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PROJETO DE UM ROB DE BAIXO CUSTO PARA UTILIZAO COMO FERRAMENTA DE ROBTICA EDUCATIVA PARA ESCOLAS PBLICAS

Ernesto Fonseca Veiga Wendi Mller Arajo

Carlos Roberto da Silveira Jnior

Instituto Federal de Gois Campus Inhumas Av. Universitria s/n, Vale das Goiabeiras

CEP 75400-000 - Inhumas GO

Resumo As crianas e jovens de hoje tm fcil acesso a diferentes ferramentas tecnolgicas. Para tanto, as escolas precisam adaptar-se ao mundo moderno, incorporando em suas atividades novos mtodos de ensino com o intuito de melhorar o processo de ensino e aprendizagem e promover a multidisciplinaridade. Uma das ferramentas que pode ser destacada a robtica educativa. No entanto a utilizao de robs comerciais torna-se bastante onerosa quando se deseja multiplicar o projeto para muitas escolas, necessitando de planejamento de mdio ou longo prazo para tornar tal proposta possvel. Nesse contexto, esse artigo apresenta o projeto de desenvolvimento de um rob de baixo custo, baseado em controlador de arquitetura aberta e sensores e atuadores de baixo custo, para ser utilizado como ferramenta de robtica educativa em escolas pblicas, com alunos do ensino fundamental e mdio como forma de multidisciplinaridade e nova ferramenta de ensino. O rob foi desenvolvido utilizando arquitetura e software Arduino e alguns sensores eletrnicos construdos. Um curso de robtica introdutrio foi realizado com alunos do ensino mdio e avaliado pelos alunos. Resultados e propostas de utilizao so apresentados. Palavras Chaves: Robtica, educao, multidisciplinaridade. Abstract: Children and teenagers nowadays have easy access to various technological tools. Thus, schools need to adapt themselves to the modern world, incorporating into their activities new teaching methods in order to improve the teaching process, learning and multidisciplinary. One tool that can be highlighted is the educational robotics. However, the use of commercial robots becomes very costly when it's desired multiply the project for many schools, requiring medium to long term planning to make such a proposal possible. This project aims to develop a robot and software, both low-cost, as an educational robotics tool for use in public schools, to elementary and high school students. The robot used open arquiteture and software Arduino and many eletronic sensors. One experiment was do with high school students. Keywords: Robotics, education, multidisciplinary.

1 INTRODUO O ensino dos tempos modernos vem se modificando aos poucos, de forma a introduzir novas tcnicas e novos mtodos com o intuito de transmitir e avaliar o conhecimento de diferentes formas, tornando assim a assimilao mais efetiva e concreta. Para alcanar esse objetivo so introduzidas aes multidisciplinares, como por exemplo, o uso de msica, filmes, teatro e outras atividades extracurriculares.

A tecnologia vem conquistando seu espao de forma constante na vida do homem moderno, se impondo cada vez mais como elemento essencial na vida contempornea, e como tal, importante tirar a mxima vantagem dessa situao de tal modo que isso se torne um fator auxiliar no desenvolvimento do prprio homem.

Para alunos de ensino fundamental e mdio j existem alguns projetos no sentido de se relacionar tecnologia e disciplinas curriculares, porm geralmente atravs de um software, tornando-se uma aplicao mais virtual que prtica. Tal sistema motivador e de grande auxlio no aprendizado, porm foge a ideia de trazer o aluno para o mundo real e prtico (PEREIRA, 2010). As vantagens oferecidas por uma atividade no s terica, mas tambm prtica na educao de alunos do ensino fundamental e mdio so: maior facilidade no desempenho de raciocnio, mais convico nas respostas, organizao do raciocnio lgico e alta motivao (PEREIRA, 2010). A robtica educativa ou robtica pedaggica uma resposta necessidade de incorporar ao processo de didtico escolar uma ferramenta prtica que agrega conhecimentos de diversas disciplinas curriculares, como matemtica, fsica, lgica, dentre outras (SCHONS et. all, 2010). A utilizao da robtica como instrumento de ensino permite aos estudantes desenvolverem a capacidade de elaborar hipteses, investigar solues, estabelecer relaes e tirar concluses (BENITTI et. all, 2010). Atualmente, para realizao de atividades de robtica educativa, utilizam-se kits robticos comerciais, permitindo realizar diferentes tipos de experimentos (BENITTI et. all, 2010), mas o custo ainda se apresenta elevado para grande

