UTILIZAÇÃO DE BRINQUEDOS PARA UM ENSINO DIDÁTICO

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1 UTILIZAÇÃO DE BRINQUEDOS PARA UM ENSINO DIDÁTICO FABIO O. YAMADA 1, BRUNO R. HOLANDA 2, GABIEL S. SCHMALZ 3, HEITOR A. P. SILVA 4, JEAN M. P. MARTINS 5, KALLIL R. R. SOUZA 6 Rodrigo Holsbak Paranhos 7 Yuri Barbosa Oliveira Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:ymda.14@gmail.com 2. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:brunorodrigusholanda2@hotmail.com 3. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s: gabrielschmalz@hotmail.com 4. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:heitor.9@hotmail.com 5. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s: j.m.martins7@uol.com.br 6. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:kallriq@live.com 7. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:rodrigo.holsback@hotmail.com 8. Laboratório de Lego, GPEC, Universidade Católica Dom Bosco s:yuri_bso@hotmail.com Abstract In this article, will be introduced all the factors that compose both the assembly as the strategy defined by our crew MECCA, even as the obstacles faced by the same, for the championship on IEEE Standard Educational Kits (SEK) category. Keywords Lego Mindstorms NXT 2.0, collector robot, thrower robot, retractable arm, C++. Resumo Este artigo, serão apresentados todos os fatores que compõem tanto a montagem quanto a estrategia definida pelo grupo MECCA, assim como as dificuldades enfrentandas pelo mesmo, para o campeonato na categoria IEEE Standard Educational Kits (SEK). Palautômatosve Lego Mindstorms NXT 2.0, Robô Coletor, Robô Arremessador, Braco retratil, C++.

2 1 Introdução Em um mundo onde a tecnologia leva o desenvolvimento econômico e social dos países, a importância de bons acadêmicos com formação em engenharia deve ser considerada como um aspecto central de cada sistema de ensino. Essa formação de engenharia deve abranger tanto aspectos teórico, bem como as aplicações práticas que mostram os alunos a relacionar o conhecimento abstrato que aprendem nas sessões de palestras com problemas do mundo real e as suas dificuldades. E autômatos foi uma ótima investida para o curso de engenharia podendo dar um bom aspecto, trabalhando em várias áreas, como engenharia da computação, engenharia mecânica e controle e automação, que pode ser facilmente dividida em hardware e software. O Lego mindstorm foi apresentado em Los Angeles no ano de 2006, com o objetivo de apresenta ar um novo metodó de desenvolver um modelo mais avançado da nova geração do brinquedo com o objetivo de material didático para ensinar com novos programados e desenvolvedores podem aplicar, com ajuda de sensores e softwares mais avançados. Nosso simulador é escrito em linguagem c+ +, que implica em portas independentes da maquina. Os sensores desenvolvidos por esses novos modelos são, sensores de luz, toque, e som, permitindo um software mais avançado; permitindo esses novos modelos não criar só estruturas e sim movimentos e comportamentos específicos com grandes precisões. 2 Revisão de literatura. Ainda falando sobre o lançamento de esferas para o lado oposto do campo e da montagem do robô como um todo, fixou-se o computador do robô, conhecido como NXT, na base do robô com certa angulação, de forma que a parte superior do NXT, onde se encontram os botões e a tela de cristal líquido (Liquid Cristal Display, ou sua abreviação, LCD) dele, fiquem voltados para a parte traseira do robô. Utilizando como apoio o próprio NXT com a sua angulação, montou-se uma rampa apoiada na parte de trás do NXT, por onde as esferas serão atiradas. 2.2 Angulo da rampa e lançamento. A angulação de construção desta rampa é de, aproximadamente, 45º. O motivo de tal escolha para a angulação da rampa será demonstrado abaixo. Figura 1. Descrição de um lançamento oblíquo Desconsiderando a ação da resistência do ar no projétil (esfera), a única força que age sobre ele é a gravidade. Sendo assim, a única aceleração que o corpo sofre será a da gravidade, adotada como negativa devido a se posicionar em sentido contrário ao eixo 0y. Dado a velocidade inicial V 0, temos que: V y = V 0sinθ (1) V x = V 0cosθ (2) Após isso, sabendo que para um lançamento de projétil o tempo para que o mesmo retorne à altura inicial de lançamento (y 0 = y 1) é dado pela equação N t 1 = 2V 0y/g (3) Onde g é a aceleração da gravidade. Substituindo a equação (1) em (3), temos que t 1 = 2V 0sinθ/g (4) Se valendo da equação dos espaços, temos que o deslocamento horizontal se dá por x = x 0 + V xt 1 (5) Dado que o espaço inicial x 0 é adotado como a origem, portanto tem valor 0, e substituindo as equações (2) e (4) em (5), temos que o espaço final onde a esfera atinge o solo é x = (V 0cosθ)2V 0sinθ/g (6) Sabendo que temos a identidade trigonométrica dada por 2sinθcosθ = sin2θ (7)

