DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE VIRTUAL DE SIMULACÃO PARA AUXILIAR O PROCESSO DE ENSINO-APRENDIZAGEM DE ROBÓTICA NA ENGENHARIA

Transcrição

1 DESENVOLVIMENTO DE AMBIENTE VIRTUAL DE SIMULACÃO PARA AUXILIAR O PROCESSO DE ENSINO-APRENDIZAGEM DE ROBÓTICA NA ENGENHARIA Sammara Raquel Vilar sammaravilar@gmail.com Lincoln Machado de Araújo machado.lincoln@gmail.com Ademar Gonçalves da Costa Junior ademar.costa@ifpb.edu.br Laboratório de Instrumentação, Sistemas de Controle e Automação (LINSCA) Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba (IFPB) João Pessoa (PB), Brasil Resumo: A inserção da robótica como ferramenta do processo ensino aprendizagem, torna o ambiente acadêmico mais atraente e produz um apelo lúdico ao mesmo, de forma a propiciar a experimentação e estimular a criatividade. A utilização de simuladores na área de robótica pode facilitar o estudo e o conhecimento nessa área, permitindo verificar a integração de componentes, a mudança de ambiente, e a visualização prática de um hardware ainda não implementado. Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um ambiente virtual de simulação robótica, seus testes usando algoritmos de mapeamento e navegação, e sua usabilidade sendo avaliada por estudantes do curso de Engenharia Elétrica. O ambiente de simulação foi baseado na plataforma de software livre Blender Game Engine, e sua programação é desenvolvida em Python.. Palavras-chave: Blender Game Engine, Python, Robótica, simuladores. 1. INTRODUÇÃO A utilização de novas tecnologias em atividades que compõem a grade curricular dos cursos gera um significativo impacto no processo de ensino e aprendizagem, despertando a curiosidade e produzindo um maior interesse do aluno, o que gera descobertas onde o processo tradicional não é capaz de realizar. Com isso, os aprendizes tornam-se elementos instigados a criar soluções, desenvolver estratégias e inovar (VARGAS et al, 2012). O estudo da robótica reúne todas as competências necessárias para a construção de uma máquina, por meio de computadores, programação e sistemas de comunicação. O perfil particular dessa ciência promove no aluno a atitude criativa e melhora a capacidade de comunicação, a visão sistêmica, a cooperação e o trabalho em equipe, além de favorecer o aumento do interesse e motivação para as disciplinas tradicionais (CHELLA, 2002). No Brasil, a robótica educacional teve seus primeiros estudos desenvolvidos em universidades com a Unicamp, UFRGS e UFRJ e que, segundo D'Abreu et al (2012), trata-se de um processo interativo, conciliatório, entre o concreto e o abstrato na resolução de um problema que envolve etapas como: concepção, implementação, construção automação e controle de um mecanismo. Em todas essas etapas pode e deve ocorrer a construção de conhecimento, advindo das mais diferentes áreas científicas.

2 Porém, a implementação física de um robô é uma etapa bastante trabalhosa, e o custo pode ser alto. Além dos sensores e dos atuadores, o robô deve possuir um hardware com poder de processamento suficiente para poder coletar e processar todas as informações dos sensores e realizar o envio de comandos aos atuadores (ROMERO et al, 2014). Simuladores são softwares capazes de reproduzir o comportamentoo de algum sistema produzindo fenômenos e sensações que na prática não estão ocorrendo. Os simuladores de robôs são capazes de simular os movimentos dos robôs e de reproduzir respostas similares aos dos sensores que os robôs não possuem (FERNANDES; GONÇALVES, 2012). O uso de um simulador pode facilitar o processo de desenvolvimento e validação do robô, permitindo verificar a integração dos componentes, avaliando o seu comportamento nas mais diversas condições como, por exemplo, a mudança no ambiente. Outro aspecto da simulação é que a mesma é menos custosa em termos de recursos físicos e financeiros, oferecendo maior flexibilidade ao permitir explorar condições que, de outra forma, seriam inviáveis como, por exemplo, a ocupação de um espaço físico maior que o disponível no laboratório em um ambiente simulado. Outra possibilidade é a de simular múltiplos robôs mesmo sem a disponibilidade de hardware (CHELLA, 2002). Em Fernandes e Gonçalves (2012) foi implementado um simulador de robótica educacional na linguagem Java utilizando a plataforma NetBeans, e para a implementação dos ambientes gráficos foi utilizado o JMonkey Engine, um game engine que facilita a construção de ambientes tridimensionais. Neste trabalho é descrita a implementação de um ambiente de simulação robótica, que pode ser usado como ferramenta auxiliar no processo de ensino-aprendizagem da robótica em cursos de engenharia, já que permite o estudo da robótica sem a utilização de robôs físicos. O projeto foi desenvolvido utilizando o software Blender e sua ferramenta de desenvolvimento de jogos BGE (Blender Game Engine), que vem recebendo contribuições para o desenvolvimento de simuladores de robótica (ECHEVERRIA et al, 2011; FERRAGUTI et al, 2013; ABDULLAH et al, 2016). Também foram realizados testes com usuários para a avaliação do funcionamento do software. Este trabalho é dividido da seguinte forma: na seção 2 são apresentados os materiais e métodos utilizados, na seção 3 são apresentados os resultados obtidos com o desenvolvimento do ambiente computacional, e por fim, na seção 4 são apresentadas as considerações finais deste projeto. 2. METODOLOGIA EMPREGADA NO DESENVOLVIMENTO DO PROJETO Para o desenvolvimento da plataforma de simulação para algoritmos de mapeamento em robótica móvel foi utilizado o software opensource Blender, bastante utilizado para a modelagem e a animação 3D profissional que acompanha um engine para desenvolvimento de jogos. A metodologia adotada pode ser dividida em quatro fases principais, onde na primeira fase foi realizada uma pesquisa sobre simulação robótica, modelagem e animação tridimensional, sobre a plataforma a ser utilizada, o Blender e a linguagem de programação Python. A segunda fase, a mais longa do projeto, foi a de desenvolvimento do ambiente de simulação, com o primeiro passo sendo a construção do ambiente tridimensional utilizando o software Blender, e a partir desse primeiro passo, utilizando a ferramenta Blender Game Engine, foram implementados comandos de movimentação por meio de um teclado. Em seguida, esses comandos passaram a ser por meio software, em linguagem Python. Foram

