MINI BAJA: Automação e Desenvolvimento de Artefatos

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1 MINI BAJA: Automação e Desenvolvimento de Artefatos Alex Ferreira dos Reis 1,2, Silvia Branco Vidal Bustamante 1 1 Centro de Informática Educativa - Faculdade de Educação Universidade Católica de Petrópolis (UCP) Caixa Postal Petrópolis - RJ - Brasil 2 Bolsista do CNPq / PIBIC alex.ferreira@ucp.br, silvia.bustamante@ucp.br Abstract. This project was developed to investigate interdisciplinary relations between the Educational Robotics and Engineering Mechanics. Through this partnership it was possible to improve the technology of the devices, making possible the curvilinear movement, instead of just improve the rectilinear movement. The project also searches differential resources for optimizing the power of the engine joining gears and a more complex structure of artifact building. Resumo. Este projeto foi desenvolvido para investigar aspectos interdisciplinares entre a Robótica Educacional e a Engenharia Mecânica. Através desta parceria foi possível melhorar a tecnologia dos artefatos, possibilitando o movimento curvilíneo, tendo em vista que até então os artefatos só tinham movimento retilíneo. Visando maiores mudanças, buscamos através do diferencial otimizar a potência do motor, aliando jogos de engrenagens e uma estrutura de montagem mais complexa. Figura 1. Mini Baja 1. Introdução A idéia básica do projeto é sustentada na hipótese de que grande parte dos conteúdos formais são aprendidos sem a construção do significado que a eles corresponde. Por isso ao pensar na robótica em termos de educação, temos nós mesmos que passar pelo IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

2 processo de construir e organizar idéias para em função disto trabalhar com os alunos na elaboração de projetos. Para que isso seja possível nos propusemos trabalhar a construção de um minibaja, projeto coordenado na UCP pelo Prof. Jorge Fontanella. Nossa idéia consistiu em verificar de que forma, pedagogicamente, a utilização da robótica simulando um minibaja, poderia nos auxiliar na montagem de um mini-baja na Escola de Engenharia. Assim sendo, nosso projeto trabalha na fase da construção de protótipos, envolvendo possibilidades de uma proposta pedagógica futura, que possa ser utilizada por alunos de 8 a série do ensino fundamental ou por alunos do Ensino Médio. Ao falar de um automóvel, nós não temos a menor idéia de como é a complexidade de seu interior. Contudo, pesquisando sobre como era a dinâmica de um carro vimos a possibilidade de construir um artefato com certas características, que somente carros industrializados possuem como diferenciais com redução e aumento de força do motor, rotação das rodas dianteiras para manobra e design. O intuito era ter um carro com dimensões menores e com estilo de um "off-road" (carro fora de estrada), com design mais arrojado e com mais resistência do que os demais projetos, otimizando assim a velocidade e o desempenho. Para caracterizarmos melhor o problema, destacamos a necessidade de construir um artefato que deveria conter maior rigidez para suportar impactos, mas, como as peças são de encaixe, conseguimos de forma harmoniosa desenvolver uma estrutura que condizia com a nossa proposta de um carro mais robusto. Estudamos também a melhor maneira de equilibrar o carro, ou seja, colocar o motor onde possibilitasse dimensionar o espaço, para facilitar o encaixe das engrenagens. A rotação das rodas dianteiras foi a tecnologia imposta ao artefato que mais se destacou, por sua complexidade e pelo tempo que demorou para sua concepção, já que foi utilizada apenas a criatividade para achar os encaixes que possibilitariam que o artefato fizesse curva. No Kit Robolab as peças são limitadas para a construção de algo mais complexo. Esta abordagem é imposta para que os alunos possam aguçar a criatividade, capacitando-os a terem um raciocínio mais rápido e a terem também maior capacidade de abstração sobre pontos de vista internos e externos, ou seja, dentro e fora da escola. Os métodos usados para fazer os artefatos anteriormente eram sempre iguais dispensando as complexidades que poderiam ser adotadas. A partir deste artefato foi quebrado um paradigma, foi o projeto que envolveu a dinâmica de se criar condições para o desenvolvimento principalmente do "Heads in", já que dependia muito da reflexão de novas idéias. Além do diferencial foi desenvolvido também um controle sobre as rodas dianteiras. 2. Construção do artefato Este projeto foi desenvolvido com uma base de pesquisa mais ampla do que os demais projetos, por que foi o último a ser construído. Por não termos a idéia de como iríamos fazer o diferencial, a rotação angular das rodas dianteiras, e também por que o carro deveria ficar o menor possível, enfim, pode-se dizer que o carro ficou mais dinâmico e arrojado para os padrões que vínhamos utilizando anteriormente, já que nossos padrões eram carros como fórmula 1, empilhadeira e moto. Estes dois últimos descreviam movimentos apenas lineares e também totalmente manipulados por fios, o que já não ocorre com o fórmula 1, que tem uma programação mais evoluída do que os demais artefatos mencionados. O design que foi imposto ao artefato denominado mini-baja, IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

