Apostila de Robótica Educacional 2014

APOSTILA DE ROBÓTICA EDUCACIONAL Projeto desenvolvido pelo Prof. Alan Paiva para aplicação em disciplina de Ciência e Tecnologia - Robótica Introdução Esta apostila tem como objetivo apresentar uma série de sequências didáticas desenvolvidas a partir de experiências em Ensino Fundamental e Ensino Médio, nas disciplinas de Ciências e Biologia. Estas sequências envolvem conhecimentos teóricos e práticos para instrumentar os alunos a desenvolver um projeto que envolva o uso da robótica em qualquer área de aplicação. Aula 1 – Introdução a Robótica Tempo previsto: 4 a 6 aulas Material necessário: Giz e lousa, equipamento de vídeo com TV ou outro para apresentação multimídia. Objetivo: sensibilização dos alunos e apresentação do que é um robô Aplicação: Alunos de qualquer idade Introdução Sugiro começar com os alunos desenhando como eles acham com robô ou pedindo uma descrição do que seria um robô. A experiência ensina que o aluno considera um robô uma forma humanoide com armas e que tem alta capacidade destrutiva. Muito diferente da realidade, os robôs, em sua maioria, são chassis similares a veículos automotivos comuns. Vídeo de sensibilização: http://www.youtube.com/watch?v=-lvMWuKo9hI Outro fator é o custo. Projetos de robótica que se utilizam de sistemas prontos, os kits Lego, Vex Robotics e outros tem um custo alto por unidade – superior a R$200,00 por unidade, o que inviabilizaria o projeto para uso em salas de aula da rede pública. O uso de metarreciclagem e tecnologias open source (arduino) viabilizam este custo para aplicação em salas. Os kit ´s, mesmo com alto custo, tem limitações em relação a produção dos alunos e a quantidade de peças. Os melhores kit´s tem um custo altíssimo e inviabilizam qualquer projeto de porte superior a 30 alunos. Com a flexibilidade da plataforma Arduino e o custo baixo de sensores e motores para esta plataforma tornam o projeto viável. Basta um pouco de criatividade e o foco nos 3 M´s: - material – escolha correta dos materiais para estrutura do chassi e suportes, - método – técnicas de construção que são extremamente importantes como considerar o diâmetro da roda, aderência, fixação dos motores, design do chassi e disposição dos sensores e, - mão de obra – a formação básica dos alunos, seus conhecimentos de técnicas de construção e cálculos necessários a um bom projeto e a boa dose de criatividade inerente ao povo brasileiro.

Atualizado em 22/02/2014

Para tanto, recomendo a leitura dos artigos “Como projetar um robô” da Revista Mecatrônica Fácil n. 38 e 39 (disponível em http://1drv.ms/1cCffq6) e “Fundamentos de Robótica e Mecatrônica” de autoria de Newton C. Braga (disponível em http://1drv.ms/1cCf3ae). Os dois podem ser compartilhados com os alunos, mas recomendo o compartilhamento do texto abaixo, um resumo teórico sobre robótica. O que é robótica? A palavra robô foi usada pela primeira vez para determinar um autômato, uma máquina que executa funções a partir de uma programação pré-estabelecida. Foi usada pelo escritor tcheco Karel Capek em 1921 no livro “Rossum´s Universal Robot´s”. existem robôs que podem ser controlados pelo homem, os Rádio Controlados (R/C) e os sistema embarcados, que são autônomos e reagem a programações pré-estabelecidas, capazes de navegar sozinhos. As 3 leis da robóticas enuncidas por Isaac Assimov em seu livro “Eu, robô” devem nortear a construção de protótipos: 1- Um robô não pode causar dano a nenhum ser humano, nem por omissão, permitir que um ser humano corra perigo. 2- Um robô deve obedecer às ordens dadas por seres humanos, exceto quando estas ordens entrarem em conflito com a lei número 1. 3- Um robô deve proteger sua integridade desde que, para que isso ocorra, não entre em conflito com a lei número 1 e 2. É importante destacar que, segundo estas leis, robôs de combate não poderiam ferir seres humanos. A robótica envolve diversas áreas do conhecimento, formando a seguinte interface:

Eletrôni ca

Mecânic a Robóti ca

Computaç ão


Mecânica: motores, estrutura (chassi), rodas, eixo de transmissão e baterias. Eletrônica: sensores, controle de motores, luzes, sons e processadores. Computação: lógica e programação – sketchs, interpretação das informações. Como se divide um projeto de robô? Primeiramente determine o(s) objetivo(s) do robô e o que será necessário para ele executar a função:

Sensores

Interpretação

Atuadores

Processadores Sensores: fazem a leitura do ambiente. Processador/Interpretação: recebem as informações dos sensores e convertem em ação. Atuadores: resposta dada aos dados obtidos pelos sensores, fornecendo novas informações aos sensores. Etapas de desenvolvimento de um projeto – Ciclo PDCA


P Plan

A Act

PDC A

C Chec k

D Do P – Plan – Planejar – Etapa mais importante de um projeto. Definir o que deve ser feito (objetivos), quais as partes do robô, prazo de montagem e quem é responsável pelo quê e, quando possível, qual o custo (5W2H – http://www.sobreadministracao.com/o-que-e-o-5w2h-e-como-ele-e-utilizado/). Nesta etapa pode ser interessante o uso da ferramenta Brainstorming (http://pt.wikipedia.org/wiki/Brainstorming). What Why Where When Who How How much O que será feito Por que será Onde será feito Quando será Por quem será Como será feito Quanto custará (etapas) feito (local) feito (tempo) feito (método) (custo) (Justificativa) (responsabilida de)


D – Do – Fazer – inicia-se com a pesquisa sobre o tema ou assunto do projeto ou da etapa do robô e termina com a construção. C – Check – Checar – fase dos testes do robô. O ideal é trabalhar em partes, atividades diferentes e verificar o atendimento do robô aos requisitos pré-estabelecidos. A – Act – Agir – sobre dos dados obtidos da etapa anterior, verificar os itens com atendimento incompleto ou não atendimento de requisitos do robô. Definir as ações necessárias para correção dos problemas em uma nova etapa de planejamento do Ciclo PDCA podendo fazer uso da ferramenta diagrama da causa e efeito – “espinha de peixe” (http://pt.wikipedia.org/wiki/Diagrama_de_Ishikawa). Atividade 1 – Planejar um robô de cabo de guerra Apresentar o vídeo: Luta de cabo de guerra http://www.youtube.com/watch?v=hQl44K-7itg http://www.youtube.com/watch?v=9704frir5lI Planejar como seria um robô para esta modalidade, quais seriam os itens necessários. Introdução a Sensores  Recomenda-se a leitura do artigo da OBR sobre sensores: http://users.isr.ist.utl.pt/~mir/pub/sensores.pdf Responsáveis pela captação de alterações e pela leitura do ambiente. Fornecem informações para o processador. Podem ser: Ativos: quando emitem energia (sinais) para o ambiente, interferindo nele. Ex: Sensor de infravermelho (IR). Passivos: quando recebem energia do ambiente, fazendo apenas a leitura das mudanças. Ex: sensor de toque. Tabela 1- Tipos de sensores Tipo de sensor Classe Aplicação Infravermelho (IR) Ativo Sensor de linha, sensor de distância, medição de distâncias, sensor de cor, sensor de calor LDR com led Ativo Sensor de linha, sensor de cor LDR Passivo Sensor de luminosidade Toque Passivo Detecção de objetos Termômetro Passivo Medição de temperatura, detecção de chama Acelerômetro Ativo Sensor de velocidade Giroscópio Passivo Sensor de posição (bússola) Encoder Ativo Medidor de RPM e distância Sensor de ultrassom Ativo Sensor de objetos e distância


