Este artigo, disponvel em http://www.nied.unicamp.br/oea, constitui material de leitura do curso "Telerobtica utilizando o ambienteSIROS - Sistemas Robticos com SuperLogo", uma das aes internacionais, desenvolvida em 2002 por pesquisadores do Nied-Unicamp,junto ao projeto "Centro Virtual Interamericano de Cooperao Solidria para a Formao de Educadores", financiado pela Oea.

Desenvolvimento de Ambientes de Aprendizagem Baseados no Uso de DispositivosRobticos, publicado nos Anais do X Simpsio Brasileiro de Informtica na Educao SBIE99 As Novas Linguagens da Tecnologia na Aprendizagem, Universidade Federal deParan UFPR, Curitiba PR de 23 a 25/11/99.

DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTES DE APRENDIZAGEM BASEADOS NO USO DEDISPOSITIVOS ROBTICOS

Joo Vilhete Viegas dAbreuUniversidade Estadual de Campinas - Unicamp

Ncleo de Informtica Aplicada Educao - Niedjvilhete@obelix.unicamp.br

RESUMO

O ambiente de aprendizagem baseado em dispositivos robticos consiste emdesenvolver atividades de robtica pedaggica em situaes onde os mais variados tipos derobs podem ser utilizados com propsitos educacionais. Este tipo de ambiente, no existepronto preciso cria-lo e desenvolver metodologias para a sua utiliza-lo. Este artigo aborda aimplementao de dispositivos robticos. Utilizao do sistema LEGO-Logo e Robix nocurso de Mecatrnica, na Unicamp e, experincias em desenvolvimento, em algumasuniversidades, na rea de robtica.

INTRODUO

Dois enfoques podem ser dados na elaborao de ambientes de aprendizagembaseados no uso de dispositivos robticos. Primeiro enfoque, o mais tradicional, centrado nautilizao de robs com caractersticas puramente tcnico-industrial, onde a robtica definida como o conjunto de conceitos bsicos de mecnica, cinemtica, automao,hidrulica, informtica e inteligncia artificial, envolvidos no funcionamento de um rob(Usategui & Leon, 1986). Neste caso, do ponto de vista conceitual, o rob, um manipuladorreprogramvel e multifuncional, projetado para manipular material, peas ferramentas oudispositivos especializados, por meio de movimentos variveis programados para odesempenho de uma variedade de tarefas (Alves, 1988). A, o propsito da construo de umconhecimento mais especfico na rea de robtica industrial envolve anlise mecnica dejuntas e elos, sistemas de controle e sensores, viso de mquina, projeto de rgos terminais,garras etc. (Groover et alli, 1989).

Segundo enfoque, o que pode ser chamado de pedaggico-educacional, onde a idiacentral propiciar ambientes de aprendizagem baseados em dispositivos robticos quepermitem a construo do conhecimento nas diferentes reas das cincias. Neste enfoque, arobtica pedaggica pode ser definida como a utilizao da robtica industrial num contextoonde as atividades de construo e controle de dispositivos, usando kits de montar ou outrosmateriais, propicia o manuseio de conceitos de cincias em geral num ambiente de sala deaula, nos diferentes nveis de ensino.

As nossas atividades na rea de robtica pedaggica se situam neste segundo enfoque,onde o objetivo, propiciar condies ao usurio/aprendiz, para que no processo de

montagem e controle robs, que podem ser mquinas ou animais, conceitos de cincias emgeral sejam aprendidos.