3 vide Figura 1, foi um design compacto em seu comprimento: a largura ficou como um padrão para todos os artefatos, já a altura ficou bem maior do que a nossa referência de carro que até então era o fórmula 1. Para falar da construção do carro, nós temos que enumerar as etapas que foram percorridas ao longo de todo o ano em que os bolsistas visaram poder manipular um determinado artefato, o mais automatizado possível. Para isto seria necessário construir um carro completo com peças do kit Robolab, com movimentos e visandoaplicação de lógica da programação. Pesquisa na Internet, em revistas e até carrinho de brinquedo, para que nossos artefatos ficassem o mais semelhante possível aos carros de verdade; foi neste ponto que percebemos que não seria fácil construir artefatos de pequeno porte com peças simples do kit Robolab, já que tudo que conseguíamos achar nas pesquisas eram peças prémoldadas de encaixe fácil para artefatos industrializados. As perguntas eram: O que fazer? Como fazer? Por onde começar? Vamos por partes: o que pode diferenciar um artista de um outro artista? É claro que não são só as cores que usa em seu trabalho, mais sim a qualidade que podemos ver, sentir e denominar de criatividade. A qualidade de um determinado trabalho transpõe para quem assiste, tanto uma seriedade quanto a competência de suas ações em virtude de maior aprimoramento de idéias. O artefato em seu exterior não é tão diferente dos outros artefatos, mas, o seu interior tem como características um jogo de engrenagens chamado de diferencial que consiste em aumentar o poder de torque do motor. M = F. d Onde M é o torque ou momento da força, F é o valor da força e d é à distância do raio da engrenagem, possibilitando ultrapassar com maior tranquilidade os obstáculos. Como a proposta foi criar um carro com características de um "off-road", além de ter força, o carro tinha que ter as rodas dianteiras firmes, por este motivo à construção da rotação angular das rodas dianteiras foi elaborada de forma que resistisse a pressões maiores, caso passasse em algum obstáculo. 2.1 Características do Projeto Mini-Baja O artefato Mini-Baja se tornou um projeto muito interessante por conter todas diretrizes focalizadas no projeto original: "HANDS ON" & "HEADS IN" DESIGN E ROBÓTICA EDUCACIONAL O artefato Mini-Baja tem algumas inovações que antes não existiam nos artefatos construídos nas oficinas de Robótica Educativa. Ao decorrer do ano o projeto se tornou mais maduro em relação aos anos anteriores. Como em todos os artefatos construídos a partir do início do ano de 2002, o principal enfoque foi a otimização de cada componente que julgássemos mais relevantes para o melhor funcionamento do artefato, cada um com sua característica bem definida. IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

4 2.2 Diferencial Após todo trabalho no desenvolvimento da rotação das rodas dianteiras, vieram as dúvidas de como poderia ser desenvolvida a parte de movimentação do artefato Mini- Baja. A princípio o pensamento era transpor a força do motor diretamente para as rodas traseiras, mas, como o objetivo maior de cada projeto era a diferenciação, optamos por construir um diferencial, como os diferenciais feitos nos carros. Colocamos a energia gerada pelo motor em engrenagens, que variavam de tamanho e que, dependendo de sua posição podem variar o torque (potência), que se transfere para a roda melhorando a velocidade do carro ou a potência que queremos que o carro desenvolva. O diferencial foi uma evolução, já que os artefatos anteriores não usavam esta peça porque pensávamos não ser útil para melhorar o desempenho do carro. Apesar de sua construção não ser muito complexa, sua utilidade é realmente necessária, o diferencial coloca a força nas rodas traseiras para que elas se movimentem, mas ao invés de apenas um motor para dar esta força, com o diferencial utilizamos dois motores para transpor força para as rodas traseiras, conforme mostra na Figura 2. Figura 2. Visão inferior - Diferencial 2.3 Dificuldades na Montagem Todo artefato deve ter no seu projeto a interpretação do heads-in, hands-on e o mínimo de design para o desenvolvimento da criatividade, conceitos de física, cálculo da estrutura, arquitetura da estrutura, etc. Como em todo artefato novo que se constrói, sempre aparecem dificuldades, neste projeto não seria diferente. Depois de construído, com todas as engrenagens em seus devidos lugares, motores montados, carrocerias postas, fomos ao primeiro teste e verificamos que estavam funcionando perfeitamente; fomos ao segundo teste e apareceu um problema: o projeto tem que ser visto e revisto. A partir daí é que começam as dificuldades de montar um projeto mais complexo, pois todas as peças praticamente estão interligadas umas nas outras, atrapalhando assim a desmontagem, já que os artefatos não possuem nenhum desenho que mostre onde as peças iriam se encaixar, portanto quando o problema é detectado, temos três problemas: IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

