LEGO MINDSTORMS NXT E A OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA

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1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA CEFET-MG CAMPUS DIVINÓPOLIS CONTEXTO SOCIAL E PROFISSIONAL ENGENHARIA MECATRÔNICA 1 PERIODO PROF.: RENATO DE SOUSA DÂMASO LEGO MINDSTORMS NXT E A OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA DANILO LOPES SILVA STEFAN MARTINS RIBEIRO RAFAEL LUCAS CAMARGOS ARTUR ALVES PINTO Divinópolis, 11 de outubro de 2012

2 SUMÁRIO 1) Resumo... p. 3 2) Introdução... p. 4 3) Componentes do Lego... p ) O NXT brick... p ) Sensor de toque... p ) Sensor de áudio... p ) Sensor de iluminação... p ) Sensor ultrassônico... p ) Servo-motores interativos... p ) Lâmpadas... p ) Bluetooth... p. 11 4) Componentes adicionais... p ) O acelerômetro... p ) Sensor compasso... p ) Sensor de cor... p. 13 5) O software... p. 14 6) O Mindstorms NXT e algumas de suas aplicações... p. 16 7) A Olimpíada Brasileira de Robótica... p ) Modalidade Duathlon... p ) Modalidade Prática... p ) Modalidade Teórica... p. 19 8) Conclusões... p. 20 9) Referências Bibliográficas... p. 21

3 1) RESUMO O terceiro milênio é marcado notoriamente pela evolução tecnológica. Neste cenário a área da engenharia se destaca, em especial, a Mecatrônica, que abrange diferentes áreas como automação, criação de projetos, máquinas e robótica. Neste caso, como introdução à esta tecnologia, são notáveis e bastante úteis as criações possíveis com o LEGO MINDSTORMS NXT, que apresenta bastante versatilidade e capacidade para atender diversas necessidades de quem irá utilizá-lo. O presente trabalho discorre sobre as especificidades deste lego, bem como os seus diversos componentes, utilidades e aplicações. Também faz uma abordagem à Olimpíada Brasileira de Robótica, que é um dos principais eventos do país nesta área da tecnologia, explicando as especificidades desse evento e o público participante a que é destinado.

4 2) INTRODUÇÃO LEGO MINDSTORMS 1 é uma geração de robôs educativos que possibilita aos estudantes descobrir e aprender sobre ciência, tecnologia, engenharia e matemática de uma forma prática, dinâmica e com aplicação dos conhecimentos. Combinando o poder de construção do LEGO com a tecnologia educacional do LEGO MINDSTORMS, grupos de estudantes podem desenvolver, construir, programar e testar robôs. Trabalhando juntos em projetos orientados de engenharia os membros das equipes desenvolvem a criatividade e capacidade de resolução de problemas em conjunto com os conhecimentos das áreas citadas acima, além de se tornarem mais aptos para a comunicação, organização e pesquisa, o que os auxilia e prepara para o futuro em ambientes de trabalho ou para cursos que exigem um alto grau de escolaridade, por exemplo _LME_UserGuide_US_low. Disponível em: < Acesso em: 30 jun./2012

5 3) COMPONENTES DO LEGO O MINDSTORMS NXT contém um sistema operacional avançado de 32 bits, microprocessador de 32 bits, portas de entrada para os diversos sensores, portas de saída para outros dispositivos, como por exemplo as lâmpadas, cabos conversores, display do brick de 60x100 pixels, alto-falante de 8 KHz, slot para baterias recarregáveis de lítio ou para 6 baterias/pilhas AA, cabos, portas USB 2.0, servomotores interativos, comunicação Bluetooth e capacidades múltiplas de download. 3.1) O NXT brick (o tijolo ) O cérebro do NXT, onde são plugados os sensores desejados, colocadas as baterias, servo-motores, lâmpadas, cabos, dispositivos USB e estabelecida a comunicação Bluetooth e com o computador, além de apresentar o display para interface com o usuário, seja para controlar as direções ou sensores que deseja utilizar ou mostrar informações que auxiliem o usuário (como nível de bateria e ajuste de volume do alto-falante por exemplo). A figura 01 mostra o brick do NXT: FIGURA 01