Neste contexto, o que tem se verificado atualmente e, que j est se tornando prticaem algumas Universidades, sobretudo, nas Faculdades de Engenharia e Cincias deComputao, uma mudana do primeiro para o segundo enfoque, na medida em que estepropicia a formao de profissionais com uma viso de conhecimento mais ampla. Umexemplo disso o curso de Engenharia de Controle e Automao (Mecatrnica) daUniversidade Estadual de Campinas - Unicamp implantado a partir do ano de 1998, quepretende formar engenheiros com habilitao em Controle e Automao capazes de atuar nainterface entre o sistema produtivo e o sistema gerencial de empresas. Espera-se que estesengenheiros tenham uma formao interdisciplinar com conhecimentos nas reas demecnica, eletrnica, instrumentao industrial, informtica, controle e gesto da produo.Isso possibilitar, a este profissional, elaborar estudos e projetos, bem como participar dadireo e fiscalizao de atividades relacionadas com o controle de processos e a automaode sistemas industriais. O objetivo aqui a formao de um profissional apto a atender screscentes e variveis demandas impostas pelas alteraes tecnolgicas, sociais e econmicasque vm acontecendo, neste final do Sculo XX, e que certamente acontecero de forma maisintensa e acentuada no Sculo XXI. a, que acreditamos, que ambientes de aprendizagembaseados no uso de dispositivos robticos exerce um papel importante no processo deformao deste profissional.

IMPLEMENTAO/CONSTRUO DE ALGUNS DISPOSITIVOS ROBTICOS

Na implementao de dispositivos controlados atravs do computador com finalidadeseducacionais, trs componentes importantes no design1 destes dispositivos devem serressaltados. Primeiro, a construo em si, que no nosso caso significa criar, de formasimples, algo que seja passvel de ser interfaceado com o computador. Segundo, a elaboraodo programa que controla o dispositivo. Por exemplo, o programa deve apresentarcaractersticas pedaggicas que permitam ao aluno descrever, de forma simples e rpida, parao computador o funcionamento de um certo objeto (rob)2. Terceiro, a metodologia deutilizao do dispositivo, deve ser desenvolvida de modo a permitir o uso do dispositivo comuma determinada finalidade. Ela deve possibilitar tambm, diversificar e expandir a utilizaodo computador no ambiente educacional, propiciando assim o manuseio de conceitoscientficos nas mais variadas reas do conhecimento (d'Abreu, 1995).

Estes trs componentes, de design so partes intrnsecas do nosso trabalho, no quetange ao desenvolvimento das atividades de robtica pedaggica. Resumidamente eles podemser descritos assim:

Construo do Dispositivo RobticoConsiste na implementao de circuitos, interfaces eletrnicas e do rob propriamente

dito que, aps construdo, dever ser capaz de obedecer comandos emitidos pelos usurios viateclado, cartes com cdigos pr-estabelecidos, sinais de rdio ou virtualmente pela Internet.

1Dentre as vrias definies usadas para esta palavra, prefiro defini-la como sendo a construo de algo quepode ser utilizado por outras pessoas na resoluo de um problema. Este algo pode ser: idias, objetos,ferramentas, processos, produtos etc.2Rob no como um dispositivo automtico adaptvel a um meio complexo, substituindo ou prolongando umaou vrias funes do homem (Martins, 1993). Mas sim, como um dispositivo que ao ser implementado oucontrolado pelo aluno, o ajudar a construir seus conhecimentos.

A construo de um dispositivo envolve, algumas heursticas como: dividi-los em partesalgumas vezes, outras vezes entend-los primeiro num nvel macro e depois em detalhes;montagem de prottipos, etc. Estas heursticas fazem da construo uma atividade de design.Um dos dispositivos robticos que construmos usando esta abordagem a TartarugaMecnica Logo. A Tartaruga Mecnica constitui-se de dois motores de passo e um solenidemontados sobre um carro com o formato de uma pequena tartaruga. Ela reproduz de, formasimultnea no solo, os desenhos produzidos pela Tartaruga de tela do Logo.

Elaborao do Programa de Controle do Dispositivo RobticoA elaborao do programa pode se dar em dois nveis diferentes. Primeiro, seria o que

podemos chamar de elaborao mais simplificada. Neste caso, a partir de software jexistente, que possui comandos para comunicao com o dispositivo robtico procedimentosespecficos, so elaborados, para a execuo de uma determinada ao. Segundo, seria umaelaborao mais aprofundada. Neste caso, o nvel de complexidade de programao aumentana medida em que, a partir do um determinado software, deve ser criado para o controle dorob. Um exemplo deste tipo de elaborao o trabalho Claus Bjerre, Jes Hvoldal e MichaelNielsen citado neste artigo. Outro exemplo o desenvolvimento do SLogoW3, naimplementao de comandos para controle dos componentes eltricos, em geral e, em especialcontrole de componentes eltricos LEGO (motores, sensores e luzes). Isto tem significado acriao de novas funes primitivas Logo, guardando todas as caractersticas educacionais dalinguagem Logo original.

