Integração de dispositivos robóticos a sistemas de apoio ao aprendizado utilizando a plataforma Arduino

Julio C. Bortholotto1, Marcos Augusto F. Borges

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¹Universidade Estadual de Campinas - Dep. de Tecnologia em Informática (UNICAMP) R. Paschoal Marmo, 1888 – 13484-332 – Limeira – SP – Brasil

jcbjulio@gmail.com, marcosborges@ceset.unicamp.br

Abstract. Much has been studied on the use of robotics in learning. In addition, there are several studies of systems development computational learning support. This article has the purpose to evaluate the impact of robotic’s integration in computational learning systems. Initially introduces the theoretical basis of study and presented the project that was studied in order to reach out to the purpose of this article. It is shown throughout the author's efforts during the period of their scientific iniciation research in order to make a way concrete to a deeper analysis of the impact between the integration of robotics and computer systems for learning.

Resumo. Muito se tem estudado sobre o uso de robótica no aprendizado. Paralelamente, existem vários trabalhos de desenvolvimento de sistemas computacionais de apoio ao aprendizado. Este artigo tem como objetivo avaliar qual o impacto da integração de robótica a sistemas computacionais para aprendizado. Inicialmente introduz a base teórica do estudo e apresenta o projeto que foi estudado a fim de buscar alcançar o objetivo desse artigo. É mostrado todo o esforço do autor durante o período de sua iniciação científica a fim de viabilizar uma forma concreta para uma analise mais profunda a respeito do impacto entre a integração da robótica e sistemas computacionais para aprendizado.

1. Introdução

Muito se tem estudado sobre o uso de robótica no aprendizado. Os próprios orientadores deste projeto já realizaram vários projetos envolvendo essa realidade. A grande maioria apresenta resultados bastante favoráveis.

Paralelamente, existem vários trabalhos de desenvolvimento de sistemas computacionais de apoio ao aprendizado. O grupo de pesquisas DAFE do NIED (DAFE, 2009) , do qual são membros o orientador e o co-orientador deste trabalho, já desenvolveu inúmeros exemplos de sistemas com esse objetivo.

A utilização da Robótica como forma de se enriquecer o ambiente de aprendizagem nas mais diferentes áreas de conhecimento tem se constituído em um recurso bastante utilizado em todos os níveis de ensino (CHELLA, 2002). Este projeto tem como objetivo avaliar qual o impacto da integração de robótica a sistemas computacionais para apoio ao aprendizado previamente existentes. Não almeja estudar sistemas especificamente construídos para trabalhar com robótica. A meta é avaliar qual o impacto nos aprendizes de se oferecer em sistemas de apoio ao aprendizado, além da interface gráfica, uma visualização física do que está sendo trabalhado no sistema.

Em trabalhos anteriores, os autores avaliaram o uso do framework GoGo Board, aberta e de baixo custo, em projetos de robótica pedagógica, mas este mostrou-se pouco robusto para este tipo de aplicação. Conforme Ramos et al. (2007), a plataforma Arduino (2009) também é aberta apresenta custo similar. Este projeto também visa estudar a viabilidade do uso desta plataforma para este fim.

Os resultados deste projeto serão o estudo da plataforma Arduino e a avaliação das vantagens potenciais que o uso de robótica associada a sistemas de apoio ao aprendizado pode trazer.

A seção 2 discute brevemente a placa Arduino e os sistemas computacionais de apoio ao aprendizado que serão utilizados como exemplos ao longo do projeto. A seção 3 resume o projeto indicando objetivos, metas e cronograma.

2. Materiais e Métodos

Arduino é uma plataforma aberta (open-source) baseada em software e hardware flexíveis e simples de usar (Arduino, 2009). O hardware (Figura 1) é composto por uma placa com um microprocessador, que tem entradas para sensores e saídas. A placa é programada usando a linguagem de programação Arduino e o ambiente de desenvolvimento Arduino. Um projeto Arduino pode ser executado independentemente na placa ou se comunicar com um programa sendo executado em um computador. As placas Arduino podem ser construídas ou compradas prontas. O custo para comprar as placas prontas é bastante acessível, havendo versões comercialmente disponíveis no Brasil por volta de R$ 100,00, como a versão brasileira Tatuino (Tato, 2009). O software pode ser obtido gratuitamente no sítio da Arduino.