Artigo Submetido em xx/xx/xx 1a. Reviso em xx/xx/xx; 2a. Reviso em xx/xx/xx; 3a. Reviso em xx/xx/xx; 4a. Reviso em xx/xx/xx; Aceito sob recomendao do Ed. Consultor Prof. Dr. Yyyy Yyyyyyyy yy Yyyyyyyy

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maioria das escolas pblicas, privando-as de oferecer tais possibilidades aos discentes.

Existem kits com preos acessveis, mas que possuem funcionalidades e mobilidade limitadas comparadas a outros kits, como o kit da Lego (LEGO, 2010). Infelizmente a grande maioria desses kits possui arquitetura fechada, limitao de expanso ou alteraes futuras e falta de suporte tcnico, inviabilizando seu uso em escolas.

Uma alternativa o desenvolvimento de robs para tal aplicao. Atravs de conhecimento de programao, eletrnica e um pouco de mecnica podem-se desenvolver estruturas robticas baseadas em controladores programveis, alm de sensores e atuadores similares aos de kits comerciais, com custos relativamente mais baixos (ENCICLOPDIA BIOSFERA, 2010). O governo do estado de Gois iniciou no ano de 2010 um projeto piloto de robtica educativa em 12 escolas, com o intuito de avaliar os resultados e a possibilidade de sua expanso em todas as escolas estaduais de Gois (AGECOM, 2010). O custo de tal ferramenta apresenta-se relativamente alto e pode gerar impacto econmico quando se deseja expandi-lo para todas as escolas, tornando o projeto de implantao nas escolas de mdio em longo prazo, ou invivel. Como exemplo cita-se o projeto da rede municipal da cidade de Joo Pessoa que investiu R$ 2.635.700,00 na aquisio de 607 kits e 25 mil apostilas, alcanando cerca de 50 escolas municipais (JOO PESSOA, 2010). Percebe-se ento o interesse dos governantes em utilizar tais ferramentas para acrescentar nas metodologias de ensino, no entanto, os custos se apresentam volumosos quando se deseja alcanar uma parcela significativa dos estudantes.

2 OBJETIVOS Esse projeto teve como objetivo principal desenvolver a estrutura fsica de um rob e seu respectivo software, ambos de baixo custo, para ser utilizado como ferramenta de robtica educativa para escolas pblicas.

2.1 Objetivos especficos Os objetivos especficos foram: Criar perspectivas para desenvolvimento de projetos

integrando reas multidisciplinares, como fsica, matemtica, eletrnica, informtica, dentre outras, no ambiente escolar;

Proporcionar uma alternativa vivel de projeto de extenso comunitria, realizando posteriormente, aps a concepo do projeto, produo em maior escala e cursos de formao de multiplicadores, disseminando o projeto em vrias escolas.

3 MATERIAIS E MTODOS A metodologia de desenvolvimento do rob de baixo custo foi dividida em trs etapas. A primeira etapa foi dedicada definio do modelo de rob e dos seus componentes (estrutura mecnica, controlador, sensores, atuadores) e aquisio dos mesmos. Para tanto foi realizada uma pesquisa com enfoque na necessidade de aproveitar materiais de sucata para criar a estrutura fsica do rob e nos componentes que poderiam ser aproveitados de equipamentos eletrnicos e computacionais. No entanto

percebeu-se que o uso da sucata condiciona a reproduo do rob presena de sucata especfica, o que poderia se tornar um entrave em etapas futuras do projeto. Dessa forma focou-se na utilizao de componentes de baixo custo ou sensores construdos.

