RESUMO

O artigo apresenta a importância de desenho e modelagem no projeto e implementação de um kit didático (braço robótico manipulador), como uma forma de popularizar a robótica, buscando alcançar o público do ensino médio, técnico e superior. Como resultados, o trabalho apresenta as técnicas gráficas utilizadas para materializar um braço robótico com quatro graus de liberdade do tipo antropomórfico materializado de diversas formas que tiveram sua origem em desenhos e em softwares de modelagem. O protótipo possui funções similares aos braços utilizados em indústrias, desenvolvida a partir de conceitos de cinemática de robôs manipuladores.

1. Introdução

Nos últimos anos, com o desenvolvimento tecnológico, redução de custos de componentes eletrônicos e crescimento da mão de obra especializada [1], o campo da robótica vem se popularizando e se difundindo cada vez mais nos países em desenvolvimento, principalmente nas indústrias automobilísticas. Segundo a IFR (International Federation of Robotics) [2], em 2013, cerca de 70.000 unidades de braços robóticos foram vendidas no mundo e, em 2011, 60.000. Como reflexo dessa popularização, muitos grupos de pesquisadores e interessados no assunto começaram a investir nessa área através do uso dos robôs como instrumento de auxílio para suas atividades bem como para o estudo dos componentes mecânicos e eletrônicos, os quais são vistos no ensino técnico e superior.

O desenvolvimento tecnológico e de processos de produção das últimas décadas têm reduzido consideravelmente o custo de componentes eletrônicos, proporcionando, consequentemente, maior acessibilidade a determinados produtos para os mais diversos níveis sociais.

Nesse contexto, o mesmo ocorre com a robótica, em que cada vez mais as indústrias de produção em larga escala e com condições de trabalho insalubres optam por essa alternativa. A área da educação também segue o mesmo fluxo, pois com a rapidez do surgimento de novas ideias para o uso das tecnologias já existentes e avanços dos mesmos, há a possibilidade de maior acesso à tecnologia robótica nas salas de aula de ensino superior, técnico e básico e, inclusive, para uso pessoal.

Além do aspecto tecnológico envolvido na robótica educativa, há a imensa contribuição da psicologia, que com seus fundamentos teóricos possibilitou grandes avanços na tecnologia educacional até chegar à robótica.

Bases da robótica educativa

Nas décadas de 50 e 60, apesar dos computadores ainda serem um aparato de dificílimo acesso à maioria das pessoas, eles foram o estopim de uma grande mudança na forma do ensino-aprendizagem tradicional. Nesse período a corrente “Behaviorista” estava em alta, cujo fundamento estava estruturado em análises de situações que se podiam apenas observar e medir, sem levar em consideração aspectos da mente ou da consciência. Um dos grandes estudiosos dessa corrente foi Burrhus Skinner, o qual formulou pressupostos no processo de ensino e aprendizagem que geram os seguintes passos: conteúdos a ensinar e aprendizagem gradual com objetivos bem específicos e com grau de dificuldade crescente. Décadas depois, por volta dos anos 80 e 90, estando os computadores mais difundidos, foram criados programas mais detalhados que buscavam adaptar-se ao ritmo de aprendizagem do aluno [6]. Assim, as famosas TICs – Tecnologias de Informação e Comunicação – mostraram o seu grande potencial no ensino assistido por computador.

Com a dinâmica que o mundo da informática, mais especificamente com a internet, trouxe, as ideias “behavioristas” começaram a mostrar seus pontos fracos, já que seus fundamentos eram rígidos e consideravam o aluno como um instrumento em que não se levava em consideração os aspectos mentais, tão importantes no processo de aprendizagem. Isso proporcionou uma abertura para uma nova corrente da psicologia, chamada Construtivismo, em que considerava a aprendizagem como um processo ativo, ao contrário de só se obter um conhecimento através de uma leitura ou um discurso de um professor [7], sendo o principal objetivo construir o conhecimento e não, simplesmente, transmiti-lo.

Dessa forma, o foco das atividades educativas parte do princípio de manusear algo concreto com objetivos claros e que despertem o interesse dos alunos em determinado assunto, e isso é o que a robótica educacional em conjunto com as TICs tem como ponto forte, podendo ser utilizadas no ensino de diversos ramos do conhecimento, como também, no desenvolvimento de aptidões dos alunos, como raciocínio lógico, trabalho em equipe, imaginação, criatividade e etc. No entanto, tem como principal fraqueza a necessidade de se ter instrutores capacitados, aptos a utilizar essas tecnologias de forma a sincronizar os conhecimentos que os alunos devem compreender com atividades motivadoras e que façam com que os alunos busquem por si só solucionar os problemas colocados a eles.