6 3.2) Sensor de toque (Touch sensor) Permite ao robô identificar e responder a objetos e obstáculos presentes no ambiente em que ele é utilizado. A configuração do sensor pode ser feita pelo brick, através do display e o comportamento do robô pode ser mudado de acordo com a preferência do usuário, quando o sensor estiver ativado ou não. A figura 02 mostra o sensor de toque: FIGURA ) Sensor de áudio (Sound sensor) O sensor de áudio permite ao robô identificar e responder a diferentes níveis de sons e detecta o nível em decibéis (db) dos sons por ele captado, incluindo daqueles muito altos ou muito baixos para os ouvidos humanos escutarem. O sensor mede sons acima de 90 db (mais do que um cortador de grama por exemplo). As leituras feitas pelo sensor são mostradas em porcentagem, de acordo com a quantidade do som que ele consegue captar. Como comparação, entre 4 e 5% seria como uma sala de estar silenciosa, entre 5 e 10% o nível de alguma pessoa conversando a uma distância maior do sensor, entre 10 e 30% uma conversa normal entre pessoas próximas ao sensor e de 30% acima muitas pessoas gritando ou músicas reproduzidas em volume muito alto. Obs.: considerando a distância entre a fonte emissora do som e do sensor de aproximadamente 1 metro. Assim como para o sensor de toque, o comportamento do robô também pode ser alterado quando o sensor estiver ativado. A figura 03 mostra o sensor de áudio:

7 FIGURA ) Sensor de iluminação (Light sensor) O sensor de iluminação permite ao robô identificar e responder a variações de nível e cor das luzes por ele captadas, bem como distinguir entre claro ou totalmente escuro e medir a intensidade da luz em ambientes e também em superfícies coloridas. Porém não permite ao robô obter uma visão em RGB (red green blue, que fornece qualquer uma das cores que conhecemos através de diversas combinações entre elas), como nós humanos, mas somente em escala de cinza. A figura 04 mostra 2 retângulos: (o primeiro indica as variações de intensidade de iluminação, enquanto o segundo mostra 6 quadrados, sendo 3 coloridos, para representar como nós enxergamos as cores e logo abaixo 3 em escala de cinza, que é como o sensor identifica): FIGURA 04

8 Já na figura 05 o sensor de iluminação: FIGURA ) Sensor ultrassônico (Ultrasonic sensor) O sensor ultrassônico permite ao robô identificar e reconhecer objetos, evitar obstáculos, bem como medir distâncias entre ele e tais objetos e detectar movimentos. Utiliza o mesmo principio cientifico dos morcegos, que é medir a distância através do cálculo do tempo que um som leva para atingir um objeto e voltar para ser captado, como se fosse um eco. As unidades de medida são em centímetros ou em polegadas e o sensor é capaz de medir distâncias de 0 a 2,5 metros, com uma precisão/margem de erro de 3 centímetros (para mais ou para menos). Grandes objetos ou obstáculos, com superfícies rígidas permitem melhores leituras e identificações. Já objetos feitos com materiais leves ou que contenham superfícies obliquas, curvas ou esféricas (como uma bola por exemplo) ou ainda que sejam pequenos e finos tornam a identificação um pouco mais difícil. Assim como os outros sensores, é possível adaptar o comportamento do robô de acordo com o acionamento do sensor ultrassônico. A figura 06 mostra o sensor em questão:

9 FIGURA ) Servo-motores interativos Os servo-motores interativos dão ao robô a capacidade de locomoção. Usando o bloco de movimento, automaticamente a velocidade dos motores é alinhada, então o robô pode se movimentar sem problemas. Todos os motores contêm um sensor de rotação embutido, que mede as rotações em graus, com uma precisão/margem de erro de 1 grau (para mais ou para menos) e são ajustáveis para a rotação que se deseja. Além disso, pode medir também a quantidade de rotações feitas (caso uma roda esteja acoplada ao motor por exemplo). O controlador de rotação permite ao robô movimentos bastante precisos. O servo-motor apresenta os seguintes componentes, que enumerados serão indicados na figura 07 abaixo: Ø Taquímetro (instrumento de medição do número de rotações) para o sensor embutido [A]; Ø Núcleo do motor [B]; Ø Engrenagem embutida [C]; Ø Um cubo com um furo para fixar um eixo de roda [D].