3 caracterizados os sensores de toque e o sensor ultrassônico presentes no laboratório, para que pudessem ser modelados no ambiente de simulação. Na terceira fase foram realizados os testes do ambiente de simulação, sendo desenvolvidos e avaliados algoritmos de desvio de obstáculo, movimentação, além da implementação de um algoritmo de visibilidade para mapear ambientes, e com isso verificar as funcionalidades do simulador. Na quarta fase, foram realizados testes com usuários, sendo esses estudantes de engenharia, todos com algumaa experiência prévia com robótica móvel. A partir desses testes, esses usuários deram opiniões e sugestões a respeito do ambiente de simulação, para que o ambiente de simulação pudesse receber aprimoramentos em seu desenvolvimento. 3. RESULTADOS OBTIDOS COM O AMBIENTE DE SIMULAÇÃO Para o desenvolvimentoo do ambiente de simulação computacional de robótica, os sensores de ultrassom e o de toque foram caracterizados e simulados, sendo escolhidos por serem sensores comuns em robôs móveis. Foi desenvolvido um espaço tridimensional com obstáculos e um robô móvel, capaz de reproduzir um ambiente de testes controlado para algoritmos de mapeamento e de localização. Fenômenos físicos como a gravidade, colisões e iluminação em corpos também foram implementados no ambiente de simulação. A Figura 1 ilustra o ambiente tridimensional desenvolvido para simulação. Figura 1 Ambientee tridimensional para simulação do ambiente de testes. Na Figura 1 é possível observar o estado dos sensores de ultrassom e de toque durante a execução de um script. Por meio do editor de texto do Blender é possível escrever scripts em Python que podem ser simulados no ambiente de simulação robótica desenvolvido. A interface conta com duas câmeras simultâneas. A primeira câmera fica posicionada em terceira pessoa, permitindo uma ampla visão periférica. A segunda câmera mostra uma visão superior, mostrando todo o espaço de simulação, assim como os obstáculos e o robô de uma perspectiva fixa. A escolha dessas duas visões do ambiente foi definida por estar presente na maioria dos jogos de simulação atuais, o que permite uma curva de aprendizagem diferenciada para o público jovem e adolescente que costuma consumir esse tipo de produto.

4 A interface desenvolvida está ilustrada na Figura 2. Versões futuras do software poderão contar com outras câmeras, caso se faça necessário. Figura 2 Interface de simulação robótica. Um script parcial desenvolvido em Python, com comandos básicos de movimentação e o uso dos sensores do robô é ilustrado na Figura 3. Figura 3 Script parcial com comandos básicos de movimentação e do uso dos sensores. Foram implementados códigos na linguagem Python para verificar a funcionalidade do ambiente, que apresentou bom desempenho em atividades de movimentação por meio das características dos sensoress de toque e sonar implementados. A partir disso, foi implementado, para fins de este, um algoritmo de mapeamento e de navegação baseado em grafo de visibilidade (MUÑOZ et al, 2010; CRESPO et al, 2014), em um ambiente em L,

5 onde o robô móvel saiu de um ponto inicial à um ponto final utilizando as informações do sensor radar como base. A Figura 4 ilustra o ambiente modelado e a execução de tal algoritmo à medida que ocorre a simulação. Figura 4 Ambiente e execução de um algoritmo de mapeamento e navegação. Após o desenvolvimento do ambiente de simulação, foram realizados testes de usabilidade com seis usuários, estudantes do IFPB (Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Paraíba), cursando entre o sexto e oitavo período do curso de Engenharia Elétrica, e com alguma experiência em robótica. Esses estudantes testaram seus algoritmos no ambiente de simulação e responderam a um questionário sobre a funcionalidade do ambiente. Na primeira pergunta Você voltaria a usar o ambiente de simulação em seus testes de algoritmos de robótica?, 100% dos usuários afirmaram que sim, como ilustra a Figura 5. Figura 5 Percentual dos usuários que voltaria a usar o ambiente de simulação robótica.