Metodologia de Utilizao do Dispositivo RobticoO desenvolvimento da metodologia de utilizao do dispositivo guarda uma certa

sutileza, na medida em que ele deve ser a sntese da construo e da elaborao do programade controle. Ou seja, a metodologia de uso a concretizao dos dois. Esta concretizao noentanto, no depende somente da implementao do hardware ou do softawre em si, que sopartes do dispositivo. Em outras palavras: no basta fazer o dispositivo mais sofisticado. Sisso muito pouco. preciso desenvolver algo que no parte do dispositivo, mas que fundamental para que seu uso provoque alguma mudana no processo de aprendizagem. Issodepende de toda uma mudana de postura do professor na utilizao do dispositivo com oobjetivo de construir o conhecimento. O enfoque da metodologia a ser desenvolvida devecentrar-se na implementao de ambientes de aprendizagens rico em situaes que permitemao aluno construir o seu conhecimento, atravs do uso do computador e dos dispositivosrobticos. A metodologia deve propiciar subsdios para uma diversificao, diferenciao eexpanso na forma de aquisio e manuseio de conceitos.

UM AMBIENTE DE ROBTICA PEDAGGICA:UTILIZANDO O SISTEMA LEGO-LOGO E ROBIX

A interao LEGO-Robix um ambiente de robtica pedaggica que tem sido usadopara montagem/simulao de linha de produo de uma fbrica que utiliza sistemaautomatizado de produo, onde a Parte Operativa feita usando montagens LEGO e a ParteComando feita usando a linguagem de programao Logo e programa controle de Robix.

O Sistema LEGO, na verso que possui componentes eltricos e peas mecnicas quepossibilitam montagem de dispositivos que se movimentam, os alunos de graduao do curso 3 O Super Logo (SlogoW) uma verso da Linguagem Logo, para Windows 95, desenvolvida pela Universidadede Berkley (EUA), traduzida para o portugus pelo Ncleo de Informtica Aplicada Educao - Nied/Unicamp.

de engenharia mecnica da Unicamp construram basicamente mquinas similares asutilizadas nas fbricas como: esteira rolante, mesa rotativa, fresadora, etc..

Com o Sistema Robix, um brao mecnico, que combina as caractersticas de robticade nvel industrial com facilidades de ser usado com propsito educacional, foi possvel fazera integrao entre as diferentes clulas da linha de produo. A automao dos dispositivosmontados com LEGO foi feita por meio de microcomputadores utilizando a linguagem Logo,num ambiente chamado de LEGO-Logo 4. Neste caso, programas elaborados - cuja descrioreflete o comportamento do funcionamento dos dispositivos - controlavam os componenteseltricos (motores, sensores e lmpadas) LEGO. A automao do Robix era feita utilizandoprogramas especficos desenvolvidos na linguagem C para comando de servo-motores quecontrolam os movimentos do Robix. Este tipo de utilizao de dispositivos tem denotado umaforma diferenciada de se trabalhar no ambiente de robtica educacional.

Do ponto de vista pedaggico educacional, a grande vantagem existente na simulaode uma linha de produo utilizando estes materiais est em podermos propiciar aos alunosum ambiente de cho de fbrica dentro de um laboratrio da universidade. No que diz respeitoao sistema automatizado de produo, a Parte Operativa de uma fbrica especfica, inerentesomente a ela. E, neste caso, tanto LEGO quanto Robix permitem montar clulas de produocom diferentes configuraes "simulando" diferentes linhas de produo. Para umadeterminada fbrica, embora a Parte Operativa seja especfica, utilizando componentesLEGO, temos condies de, diversificar a montagem e a disposio das diferentes clulas deproduo desta. Isto se constitui em uma vantagem pedaggico-educacional, na medida emque diferentes abordagens e hipteses podem ser apresentadas e estudadas a medida que asconfiguraes se alteram. Isso tem propiciado o desenvolvimento de estratgias pararesoluo de problemas.

