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Ambiente de Robótica Educacional com Logo

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Academic year: 2021

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Ambiente de Robótica Educacional com Logo

Marco Túlio Chella

Faculdade de Engenharia Elétrica – Universidade de Campinas (Unicamp) Caixa Postal 6101 – 13081-970 – Campinas – SP – Brasil

chella@terra.com.br

Abstract. The traditional teaching has been privileging the activities based in

the assimilation of the content presented by the teacher. The apprentice rarely has the opportunity to create and to build objects. This work describes an environment for robotics education based on the Logo language and hardware interface. In this environment it is possible to develop a variety of activities that can be programming the robotic device and construction, stimulating the apprentice to look for the necessary knowledge to achieve the idealized project. .

Resumo. O ensino tradicional tem privilegiado as atividades baseadas na

assimilação do conteúdo apresentado pelo professor. O aprendiz raramente tem a oportunidade de criar e construir objetos. Este trabalho descreve um ambiente para robótica educacional baseado na linguagem Logo e em uma interface de hardware. Neste ambiente é possível desenvolver uma variedade de atividades que vão desde a programação do dispositivo robótico até a construção do mesmo, estimulando o aprendiz a buscar os conhecimentos necessários para realizar o projeto idealizado.

Introdução

Analisando o ensino tradicional verifica-se que a preocupação maior está na apresentação de conceitos contidos em um currículo. Esse enfoque curricular provoca um

distanciamento entre o que é ensinado e a realidade dos fenômenos físicos, biológicos e sociais em que o aprendiz está inserido. Isto pode ser observado pelo significativo número de pessoas que sentem dificuldades em aprender conceitos de matemática, ciências ou biologia. Também é elevado o número de pessoas que, embora nunca tenham

demonstrado problemas no aprendizado de tais conceitos se mostram incapazes de aplica-los de forma prática (Valente,1993).

Por outro lado, atividades de planejar, projetar e criar estão presentes em quase todos os campos da atividade humana. O arquiteto projeta quando está preparando a planta de uma edificação, o escritor cria quando está escrevendo sua obra, o gerente planeja, elabora projeções quando está reestruturando uma organização.Portanto é de se esperar que atividades que envolvam projetar, criar, planejar façam parte do ambiente escolar.

O emprego de computadores em ambientes educacionais pode ser uma ferramenta adequada para o desenvolvimento de atividades que envolvam criar, projetar e planejar favorecendo assim o processo de ensino-aprendizagem.

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Logo e Robótica

Entre os vários softwares disponíveis para utilização educacional do computador estão as linguagens de programação e entre elas destaca-se o Logo.

O Logo foi desenvolvido por Seymourt Papert e pesquisadores do MIT (Massachusetts Institute Technology), no final da década de 60, com o objetivo de ser uma linguagem de programação para crianças. Inicialmente implementado em

computadores de médio e grande porte (PDP11 e PDP10), respectivamente, fez com que até o surgimento dos microcomputadores, o uso do Logo ficasse restrito às universidades e laboratórios.

Como os recursos para interação com estes computadores eram limitados e

influenciado pelos trabalhos dos primeiros pesquisadores de cibernética (Walter,1950) foi criada a tartaruga de solo. Trata-se de um dispositivo mecânico conectado ao computador por meio de um cabo que proporcionava sinais de controle e alimentação. O Logo inclui comandos especiais como Parafrente, Paratras e Paradireita para controlar a tartaruga de solo. Por exemplo, o aprendiz pode enviar o comando Parafrente 50, para fazer a tartaruga mover-se para frente por 50 "passos de tartaruga" , ou Paradireita 90, para faze-la mover-se a direita por 90 graus.

A partir da década de 80 com a popularização dos microcomputadores pessoais e a expansão dos recursos gráficos e sonoros, os desenvolvedores migraram a tartaruga de solo para a tela dos computadores. Os aprendizes continuaram a usar os comandos Parafrente e Paradireita, mas agora controlando pequenas imagens que representam a tartaruga. Tartarugas de tela são mais rápidas e mais precisas que as tartarugas de solo, permitindo ao aprendiz criar gráficos e efeitos complexos.