Nesta etapa de desenvolvimento o Arduino foi definido como software de interao usurio/rob. O Arduino foi escolhido por diversos motivos, entre outros por possuir uma interface simples e de fcil programao, alm de ser uma ferramenta gratuita e com bastante suporte, tanto para os que esto iniciando como tambm para aqueles que j tm certa experincia. Esse ambiente de desenvolvimento utiliza uma linguagem baseada em linha de cdigo, que tem sintaxe semelhante linguagem C e possui ampla documentao respeito de suas funcionalidades. Na figura 1 apresentada a tela de programao do software Arduino.

Figura 1 Tela de programao do software Arduino

Ainda na primeira etapa foi realizado um estudo sobre conceitos de mecnica, eletrnica e programao para fundamentar o desenvolvimento do rob. Esse estudo teve grande importncia no decorrer do projeto, pois nele se baseou todo o processo de projeto e construo do rob. O controlador escolhido para o rob foi o Seeeduino Atmega 328, da famlia Arduino, e tal como o software, tem arquitetura aberta, flexvel e uma das plataformas de menor custo no mercado. No controlador esto ligados os componentes do rob, como os sensores e atuadores, por exemplo. Esse controlador possui 8 pinos analgicos e 14 pinos digitais, pinos de 5V e GND, os quais podem ser estendidos atravs de ligaes bastante simples, tornando assim a placa bastante verstil. Alm disso, o Seeeduino Atmega 328 possui memria de 32KB e comunicao USB, para transmisso de programa e comunicao serial, a figura 2 apresenta o controlador.

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Figura 2 Controlador ATMega328 Para controle dos motores foi utilizada uma ponte-H, modelo L298 da Seeeduino. Ponte-H um circuito eletrnico que tem como funo controlar um ou mais motores de corrente contnua e permitir que estes girem em ambas as direes. Para cada motor conectado ponte-H so necessrias trs das entradas digitais da placa de circuito, sendo que dessas trs, uma tem a funo de enviar o sinal de PWM (Modulao por Largura de Pulso) que define a velocidade do motor e as outras duas funcionam como controle do sentido de rotao do motorpodendo ser horrio ou anti-horrio. . A ponte-H utilizada apresentada na figura 3.

Figura 3 Ponte-H Os sensores utilizados no projeto foram sensor ultrassom e sensor infravermelho. O sensor ultrassom utilizado para detectar a distncia de obstculos e o sensor infravermelho utilizado para detectar linha de cores predefinidas.

Os sensores ultrassom so instrumentos que tem a funo de detectar ou medir a distncia da posio de determinado objeto atravs da emisso de pulsos de sinal ultrassnico. Para tanto, quando solicitado, um pulso ultrassnico transmitido pelo sensor, e quando refletido por um objeto, retorna um sinal ultrassnico, chamado eco, que convertido em um sinal eltrico, atravs do controlador do sensor. A varivel medida o tempo de trajeto (de ida e volta) do sinal ultrassnico entre a face do sensor e a superfcie do objeto, cujo resultado utilizado no clculo da distncia, considerando-se ainda que a velocidade de propagao do ultrassom no ar praticamente constante.

O modelo SEN136B5B da Seeeduino bastante utilizado em robtica mvel, este sensor tem um alcance que vai de 3 cm a at 4 m de distncia, sendo que seu melhor ngulo de atuao 30, e funciona com uma fonte de alimentao de 5 Vcc. O sensor possui dois transdutores: um para transmisso e outro para recepo. A figura 4 apresenta o sensor de ultrassom.

Figura 4 Sensor ultrassom O sensor de infravermelho constitudo de dois LEDs, onde um LED emite luz infravermelha e o outro recebe a reflexo proveniente da emisso. A luz infravermelha emitida pelo primeiro LED s pode ser vista pelo receptor se ela estiver focada em um ambiente branco funcionando como um espelho. Quando a luz infravermelha bate no solo claro, refletida de volta a ponto de bater no LED receptor. J a cor preta no possui a capacidade de refletir a luz, por isso no retorna para que o LED receptor possa enxerg-la. A figura 5 apresenta o sensor infravermelho utilizado.

Figura 5 Sensor infravermelho A segunda etapa consistiu na criao do rob, desenvolvimento do software e dos testes de integrao. Essa etapa foi subdividida em duas partes, sendo a primeira dedicada montagem da estrutura fsica (carcaa) do rob e a segunda ao acoplamento dos componentes como controlador, sensores, atuadores e ponte-H nessa estrutura.