Ainda no que diz respeito ao sistema automatizado de produo, a utilizao tanto doLOGO quanto da linguagem de programao do Robix tem a vantagem de que os conceitosaplicados so genricos. Ou seja, no deixam nada a desejar com relao aos conceitosutilizados numa indstria. Bastando, para tanto, adapt-los realidade da indstria emquesto. Do ponto de vista pedaggico educacional isso representa um ganho.

Na montagem das clulas de produo com o LEGO, o ambiente tem permitido autilizao de peas mecnicas e consequentemente dos princpios mecnicos necessrios paraconstruo de algumas mquinas. Na automao, o ambiente tem permitido a descrio, aelaborao e a estruturao de programas para o computador. No controle da operao dalinha de produo como um todo, o ambiente tem permitido que conceitos importantes desobre sistemas automatizados de produo sejam manuseados.

4O ambiente LEGO-Logo consiste de um conjunto de peas LEGO que permite a montagem de objetos(mquinas e animais) e de um conjunto de comandos da linguagem de programao Logo. Atravs do Logo possvel elaborar programas para controlar os objetos LEGO. Uma das formas de comunicao entre o objetoLEGO e o computador por intermdio de uma interface eletrnica.Usando peas do LEGO como engrenagens, eixos, roldanas, polias, rodas, motores, lmpadas, sensores etc. possvel a construo de diversos objetos como carros, elevadores, esteiras rolantes, cavalos, centopias etc.. Noprocesso de construir mquinas e animais os alunos podem aprender um pouco mais sobre o comportamentodestes objetos. A elaborao de programas que controlam estas mquinas e animais utiliza comandos queacionam luzes, motores e sensores conectados nos objetos (robs) que esto fora do computador.

A utilizao do ambiente LEGO-Logo em integrao com o Robix tem possibilitando,no curso de graduao em Automao e Controle (Mecatrnica) desenvolver atividades, numlaboratrio da universidade muito prximos a realidade da fbrica. Com isso, estamosiniciando a construo de um ambiente de ensino e aprendizagem que nos propiciar, deforma concreta, realizar a Engenharia de Integrao, onde diferentes tipos de dispositivosrobticos podem ser integrados e utilizados com finalidades educacionais. A interao LEGORobix permitiu a montagem de um ambiente de simulao de uma linha de produo de umafbrica, utilizando um sistema automatizado de produo, como a descrita a seguir:

Linha de produo composta de trs postos :O primeiro posto (Figura 1.), uma esteira rolante alimentadora de peas cuja

montagem utilizou sensores de luz, lmpadas motores e outros elementos mecnicos. Osegundo posto (Figura 2.), um brao mecnico, o Robix que retira peas. O terceiro posto(Figura 3.), uma mesa rotativa para trabalho de peas.

Figura 1 - Esteira rolante alimentadora de peas

Figura 2 - Brao mecnico, Robix

Figura 3 - Mesa giratria para trabalho de peasQuando a linha de produo entra em operao, aps retirada uma pea da esteira para

a mesa, pelo Robix, automaticamente a esteira se movimenta colocando uma nova pea naposio para ser retirada. Enquanto a primeira pea colocada na mesa est sendo trabalhada asegunda colocada na esteira. Ao trmino do trabalho na primeira pea a mesa faz um giro de180, a pea trabalhada retirada e colocada numa caixa. Todo o processo de colocar e retirarpeas feito de forma automtica pelo brao mecnico Robix. A operao feitaseqencialmente de tal forma que sobre a mesa sempre existam duas peas, uma trabalhada eoutra em trabalho. Alm disso, a linha pode ser programada para processar lotes diferentes depeas. Por exemplo, para processar cinco lotes de duas peas, aps retiradas as dez peas, pelobrao mecnico, a dcima primeira pea ser rejeitada automaticamente pela esteira.