Um dos grandes passos dados nesse assunto foi o desenvolvimento da Linguagem LOGO no MIT – Massachusetts Institute of Technology – dirigido por Seymour Papert na década de 60 [8].  O Logo é uma linguagem derivada da linguagem de programação Lisp [9]. No início o projeto possuía um robô móvel que podia ser controlado via computador, sendo que mais tarde, esse robô foi substituído por uma tartaruga gráfica, vista na própria interface do programa, podendo ser controlada por crianças devido a sua linguagem de programação ser simples e intuitiva. Além disso, devido a sua ampla aplicação em assuntos distintos como matemática, música, robótica, telecomunicações, entre outros, ela foi bem aceita em estudos mais sofisticados. Mais tarde, nos anos 80, foi desenvolvido um sistema com a interface de programação Logo, utilizando motores, sensores e os blocos LEGO no MIT Media Lab. O projeto foi um sucesso entre professores e alunos, iniciando uma nova etapa na robótica educacional.

Contribuições do projeto na robótica educativa

Com base na evolução de recursos tecnológicos e inovações que contemplam essa modalidade de educação, o presente projeto busca criar um produto com as tecnologias mais atuais e difundidas no mercado, sendo sustentado pelas ideias Construcionistas, ou seja, aprender fazendo.

Existem diversas áreas de estudo quando se fala em robótica, como a mecânica, eletrônica e computação. Para o ensino em nível técnico o braço robótico desenvolvido auxilia na introdução à programação, possuindo uma interface com linguagem de programação simples, de alto nível e semelhante às que são utilizadas por alguns modelos reais, como o ACL (Advanced Control Language) e o Scorbot ER-VII [10]. Também o projeto busca aproximar a lógica de movimentação dos modelos industriais, como por exemplo, gravar inúmeras posições do órgão terminal do braço e fazê-lo seguir esses pontos de forma retilínea ou não.

Manipuladores robóticos

A implementação da proposta para a movimentação retilínea do efetuador ou órgão terminal do braço robótico necessita de conceitos de cinemática de manipuladores robóticos, tais como movimentos de corpo rígido, cinemática direta e inversa. Estes conceitos são comumente vistos em disciplinas de robótica nos cursos de graduação. Pelo fato de envolverem teorias matemáticas que não são triviais para uma correlação com a prática, muitos estudantes se sentem desmotivados com o assunto, o que poderia ser contornado com a observação e análise de um modelo real de um braço robótico apresentando como ele se comporta de acordo com certos parâmetros dimensionais do robô.

OBJETIVOS

Os objetivos do projeto foram:

• Levantar informações de robôs manipuladores e robótica educacional;
• Especificar restrições e detalhes mecânicos para o modelo do braço robótico;
• Projetar o sistema eletrônico e de software;
• Materializar três modelos de braço robótico;
• Testar o produto;

PROCEDIMENTOS METODOLOGICOS

Foi realizada uma pesquisa documental sobre conceitos de robôs manipuladores, como os conceitos estruturais de um braço, os tipos existentes com suas vantagens e desvantagens e a teoria de movimentos de corpos rígidos, cinemática direta e inversa. Foi aplicado um modelo de processo de projeto de design e foram realizadas análises de produtos disponíveis no mercado e definição de requisitos estruturais, tecnológicos e de software. Uso de desenhos e modelagem permitiram a construção de três soluções para materialização do protótipo, onde cada solução demandou um conhecimento diversas expertises para desenhos, análises e testes em cada uma das soluções.

RESULTADOS

O projeto desenvolvido buscou contribuir em um campo emergente da grande área da robótica, que se trata da robótica educacional, fundamentada nas teorias de educação provenientes da psicologia, como o construtivismo. Na robótica, buscou-se atuar no campo dos robôs manipuladores, com base nos modelos industriais do tipo antropomórfico.

O protótipo desenvolvido está composto por: (1) firmware, (2) interface de programação, (3) estrutura física do braço e (4) componentes de hardware e acionamentos. As soluções apontaram para uma estrutura física feitas em: papel duplex, MDF e PLA.

DISCUSSÃO

Os resultados obtidos foram satisfatórios, já que alguns testes para as funções do robô mostraram resultados esperados. O firmware contém toda a estrutura conceitual para a execução de diversas funções, permitindo o aprendizado básico sobre cinemática de robôs manipuladores. As outras funções auxiliam no aprendizado de programação além de permitir que o braço seja um instrumento para atividades educacionais com outros focos além da robótica propriamente dita, como a elaboração de atividades que desenvolvam a criatividade.

Em relação as soluções das estruturas físicas verificou-se a importância do conhecimento em técnicas de desenho e modelagem para permitir a implementação de cada solução apontada no desenvolvimento de produto, partindo de desenhos que produzam robôs em papel até desenhos que gerem robôs em PLA.