Ao mesmo tempo que novas versões do Logo eram implementadas, pesquisadores e a indústria desenvolveram uma série de kits para construção de robôs. Projetados para estimular o aprendizado de conceitos e métodos relacionados à educação nos campos da ciência, como matemática, física, ciência da computação e mecânica, estes kits incluíam pequenos motores, sensores, engrenagens, polias, entre outros, possibilitando aos aprendizes a construção dos mais diversos tipos de robôs.

Alguns destes kits incluíam uma interface de hardware, para conexão ao

computador, e por meio de um software, geralmente uma versão de Logo com comandos específicos para acionar motores e sensores, era possível controlar o robô criado.

Produtos como LEGO Dacta e LEGO Cybermaster da empresa LEGO e o CoachLab produzido pela Foundation CMA- Centre for Microcomputer Applications são exemplos destes kits para robótica (Resnick,1993). Com o LEGO Mindstorms, produto mais recente da empresa LEGO é possível criar robôs autônomos. Neste caso elabora-se o programa no computador, que a seguir é transferido para o robô. Softwares como o Robolab e Lego Mindstorms apresentam uma interface gráfica com ícones representando sensores, motores, fios, entre outros. A atividade de programar significa conectar os diversos componentes que formarão o robô, seguindo a lógica estabelecida no projeto.

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programação disponibilizado por eles aplica-se apenas ao desenvolvimento de atividades relacionadas ao controle de dispositivos robóticos. Como exemplo, pode-se imaginar o desenvolvimento de uma atividade no computador envolvendo a utilização de sons, gráficos, a exploração de algum conceito de ciências e a elaboração de um dispositivo robótico. Para que essa atividade seja realizada será preciso um software de autoria multmídia para sons e gráficos, uma linguagem de programação ou simulador para explorar o conceito de ciência, e um outro software para programar o robô. Ambiente de Robótica Educacional (ARE)

O Ambiente de Robótica Educacional (ARE) proposto, tem o objetivo de propiciar meios para que os diversos recursos disponíveis no computador, como multimídia, programação e controle de robôs,possam ser utilizados de forma integrada e contextualizada. A fim de oferecer estes recursos o ARE é constituído dos seguintes elementos:

• Interface de Hardware: responsável pela comunicação entre o software que está sendo executado no computador e os motores e sensores que constituem o robô. • Software: linguagem de programação genérica como o Logo.

• Dispositivos eletromecânicos: o que inclui os motores responsáveis pelos movimentos do robô e os sensores que enviarão ao computador por meio da interface de Hardware as grandezas físicas do ambiente como temperatura, luz, umidade.

• Materiais de montagem: podem ser os mais diversos, incluindo madeira, metal, plástico, serão utilizados na montagem mecânica do robô e na construção da estrutura, rodas, engrenagens, entre outros.

Interface de Hardware

A Interface de Hardware desenvolvida para o Ambiente de Robótica é capaz de controlar 3 motores e 4 sensores. Foi implementada a partir do microcontrolador PIC16F84

fabricado pela empresa Microchip. A utilização de um microcontrolador tornou possível o desenvolvimento de um equipamento confiável e robusto que oferece facilidade de uso, haja visto que o trabalho de processamento, comunicação, controle e gerenciamento de sensores e motores fica por conta do microcontrolador. Circuitos auxiliares garantem a segurança do usuário, do computador e da própria interface.

O projeto mecânico com conectores diferenciados para motores, sensores e fonte dispensa o uso de ferramentas, como chaves de fenda e alicate, eliminando o risco de que conexões acidentais possam ocorrer, comprometendo o funcionamento do conjunto de equipamentos (Figura 1).

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Figura 1

Software

Os passos necessários para a implementação de um robô normalmente envolvem o projeto da estrutura mecânica, com a funcionalidade desejada e a conexão dos motores, sensores e fonte de alimentação.

A seguir é preciso que um software, no computador, envie os comandos para que o robô execute a tarefa planejada. Neste caso o software deve controlar os motores indicando o motor que se quer controlar, a direção (sentido horário ou anti-horário) e o deslocamento desejado.Para aquisição de dados, por sensores, o software deve selecionar a entrada desejada e efetuar a leitura.