O sistema computacional a ser usado neste artigo é o Jogo da Fábrica (Baranauskas et al., 2000 e 2001). O Jogo da Fábrica (figura 2) é um sistema para uso na formação de profissionais em empresas. Neste jogo, os aprendizes simulam a produção de uma fábrica hipotética. Este jogo usa modelagem e simulação e a estética construcionista de aprendizagem para apoio ao aprendizado de conceitos de manufatura por trabalhadores do chão-de-fábrica. Ele foi construído para servir como base em uma investigação do uso de um sistema de CSCL para uso na formação contínua de profissionais de uma empresa (Delphi).

A meta deste projeto é construir com robótica uma célula, que repita o que está acontecendo em uma célula específica do Jogo da Fábrica. A construção da célula deve ser projetada de tal forma que seja replicável, ou seja, de tal forma que seria viável, com um conjunto de réplicas da que for montada, colocá-las em série e simular a fábrica apresentada no Jogo da Fábrica, desde o fornecedor, passando pelas oito máquinas e chegando ao estoque final.

Figura 1: Placa Arduino.

Figura 2: Jogo da Fábrica.

3. Objetivo

A meta foi construir com robótica uma célula, que repita o que está acontecendo em uma célula específica do Jogo da Fábrica.

Figura 3: Software do Jogo da Fábrica, evidenciando três das células de produção

No Software do Jogo da Fábrica, cada participante é responsável pela produção de uma máquina, e tem como objetivo contribuir para que como uma equipe a fábrica atinja o melhor desempenho possível. Para o qual é possível manipular a produção da maquina, representada pelas bolinhas sendo transferida da área de Matéria Prima para a área de Processado, e a quantidade transportada entre um jogador e outro, em que as bolinhas são transferidas da área de Processado para a área de matéria prima do jogador seguinte.

4. Desenvolvimento

Esta seção visa mostrar como foi todo o processo de desenvolvimento dos módulos do jogo da fábrica já mencionado. Todos os materiais que foram usados na confecção deste módulo robótico visavam o menor custo possível.

A figura 4 representa um dos módulos da linha de produção de uma fábrica, onde a bolinha representa o produto sendo produzido na fábrica. A primeira ação (Figura 4 – Item 1) representa a matéria prima sendo recebida para ser utilizada neste módulo da fábrica, onde aguardará na canaleta (Figura 4 – Item 2) que representa um estoque de matéria prima, até que a maquina (Figura 4 – Item 3) faça o serviço que é representado com a ação de retirar a bolinha da canaleta de matéria prima (Figura 4 – Item 2) e jogar na canaleta de produtos prontos (Figura 4 – Item 4) onde aguardará até que este produto seja transportado (Figura 4 – Item 5) para o próximo modulo que servirá de matéria prima.

Figura 4: Desenho esquemático de um dos módulos do jogo da fábrica

A bolinha (Figura 5 – Item 1) utilizada possui diâmetro de aproximadamente 6mm,

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na figura 5 pode ser comparada visualmente em tamanho com uma bolinha de gude (Figura 5 – Item 2). Estas bolinhas de aço fazem parte de um rolamento de bicicleta (Figura 5 – Item 3) encontrado facilmente em uma bicicletaria.

Figura 5: Material usado na confecção dos módulos

A canaleta (Figura 6 – Item 1) representada no esquemático (Figura 4 – Item 2 e 4) foi construída utilizando apenas perfil de alumínio em “L”, normalmente utilizado como cantoneira em obras civis. O perfil de alumínio é possível de se encontrar em qualquer loja de material de construções. A canaleta (Figura 6 – Item 1) foi projetada com 3 itens (Figura 6 – Itens 2, 3 e 4), sendo eles um pedestal (Figura 6 – Itens 2), o braço de suporte da canaleta (Figura 6 – Itens 3) e a canaleta (Figura 6 – Itens 4). De forma a ter uma montagem mais simples e mais flexível, todas as peças foram projetadas para se integrarem apenas com encaixes, sem a necessidade de colas ou parafusos. As bolinhas percorrerão a canaleta (Figura 6 – Item 1) sempre do sentido da esquerda para a direita, pois a mesma tem um ligeiro declive. Ao final da canaleta, as bolinhas irão formar uma fila ao lado da máquina (Figura 6 – Item 3 e 5), aguardando a mesma transportar uma a uma para a próxima canaleta.

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Figura 6: Partes metálicas do módulo

O servo motor (Figura 7 – Item 1) é o que fará o papel da maquina da fábrica responsável por produzir o produto. A roda (Figura 7 – Item 2) que será movimentada pelo servo, contem uma pequena cavidade (Figura 7 – Item 3) com espaço para conter uma bolinha, que se encaixará deslizando da canaleta. Quando o servo girar a roda, levará a bolinha para a próxima canaleta. A primeira roda foi construída com quatro camadas de papelão, sendo as 2 internas cortadas dando forma à pequena cavidade para carregar a bolinha. Para servir de apoio, foram utilizados 2 pedestais (Figura 6 – Itens 2) iguais ao da canaleta.