Este tipo de atividade aborda alguns aspectos do funcionamento de uma clula deproduo.

No controle da operao da linha de produo, como um todo, conceitos tericosimportantes sobre sistemas automatizados de produo, apresentados na sala de aula peloprofessor, so manuseados pelos alunos no laboratrio. Com este tipo de atividade, onde seintegra diferentes dispositivos para se criar a clula de produo, os alunosaprendem/manuseiam conceitos importantes de Engenharia de Integrao e de SistemaAutomatizado de Produo-SAP. Estas atividades tm apresentado algumas caractersticasinterdisciplinares na medida em que possibilitam a integrao sinergtica da engenhariamecnica com a eletrnica e o controle por computador, do projeto e da manufatura deprodutos. Isso certamente contribuir para a formao de profissionais habilitados a projetar ea produzir produtos inteligentes baseados em microprocessadores e sistemas de controle. Oengenheiro formado nesta rea ter como campo de trabalho essencialmente a indstria deprocessos de manufatura, segmento em que se encontram as metalrgicas e as fbricas deauto-peas, por exemplo. Portanto, importante na formao, deste profissional, que eleaprenda a elaborar estudos e projetos, bem como participar da direo, organizao,fabricao e fiscalizao de atividades relacionadas com o controle de processos e aautomao de sistemas produtivos. Isto , que ele seja capaz de harmonizar solues eequipamentos que integram as reas de: mecnica, eltrica, eletrnica, computao,automao, design de produtos, gerenciamento da produo, etc..

Experincias em desenvolvimento em instituies que atuam na rea de robticaNo que diz respeito ao uso de robtica, num levantamento rpido realizado na Internet,

verifica-se que existem algumas experincias similares a nossa, no uso de LEGO, sendodesenvolvida em universidades. Alm disso, existem vrias empresas que comercializamprodutos na rea de robtica, que apresentam propostas de uso destes tanto para finseducacionais e tambm como hobby. A seguir apresento experincia de quatro universidadesno uso de LEGO com finalidades educacionais.

Projeto do departamento da Cincia de Computao da Universidade de Aarhus

http://www.daimi.au.dk uma tese de mestrado, escrita por (Bjerre et alli, 1999) alunos do departamento de

Cincia de os estudantes na Universidade de Aarhus. O trabalho deles consistiu emdesenvolver um cachorro-rob, usando como componente principal o LEGO Midstorm5. Ocachorro-rob capaz de interagir inteligentemente com o ambiente como um cachorro real.Ele tem capacidade para entender comandos falados, determinar a fonte do som, e responderinteligentemente ao comando, dependendo do seu humor. A tese descreve como asabordagens de aproximaes evolutivas e comportamento baseado, podem ser combinadas naimplementao de sistemas de controle auto-adaptveis. Neste trabalho, foram criadoscomportamentos bsicos, para o cachorro-rob usando evoluo de cadeias de redes neurais,em um ambiente simulado que roda em um sistema evolutivo paralelo.

Universidade de Lancaster na Inglaterrahttp://info.comp.lancs.ac.uk/com120/introduction.htmO COM120 uma disciplina do curso de cincia da Universidade de Lancaster. Esta

disciplina dividida em 2 mdulos: Internet e Application Design, sendo que a nfase daultima a programao. Neste mdulo, eles utilizam 3 diferente recursos: ROBOLAB (Kit deprogramao para o LEGO), QBasic e Visual Basic. O LEGO e ROBOLAB so utilizadospara dar uma noo de programao. As atividades so desenvolvidas, por sesses, com aulasprticas no laboratrio. Cada sesso tem algumas tarefas a serem cumpridas e os alunostrabalham em grupos de 5. So 30 alunos divididos em 6 grupos de 5 e tm 6 robs. Astarefas variam desde fazer o rob andar para frente por alguns segundos at a construo deuma linha de montagem onde componentes so colocados em um container e, quando esteest cheio, os componentes devem so colocados em outro lugar.