O software utilizado no ambiente de robótica educacional para o controle da interface de hardware é o SuperLogo, uma versão do Logo, em português, traduzido e adaptado pelo NIED (Núcleo de Informática Aplicada a Educação da Universidade de Campinas).

Baseado em um modelo interativo de desenvolvimento, o SuperLogo inclui uma janela de comandos, onde as instruções são executadas, após a digitação. Para o iniciante, esta capacidade interativa facilita o aprendizado, pois para tentar uma nova idéia, basta digitar a instrução na janela de comando. Para usuários mais experientes, a janela de comandos propicia uma abordagem incremental no desenvolvimento do projeto, permitindo uma fácil interação com o programa que está sendo implementado.

Originalmente o SuperLogo não dispõe de comandos para o controle de robôs, portanto estes comandos precisaram ser desenvolvidos. Os comandos para robótica implementados no SuperLogo mantém a estética Logo, sendo, por esta razão, facilmente compreendidos por usuários que tenham alguma familiaridade com a linguagem,

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sensor, para sensores.

Para exemplificar será apresentado um programa que demonstra as funções básicas de entrada (leitura de sensores) e saída (atuação sobre os motores).

Neste exemplo, o objetivo do programa é ligar um motor, pelo tempo de um segundo, com deslocamento à direita (sentido horário ), mas somente quando um sensor de toque for ativado.

façaenquanto[

se sensor 1 [ motorp 1 “d 60 ] ][1=1]

No exemplo apresentado, o comando façaenquanto cria um laço infinito, e dentro dele, atuam os comandos para controle da interface e do robô. O comando sensor com o parâmetro 1 , captura o estado do sensor conectado à entrada 1 da Interface de Hardware, e retorna verdadeiro ou falso, conforme o estado do sensor. Se for utilizado um sensor de toque, a condição verdadeiro ocorre quando o mesmo estiver pressionado. Ao ocorrer esta situação a função motorp é executada, onde o primeiro parâmetro indica o motor no qual se vai atuar, o segundo, a direção (esquerda ou direita) e o terceiro o

deslocamento.Com os valores passados no programa será ativado o motor 1, com deslocamento de 60 passos no sentido de rotação horário (direita).

Um exemplo mais elaborado é baseado na experiência proposta pelo pesquisador da área de cibernética Braitenberg (1989). Trata-se de um robô móvel constituído por dois motores, responsáveis pela tração, e um sensor de toque (Figura 2). Com a alteração nos sentidos destes motores é possível obter o deslocamento para frente, para trás, direita e esquerda. Devidamente programado, este robô pode, ao encontrar um obstáculo em seu caminho, desviar-se e procurar um caminho alternativo.

Figura 2

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Façaenquanto[ motorc(1,”d) motorc(2,”e) se sensor 1 [motorc(1,”e) motorc(2,”d) motorc(1,”p) motorc(2,”p) motorc(1,”d) ] ] [1=1]

Como o objetivo é que o robô entre em funcionamento e permaneça neste estado até que seja desligado, é utilizado o laço infinito Façaenquanto. As funções

motorc(1,”d) e motorc(2,”e) fazem com que os dois motores efetuem um deslocamento

para frente ( Figura 3a). Se o sensor de toque for ativado, por exemplo ao encontrar uma parede (Figura 3b), as funções motorc(1,”e) e motorc(2,”d) efetuam um deslocamento para trás do robô (Figura 4a) motorc(1,”p) e motorc(2,”p) desligam os motores. A seguir a função motor(1,”d) efetua um deslocamento para a direita do robô, o que pode tirá-lo da rota de colisão com o obstáculo (Figura 4b). O programa exemplificado pode ser aperfeiçoado e novas características podem ser incluídas, como um contador de colisões e passos, uma rotina para efetuar estimativa de posição, podendo-se aplicar, inclusive conceitos de Inteligência Artificial.

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O ARE foi utilizado com os alunos (professores do ensino fundamental) de pós-graduação em Tecnologia Educacional, da Faculdade de Administração e Informática (FAI), de Santa Rita do Sapucaí (MG), na disciplina de Robótica Pedagógica, com carga horária de 30 horas.