3 Substituindo (7) em (6), temos que o local onde o projétil aterrissa é dado pela equação x = V 02 sin2θ/g (8) Percebe-se que a posição da aterrizagem do projétil está em função do ângulo de lançamento. Temos que o maior valor que x pode assumir ocorre quando sin2θ for igual a 1. Sabendo que sin2θ é igual a 1 quando o valor do ângulo for de 90º, temos então que o valor do ângulo de lançamento deve ser igual a 45º para termos o maior deslocamento horizontal do projétil. [1] Por este motivo, optou-se por criar uma rampa com tal angulação de lançamento. 2.3 Sistema de posicionação do robô. O desenvolvimento inicial de C ocorreu no AT&T Bell Labs entre1969 e 1973 de acordo com Ritchie, o período mais criativo ocorreu em A linguagem foi chamada "C", porque suas características foram obtidas a partir de uma linguagem anteriormente chamado de "B", que de acordo com a Ken Thompson era versão reduzida da linguagem de programação BCPL A versão original PDP-11 do sistema Unix foi desenvolvido em assembly. Em1973, com a adição dos tipos struct, a linguagem C tornou-se poderosa o suficiente para que a maior parte do kernel do Unix fosse reescrito em C. Este foi um dos primeiros núcleos de sistemas operacionais implementadas em uma linguagem diferente da linguagem Assembly. Em 1977, foram feitas novas mudanças por Ritchie e Stephen C. Johnson para facilitar a portabilidade do sistema operacional Unix. O Portable C Compiler' de Johnson serviu de base para várias implementações de C em novas plataformas.7 Através do programa ROBOT C e com vários estudos que nos proporcionou a criação de algorítimos que utilizamos para as possíveis movimentações do, como ele andar para frente, detectar algum objeto e vários outros tipos de soluções para resolver esse tipo de problema. Figura 2. Sensor Ultrassônico utilizado na construção dos robôs. A localização do robô em meio à arena da competição será definida através de uma sistema semelhante a um sistema cartesiano, sendo que as coordenadas do robô serão dadas através da utilização de dois sensores ultrassônicos, conectados na parte traseira e lateral, respectivamente. O lado ao qual o sensor ultrassônico será conectado dependerá de qual lado da arena o robô iniciará sua prova. Tal motivo se deve pelo fato que, como serão dois robôs participando na prova, então poderemos dividir as tarefas de cada um, diminuindo a área de atuação de cada um dos robôs e assim aumentando sua eficiência, pois com uma área menor de trabalho, ambos os robôs terão mais tempo para fazerem inúmeras rondas pela parte do campo que lhe cabe, selecionando as esferas que devem ser enviadas ao campo adversário. 2.4 Linguagem C++ e Algorítimos Figura 3. Programa Robot C Algorítimo Mostrando um algorítimo básico para a movimentação do robô. #pragma config(sensor, S1, SSonar, sensorso- NAR) #pragma config(motor, motora, LED, tmotornxt, A linguagem c++ é uma linguagem de programação compliada de proposito geral, estruturas imperatividade, procedual, padronizada pela ISO, criada em 1972, por Dennis Ritchie, no AT&T Bell Labs, para desenvolver o sistema operacional unix. coder) #pragma config(motor, motorb, Left, tmotornxt,

4 coder) 3 Metodologia #pragma config(motor, motorc, Right, tmotornxt, coder) Para a execução deste projeto seguem abaixo a descrição Metodológica dos objetivos específicos apresentados na Seção 2. //*!!Code automatically generated by 'ROBOTC' configuration wizard 3.1 Construção de Robos para o campeonato CBR!!*// task main() { int speed = 50, i; A construção do robôs será através dos kits disponibilizados pela universidade, nos quais serão montados dois ou mais robôs com as seguintes funções, um para juntar as bolinhas de pingue-pongue e outro para coletar as bolinhas vermelhas e azuis, onde ele fará uma pré-seleção, mandando para o outro campo só as bolinhas vermelhas e deixando as azuis no campo em que ele se encontra. Tais ações serão feitas a partir do algoritmo implementado através do software Robot C. i =45; 3.2 Materiais while(true){ while(sensorvalue(ssonar)>i){ motor[right] = speed; motor[left] = speed; wait10msec(1000); } while(sensorvalue(ssonar)<i){ motor[right] = -speed; motor[left] = +speed; wait1msec(1000); } Os materiais utilizados para esse projeto foram 2 kits de lego mindstorm por carrinho, totalizando portanto 4 kits, e notebooks del l vostro, Lenovo e Acer para a implementação dos códigos em C++, no laboratório de pesquisa da Universidade Católica Dom Bosco do grupo GPEC. Características físicas: Largura: 24x24 cm Altura: 16 cm Dividido em: Quadro(caçamba) Pá coletora Pista lançadora Robô Coletor Características físicas: Largura: 10x10 cm Altura: 15 cm 4 Resultados e Discussões Quando pensamos em dimensão logo associamos a peso, pois não poderia ser muito pesado e nem grande, tinha que ser veloz e possuir uma grande precisão. Logo em uma segunda aproximação verificamos que o modelo teria que ser um modelo es-