Figura 7: Servo Motores

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A primeira versão da maquina, foi substituída por um servo motor menor (Figura 8 – Item 1), pois este é mais barato, a diferença de torque é indiferente, e é mais fácil de manusear necessitando de apenas um pedestal (Figura 8 – Item 2) para servir de apoio. A primeira versão da roda também foi substituída por uma roda de isopor, com um revestimento lateral de um papelão fino (Figura 8 – Item 3), pois está combinação é menos robusta e mais leve, com um visual mais agradável.

Figura 8: Estrutura finalizada

5. Desafios encontrados

Durante a fase de desenvolvimento do projeto, alguns desafios foram encontrados. Esta seção tem por objetivo apresentar essas dificuldades.

5.1. Materiais

Um dos objetivos desse projeto era demonstrar que, com materiais de baixo custo, era possível desenvolver uma estrutura robótica para auxiliar no Jogo da Fábrica. E de fato esse é um dos desafios do projeto. Foram feitos testes com diversos tipos de materiais provenientes de reciclagem, mas os mesmos não apresentaram um resultado positivo para a montagem da canaleta. Posto isso, foi adquirido o perfil de alumínio em L, que atendeu todos os requisitos para a criação da estrutura dos módulos robóticos. Em outras partes da montagem, foram usados isopor, reaproveitado de caixas de componentes eletrônicos, mantendo assim o caráter de baixo custo do projeto.

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5.2. Comunicação serial

Para que o projeto funcionasse de um modo satisfatório, uma das partes mais importantes era a comunicação serial entre computador e placa Arduino. Foi difícil sincronizar os dois periféricos para que eles trabalhassem juntos e sem complicações. Mas esse foi um desafio superado. Por meio das pesquisas e testes executados na placa Arduino, foi possível chegar a um patamar de sincronismo que atendesse por completo as expectativas.

6. Conclusão

O projeto de iniciação científica que esse artigo contempla ainda não está finalizado. Contudo é possível chegar a conclusões tomando por base o atual progresso do projeto.

O autor recebeu muito conhecimento a respeito dos assuntos abordados por esse projeto como: comunicação serial entre dispositivos eletrônicos e computadores, confecção de módulos robóticos utilizável e permissivo com relação a custo e trabalho de pesquisa no meio acadêmico. Concluí-se que não é fácil e nem simples montar módulos robóticos utilizando material de baixíssimo custo. Todavia foi mostrado que, com um bom trabalho de pesquisa, é possível conseguir bons resultados nessa área.

Os próximos passos dessa pesquisa são integrar esses módulos, que já funcionam de um modo completo, no jogo da fábrica e fazer oficinas para extrair material de análise a fim de estudarmos os avanços no compreendimento dos processos fabris tomando como base o meio físico palpável dessa aplicação.

7. Referências

Arduino. http://www.arduino.cc/ (último acesso em 14/abril/2009).

Ramos, J.J.G., Neves Jr., O.R., d'ABREU, J. V. V. . Iniciativa para Robótica Pedagógica Aberta e de Baixo Custo para Inclusão Social e Digital no Brasil. In: VIII SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2007, Florianópolis. Anais do VIII SBAI - Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente, 2007. v. 01. p. 01-06.

DAFE. Dinamização da aprendizagem e formação em empresas. Grupo de pesquisas do CNPq. Disponível em http://www.nied.unicamp.br/~dafe .

CHELLA, M. T., Ambiente de Robótica Educacional com Logo In: XXII Congresso da Sociedade Brasileira de Computação - SBC2002, Florianópolis, SC, 2002.

BARANAUSKAS, Maria Cecilia Calani, GOMES NETO, N. G., BORGES, M. A. F. Learning at Work through a Multi-User Synchronous Simulation Game. International Journal Of Continuing Education And Life Long Learning. , v.11, 2001.

BARANAUSKAS, Maria Cecilia Calani, GOMES NETO, N. G., BORGES, M. A. F. Gaming at work: a learning environment for synchronized manufacturing. Computer Applications In Engineering Education. , v.8, p.162 - 169, 2000.

BORGES, M. A. F. Avaliação de uma metodologia alternativa para aprendizagem de programação In: Workshop de Ensino de Informática (WEI), 2000, Curitiba. Anais do XX Congresso Nacional da Sociedade Brasileira de Computação. Curitiba: Editora Universitária Champagnat, 2000. v.1.