O laboratório de informática utilizado estava equipado com computadores o ARE e diversos materiais para montagem como plástico, papelão, madeira, arame, entre outros. Como os alunos não tinham conhecimento do SuperLogo e não possuíam

experiência com linguagens computacionais, foi necessário a apresentação de conceitos básicos de programação do SuperLogo no ambiente gráfico. A seguir foi realizada uma demonstração dos diversos recursos do ARE.

Para adquirir fluência na utilização do ARE, os alunos tiveram um período para utilizar o SuperLogo e explorar os recursos da Interface de Hardware. Nesta etapa foram criadas seqüências de comandos, que atuam sobre os motores e são responsáveis pela direção e deslocamento dos mesmos, e pequenos procedimentos que permitiram verificar o funcionamento dos sensores.

O passo seguinte foi sugerir aos alunos o desenvolvimento de um projeto, usando-se a robótica para explorar os conceitos utilizados em sua prática de sala de aula.

Os alunos desenvolveram projetos que abordaram conteúdos de suas suas

respectivas disciplinas, sendo algumas delas matemática, história, geografia, línguas, entre outras.

Para explorar conceitos da língua inglesa um grupo de alunos criou a maquete de um parque de diversões onde os vários brinquedos, como a roda gigante e o carrossel executavam movimentos comandados pelo programa escrito com o SuperLogo, este programa além de controlar os motores dispõe de uma interface gráfica onde o aprendiz interage com sons da língua inglesa, textos e imagens.

O projeto de um catavento propiciou a exploração de alguns conceitos de física e matemática. Os dados provenientes de um sensor de movimento incorporado a uma das aletas do catavento permitiu a criação de um programa que aplicando fórmulas de física determina a velocidade do vento apresentando-a no monitor do computador.

Um grupo de alunos constituído de professores de história e ciências desenvolveu um projeto onde foi contada a história da utilização da água como fonte de geração de trabalho, também a questão da escassez e aplicação racional dos recursos naturais foi explorada. A criação de uma roda d`água e um monjolo automatizados com motores (Figura 5) exemplificou de forma concreta o funcionamento deles.

Para demonstrar os movimentos de translação e rotação dos planetas foi montado um modelo que representava a terra e o sol executando esses movimentos (Figura 6). O programa de controle com animações, imagens dos planetas, pequenos textos

explicativos e o modelo robótico atuando de forma integrada criam um meio favorável a construção de conhecimentos relacionados ao tema em questão.

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Figura 5 Figura 6 Conclusão

O desenvolvimento do Ambiente de Robótica Educacional (ARE ) foi fundamentado em princípios derivados da teoria de Piaget (1966) sobre o desenvolvimento cognitivo e revisados por Seymour Papert (1985). Estas teorias sugerem que o centro do processo relacionado ao aprendizado é a participação ativa do aprendiz que amplia seus

conhecimentos por meio da construção e manipulação de objetos significativos para o próprio aprendiz e a comunidade que o cerca.

O ARE desenvolvido tem como objetivo oferecer recursos para que as teorias de Piaget e Papert possam ser aplicadas nos ambientes educacionais.

A sua aplicação com alunos-professores mostrou a possibilidade trabalhar

concretamente e de forma contextualizada os diversos conceitos utilizados nas práticas da sala de aula.

Referências:

Braitenberg, V. VEHICLES experiments in sinthetic psychology. Cambridge: MIT Press, 1989. 144p.

Papert, S. LOGO: Computadores e Educação. São Paulo: Editora Brasiliense, 1985. 210 p.

Piaget, J. e Inhelder, B. La psychologie de L´enfant. Paris:P.U.F., 1966.

Resnick, M. Behavior Construction Kits. Communications of the ACM, v.36, n.7 , p. 78-95, July 1993

Valente, J.A. e Canhette C.C. LEGO-LOGO explorando o conceito de design. In J.A. Valente, (org.) Computadores e Conhecimento repensando a educação. Campinas: NIED – UNICAMP, 1993

Referências

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