10 [A] [B] [C] [D] FIGURA ) Lâmpadas As lâmpadas podem ser acesas e apagadas, criando flashes e padrões pulsantes de luz. Podem também ser utilizadas para ativar o sensor de iluminação ou para mostrar que um motor está funcionando, ou ainda para indicar o estado de um sensor (se está ou não ativado). Podem ainda representar, como adereço, os olhos do robô, ou outra característica desejada. As lâmpadas são conectadas nas portas de saída do brick e para isso é necessário o cabo conversor, já citado anteriormente no item 3.1. A figura 08 mostra uma lâmpada com um cabo conversor nela conectado: FIGURA 08

11 3.8) Bluetooth O Bluetooth é uma tecnologia de comunicação que torna possível o envio e recebimento de dados sem a utilização de cabos ou fios. Usando o Bluetooth e suas aplicações é possível configurar uma conexão sem fio entre o NXT e outros dispositivos Bluetooth, assim como outras unidades NXT, telefones celulares e computadores. Uma vez configurada a conexão, pode ser usado para: Ø Download de programas para o computador sem utilização do cabo USB; Ø Envio de programas de dispositivos para o computador, incluindo o NXT; Ø Envio de programas para várias unidades NXT, individual ou em grupos (levando em consideração que um grupo pode conter no máximo 3 exemplares). Caso você possua um celular com dispositivo Bluetooth, este pode também ser usado para o controle do robô, utilizando-o como um sensor avançado para tal controle, como uma câmera por exemplo. Para tanto, precisa ser baixado o aplicativo para conexão Bluetooth com o MINDSTORMS, disponível no site do fabricante. Lembrando que se o seu computador não possuir o dispositivo Bluetooth de fábrica, é necessário adquirir um Bluetooth USB. FIGURA 09

12 4) COMPONENTES ADICIONAIS 2 Outros componentes para o MINDSTORMS NXT podem ser adquiridos separadamente de acordo com as necessidades do usuário ou as aplicações que o projeto terá. São vendidos a parte servo-motores, cabos conversores e conectores, baterias recarregáveis e outros tipos de sensores, sobre os quais seguirá uma explicação abaixo: 4.1) O Acelerômetro (Acelerometer) O acelerômetro permite ao robô identificar em qual direção ele segue, bem como se está virando para a direita ou esquerda, subindo ou descendo algo ou ainda se está se movimentando lateralmente. Como o nome do sensor já indica, ele também mede a aceleração e com isso é possível realizar medições de Força G, assim como astronautas ou pilotos, mas em uma proporção menor. A figura 10 mostra o acelerômetro: FIGURA ) Sensor compasso (Compass sensor) Este sensor é capaz de medir o campo magnético da Terra e calcular pontos magnéticos para dizer então em qual direção o robô estará seguindo. No sensor há uma calibração embutida e esse calibrador por sua vez ajuda a reduzir a interferência magnética vinda de outras fontes. 2 Disponível em < Acesso em: 30 jun./2012.

13 Apesar da carcaça do sensor compasso ser igual à do acelerômetro, conforme explicado acima, as funções são diferentes e a figura 11 mostra um destes sensores compasso: FIGURA ) Sensor de cor (Color sensor) Não, não é o mesmo do sensor de iluminação, sobre o qual já mencionamos acima. O sensor de cor permite a identificação de diferentes brilhos e cores de tons pasteis (como bege, marrom, entre outras) e não somente o reconhecimento de preto ou branco e suas respectivas intensidades. Na figura 12 mostramos o sensor em questão: FIGURA 12

