AMBIENTE EDUCACIONAL DE ROBÓTICA DIRECIONADO A APLICAÇÕES EM ENGENHARIA

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1 AMBIENTE EDUCACIONAL DE ROBÓTICA DIRECIONADO A APLICAÇÕES EM ENGENHARIA SILAS F. R. ALVES 1, HUMBERTO FERASOLI FILHO 2, RENÊ PEGORARO 2, MARCO A. C. CALDEIRA 2, WILSON M. YONEZAWA 2, JOÃO MAURÍCIO ROSÁRIO 1 1. Laboratório de Automação Integrada e Robótica, Departamento de Projeto Mecânico, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas Caixa Postal 6122, Campinas, São Paulo, Brasil s: {silas, 2. Laboratório de Integração de Sistemas e Dispositivos Inteligentes, Departamento de Computação, Faculdade de Ciências, Universidade Estadual Paulista Caixa Postal 473, Bauru, São Paulo, Brasil s: {ferasoli, pegoraro, caldeira, Abstract This paper describes an initiative which uses low-cost mobile robots to create robotics courses and learning environment to support the teaching of computing and many other related disciplines. The pursued principle is that lower-cost alternatives can meet the educational needs, since it is accompanied by an environment-friendly software interface. In this sense, a hardware interface was developed to allow the computer to process data from the sensors and actuators of the mobile robot. This architecture is adequate because of the acceptance of students in their use, since the environment is unrolled within a platform familiar to them. Keywords Engineering Education, Robotics, Low-Cost, Mobile Robots Resumo Este artigo descreve uma iniciativa de uso de robôs móveis de baixo custo para o desenvolvimento de cursos de robótica ou como ambiente didático de suporte a ensino de computação e várias outras disciplinas relacionadas. O principio perseguido é que alternativas de baixo custo podem atender as necessidades de ensino desde que acompanhada de um ambiente de software de interface amigável. Neste sentido, uma interface de hardware foi desenvolvida permitindo que os sensores e os atuadores do robô móvel sejam tratados por um computador. Esta arquitetura se mostra adequada devido a aceitação dos alunos no seu uso, uma vez que o ambiente é desenvolvido numa plataforma familiar a eles. Palavras-chave Educação de Engenharia, Robótica, Robôs Móveis de Baixo-Custo 1 Introdução O ensino de engenharia dentro das universidades enfrenta hoje novos desafios. Geralmente, as abordagens tradicionais não cativam a atenção dos alunos por darem ênfase aos aspectos teóricos das disciplinas. Neste sentido, a introdução de novas tecnologias no processo de aprendizado pode trazer resultados positivos. Uma abordagem que tem apresentado êxito em diferentes níveis de ensino é a robótica. Enquanto ferramenta pedagógica para o ensino de engenharia, a robótica apresenta vários aspectos interessantes. Ela é intrinsecamente multidisciplinar, estimula o trabalho em equipe e promove um retorno visual real de forma estimulante e motivadora (Avanzato 2000). Entretanto, o alto custo dos robôs torna, algumas vezes, proibitivo o uso da robótica em sala de aula. Assim como os computadores, a robótica é um recurso tecnológico auxiliar utilizável no processo educacional que pode contribuir para o desenvolvimento cognitivo do aluno e habilidades intelectuais especificas. Ela se oferece como uma ferramenta pedagógica interessante sobre vários aspectos e assim deve ser encarada e explorada (Papert 1980). É incontestável a presença do robô na sociedade em um futuro próximo. Também é incontestável a necessidade de se familiarizar e desmistificar esta tecnologia que oferece suporte para muitas outras áreas do conhecimento. Portanto, o uso da robótica em educação é, principalmente, motivado pelo aprendizado ativo que ela proporciona e isto acontece em dois aspectos. O primeiro, no uso da robótica para educação, ou seja, para o ensino de conceitos particulares ou gerais de disciplinas envolvidas com a própria robótica, e como bancada de testes para o ensino desta área, conforme exposto anteriormente. O segundo, no uso da robótica na educação, como um elemento motivador e bancada de experimentos, para ensinar e verificar conceitos de disciplinas de áreas correlatas (Barker & Ansorge 2007). Neste aspecto, a robótica é uma ferramenta pedagógica, um objeto didático. Neste sentido, o Grupo de Integração de Sistemas e Dispositivos Inteligentes, (GISDI), do Departamento de Computação (DCo) da UNESP de Bauru desenvolve iniciativas de baixo custo, flexíveis e alinhadas para o ensino de Engenharia e da própria Robótica. Este artigo descreve estas iniciativas e discute detalhes da implementação do software e hardware que as compõe, bem como as questões de implantação dentro das atividades curriculares dos cursos de graduação. ISSN: Vol. X 1358