5 tratégico que atendesse as necessidades das estratégias abordadas por nós e teria que ser de fácil manuseio (Montagem de Desmontagem) de suas partes pois em uma competição tempo é uma estratégia primordial e precisa ser considerada. Em seguida tomamos conhecimento de nossas limitações. Cada carro deveria conter um número infirmo de peças, pois nossa limitação em peças eram de 4 kits de lego apenas, para atender as limitações do campo e que estivessem dentro das condições citadas a cima. Chegando a mais duas conclusões: Simples Objetivo Então optamos por construir dois carros, um modelo de carro que juntasse as bolas durante um determinado tempo em uma espécie de caçamba e, as arremessasse para o campo adversário durante um intervalo de tempo, e outro que percorreria o campo com um braço juntando todas as bolas do campo levando em direção ao robô arremessador sendo que o primeiro foi batizado de Robô Arremessador, e o segundo, batizado de "Robô Coletor", respectivamente. Optamos por construir primeiramente o robô arremessador, por exigir um maior tempo e ter uma maior dificuldade, pois o mesmo deveria conter uma enorme precisão já que ele realizaria uma curva de 90 Graus em sua trajetória ocasionando certos erros, pois para ele se desviar de sua trajetória e depois voltar a mesma somente utilizando servo motores e um sensor de distância -sabendo que o sensor apresentava falhas- seria quase impossível. Logo após a montagem da primeira versão do "quadro" do robô arremessador e sua base utilizando dois eixos para a sua movimentação pelo campo na parte traseira inferior, a colocação dos NXT nas laterais do quadro e a pá apoiada nos NXT, sendo usado 4 servo motores 2 laterais na parte frontal superior para a movimentação da pá, 2 na parte frontal inferior para a movimentação do robô e por fim a pista de lançamento da parte traseira inferior para a superior e da esquerda para a direita tendo seu ângulo de 45 Graus de inclinação, percebemos um erro grave de cálculo, onde tínhamos dimensionado a pista lançadora sem levar em consideração os cabos que ligariam os motores e sensores, quando realizamos um teste, percebemos que as bolinhas se desviavam de sua trajetória devido aos cabos de conexão. Então entramos em uma nova discussão para reprojetar o robô de modo que atendesse as condições feitas inicialmente e que eliminasse esse erro. Decidimos colocar um dos NTX na parte traseira do robô e trazer a pista para a lateral. Aproveitando as mudanças feitas, retiramos um servo motor da pá e centralizamos o outro, retiramos a caçamba colocando no lugar uma pista que encaminha as bolas até a pista de lançamento e travamos os eixos do robô. Sendo relativamente mais fácil e sem imprevistos o robô coletor foi montado de acordo com o planejado. Montamos o quadro, colocamos o NXT como parte do quadro ligando-o a dois servo motores para a sua movimentação e um outro designado para a movimentação do braço retrátil. 5 Conclusão Com os conhecimentos adquiridos em salas de aula, possibilitou a formulação de varias estratégias na parte de programação, onde envolve um grande raciocínio lógico e um conhecimento da linguagem C que está sendo utilizada, além de estimular a criatividade e melhorar o raciocínio lógico que podem ser aproveitados nas demais disciplinas do curso de engenharia. Há alguns ajustes que precisam ser feitos para que o robô tenha o aproveitamento máximo para realizar as tarefas que nos aguarda na competição. Embora a existência de dificuldades na montagem e na programação, isso apenas motiva o grupo a pesquisar mais para que possamos melhorar o desempenho do robô e diminuir o máximo as probabilidades de erros na competição. Agradecimentos Este trabalho recebeu apoio financeiro da Universidade Católica Dom Bosco, UCDB, da Fundação de Apoio ao Desenvolvimento do Ensino, Ciência e Tecnologia do Estado de Mato Grosso do Sul, FUN- DECT. O sucesso do SBAI /DINCON 2013 depende e muito do seu trabalho e cooperação. E aos professores Uender da Costa Faria e Mauro Conti Pereira pelo apoio e a dedicação ao grupo. Referências Bibliográficas YOUNG, H.D. (2008). Física II. HURBAIN, A.W. (2008) Calor Sensor Showdown. OLIVEIRA. U. (2008) Programando em C. HAMADA, M. (2011) A Game-based Learning System for Theory of Computation Using Lego NXT Robot MARTÍN, C. A. (2012) A LEGO Mindstorms NXT approach for teaching at Data Acquisition, Control Systems Engineering and Real-Time Systems undergraduate courses