14 5) O SOFTWARE 3 A LEGO Education e a National Instruments conjuntamente desenvolveram o software do LEGO MINDSTORMS NXT. O software contém uma interface intuitiva de arrastar/pegar e soltar e ambiente gráfico de programação que torna a utilização fácil até mesmo para um iniciante e ao mesmo tempo de qualidade suficiente para um usuário experiente. O sistema é uma versão otimizada do software de programação gráfica NI LabVIEW, usado por cientistas e engenheiros em muitos lugares do mundo para design, controle e teste de produtos e sistemas diversos, como de aparelhos de DVD, telefones celulares, dispositivos de segurança automotiva (airbags por exemplo), entre outros. A instalação exige recursos mínimos do hardware do computador, visto que atualmente todos os computadores novos atendem totalmente sem problemas tais exigências, que são: Ø Processador Intel Pentium ou compatível, de no mínimo 800 MHz; Ø Windows XP Service Pack 2 ou acima, ou outro sistema operacional posterior; Ø Mínimo de 256 MB de memória RAM; Ø 300 MB de espaço disponível em disco; Ø Monitor com resolução de pelo menos 1024 x 768; Ø Uma porta USB disponível; Ø Drive para CD; Ø Suporte do sistema operacional para adaptador Bluetooth. Na figura 10 mostramos a interface do software com o usuário, contendo numerações que serão especificadas a seguir: _LME_UserGuide_US_low. Disponível em: < Acesso em: 30 jun./2012

15 FIGURA 10 1) Robot Educator (Educador do robô) Onde se encontram instruções para a construção e programação. 2) My portal (Meu portal) Aonde o usuário pode acessar o site do fabricante: para ter acesso a ferramentas, downloads e outros tipos de informações. 3) Tool bar (Barra de ferramentas) Onde ficam os comandos usados com mais frequencia. É uma maneira de localizá-los mais rapidamente. 4) Work area (Área de trabalho) É o espaço na tela onde ocorre a programação. Arraste para a área de trabalho blocos de programação e ordene-os de acordo com a seqüência desejada. 5) Little help window ( Janelinha de ajuda) Onde ajudas podem ser buscadas a qualquer momento se necessárias.

16 6) Work area map (Mapa da área de trabalho) Serve para mover a tela na área de trabalho. Para isso deve ser usada a ferramenta pan, da barra de ferramentas e para uma vista completa do trabalho, o work area map, localizado no canto inferior direito. 7) Programming palette (Paleta de programação) A paleta de programação contém todos os blocos de comando que o usuário poderá precisar para a criação dos programas. As guias na parte de baixo da paleta permitem a escolha da paleta comum (com os blocos de comandos utilizados com mais frequencia), completa (contendo todos os blocos) ou customizada (que contém blocos que foram baixados ou que podem ser redefinidos de acordo com as preferências e necessidades). 8) Configuration panel (Painel de configuração) Cada bloco de programação contém um painel de configuração que permite ao usuário customizá-lo de acordo com as preferências de entradas e saídas que irá utilizar. 9) Controller (Controlador) Os 5 botões do controlador permitem o download de programas (ou partes deles) do computador para o NXT e também a realização de configurações. 10) NXT window (Janela NXT) Apresenta informaçoes sobre a memória do NXT e sobre as configurações de comunicação. 6) O MINDSTORMS NXT E ALGUMAS DE SUAS APLICAÇÕES Além de o MINDSTORMS NXT ser útil para projetos de diversos fins, para o processo de ensino-aprendizagem de diferentes conteúdos e áreas do conhecimento (ciência, tecnologia, engenharia e matemática), conforme citado no início deste trabalho, ele é muito utilizado também em eventos e feiras de tecnologia. Citaremos alguns destes eventos:

17 6.1) Semana do CMCC Evento anual da Universidade Federal do ABC, onde acontecem palestras e atividades relacionadas à área tecnológica. Entre as atividades estão os campeonatos de LEGO, organizados pelos próprios alunos da instituição. 6.2) Campus Party É o maior evento de inovação tecnológica, internet, usuários da rede e entretenimento eletrônico do mundo. 6.3) RoboGames É o maior campeonato de robótica dos Estados Unidos da América 6.4) RoboCup É um campeonato mundial que acontece todos os anos entre várias categorias, entre elas LEGO. 7) A OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA A Olimpíada Brasileira de Robótica, ou OBR, é uma olimpíada de conhecimento para estudantes do ensino médio. Foi fundada como parte de uma iniciativa de pesquisadores na área de robótica (de instituições como ITA, UFRN, UNESP, FEI e FURG) para difusão da robótica na sociedade brasileira. Em 2003 foi fundada a Competição Brasileira de Robótica, voltada para estudantes universitários, a partir da qual eram selecionados estudantes para a RoboCup. Como uma extensão natural da competição, a OBR foi fundada em Entre os objetivos de ambas as competições estão despertar e estimular o interesse pela robótica e áreas afins e promover a difusão de conhecimentos básicos sobre robótica de forma lúdica e cooperativa. A OBR é dividida em 3 modalidades: Duathlon, Prática e Teórica. 7.1) Modalidade Duathlon Quem pode participar? Qualquer aluno do ensino médio ou técnico que complete no máximo 19 anos no ano da competição (para alunos do ensino fundamental veja a modalidade Teórica).

18 Como funciona? O Duathlon é realizado em duas fases distintas. A primeira fase é constituída de uma prova teórica e a segunda de uma final prática realizada com os melhores alunos de cada estado. A prova escrita do Duathlon é similar à prova da modalidade Teórica e será aplicada na mesma data da prova da modalidade teórica em todas as escolas participantes. O Duathlon, no entanto, destina-se a alunos do ensino médio e técnico, incluindo alunos matriculados em cursinho pré-vestibular (em Instituição de Ensino) que não estejam cursando ou tenham sido aceitos em qualquer curso de terceiro grau. A final prática ocorrerá também junto com a Competição Brasileira de Robótica (CBR). Os alunos aprovados para a fase final receberão gratuitamente um mini-curso de robótica básica ministrado pela OBR, seguido de desafios práticos onde os estudantes terão que construir e programar robôs com kits fornecidos pela Organização para executar tarefas que somente serão reveladas no local da competição. Para participar da modalidade Duathlon não é necessário nenhum conhecimento prévio ou contato com a robótica, e a escola não precisa ter nenhum material de robótica (tais como kits educacionais). Qualquer estudante do país, mesmo que nunca tenha ouvido falar em robótica, pode participar da OBR nessa modalidade. O Duathlon não possui um único nível. Restrições à fase final: A OBR incentiva a participação na primeira fase do Duathlon de todos os alunos do ensino médio ou técnico, que receberão as premiações pertinentes (certificados, medalhas, etc.) se fizerem jus a elas. A fase final do duathlon, no entanto, tem por objetivo levar o universo da robótica a alunos e escolas que nunca tiveram contato com ela. Nesse sentido, para a fase final da modalidade Duathlon não serão convocados alunos que comprovadamente já tenham experiência em robótica, como por exemplo: Ø Alunos que já tenham participado de finais do Duathlon em edições anteriores da OBR; Ø Alunos que já tenham ou estejam disputando a Modalidade Prática da OBR; Ø Alunos que já participaram de competições práticas de robótica locais, regionais, nacionais ou internacionais. A organização da OBR realizará esforços para que a escola e/ou o professor do aluno vencedor do Duathlon recebam algum tipo de treinamento em robótica educacional.