A estrutura fsica proposta apresentada na figura 6, onde. pode-se ver a disposio dos sensores e motores.

Figura 6 Prottipo do rob de baixo. Sendo (a) Sensor ultrassom, (b) Sensor infravermelho, (c) Motor.

Assim, com a estrutura fsica e os seus componentes j definidos e devidamente montados, iniciou-se o desenvolvimento do software para o mesmo. Foram desenvolvidas vrias aplicaes para o rob, entre elas destacam-se:

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Software para desvio de obstculos: esse programa utiliza o sensor de ultrassom e os atuadores para realizar seu objetivo. A funo desse programa permitir a locomoo independente do rob sem que este tenha seu percurso paralisado por obstculos. Assim foi desenvolvido um algoritmo que permite ao rob, assim que este encontra um obstculo, imediatamente tratar a situao-ambiente e alterar sua rota, desviando-se do mesmo;

Software para identificao de cores e percurso de trajetria: o programa utiliza um sensor de infravermelho para obter a reflexo do piso e transform-la em um valor numrico que representa um valor. Assim o rob pode encontrar uma linha de determinada cor e segui-la, percorrendo uma trajetria pr-definida;

A ltima parte dessa etapa foi voltada realizao de testes de integrao, que tiveram como funo refinar e melhorar as rotinas de programao do rob com o intuito de manter a facilidade de programao e interao com o mesmo. Nesta etapa, o rob e software foram apresentados para profissionais da rea de educao e informtica para que suas opinies pudessem acrescentar em melhorias para o projeto. A terceira etapa do projeto foi dedicada ao desenvolvimento e aplicao de atividades com alunos de escola pblica. Para tanto, 10 alunos do 2 ano do ensino mdio tcnico de informtica foram convidados para um curso de extenso, no qual rob e software foram apresentados e atividades foram propostas e realizadas com o intuito de avaliar capacidades, interesse e aprendizado, atravs de testes e questionrios de questes objetivas e subjetivas.

4 RESULTADOS E DISCUSSO Durante o ms de junho/2011 foi realizado um curso de extenso em robtica com os alunos do 2 ano do ensino mdio tcnico do Instituto Federal de Gois, campus Inhumas, com durao de 25 horas. Esse curso teve como objetivo apresentar a robtica de uma forma simples e aplicada, alternado entre teoria e prtica, e desenvolvendo atividades especficas e tambm interdisciplinares.

Foi observado grande interesse dos alunos sobre o rob, tanto sobre seus componentes, placa controladora e sensores, como tambm pela sua programao. A nova ferramenta, de incio s conhecida pelos alunos atravs de meios de comunicao como televiso e internet, despertou a curiosidade e estimulou o aprendizado sobre o assunto. Essa reao dos alunos foi avaliada como muito positiva, pois a motivao impulsiona investigao, a interao, a busca por respostas e consequentemente, um melhor aprendizado.

Percebeu-se de todos os alunos uma grande aprovao quanto realizao de atividades prticas, uma vez que em sua grade curricular normal as avaliaes e atividades so geralmente tericas. O resultado dessa mudana de metodologia foi um maior interesse dos alunos alm de melhora na ateno e na assimilao do contedo aplicado, que em sua maior parte pde ser convertido em atividades com o rob.

Quando possibilitado ao aluno ver na prtica o resultado de seu esforo, fica claro como isso tem influncias positivas sobre o aprendizado e at mesmo sobre fatores psicolgicos do aluno, como autoconfiana e motivao.

Ao final do curso de extenso os alunos responderam a um questionrio de avaliao do mtodo de multidisciplinaridade utilizando a robtica como ferramenta auxiliar de ensino.

Os alunos avaliaram o aprendizado terico e prtico durante o perodo do curso, sendo que cerca de 80% avaliaram como bom e 20% como timo. A influncia positiva do curso de robtica em outras disciplinas da grade curricular, como algoritmos e fsica, foi avaliada como muito positiva ou positiva por cerca de 70% dos alunos.

