistema robótico, por meio de observações e da própria prática [1,2].
Segundo [3], a robótica educacional pode tornar o ambiente escolar mais desa- ador, criativo e dinâmico, incentivando a criação e exploração de ambientes interativos para o processo de ensino e aprendizagem de temas curriculares e sociais.
Uma alternativa para tornar mais viável a implantação de aulas de robótica educacional nas escolas brasileiras é a utilização de simuladores robóticos, per-mitindo que alunos se familiarizem com esta metodologia de ensino mesmo sem a presença de um robô real, adquirindo conhecimentos relacionados a robótica, programação, e temas interdisciplinares e gerais.
1.1 Motivação
Dentre os recursos necessários em uma aula de robótica educacional encontra-se o kit de robótica, composto por controlador lógico programável, sensores, motores e uma estrutura mecânica para a carcaça do robô [4]. De acordo com [5], kits de robótica de sucata custam entre R$100,00 e R$400,00, enquanto que kits importados podem custar até R$2.000,00. No entanto, pesquisas mostram que não há uma boa relação entre a qualidade dos kits de robótica e seus custos no Brasil. Enquanto os kits importados apresentam um alto custo, os kits nacionais ainda possuem limitações quanto ao hardware e software [2].
O fator custo, agregado com a di culdade de adquirir kits importados no Bra-sil, torna difícil a implantação da robótica educacional nas escolas brasileiras. Com o anseio de inserir técnicas de ensino mais modernas, agregando conhe-cimento relacionado às novas tecnologias, a partir de uma nova metodologia de ensino, está sendo desenvolvido um software de simulação robótica, voltado exclusivamente para a robótica educacional, chamado S-Educ.
1.2 Simuladores Robóticos
Para utilizar um robô em qualquer circunstância é necessário que o mesmo esteja montado e programado. Durante o desenvolvimento da programação de um robô, o programador deve realizar testes, o que pode gerar alguns impasses, como a dani cação de algum componente, a necessidade de um espaço físico maior do que o disponível, ou a necessidade de uma grande quantidade de robôs.
Simuladores computacionais são ferramentas capazes de permitir a progra-mação de robôs sem envolver os problemas citados, diminuindo o custo, o tempo e a complexidade do teste de ideias e teorias, não dependendo sicamente do robô [6,7].
Um ambiente virtual possui um conjunto de vantagens, como economia de recursos nanceiros e de tempo, facilitando a criação do ambiente que intera-girá com o robô e os testes de novos algoritmos e de novos modelos robóticos [8,9,10]. Caso o programador possua um robô real, as aplicações desenvolvidas no ambiente virtual podem ser posteriormente enviadas para o robô real com mí-nimas modi cações, caracterizando o simulador como um ambiente puramente de testes.
O uso de simuladores robóticos em um ambiente educacional permite que alunos que não possuam contato com essa tecnologia se integrem na era digital, aprendendo conceitos relacionados a robótica, mesclado com temas interdiscipli-nares e sociais. Experimentos realizados por [11] mostram que o uso de simu-ladores em aulas de robótica educacional geraram um ganho em conhecimento sob o aspecto tecnológico, construtivista, de inclusão social e digital, além de estimular os docentes a pesquisar e formular conteúdos extracurriculares para participar de suas atividades cotidianas.
1.3 Metodologia
Este trabalho trata da aplicação de um simulador robótico no processo educa-cional, com o objetivo de investigar a potencialização do ensinar e do aprender a partir do uso dessa ferramenta computacional. O desenvolvimento deste tra-balho pode ser separado em três fases principais. Na primeira fase foi realizada uma pesquisa sobre as tecnologias de simulação robótica voltadas para a área educacional, analisando as funcionalidades existentes nestes simuladores.
A segunda fase trata da implementação do simulador proposto, utilizando-se dos dados obtidos na fautilizando-se anterior. Por m, a terceira fautilizando-se utilizando-será composta por testes com alunos do ensino fundamental e médio, de escolas públicas e particulares, onde serão testadas as funcionalidades da ferramenta desenvolvida na segunda fase. A de nição da população e do local da coleta de dados ainda não foi feita.
2 Trabalhos Relacionados
Para a aquisição de dados referentes às funcionalidades necessárias em um simu-lador robótico educacional, realizamos uma pesquisa envolvendo alguns simula-dores encontrados no mercado e alguns simulasimula-dores que ainda estão em desen-volvimento. Os simuladores robóticos educacionais podem ser separados em três categorias: simuladores para montagem de robôs, simuladores para programação de robôs, e simuladores para montagem e programação de robôs.