Laboratrio de Estudos Cognitivos da Universidade Federal do Rio Grande doSul (LEC-UFRGS)http://www.psico.ufrgs.br/lec/repositorio/robot/As atividades do LEC na rea de robtica educacional enfocam a possibilidade de se

criar ambientes de aprendizagem onde se possa refletir sobre a prpria aprendizagem. Nestesentido, um dos objetivos do ambiente LOGO, por exemplo, o de favorecer situaes ondeocorram tomadas de conscincia sobre os prprios processos cognitivos. Um dos trabalhosdesenvolvido no LEC na rea robtica na educao enfatiza a possibilidade de se pensar sobrea prpria aprendizagem (Petry, 1996). Alm disso, o trabalho do LEC aborda outras reas deconhecimento tais como: Artes Ciberntica e Tecnologia de Controle, Design, Fsica,Matemtica, Motricidade, Problemas Sistmicos e Vida Artificial.

Sistema LEGO para Aquisio de Dados e Gerao de Prttiposhttp://ldaps.ivv.nasa.gov um projeto da universidade de Tufts que tem por objetivo introduzir o estudo da

engenharia de jardim de infncia at o segundo ano da faculdade. Eles desenvolveram umasrie de drives (software) que permitem a comunicao com o sistema LEGO Dacta usando oprograma LabVIEW, desenvolvido pela National Instruments. LabVIEW uma linguagem deprogramao grfica que pode ser usado por estudantes de jardim de infncia at auniversidade. Uma das idias do projeto mudar a forma como se ensina cincias na escolaprimria. Para tanto, esto integrando a disciplina cincias como as outras disciplina doscursos do aluno, buscando introduzir os conceitos tcnicos de engenharia a partir do jardim deinfncia. Neste projeto, o professor desenvolve com os alunos atividades que envolvem: como 5Mindstorm, (RCX) um tijolo programvel da LEGO que possui 3 entradas para sensores, 3 sadas para motor,luz e buzina, e um transmissor infra-vermelho, que permite a comunicao com o microcomputador.

as mquinas funcionam, correo de defeitos em montagens LEGO, estudo da histria daengenharia, relao de engrenagens e matemtica, sistemas de engenharia, etc..

CONCLUSO

Ambientes de aprendizagem baseado no uso de dispositivos robticos tempossibilitado, de forma, simples, econmica, rpida e segura, disponibilizar recursostecnolgicos para a aprendizagem, no s de robtica, mas de cincias de uma maneira geral.Isso tem propiciado criar situaes de aprendizagens onde os alunos podem, avaliarresultados, experimentar idias e testar hipteses, de uma forma rpida barata e segura.

A utilizao de dispositivos robticos tem criado uma interao homem-mquinadiferente, na medida em que o ambiente de programao se torna mais rico e mais desafiante.Desenvolver atividades de robtica requer um processo de depurao mais amplo, envolvendoprojeto, construo/montagem e elaborao programas que controla o rob. Isso amplia agama de desafios que o aluno tem que vencer. Ao desenvolver atividades, em grupo, noambiente de robtica geralmente existe um bom relacionamento e cooperao entre osparceiros o que propicia sucessos na aprendizagem (Lomnaco, 1997). Um outro aspectoimportante a se considerar, a questo da interdisciplinaridade inerente a atividade de montare controlar robs via computador.

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

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GOORVER M. P. & WEISS M. et alli, Robtica Tecnologia e Programao.McGRaw-Hill, So Paulo, 1988.

LOMNACO B. P. Aprender: Verbo Transitivo. A Parceria Professor-Aluno na Sala de Aula.Plexus, So Paulo, 1997.

MARTINS, A. O Que Robtica. Brasiliense, So Paulo, 1993.

PETRY, P. P. Processos Cognitivos de Professores Num Ambiente Construtivista deRobtica Educacional. Dissertao de Mestrado, UFRGS, Instituto de Filosofia eCincias Humanas, Rio Grande do Sul, 1996.

USATEGUI & LEON, Guia Fcil de Robtica, Paraninfo, 1986