O aumento de interesse na rea de robtica foi avaliado como muito por cerca de 80% dos alunos e mdio por cerca de 20%. J o aumento na rea de exatas, que um dos objetivos da robtica educativa, foi avaliado como muito por cerca de 20% dos alunos e mdio por cerca de 60%. Percebe-se que o curso alcanou seus objetivos apresentando a robtica a alunos do ensino mdio de uma escola pblica e tendo boa aceitao e aprendizado pelos alunos.

Apesar de o projeto ainda no ter sido aplicado para alunos do ensino fundamental e mdio no tcnico, j est sendo desenvolvida uma metodologia que se aplique de maneira mais adequada aos conhecimentos desses alunos. A ideia fundamental que o rob e o projeto que envolve a sua utilizao sejam aproveitados por todos os alunos, sejam do ensino fundamental, mdio ou tcnico, se adequando a cada uma dessas etapas do ensino.

Como os alunos que participaram do curso de extenso j tinham a matria de algoritmos em sua grade curricular, a metodologia adotada nesse caso foi a utilizao de linguagem de programao para desenvolver o software do rob. Foram introduzidos os comandos bsicos e as principais funes da linguagem, e assim os prprios alunos conseguiram desenvolver aplicaes para o rob utilizando o ambiente tradicional da Arduino. No caso dos alunos de ensino fundamental e mdio no tcnico seria complicado ou at invivel aplicar contedos como a programao atravs de linguagem, uma vez que suas matrizes curriculares no oferecem esse embasamento, que mais voltado para o ensino tcnico. Por causa disso, outras formas de programao do rob devem ser cogitadas e estudadas para que seja possvel a sua utilizao nesses casos. Enfim, a metodologia a ser utilizada deve se adequar ao nvel dos alunos, ser adaptada a eles, e no o contrrio. Para isso podem ser utilizadas outras ferramentas que no sejam baseadas no desenvolvimento atravs de linguagens de programao, como o caso da plataforma Amici, que um ambiente de desenvolvimento voltado para a programao atravs de blocos.

O ambiente Amici, ao contrrio do ambiente Arduino tradicional, no utiliza cdigo para o desenvolvimento de suas aplicaes, e sim uma gama de blocos com rotinas pr-definidas, onde cada programa pode construdo atravs de uma interface baseada em arrastar e montar, o que a torna bastante acessvel aos alunos que no tem conhecimento de programao, mesmo para os alunos do ensino fundamental.

Quanto s atividades que podem ser desenvolvidas tendo o rob como ferramenta auxiliar, elas devem ser planejadas, modeladas e aplicadas de acordo com a etapa do ensino que esteja em foco, para que no venham causar impactos quanto ao nvel de aprendizado dos alunos, e assim, melhores resultados possam ser obtidos.

5 CONCLUSES O projeto de um prottipo de rob de baixo custo desenvolvido possui um custo de cerca de R$ 200,00. A tabela 1 apresenta o custo do projeto em seu estado atual.

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Tabela 1 Custo do prottipo do rob de baixo custo Equipamento ou componente Custo (R$)

Controlador ATMega328P R$ 38,00

Sensor de ultrasom SEN136B5B R$ 25,00

Mdulo ponte H L298N R$ 48,00

Estrutura robtica metlica R$ 86,00

Total R$ 197,00

Esse custo ainda pode ser diminudo atravs da confeco de um mdulo de ponte-H prprio e uma estrutura fsica utilizando materiais alternativos como madeira ou acrlico. A alterao do rob para diminuio deste custo ser realizada em trabalhos futuros.

O rob apresentou resultados satisfatrios quando aplicado a alunos do ensino mdio em um curso de extenso. Em trabalhos futuros sero realizados experimentos com o uso do software de programao Amici com alunos do ensino fundamental.

Atravs desses resultados percebe-se que robtica uma nova e poderosa ferramenta que pode e deve ser aproveitada para o ensino nos dias de hoje. Assim como a informtica foi aos poucos sendo adotada e integrada s escolas e atualmente largamente utilizada para o ensino, novas ferramentas educacionais devem ser buscadas como forma de aproximar o aluno das novas tecnologias.

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