2 2 Arquitetura Básica As iniciativas seguem uma arquitetura básica baseada em um Computador Pessoal (PC), um sistema de comunicação e um robô, conforme mostra a Figura 1. O PC é responsável pelo controle do robô e, portanto, realiza o planejamento das tarefas que o robô deve executar. Por sua vez, o robô executa as tarefas enviadas pelo PC que definem o modo com o qual ele atua sobre o ambiente. Ao mesmo tempo ele sente o estado do ambiente e as modificações causadas pelos atuadores, e envia os dados sensoriais ao PC para garantir que o planejamento seja realizado com dados atualizados. A comunicação entre o PC e o robô é realizada através do sistema de comunicação, que se estabelece com fio ou sem fio. Esta escolha de arquitetura aproxima o aluno da robótica ao mesmo tempo em que reduz o custo do sistema. O PC desempenha um papel fundamental dentro da arquitetura. Por ser familiar a maior parte dos alunos, que têm acesso à PCs nas universidades ou em casa, o computador os aproxima da robótica através do uso de ferramentas já conhecida por eles. Ao mesmo tempo, é ele quem confere a flexibilidade da arquitetura através de softwares modulares e abertos. Além disso, o PC já está inserido na infraestrutura de computação existente nas universidades, que dispõem de computadores em seus laboratórios de informática. Como o PC é o responsável pelo planejamento das tarefas do robô, é nele onde ocorre o processamento de dados mais intenso. Por consequência, o robô não necessita de grande poder de processamento, necessitando apenas de entradas e saídas digitais e analógicas. Para que haja o intercâmbio de dados entre o PC e o robô, é necessário um Sistema de Comunicação. Este pode ser tanto com fio (como o padrão RS-232 ou o USB) quanto sem fio (como o Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, dentre outros). Finalmente, é desenvolvida uma API (Application Programming Interface) que abstrai os procedimentos de acionamento dos atuadores e aquisição de dados sensoriais. Outro aspecto importante observado nos robôs desenvolvidos pelo GISDI é a pequena dimensão e peso. Os robôs são concebidos para que sejam pequenos o suficiente para serem manuseados com uma só mão. Robôs pequenos e leves não requerem grande espaço físico para montar o ambiente de trabalho, facilitando sua implantação em diferentes laboratórios, transporte e o manuseio. 3 Robô Michelangelo O robô Michelangelo, mostrado pela Figura 2, é um robô móvel de pequenas dimensões, com sistema de tração diferencial e com quatro sensores de infravermelho (IR). Seu principal objetivo é ser uma plataforma simples que envolva os conceitos básicos de eletrônica e computação, propiciando diferentes experimentos que demonstrem estes conceitos. Figura 2. Robô Michelangelo Figura 1. Arquitetura das soluções desenvolvidas pelo GISDI Este robô é usado em diferentes atividades pedagógicas dentro do curso de Ciência da Computação da UNESP de Bauru. Nas disciplinas de Laboratório de Circuitos Digitais e Introdução aos Robôs Móveis, ele é utilizado como plataforma para a demonstração dos conceitos estudados em sala de aula. Ele também é utilizado em atividades interdisciplinares do projeto pedagógico semestral do curso. Além disso, ele também é disponibilizado para o uso em Trabalhos de Conclusão de Curso. 3.1 Arquitetura O robô embarca um sistema supervisor que é responsável pelo acionamento dos atuadores e pela leitura dos sensores, mediante a requisição do computador. No computador estão o ambiente de desenvolvimento e a API do Michelangelo, que oferece a interface de software que abstrai a comunicação entre o computador e o robô. Para estabelecer a comunicação entre o robô e o computador é utilizado um Sistema de Comunicação Bluetooth. Originalmente, este robô baseava-se no Porto Paralelo, o que conferia baixo custo ao sistema. Porém este porto de comunicação entrou em desuso e em geral não é encontrado em computadores mais novos. Além disso, o Porto Paralelo utiliza um cabo para a transferência de dados, o que prejudica a mobilidade do robô e limita o seu campo de atuação. Neste sentido, apesar de encarecer o robô, o Bluetooth oferece maior mobilidade ao robô, além de ser um padrão atual presente em computadores pessoais principalmente os modelos notebook. Computado- ISSN: Vol. X 1359