A primeira categoria envolve simuladores como o Lego Digital Designer [12], capaz de agregar peças robóticas para formar um robô virtual, sendo o usuário incapaz de realizar testes com o robô criado.
A segunda categoria envolve simuladores como o RoboMind [13] e o Ambi-ente de Simulação RoboEduc [14], que permitem que ao usuário o controle dos motores e dos sensores do robô, mas se torna limitado por não permitir que o usuário crie seu próprio robô.
A terceira categoria inclue simuladores como o USARSim [15], o Robot Vir-tual Worlds [16] e o VirVir-tual Robotics Lab [17], que permitem que o usuário crie e programe seu próprio robô, podendo modi car a montagem ou a programação do mesmo durante o desenvolvimento de cada atividade. O uso de um simula-dor desta categoria permite uma simulação mais exata de uma aula de robótica educacional. O simulador proposto neste trabalho se encontra nesta categoria.
3 Simulador S-Educ
A proposta do simulador S-Educ envolve a criação de um simulador robótico voltado para o auxílio em aulas de robótica educacional, possibilitando a maior difusão da metodologia da robótica educacional em escolas brasileiras. Levando em consideração o público alvo desta pesquisa, que abrange alunos do ensino fundamental e médio, o simulador deve permitir a montagem e programação dos robôs virtuais de maneira simples.
Tendo isto em vista, o simulador S-Educ foi inserido no software educacio-nal RoboEduc, desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. O Simulador S-Educ permite ainda a montagem de robôs virtuais, equipados com vários tipos de sensores e atuadores.
Tendo isto em vista, o simulador S-Educ foi inserido no software educacio-nal RoboEduc, desenvolvido por pesquisadores da Universidade Federal do Rio Grande do Norte. O RoboEduc é um software de programação de robôs do tipo Lego RCX, Lego NXT ou H-Educ, que utiliza a linguagem Educ para progra-mação. A programação é simples e acessível a alunos a partir de 8 anos [5,18]. 3.1 Software RoboEduc
O software RoboEduc é um software de programação de robôs do tipo Lego RCX, Lego NXT ou H-Educ, que utiliza a linguagem Educ para programação. A programação é simples e acessível a alunos a partir de 8 anos [5,18]. A lingua-gem Educ possui comandos para movimentação dos motores e para aquisição de valores oriundos dos sensores, além de comandos de repetição e seleção, e alguns comandos extras dependentes do modelo de robô que se está programando. A tabela 1 mostra alguns comandos da linguagem Educ.
Tabela 1. Alguns comandos da linguagem Educ.
Comandos Exemplos
Motores Frente, Direita, Levantar, Segurar Sensores CorBaixoMeio, ToqueFrente, UltraDireita Comandos de repetição e seleção Enquanto, Repita, Para, Se
Comandos extras Texto, Luz
Durante a execução de um programa escrito em linguage Educ, o simulador S-Educ interpreta os comandos do programa, gerando comandos para serem executados pelo robô virtual.
3.2 Tecnologias Utilizadas
Para o desenvolvimento do S-Educ está sendo utilizada a linguagem de progra-mação Java, através da plataforma Netbeans. Como biblioteca auxiliar para a
visualização tridimensional, foi utilizado o Game Engine 3D JMonkey Engine. Game Engines são conjuntos de bibliotecas desenhados para o desenvolvimento de jogos, que proveem funcionalidades para renderização, simulação da física, detecção de colisão, animação, som, entre outros [19].
3.3 Montagem do robô virtual
O simulador S-Educ permite a montagem através de blocos do robô virtual. Durante a montagem, o aluno deve escolher entre tipos pré-de nidos de bases, atuadores e sensores, sendo possível a criação de robôs com diferentes caracte-rísticas e que podem ser utilizados para várias aplicações.
O robô virtual do simulador S-Educ simula um robô do tipo Lego NXT, possuindo as peças e sensores existentes no kit. A escolha por esse modelo se deu pelo fato que dentre os três robôs que podem ser programados a partir do software RoboEduc, o Lego RCX é um modelo obsoleto, e o H-Educ é um modelo que ainda se encontra em fase de testes.
3.4 Modelagem do Robô Virtual
Para a criação de um modelo de robô virtual foi feita uma modelagem simpli -cada da realidade, que contém sensores e atuadores, e que simula o comporta-mento do robô.
