Robótica na Educação

Robótica na Educação

27MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001

Na vida acadêmica e universitária, esse crescimento teve e continua tendo um reflexo imediato. Milhares de pesquisas sobre diversas estratégias de controle de sistemas, sobre modelagem, e sobre aplicações específicas foram feitas nos últimos anos em quase todas as universidades e centros de pesquisa no mundo inteiro. Revistas especializadas, como a “International Journal of Control”,

“Journal of Dynamic Systems, Measurements and Control”, “IEEE Transactions on Automatic Control”, entre muitas outras, foram surgindo e crescendo, assim como congressos internacionais sobre a área.

Aqui no Brasil, o estudo de Controle de Sistemas começou sendo implementado como programas de pós-graduação em Engenharia de Controle e Engenharia Mecatrônica e como diversas matérias obrigatórias nos cursos de graduação, e também teve seu reflexo no surgimento de publicações especializadas (“Robótica & Automação”) e em congressos nacionais como o Congresso Brasileiro de Automática, organizado pela Sociedade Brasileira de Automática e realizado a cada dois anos. Atualmente, diversas universidades do país estão implementando programas de graduação em Engenharia de Controle, tal é o caso da PUC-Rio, da UFRJ, da UFSC, da UFES, entre outras.

Fernando A. Pazos

Coordenador do Laboratório de Robótica Instituto de Tecnologia ORT do Rio de Janeiro

Na Engenharia moderna, a área de Robótica, intimamente relacionada com a de Automação e Controle de Sistemas, é uma área que cada vez mais vai aumentando seu campo de estudo e aplicação. Efetivamente, hoje em dia é impensável uma indústria de manufatura que não esteja total ou parcialmente automatizada, mesmo que o nível de automação consista apenas no controle do ponto eletrônico dos funcionários. É possível observar uma aplicação da automação industrial em empresas que fabricam produtos totalmente diversos, desde montadoras de carros e outros tipos de indústrias metalúrgicas até fábricas de brinquedos, de papel, de bebidas, de embalagens, produtoras de alimentos, e inclusive empresas de serviços como bancos, por exemplo. Tal foi o crescimento nas últimas décadas da automação nas indústrias, e das pesquisas nessa área, que hoje não é exagerado afirmar, por exemplo, que a Engenharia Eletrônica se divide em três grandes áreas: em Eletrônica Analógica, que inclui processamento de sinais, Tecnologia das Telecomunicações, Eletrônica de Potência, etc., em Eletrônica Digital, que inclui microeletrônica, microprocessadores, computadores, etc., e em Controle de sistemas, que inclui Automação e Robótica.

Figura 1 - Braço mecânico Armdroid.

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Mas o que está sendo novidade no

Brasil, e que já tem alguns anos em outros países do mundo, é a implementação de programas de ensino da Robótica no nível técnico e inclusive no ensino fundamental.

No nível técnico, diversas instituições estão adotando tais programas nos cursos de Eletrônica, Mecânica e Informática. Em alguns casos tais programas visam dar ao aluno uma formação específica adequada para o mercado de trabalho, como é o caso de diversos cursos implementados no SENAI e outras instituições de capacitação técnica. Em outros casos o objetivo fundamental é fornecer ao aluno uma introdução e preparação para as diversas matérias de controle que fazem parte dos programas de graduação em Engenharia nas universidades. Mas em todos os casos, o ensino da Robótica acarreta algumas vantagens pedagógicas que fazem da implementação de tais programas atrativa inclusive para escolas de 2° grau não técnicas e até para, com os níveis e a orientação adequados, para o ensino fundamental.

Laboratórios de Robótica específicos para os objetivos do curso podem ser implementados, com custos variáveis dependendo da complexidade dos sistemas, mas que em todos os casos vão decrescendo a cada ano. Já existem no Brasil empresas dedicadas à fabricação, importação e comercialização de robôs didáticos, alguns de alta sofisticação e outros de grande simplicidade de montagem e manipulação, como podem ser braços mecânicos pequenos, movimentados por servo-motores, e carros exploradores com diversos tipos de sensores. Alguns desses sistemas já vem com interfaces de computador e programas utilitários específicos muito simples, de maneira de permitir sua utilização até para crianças de curta idade. Kits de mecanismos como engrenagens, eixos, polias, motores, sensores, peças diversas e sistemas para montar de grande simplicidade também já são comercializados. Além disso, é possível montar alguns sistemas mecânicos ou pneumáticos de maneira relativamente simples e econômica, e com interfaces adequadas e computadores não necessariamente de última geração é possível implementar um laboratório suficientemente bem equipado para os objetivos do curso.

No Instituto de Tecnologia ORT, instituição dedicada ao ensino técnico de 2° grau, existe um laboratório de Robótica (figura 2) do qual sou coordenador. Temos ali 8 computadores, todos equipados com placas de interface paralela e conversores A/D; nessas placas estão ligadas interfaces de potência externas que acionam diversos sistemas controlados pelo computador. Alguns desses sistemas foram adquiridos comercialmente e vários foram construídos no próprio laboratório, em alguns casos utilizando sucata mecânica e materiais de baixo custo. Podemos mencionar entre esses sistemas dois braços mecânicos, um movimentado por servo-motores e outro por motores de passo (figura 1), um elevador de quatro andares (figura 3), um carro explorador equipado com diversos tipos de sensores e movimentado por dois motores de passo (figura 4), uma máquina automática que corta peças de isopor pequenas (figura 5), uma seletora de peças acionada por pistões pneumáticos, um sistema de visão e um “plotter” onde uma caneta é movimentada em um plano por um sistema acionado por motores de passo. Todos os computadores possuem arquivos com bibliotecas de comandos específicos para o controle de cada robô realizadas em Pascal, que o usuário pode utilizar para realizar seus próprios programas, além de programas de teste e demonstração. Nesse laboratório são ministradas aulas para os alunos da terceira série de eletrônica e para a terceira série de informática. No caso dos alunos da eletrônica, eles estudam ali programação, teoria de controle, sensores e atuadores, mecanismos de transmissão de potência, sis-

Figura 2 - Laboratório de Robótica do Instituto de Tecnologia ORT. Figura 3 - Elevador de 4 andares.