3 res que não dispõe de Bluetooth integrado podem utilizar um adaptador de baixo custo que confere as mesmas capacidades de funcionamento. O conjunto do computador, o robô e o sistema de comunicação compõem a Arquitetura do Michelangelo, demonstrada pela Figura 3. mais), um computador, uma câmera global, do tipo webcam, e um transmissor, conforme mostra a Figura 4. A flexibilidade de adaptação, uso por várias disciplinas e ciclos de ensino, e o baixo custo são as premissas na concepção e desenvolvimento deste ambiente. Com o intuito de facilitar e incentivar o uso deste ambiente, as suas dimensões também foram pontos norteadores desta pesquisa. Os experimentos, neste ambiente, podem ser motivados para fins de pesquisa, aprendizagem ou, meramente, entretenimento (Ferasoli Filho et al. 2006). Há duas versões de robôs para o AEDROMO. A primeira versão, mostrada pela Figura 4, foi desenvolvida com o intuito de ser facilmente manipulado por um adulto. Em sua segunda versão, mostrada pela Figura 5, as dimensões do robô foram reduzidas para diminuir o peso e o consumo do robô, além de torna-lo pequeno o suficiente para ser manipulado por crianças. (a) Figura 3. Arquitetura do Robô Michelangelo 3.2 Atividades propostas Apesar da pouca quantidade de sensores e atuadores, é possível desenvolver diferentes atividades didáticas com o Michelangelo. O objetivo principal destas atividades é demonstrar de forma prática a aplicação dos circuitos digitais e servir de plataforma para o desenvolvimento de habilidades de programação de software. Uma atividade realizada com o robô tem por objetivo demonstrar a programação do robô e habituar os alunos ao controle do robô. Ela consiste no acionamento dos motores através do teclado enquanto o estado dos sensores é impresso na tela. Outra atividade consiste em manter o robô dentro de uma área cercada por uma linha preta. Para tanto, o aluno deve ser capaz de ler os sensores e acionar os atuadores de forma automática. Também é proposta a programação do Michelangelo para operar de forma semelhante a um AGV (Automated Guided Vehicle), de modo que ele deve seguir a linha que forma o cercado. A dificuldade do software reside na quantidade de intersecções da linha, que podem vir a formar um labirinto. É importante ressaltar que estas atividades são sempre propostas no final do curso de Circuitos Digitais e Laboratório de Circuito Digitais, pois nesta etapa do curso os alunos já têm conhecimento de todos os componentes utilizados pelo robô, bem como melhor conhecimento de programação. 4 AEDROMO O AEDROMO é um Ambiente Experimental e Didático com Robôs Móveis, formado por dois robôs (ou Figura 4. Ambiente do AEDROMO com: (a) webcam; (b) robôs; e (c) área de trabalho. 4.1 Arquitetura (c) (b) (b) Figura 5. Robô MR-I segurado por um adulto Na arquitetura do AEDROMO há dois tipos de computadores: o Computador do Servidor e o Computador do Aluno. O Computador do Servidor é responsável pela implementação do sistema de visão computacional e pela comunicação com os robôs. Por outro lado, o Computador do Aluno é onde o aplicativo de controle (Software do Aluno) é desenvolvido. ISSN: Vol. X 1360