19 7.2) Modalidade Prática Quem pode participar? Qualquer aluno do ensino fundamental, médio ou técnico que complete no máximo 19 anos no ano da competição. Como funciona? A OBR estabelece anualmente uma tarefa, e os alunos deverão construir robôs que atendam a esta tarefa. Os robôs podem ser integralmente construídos pelos alunos ou podem ser construídos utilizando kits robóticos (a critério dos participantes). Os grupos devem ser de no máximo 4 alunos, e os membros de um grupo devem pertencer necessariamente a um mesmo nível. Cada equipe deve ter um nome (será necessário para sua inscrição). A modalidade é dividida em duas fases: uma estadual (1ª fase) e uma nacional (2ª fase, ou fase final). A primeira fase deve ser realizada na escola-sede da modalidade prática do estado do aluno (as escolas-sede serão escolhidas pela OBR dentre entre as escolas participantes que se candidatarem a tal). A segunda fase (fase final) será disputada pelos melhores alunos de cada estado e será realizada em conjunto com a Competição Brasileira de Robótica (CBR) para universidades e outros eventos correlatos. A cada ano a CBR é realizada em uma cidade diferente. A Modalidade Prática possui dois níveis distintos: Ø Ø Nível 1: voltada aos alunos do atual ensino fundamental de 9 anos aprovado pelas diretrizes do MEC ou equivalente; Nível 2: voltada aos alunos do ensino médio, técnico (ou equivalente), incluindo alunos matriculados em cursinho pré-vestibular (em Instituição de Ensino) que não estejam cursando ou tenham sido aceitos em qualquer curso de terceiro grau. 7.3) Modalidade Teórica Quem pode participar? Apenas estudantes do ensino fundamental (para estudantes do ensino médio veja a modalidade Duathlon) Como funciona? Os estudantes responderão a questões de uma prova escrita preparada pela OBR. Essa modalidade é realizada em uma única fase e a prova é simultânea em todas as escolas participantes. A Modalidade Teórica é dividida em quatro níveis, de acordo com a escolaridade do aluno: Ø Nível 1: voltado aos alunos do primeiro ao terceiro anos do primeiro ciclo do atual ensino fundamental de 9 anos aprovado pelas diretrizes do MEC (Alfabetização, 1ª e 2ª séries, caso a escola ainda esteja no sistema antigo)

20 Ø Nível 2: voltado aos alunos do quarto e quinto anos do atual ensino fundamental de 9 anos aprovado pelas diretrizes do MEC (3ª e 4ª séries, caso a escola ainda esteja no sistema antigo) Ø Nível 3: voltado aos alunos do sexto e sétimo anos do atual ensino fundamental de 9 anos aprovado pelas diretrizes do MEC (5ª e 6ª séries, caso a escola ainda esteja no sistema antigo) Ø Nível 4: voltado aos alunos do oitavo e nono anos do atual ensino fundamental de 9 anos aprovado pelas diretrizes do MEC (7ª e 8ª séries, caso a escola ainda esteja no sistema antigo) O conteúdo programático para cada uma das séries pode ser encontrado na Matriz de Referência da OBR. As provas, adaptadas em forma e conteúdo a cada faixa etária, terão duas horas de duração. Geralmente, 10 questões são formuladas pela comissão de provas. 8) CONCLUSÕES Diante do que foi exposto, é possível concluirmos que o LEGO MINDSTORMS NXT é uma ferramenta versátil e muito útil para aplicações de conhecimentos adquiridos em áreas como matemática, robótica, sendo importante inclusive para a área de engenharia. Apresenta diversos componentes que permitem a quem o manipula um contato direto com programação, adaptando o comportamento da criação de acordo com a necessidade, de acordo com o funcionamento ou não de um sensor, bem como permite melhorar a própria coordenação motora ao montar o que se deseja, melhorar a capacidade de trabalho em equipe e aquisição de conhecimentos práticos. A OBR também se destaca no cenário da robótica nacional. Propicia os atributos e melhorias citados acima, visto que os trabalhos são feitos em equipes e o contato com a robótica é o principal ponto desse evento. Logo também se pratica a montagem dos robôs, a divisão de tarefas entre integrantes dos grupos, a aplicação dos conhecimentos para a posterior utilização do LEGO e cumprimento das atividades estabelecidas pela equipe organizadora da Olimpíada. Em resumo, tanto o MINDSTORMS NXT quanto a Olimpíada Brasileira de Robótica se constituem como ferramentas importantes para a aplicação/aquisição de conhecimentos em robótica, bem como para a introdução ao tema.

21 9) REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 9797_LME_UserGuide_US_low. Disponível em: < Acesso em: 30 jun./2012. < Acesso em: 30 jun./2012. OLIMPÍADA BRASILEIRA DE ROBÓTICA. Disponível em: < Acesso em: 05 jul./2012.