Comportamento do robô Com relação ao comportamento do robô, foi levado em consideração que todas as partes do robô associadas a motores estão suscetí-veis a erros, resultando em orientações e posições diferentes das esperadas. Por exemplo, quando se comanda um giro, muito provavelmente não se atingirá o ângulo previsto. Um dos fatores que resulta neste erro é o tempo para que o mo-tor pare de girar ao m de um comando. Para simular este erro foram utilizados dois temporizadores não sincronizados, o que gera pequenas falhas de execução. Elementos físicos como força e gravidade foram representados utilizando o JMonkey Engine. Outras questões referentes à movimentação do robô, como equilíbrio e fricção, não foram representadas na modelagem do robô virtual. 3.5 Detecção de Colisões
Para a detecção de colisões foram utilizadas estruturas de dados espaciais simples chamadas Bounding Volumes (BVs), responsáveis por simpli car as operações com objetos complexos. Qualquer colisão entre bounding volumes pode ser inter-pretada como uma colisão entre os objetos complexos, diminuindo a quantidade de testes e aumentando a performance do simulador.
Os sensores de cor e toque possuem BVs do tipo esfera, enquanto o sensor ultrasônico possui um BV do tipo cone. Os BVs dos outros objetos presentes no ambiente virtual dependem da sua forma.
Figura 1. Modelo de um robô e de um obstáculo virtual com Bounding Volumes.
Os robôs virtuais são estruturas complexas que podem di cultar os testes com relação à colisão. Para simpli car estes testes, foi de nido que o corpo do robô será composto por um BV do tipo esfera (Fig. 1). A escolha deste tipo de estrutura geométrica se deu pelo fato de que estruturas com bordas lisas, como paralelepípedos, di cultam a locomoção do robô, já que este tipo de estrutura pode car presa em outras deste mesmo tipo, como por exemplo, em escadas. Sensores O robô virtual pode conter sensores de cor, toque e/ou ultrasônico. O sensor de toque determina se houve colisão entre o sensor e algum objeto do ambiente virtual. Para detectar essa colisão, o sensor foi representado por uma esfera. O pressionamento do sensor de toque é entendido como uma colisão detectada entre esta esfera e algum elemento virtual.
O sensor de cor é capaz de identi car seis cores fundamentais, caso esteja a aproximadamente 1 cm do objeto: preto, azul, verde, amarelo, vermelho ou branco. Independente da cor do objeto, o sensor de cor sempre retorna uma destas seis cores. Caso o sensor esteja muito longe do objeto, será identi cada a cor preta. No modelo virtual, o sensor é representado por uma esfera, e a identi cação da cor só é feita se esta esfera colidir com algum objeto.
Não foram considerados erros de decisão in uenciados pela posição do sen-sor, iluminação do ambiente, brilho do objeto, etc. Caso o objeto possua uma cor diferente das seis cores fundamentais, é feita uma análise do valor RGB en-contrado, convertendo-o para um dos valores aceitáveis. Além disso, o sensor de cor também pode ser usado como uma luz pontual azul, vermelha ou verde.
Já o sensor ultrasônico é capaz de identi car a distância do robô a algum objeto que esteja a no máximo 255 cm dele. Este sensor possui um sonar do tipo cone, com um ângulo de 30◦. A modelagem do sensor ultrasônico utilizou
um cone com ângulo de 30◦, e com altura variável, dependendo da distância que
se quer medir. A detecção de algum objeto depende da colisão deste cone com qualquer elemento do ambiente virtual. Não foram considerados erros no sensor ultrasônico oriundos da re exão especular, crosstalk, etc.
A gura 2 mostra um exemplo de um robô virtual equipado com dois sensores de toque, indicados pela cor amarela, quatro sensores de cor, indicados pela cor vermelha, e um sensor ultrasônico, indicado pela cor verde.
Figura 2. Modelo de um robô virtual com sensores de toque, cor e ultrasônico.
Atuadores Os atuadores são partes do robô capazes de exercer movimento, através da movimentação de motores, modi cando o ambiente ao qual o robô está inserido. Eles são capazes de empurrar, levantar ou segurar objetos leves da cena. Para a modelagem dos atuadores, cada parte integrante destes elementos deve ser considerada um item completo, sendo capaz de se movimentar independente do resto do atuador. A modelagem destes elementos ainda não foi desenvolvida. 3.6 Interface Grá ca
A interface grá ca do simulador S-Educ pode ser vista na Fig. 3. O programa ainda está em fase de desenvolvimento, e por isso algumas das funcionalidades ainda não foram implementadas.
Figura 3. Interface grá ca do simulador S-Educ.