4 Este aplicativo é um cliente que recebe do servidor as posições de todos os objetos presentes na área de trabalho e envia ao servidor os comandos de acionamento de um robô, para que o servidor encaminhe estes comandos ao robô. A comunicação entre o cliente e o servidor é dada através de uma rede Ethernet utilizando o protocolo UDP/IP (User Datagram Protocol over Internet Protocol), permitindo que seja escrito um aplicativo de controle para cada robô. Adicionalmente, os aplicativos de controle podem ser executados no mesmo computador ou em diferentes máquinas. As imagens são capturadas pela câmera global e são enviadas ao computador do servidor. Neste computador, as imagens são adquiridas e processadas (Sentir). O processamento determina as posições Cartesianas ( ) e o ângulo dos objetos (robôs, bolas, blocos, etc.) inseridos na área de trabalho, conforme demonstra a Figura 6. Para facilitar o reconhecimento do robô, foram adotados marcadores coloridos que consistem em dois círculos de cores diferentes, e. Uma vez que o servidor adquire a imagem da câmera, ele é capaz de reconhecer estas cores como regiões e determinar o ponto central de cada uma destas regiões. Com as coordenadas Cartesianas de e, o servidor calcula as coordenadas de, dado pelo ponto médio entre e, e o ângulo do robô, dado por, sabendo que é o ângulo formado entre a reta que passa por e e o eixo das abscissas. Figura 6. Posicionamento do robô reconhecido pelo sistema de visão global Estas informações de posição processadas pelo servidor são disponibilizadas ao aplicativo de controle através da API do AEDROMO, que contém os métodos necessários para estabelecer a comunicação com o servidor. Estas informações são utilizadas pelo módulo de estratégia do aplicativo de controle de acordo com as regras da aplicação em execução (Planejar). Então, comandos são encaminhados ao servidor para serem enviados aos robôs, que consequentemente agem no ambiente segundo estas regras (Atuar). A atuação dos robôs é vista pela câmera e o processo se repete numa taxa equivalente à velocidade de captura da câmera, que em geral varia de 15 a 30 fps (frames per second). A Figura 7 ilustra esta arquitetura. Esse tipo de arquitetura usando visão global confere grande versatilidade ao sistema, uma vez que permite a pequenos robôs reagirem com o ambiente de forma complexa, sem a necessidade de inclusão de sensores sofisticados. Ao mesmo tempo, ela confere ao ambiente uma ampla variedade de aplicações pedagógicas tanto para ensino quanto para pesquisa. Figura 7. Arquitetura do AEDROMO 4.2 Atividades propostas O ambiente do AEDROMO pode apresentar diversas opções para aplicações didáticas, como para pesquisa e entretenimento. A capacidade de reconhecer dois robôs e vários objetos coloridos através da câmera possibilita atividades que envolvam sistemas colaborativos e multiagentes. O objetivo das atividades propostas com o AEDROMO é experimentar aspectos mais complexos da robótica e da computação. A atividade, intitulada Colecionando Coisas, trabalha os aspectos básicos do ambiente. Na área de trabalho são colocadas várias bolas de cores diferentes. A tarefa é recolher determinadas bolas de mesma cor (Coisa) para uma área reservada. O tempo para recolher as bolas é o objetivo deste trabalho. Existem duas situações para esta aplicação. A primeira se caracteriza por um robô por vez trabalhando no ambiente e a segunda, com dois robôs. Principalmente, a segunda situação é rica, devido ao dinamismo imposto pelo ambiente e as possibilidades de variantes. Na atividade Caça e Caçador, os dois robôs são colocados no ambiente e com objetivos diferentes. O primeiro foge do segundo enquanto o segundo tenta pegar o primeiro. O ambiente pode ser enriquecido com objetos para facilitar a fuga ou a caça. Uma atividade que pode envolver disciplinas de Teoria dos Grafos ou Inteligência Artificial é Resolvendo o Labirinto. Na área de trabalho são colocados obstáculos, propiciando caminhos alternativos até uma determinada área. O objetivo está em encontrar esta área e retornar para a origem no menor tempo ou pelo menor caminho. Neste caso, somente um robô é utilizado. Outra atividade consiste num jogo de Tênis, onde os alunos são divididos em grupos para desenvolver a estratégia do robô. A área de trabalho é dividida ao meio e cada robô ocupa uma área. Uma bola é então liberada e o objetivo está em empurrar a bola ISSN: Vol. X 1361