29MECATRÔNICA ATUAL Nº1/OUTUBRO-NOVEMBRO/2001 temas de visão, robôs manipuladores, exploradores e máquinas ferramenta, além de realizarem diversas práticas que incluem a realização de programas de controle dos sistemas do laboratório. Os alunos de informática recebem aulas que visam fornecer informação sobre a programação de sistemas, conceitualmente diferente da realização de programas comerciais. Além disso, cursos livres e abertos são oferecidos regularmente orientados a profissionais e estudantes de Engenharia e de áreas técnicas em geral.

Podemos mencionar entre as vantagens do ensino da Robótica a interrelação entre diversas áreas da ciência que se aúnam nessa área, e a aplicação prática, com suas conseqüentes vantagens pedagógicas, que o aluno faz de tais conhecimentos. Dentre as áreas que o aluno aprende e aplica em um laboratório de Robótica podemos destacar:

Física: onde podem ser estudados e aplicados alguns conceitos da física mecânica tais como força, torque, velocidade, aceleração, e máquinas simples como polias, alavancas, entre outras, necessários para o cálculo e projeto de caixas de redução, especificação dos motores adequados, projetos de transmissões mecânicas, entre outras aplicações. Também, dependendo dos sistemas disponíveis no laboratório, conceitos de hidráulica, pneumática e termodinâmica podem ser estudados e aplicados. Em casos mais avançados podem ser estudados e analisados os modelos cinemático e dinâmico de sistemas tais como robôs manipuladores ou veículos exploradores controlados, assim como cinemática e dinâmica de corpos rígidos necessárias para o cálculo dos parâmetros físicos dos elos do robô.

Eletrônica: onde podem ser estudadas, projetadas e armadas as diversas interfaces de computador necessárias para controlar um sistema, projeto de drivers digitais e amplificadores para os diversos atuadores, interfaces de transdutores e dispositivos de instrumetação, placas de aquisição de dados, conversores analógico–digital e digital–analógico, e até projeto de controladores implementados com microprocessadores e microcontroladores específicos .

Informática: necessária para a implementação dos programas de controle. As linguagens utilizadas podem ser variadas, dependendo do laboratório e dos objetivos do curso. Podem ser utilizadas as linguagens tradicionais como C ou Pascal, com bibliotecas de comandos específicas para o controle dos dispositivos do sistema. Podem ser implementados também programas mais avançados, como programas residentes e programação das interfaces e do relógio do computador. No caso que o projeto inclua o controlador implementado com um microprocessador ou microcontrolador, os programas de controle podem ser editados em Assembly. No caso de serem utilizados controladores específicos como um Controlador Lógico Programável, a linguagem própria como pode ser a “ladder” deve ser estudada. No caso do laboratório estar orientado às crianças, programas utilitários simples, ou linguagens de programação específicas em português e simplificadas podem constituir uma atraente introdução à computação para os alunos.

temas de equações, necessários para a modelagem dinâmica dos sistemas e projeto e cálculo das leis de controle, podem ser estudados e aplicados.

Conceitos próprios de teoria de

Controle: como ser estudo e classificação de sistemas, excitação e resposta, controladores, modelagem de sistemas físicos, transferência, realimentação, sensores, atuadores e outros dispositivos utilizados em automação, e diversas estratégias de controle, com a profundidade e alcance segundo os objetivos do curso.

No caso do ensino técnico, diversas práticas aplicando muitos desses conhecimentos podem ser implementadas em um determinado sistema de laboratório. Por exemplo, o aluno pode armar um robô manipulador de apenas uma junta. Para isso deve realizar um cálculo da velocidade e torque adequados para movimentar o elo do manipulador, escolher um motor e projetar uma caixa de redução de engrenagens, armar o robô com um kit de peças adequadas, ligar o motor e um sensor de posição a uma interface de computador específica, e realizar um programa de controle simples do dispositivo.

No caso do ensino fundamental, o aprendizado dos conceitos básicos de computação em geral e até de programação (utilizando um programa utilitário didático ou uma linguagem específica simples), é pedagogicamente vantajoso se o aluno usa ou cria um programa para ver um sistema, como pode ser um carrinho ou a famosa tartaruga do “logo”, se movimentar da maneira desejada, que simplesmente para observar um resultado impresso na tela.

A quantidade e diversidade de conceitos teóricos e tipo de práticas que podem ser realizadas aplicando esses conceitos, nos diversos níveis educativos e com os diversos objetivos didáticos, pode ser enorme. O aluno se vê na necessidade de raciocinar lógica e metodicamente para resolver problemas específicos utilizando as ferramentas adequadas, tanto conceituais como de materiais disponíveis, com óbvias vantagens pedagógicas. O único limite é a imaginação dos professores e alunos.? l

Matemática: em casos mais avançados, conceitos de álgebra linear, cálculo diferencial, e resolução de sis-

Figura 5 - Máquina cortadora de isopor.

Figura 4 - Carro automatizado.

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