O programa permite que o usuário insira vários robôs no ambiente virtual, podendo escolher entre o uso de modelos previamente criados ou a montagem
de novos protótipos robóticos. Além disso, o usuário pode adicionar objetos caracterizados como leves ou pesados. Objetos leves são aqueles que podem ser empurrados ou levantados pelo robô, enquanto objetos pesados são os que simulam paredes, mesas ou cadeiras, ou seja, objetos que não se movem quando há contato com o robô.
O simulador S-Educ também permite a inserção de guras, que simulam cartolinas que podem ser colocadas no chão do ambiente virtual, criando um ambiente ainda mais realista. Por m, o usuário tem a opção de adicionar linhas de cores diversas no chão. As linhas podem ser detectadas por sensores de cor, permitindo a criação de atividades como a de olimpíadas de robótica, na qual o robô deve seguir linha.
O robô virtual pode se movimentar a partir de um programa desenvolvido em linguagem Educ, no software RoboEduc. As instruções do programa podem ser visualizadas durante sua execução, para que o usuário tenha conhecimento do passo-a-passo que será executado pelo robô virtual.
Além disso, o S-Educ permite a gravação de um vídeo no formato avi no qual será armazenada toda e qualquer modi cação que ocorrer no ambiente virtual. No caso de aulas de robótica educacional, este vídeo pode ser utilizado pelo aluno, para se auto avaliar, ou pelo professor, que será então capaz de avaliar o aluno.
O usuário tem também a opção de movimentar a câmera, visualizando partes diferentes do ambiente virtual. Também é possível a modi cação do modo de visualização, de forma que a visualização do ambiente pareça bidimensional, o que pode facilitar a utilização do simulador para alguns usuários.
Figura 4. Atividade 1: Seguir linha.
4 Experimentos Parciais
A etapa de testes, responsável por analisar a usabilidade do simulador S-Educ, ainda não foi iniciada. Até então foram realizados apenas testes com relação à funcionalidade das partes do simulador que já foram desenvolvidas, todos em
Figura 5. Atividade 2: Labirinto.
um ambiente tridimensional. A primeira atividade desenvolvida (Fig 4) foi a atividade de seguir linha, na qual o usuário deveria criar um percurso com uma linha preta, e o robô deveria seguir corretamente o caminho instituído. Esta atividade não apresentou nenhum problema com relação à criação das linhas ou ao uso dos sensores de cor.
A segunda atividade desenvolvida (Fig 5) foi uma atividade de labirinto, na qual o usuário deveria criar um labirinto, e utilizar sensores de toque e ultrasô-nico para chegar ao m do mesmo. O sensor de toque apresentou um tempo de resposta não tão rápido quanto esperado. No entanto, este erro é aceitável, le-vando em consideração que no robô real, a resposta do sensor de toque algumas vezes é mascarada pela orientação do robô com relação ao obstáculo. O sensor ultrasônico apresentou uma resposta rápida, mas se tornou um pouco problemá-tico nesta situação em que há muitas paredes, simulando esta mesma condição que é encontrada no robô real.
5 Conclusão
A utilização da robótica educacional em sala de aula contribui para o desenvol-vimento da criatividade, do pensamento investigativo, do raciocínio lógico e da coordenação motora. O uso de um ambiente de simulação em aulas de robótica educacional permite que esta ferramenta pedagógica seja difundida no Brasil, diminuindo o custo das aulas, o tempo de testes e a quebra de materiais.
Este trabalho propõe o desenvolvimento de um simulador robótico bidimen-sional ou tridimenbidimen-sional, com o objetivo de ser utilizado em aulas de robótica educacional. Inicialmente foi realizada uma pesquisa a respeito das ferramentas de simulação de robôs educacionais encontradas no mercado. Constatamos, com base no levantamento bibliográ co, a necessidade de desenvolver um software que permita a criação de um ambiente virtual semelhante ao ambiente real, e a utilização de todos os acessórios robóticos encontrados em robôs reais, como sensores e motores.
Para tornar a ferramenta mais abrangível às escolas brasileiras, pretende-mos disponibilizar uma versão online deste simulador, permitindo que escolas do Brasil todo possam utilizar esta ferramenta em aulas de robótica educacional.
Propomos ainda o desenvolvimento de o cinas de robótica educacional uti-lizando o simulador S-Educ. Estas aulas permitirão a coleta de dados sobre a usabilidade desta ferramenta. No entanto, a de nição da população e do local da coleta de dados ainda não foram feitos.
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