5 para o outro lado da linha, sem ultrapassá-la, e atingir o fundo da quadra adversária. Cabe ao adversário impedir que isto ocorra e devolver a bola à quadra do adversário. Uma pequena competição é realizada no final da atividade para que o desempenho de cada solução apresentada seja discutido. Outra possibilidade de desenvolvimento já contemplada pela arquitetura se dá através de uma rede de computadores. Um servidor instalado dentro do robô permite o acesso aos seus sensores e atuadores por meio de um computador remoto, cuja API de desenvolvimento é semelhante a API do robô. 5 C2-25 O robô C2-25 (Alves et al. 2010), mostrado na Figura 8, é um robô móvel com tração diferencial cujo objetivo principal é aproximar os alunos ao robô através de um ambiente já conhecido: o computador. O robô embarca um netbook, que é responsável pelo seu controle. Ele embarca sensores e atuadores que, juntos ou separados, permitem experimentar diferentes conceitos de computação, engenharias e da própria robótica. Os sensores e atuadores são controlados por um sistema supervisor embarcado que é controlado pelo aplicativo de controle implementado no netbook. A comunicação entre o aplicativo de controle e o supervisor é dado através do porto USB (Universal Serial Bus). Para tanto, o supervisor foi desenvolvido como um dispositivo USB CDC (Communications Device Class). A programação do C2-25 é facilitada por uma API escrita especificamente para o robô. Esta API contém as classes e métodos necessários para adquirir os dados sensoriais e acionar seus atuadores. Esta ferramenta permite elaborar de forma rápida atividades práticas que envolvam, por exemplo, conceitos de software básico, teoria de controle, robótica ou instrumentação. Ele oferece uma interface simples para que os alunos façam a aquisição de dados e acionamento de atuadores sem conhecerem o hardware da interface ou os protocolos de comunicação. Isto reduz o tempo gasto para resolver as atividades deixando-as mais dinâmicas. Figura 8. Robô C2-25 O software de controle é executado no netbook, que também pode ser utilizado para desenvolvimento e execução do software de controle. O processamento local é desejável para aplicações onde o robô não dispõe de redes de comunicação. 5.1 Arquitetura A arquitetura do C2-25, mostrada pela Figura 9, baseia-se no sistema supervisor do robô, computador embarcado e computador remoto. Figura 9. Arquitetura do Robô C2-25 O sistema supervisor é responsável pelo acionamento dos motores e da leitura dos sensores. Estão disponíveis dois motores DC, responsáveis pela tração e aos quais são acoplados os sensores de odometria, e um servo motor cuja função é modificar a orientação do sensor de distância infravermelho. Entretanto, a eletrônica embarcada não pode ser reprogramada e, portanto, serve apenas como uma interface digital para os componentes do robô. Esta interface se dá através do porto USB (Universal Serial Bus), disponível na maioria dos computadores encontrados atualmente no mercado. O controle do supervisor é feito através do computador embarcado (o netbook), onde está disponível a API do C2-25. Neste sentido, o aluno pode desenvolver o software de controle no próprio computador embarcado. Por utilizar um sistema operacional conhecido, os alunos podem desenvolver seus trabalhos no ambiente de programação que conheceram em outras disciplinas. O computador embarcado disponibiliza também um servidor que permite o acesso remoto ao robô através de uma rede IEEE (Wi-Fi). Para utilizar-se deste recurso, foi construída uma API de Rede do C2-25 que se abstrai a camada de rede para o usuário. Desta forma, os alunos podem, também, desenvolver o software de controle em outros computadores. Esta opção facilita o controle de acesso ao robô quando vários alunos estão trabalhando ao mesmo tempo com o robô. ISSN: Vol. X 1362

6 5.2 Atividades propostas Por ter mais sensores embarcados e não depender de um computador externo para o planejamento das tarefas, o robô C2-25 abre espaço para atividades mais variadas. Pelo mesmo motivo, ele é recomendado para alunos com mais experiência de programação. A atividade Navegação demonstra as dificuldades de locomoção de um robô móvel pelo mundo e quais as técnicas desenvolvidas para responder a estas dificuldades. É possível experimentar, por exemplo, a navegação com odometria, através do uso dos encoders das rodas, e landmarks, através do uso de marcadores reconhecidos pela webcam. A atividade Seguir Mestre propõe o controle do robô através de visão computacional e do sensor de distância. Através da câmera, o robô deveria identificar um objeto colorido, alinhar-se a ele e seguir em frente até chegar a uma distância pré-determinada. Depois, o objeto é trocado por uma roupa de mesma cor, de modo que o robô deve seguir a pessoa vestida com esta roupa. A atividade Interação com pessoas utiliza bibliotecas de código aberto de reconhecimento e síntese de fala para criar cenários de interação entre o robô e uma pessoa. Nesta interação, a pessoa pode pedir que o robô leve objetos de um lado para outro da sala ou que ele mostre o caminho para algum ponto conhecido. 