6 Quanto a interface, 50% dos usuários a classificou como boa, 33,3\% classificaram como regular, e 16,7% a classificaram como ruim, como ilustra a Figura 6. Também foram sugeridas algumas melhorias quanto à usabilidade, como tornar a interfacee mais simples, pois alguns usuários relataram que sentiram dificuldades em interpretar a interface do Blender no primeiro contato. Figura 6 Opinião dos usuários quanto à interface do ambiente. Na terceira pergunta do questionário aplicado, 83,3% dos usuários classificaram como bons os comandos de movimentação do ambiente de simulação, como ilustra a Figura 7. Figura 7 Opinião dos usuários quanto aos comandos de movimentação do ambiente. Na quarta pergunta do questionário tem como objetivo a avaliação do funcionamento dos sensores que foram utilizados nos testes. Caso os sensores funcionassem de forma semelhante a realidade eles seriam classificados como bons, caso eles apresentassem falhas, eles seriam classificados como regulares, e caso contrário, seriam classificados como ruins. 50% dos usuários classificaram os sensores como bons e os outros 50% como regulares, como ilustra a Figura 8.

7 Figura 8 Opinião dos usuários quanto aos sensores do ambiente. 4. CONSIDERAÇÕES FINAIS Nesse artigo foram apresentados os resultados preliminares do ambiente de simulação computacional robótica que objetiva facilitar e estimular o estudo da robótica para estudantes de engenharia. O ambiente computacional foi avaliado por possíveis usuários que forneceram feedbacks no aprimoramento do projeto. A partir do desenvolvimento desse ambiente de simulação computacional o estudo da robótica será possível sem a necessidade da aquisição de robôs, assim como o teste de algoritmos de planejamento de trajetórias, antes da construção física de robôs, podendo tornar o estudo da robótica mais acessível. Agradecimentos Os autores agradecem ao IFPB pelo apoio financeiro na aquisição de equipamentos e a bolsa de pesquisa para o projeto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ABDULLAH, S. C. et al. Robot arm simulation using 3D software application with 3D modeling, programming and simulation support. Anais: 2016 International Symposium on Micro-Nano Mechatronics and Human Science (MHS), Nagoya (Japan), CHELLA, M. T. UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS, Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação. Ambiente de robótica para aplicações educacionais com SuperLogo p, il. Dissertação (Mestrado). CHELLA, M. T. Simrobô: simulador para robótica com propósito educacional. Anais: III Workshop de Robótica Educacional, Fortaleza (Brasil), CRESPO, J. et al. Algorithm for graph visibility obtainment from a map of non-convex polygons. International Journal of Mechanical Engineering and Robotics Research, v. 3, n. 2, p , D ABREU, J. V. V. et al. Robótica educativa/pedagógica na era digital. Anais: II Congresso Internacional TIC e Educação ticeduca2012, Lisboa (Portugal), p , 2012.

8 ECHEVERRIA, G. et al. Modular open robots simulation engine: Morse. Anais: 2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Shangai (China), FERNANDES, C.; GONÇALVES, L. M. G. S-educ: Um simulador de ambiente de robótica educacional em plataforma virtual. Anais: WTDR - Workshop de Tesess e Dissertações de Robótica, Natal (Brasil), FERRAGUTI, F. et al. A component-based software architecture for control and simulation of robotic manipulators. Anais: 2013 IEEE 18th Conference on Emerging Technologies Factory Automation (ETFA), Cagliari (Italy), MUÑOZ, D. M. et al. Robô cão guia para auxílio a deficientes visuais em recintos fechados. Anais: VI Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, Campina Grande (Brasil), ROMERO, R. A. F. et al. Robótica móvel. Rio de Janeiro: LTC / Grupo Gen, v. 1. VARGAS, M. et al. Utilização da robótica educacional como ferramenta lúdica de aprendizagem na engenharia de produção: introdução à produção automatizada. Anais: XL Congresso Brasileiro de Educação em Engenharia (COBENGE 2012), Belém (Brasil), DEVELOPMENT OF A VIRTUAL SIMULATION ENVIRONMENT TO ASSIST THE ROBOTIC TEACHING-LEARNING PROCESS IN ENGINEERING Abstract: The inclusion of robotics in the process of learning an instrument makes the academic environment more attractive and produces a playful appeal to it, in order to provide experience and stimulate creativity. The use of simulators in the area of robotics can facilitate the study and knowledge in the area, allow the integration of components, a change of environment, and a practical knowledge of hardware not yet implemented. This work is the development of a virtual environment of robotic simulation, its tests using mapping and navigation algorithms, and its use evaluated by students of Electricall Engineering. The simulation environment was based on the free software platform Blender Game Engine, and its programming was developed in Python. Keywords: Blender Game Engine, Python, robotics, simulators.