5 1º- Desmontar o artefato com o máximo de cuidado para que as peças não se desencaixem por completo. 2º- Identificar o erro, corrigi-lo e testá-lo. 3º- Em seguida tentar montar o artefato como estava anteriormente, antes de acontecer o problema. 3. Programação A programação foi desenvolvida para que o artefato executasse suas ações de acordo com a sua aplicabilidade, que era determinada pelas variáveis da programação. O objetivo era melhorar a tecnologia da construção mecânica do artefato, portanto a programação foi colocada como dinâmica, para que sua funcionalidade fosse evidenciada. As perguntas que foram introduzidas quanto à formação do algoritmo foram constituídas através das necessidades que tínhamos, como: Como fazer o carro andar? A que potência? Como fazer com que o carro fizesse as curvas? Com que potência? Essas perguntas foram intuídas por nosso grupo, para determinarmos com facilidade o grau de dificuldade que teríamos, para construção do algoritmo. A complexidade não foi a principal dificuldade, já que o enfoque principal era a formação sólida de conceitos de construção, que envolvessem um diferencial e um conjunto de rotação das rodas dianteiras. 3.1 Ilustração Parte do algoritmo que faz com que o artefato ande usando a força do diferencial: Figura 3. Algoritmo que impulsiona o motor que está acoplado ao diferencial Como mencionado anteriormente, a programação não foi desenvolvida com muita complexidade, apenas com tarefas básicas conforme mostra a Figura 3. Explicação da Programação: Sinal Verde - Início Barra Multi-tarefa - Divide as tarefas do artefato em varias tarefas distintas. IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

6 Looping - Faz com que o computador ao terminar de proceder ao programa o reinicie automaticamente. Sensor de toque - Aciona ou desliga ações pré-determinadas. Motor "A" - Indica que, ao se acionar o sensor de toque o motor irá se movimentar para direita. Placa de PARADA "A" - Indicada ao se acionar o sensor de toque o motor A irá parar. Sinal Vermelho - Indica fim da programação. Parte do algoritmo que faz com que o artefato execute a rotação das rodas dianteiras: Figura 4. Algoritmo que impulsiona o motor que está acoplado à rotação das rodas dianteiras A comprovação de que a programação no Kit Robolab é simples, é que temos praticamente a mesma programação para funções diferentes, que são atribuídas aos artefatos, conforme mostra a Figura 4. Explicação da Programação: Sinal Verde - Início Barra Multi-tarefa - Divide as tarefas do artefato em varias tarefas distintas. IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

7 Looping - Faz com que o computador ao terminar de proceder ao programa o reinicie automaticamente. Sensor de toque - Aciona ou desliga ações pré-determinadas. Motor "B" - Indica que, ao se acionar o sensor de toque o motor irá se movimentar para direita. Placa de PARADA "B" - Indicada ao se acionar o sensor de toque o motor A irá parar. Sinal Vermelho - Indica fim da programação. 4. Conclusão Depois do término do artefato, os resultados que obtivemos foram satisfatórios em relação a proposta inicial, que era de melhorar a tecnologia, usando o projeto Mini-Baja, desenvolvido na UCP e coordenado pelo Professor Jorge Fontanella, como protótipo para novos artefatos. Como o objetivo era fazer com que os alunos se motivassem e desenvolvessem sua criatividade e suas habilidades de raciocínio o projeto se fez satisfatório, ou seja, com este artefato os alunos se mostraram mais empolgados à construção de novas idéias utilizando os conceitos aprendidos neste projeto. Como o projeto envolveu a tecnologia, a aprendizagem superou as expectativas, já que no primeiro momento só se havia pensado em construir um artefato que fosse resistente e veloz, e, no entanto, as inovações que foram feitas em relação aos projetos anteriores não foram muitas, mas consideráveis a ponto de se tornarem indispensáveis ao se pensar em construir um novo artefato com as características de um carro. Para conhecer as abordagens pedagógicas do projeto acesse: educ/galeria.htm Referências Bibliográficas Ackermann, E. (1993) Ferramentas para um aprendizado construtivo: repensando a interação. Disponível na Internet, via www URL: Bucciarelli, L. L. (1988) Engineering design process in Dubinskas, F. A. (Ed.) Making Time: Ethnographies of High-Technology Organizations, Temple University Press, Philadelphia, Cap. 3, pp. 92Ð122. IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)

8 Martin, F. (1994) Ideal and real systems: A study of notions of control in undergraduates who design robots. Disponível na Internet, via www URL: ftp://cherupakha.media.mit.edu/pub/el-publications/cip/cip_martin.pdf Martin, F. (2000) Learning with Digital Manipulatives: New FrameWolks to Help Elementary-School Students Explore "Advanced" Mathematical and Scientific Concepts. Disponível na Internet, via www URL: Martin, F. e Resnick, M. (1990) LEGO/Logo and Electronic Bricks: Creating a Scienceland for Children, The Media Laboratory, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge. Disponível na Internet, via www URL: Resnick, M., e Ocko, S. (1991) Lego/Logo: Learning Through and About Design in Constructionism, editado por I. Harel & S. Papert, Norwood N.J., Ablex Publishing. Disponível na Internet, via www URL: Ocko/ Papert, S. (1986) Constructionism: A new opportunity for elementary science education Proposal to the National Science Foundation, MIT Media Laboratory. Valente, J. A. e Canhette, C. C. (1993) LEGO-Logo, Explorando o conceito de Design in Computadores e Conhecimento Repensando a Educação, organizado por José Armando Valente, Campinas - S.P., Gráfica Central da UNICAMP, pp IX Workshop em de Informática na na Escola Educação - WIE (wie)