6 Considerações Finais Os robôs móveis construídos por escolas e universidades podem apresentar bons resultados, principalmente pelo fato de terem sido projetados e ajustados aos objetivos da iniciativa educacional perseguida. Entretanto, os resultados obtidos, apesar de relatáveis, não podem, normalmente, serem compartilhados e aproveitados por outras iniciativas semelhantes de outras instituições, exceto se todo o experimento ou ambiente for criteriosamente replicado e que os objetivos, ou propósitos, sejam iguais ou, no pior caso, parecidos (Borenstein et al. 1995). Paralelamente, a eficiência do uso da robótica para o aprendizado de programação é relativa aos cuidados dados à estratégia didática adotada. Em outras palavras, a robótica, assim como os computadores, são ferramentas educacionais poderosas, e assim, deve ser encarada, mas a sua eficácia é dependente do modelo, do objetivo e da estratégia educacional imposta. A robótica na educação não pode ser vista como uma panaceia e sim como uma ferramenta de apoio que deve ser convenientemente explorada. As escolas não podem ficar alheias a esta ferramenta como também, não podem usá-la sem um critério bem estabelecido. Finalmente, a robótica esta cada vez mais presente nas escolas, seja de forma curricular, seja em cursos paralelos, ou mesmo como entretenimento. Neste sentido, o GISDI vem trabalhando em ambientes didáticos com robôs móveis. Sob o ponto de vista tecnológico os ambientes apresentados oferecem suporte a uma ampla variedade de opções didáticas, tanto para o ensino de problemas relacionados à própria robótica quanto para suporte a outras disciplinas, como por exemplo, para o ensino de programação, modelagem, controle, processamento de sinais, ou também comportamentos. Este artigo apresentou e discutiu a aplicação de três ambientes didáticos adotados pelo GISDI. Atualmente, eles são aplicados dentro da grade curricular do curso de Bacharelado em Ciência da Computação da Faculdade de Ciências na forma de atividades de disciplinas específicas ou na forma de projeto pedagógico semestral. Agradecimentos Agradecemos à Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de São Paulo (Processo 2010/ ), ao Laboratório de Automação Integrada e Robótica da Faculdade de Engenharia Mecânica da Universidade Estadual de Campinas UNICAMP, e ao Laboratório de Integração de Sistemas e Dispositivos Inteligentes do Departamento de Computação da Faculdade de Ciências da Universidade Estadual Paulista UNESP pelo apoio ao desenvolvimento dos projetos apresentados. Referências Bibliográficas Alves, S. et al., Environment for Teaching and Development of Mobile Robot Systems. In Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference (CERMA), Electronics, Robotics and Automotive Mechanics Conference (CERMA), p Avanzato, R., Mobile robotics for freshman design, research, and high schooloutreach. In 2000 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics. Barker, B.S. & Ansorge, J., Robotics as means to increase achievement scores in an informal learning environment. Journal of Research on Technology in Education, 39(3), p Borenstein, J., Everett, H.R. & Feng, L., Where am I? Sensors and Techniques for Mobile Robot Positioning, AK Peters, Ltd., Wellesley, MA), 1st ed., Ch. 2, pp and pp Ferasoli Filho, H. et al., AEDROMO- An Experimental and Didactic Environment with Mobile Robots. Proceedings of The 3rd International Conference on Autonomous Robots and Agents. Papert, S., Mindstorms: children, computers, and powerful ideas, New York, NY, USA: Basic Books, Inc. ISSN: Vol. X 1363

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