e

Processadores Armazenam o programa do robô e, a partir dos dados dos sensores, determinam o que o robô deve fazer. Suas características envolvem sua capacidade de armazenamento (quantas linhas de comando) e sua velocidade (tempo de resposta). Ex: Arduino, PIC, etc. Atuadores São os elementos que exibem a resposta do robô, capazes de fazer com que o robô reaja a alterações ambientais préprogramadas. Atuador Função Motores Deslocamento do robô Solenóide Controla a passagem de líquidos e gases Bomba Movimenta líquidos e gases Led´s Exibem uma resposta luminosa, efeitos LCD Enviam mensagens, efeitos luminosos Buzzer Sinais sonoros Garra Coletar objetos, mover objetos Atividade 2 – Desenvolvimento de um robô de cabo de guerra Título: Liga Virtual de robôs de cabo de guerra Detalhamento: robôs de cabo de guerra não precisam de processadores. Devem ter um alto torque, ou seja, muitos motores e boa tração. Não há necessidade de sensores de linha pois a arena é muito maior do robô. Há 2 estratégias possíveis nesta atividade – investir em exceder o orçamento, adicionando o máximo de motores ou controlar o orçamento removendo itens desnecessários – sensores, Arduino, etc. O importante nesta atividade é orientar o aluno para a FUNÇÃO do robô como fator determinante para os itens necessários. Procure destacar que esta é uma simulação de um torneio e que serve para simular como construir um robô. O importante não é o desenho do robô mas determinar as partes que o compõe e a criação da tabela com os cálculos. Sobre a atividade: construir uma tabela com os itens necessários a construção de um robô de cabo de guerra. Caso julgue necessário, exiba novamente o vídeo de sensibilização ou então, desenhe as arenas lembrando que a proporção do tamanho do robô em relação a arena é de 1:3 (o robô é 3 vezes menor que a arena e, o tamanho do fosso, é um pouco maior que um


robô). NÃO DIVULGUE OS VALORES DE PONTUAÇÃO DOS ITENS antes dos alunos finalizarem os projetos (2 aulas). Estes valores devem ser apresentados 15 minutos antes das lutas. Caso os alunos questionem você poderá informa-los que mudanças poderão ser feitas entre as lutas. Caso isso não ocorra, na finalização da atividade destaque que isso poderia ter ocorrido. Total de aulas previsto: 4 aulas Instrução para os alunos Vocês deverão desenvolver, usando como base a tabela abaixo, um robô lutador de cabo de guerra, gastando no máximo R$50,00. Caso seu projeto exceda essa valor, a equipe será punida com perda de pontos. Após desenhar o robô e dar o nome, os alunos deverão preencher a tabela abaixo com o custo do robô. Após a montagem de todas as equipes, os itens dos robôs receberão uma pontuação conforme o grau de importância neste desafio que deverão ser somados. Através de uma chave simples e eliminatória, os robôs “lutarão” uns com os outros, sendo que, em caso de empate, o valor do robô será o critério de desempate (o mais barato vence). Só poderão usar os itens desta tabela ITEM VALOR (R$) unitário Chassi 0,00 Motor 10,00 Roda 5,00 Sensor de IR 7,00 (infravermelho) Sensor de toque 2,00 Sensor de ultrassom 15,00 Sensor de LDR com led 5,00 Bateria de baixa potência 10,00 Bateria de alta potência 15,00 Botão de liga/desliga 1,00 Arduino 40,00 Garra robótica 15,00 Regras: - Para cada motor deve haver uma roda. Poderá ter mais rodas que motores. - Os requisitos mínimos são: 1 motor, 2 rodas, 1 bateria e 1 botão de liga/desliga – esta informação não deve ser compartilhada mas os alunos devem ser orientados para tal. Faça-os refletir sobre a necessidade destes itens.


Após a montagem (2 aulas) compartilhar a pontuação e iniciar as lutas (2 aulas) ITEM Ponto s Chassi 0 Motor 10 Roda 5 Sensor de IR 1 (infravermelho) Sensor de toque 1 Sensor de ultrassom 1 Sensor de LDR com led 1 Bateria de baixa potência 5 Bateria de alta potência 10 Botão de liga/desliga 1 Arduino 1 Garra robótica 1 Pontuação por atender o Budget (orçamento) – 20 pontos A cada 15 reais, descontar 15 pontos. **IMPORTANTE: a equipe que não entregar a tabela ou que cometer erros de cálculo na tabela, deverá ser desclassificada. O ideal é que, durante as lutas, a tabela seja colocada na lousa ou em uma cartolina para averiguação dos alunos. Caso um grupo que tenha perdido a luta identifique que uma equipe vencedora tem erros em sua tabela, esse grupo automaticamente se classifica no lugar da equipe que cometeu o erro. O professor deve agir como mediador (juiz) SEM INTERFERIR. Os alunos devem ser estimulados a auditar (verificar os erros) dos oponentes. Finalização: montar um sistema de chaves simples e determinar o campeão. O ideal é premiar a equipe campeã. É possível realizar a liga com salas diferentes. Destacar os aspectos como o trabalho em equipe, a divisão de tarefas e a organização das informações das equipes. Link para os vídeos no Skydrive: http://1drv.ms/1bZ9uoD



Apostila de Robótica Educacional 2014

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