Engenharia Mecatrônica TCC/2015 DESENVOLVIMENTO DE UM KIT DIDÁTICO DE ROBÓTICA MÓVEL UTILIZANDO A PLATAFORMA ARDUINO Aluno: Hugo Rafael Palma Vieira de Almeida Orientador: PhD. Kelen C. Teixeira Vivaldini Centro Universitário de Araraquara (UNIARA) 2015. Área: Robótica Subárea: Programação de microcontroladores e controle de servomotores Resumo: Este projeto teve como objetivo o desenvolvimento de um kit que permite construir um robô móvel, além de permitir a sua personalização e que possa ser utilizados no contexto educacional no qual a ênfase está em sua utilização como instrumento didático de ensino. A importância na utilização da robótica no ensino decorre da possibilidade de que ela, além de ser um elemento atrativo, proporciona a popularização da tecnologia aos estudantes. Serão abordados os principais conceitos sobre a robótica, por meio de uma apresentação didática voltada para estudantes no tema e que possa ser utilizado por qualquer usuário iniciante na área de robótica. Estes conceitos relacionados a Robótica Inteligente envolvem a introdução sobre os conhecimentos teóricos e a prática com o uso de dispositivos eletrônicos e mecânicos (do tipo de sensores e motores), e de dispositivos computacionais programáveis (do tipo de microcontroladores, como por exemplo o Arduino). A partir deste kit poderá ser desenvolvida a adaptação para diversos níveis de aprendizado. Iniciando com o funcionamento básico dos sensores (infravermelho, seguidor de linhas e sonar) e atuadores (motores), até a aplicação do robô (Robô Explorador, etc). Desta forma, para desenvolvimento do trabalho as seguintes etapas foram realizadas: estrutura mecânica, hardware, funcionamento dos sensores e atuadores, e desenvolvimento de práticas de programação e montagem de nível básico, intermédio e avançado. Como resultado do estudo, pretende-se que estes kit possa ser utilizado para melhorar o conhecimento na área de eletrônica, hardware e software. Palavras-chave: Kit Didático. Robótica educacional. Robô de seis patas. Arduino.
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Engenharia Mecatrônica TCC/2015
DESENVOLVIMENTO DE UM KIT DIDÁTICO DE ROBÓTICA MÓVEL
UTILIZANDO A PLATAFORMA ARDUINO
Aluno: Hugo Rafael Palma Vieira de Almeida
Orientador: PhD. Kelen C. Teixeira Vivaldini
Centro Universitário de Araraquara (UNIARA) 2015.
Área: Robótica
Subárea: Programação de microcontroladores e controle de servomotores
Resumo: Este projeto teve como objetivo o desenvolvimento de um kit que permite construir
um robô móvel, além de permitir a sua personalização e que possa ser utilizados no contexto
educacional no qual a ênfase está em sua utilização como instrumento didático de ensino. A
importância na utilização da robótica no ensino decorre da possibilidade de que ela, além de
ser um elemento atrativo, proporciona a popularização da tecnologia aos estudantes. Serão
abordados os principais conceitos sobre a robótica, por meio de uma apresentação didática
voltada para estudantes no tema e que possa ser utilizado por qualquer usuário iniciante na
área de robótica. Estes conceitos relacionados a Robótica Inteligente envolvem a introdução
sobre os conhecimentos teóricos e a prática com o uso de dispositivos eletrônicos e mecânicos
(do tipo de sensores e motores), e de dispositivos computacionais programáveis (do tipo de
microcontroladores, como por exemplo o Arduino). A partir deste kit poderá ser
desenvolvida a adaptação para diversos níveis de aprendizado. Iniciando com o
funcionamento básico dos sensores (infravermelho, seguidor de linhas e sonar) e atuadores
(motores), até a aplicação do robô (Robô Explorador, etc). Desta forma, para
desenvolvimento do trabalho as seguintes etapas foram realizadas: estrutura mecânica,
hardware, funcionamento dos sensores e atuadores, e desenvolvimento de práticas de
programação e montagem de nível básico, intermédio e avançado. Como resultado do estudo,
pretende-se que estes kit possa ser utilizado para melhorar o conhecimento na área de
eletrônica, hardware e software.
Palavras-chave: Kit Didático. Robótica educacional. Robô de seis patas. Arduino.
ALMEIDA, H.R.P.V. Desenvolvimento de um kit didático de robótica móvel utilizando a plataforma
arduino. Trabalho de Conclusão de Curso, Centro Universitário de Araraquara, 2015.
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1. INTRODUÇÃO
No atual modelo de convivência social, a tecnologia deve estar sempre acessível e deve
permitir às pessoas novas experiências, novas descobertas e novas formas de aprender. No
entanto, a fim de que a população e, em particular, estudantes possam usufruir das
ferramentas tecnológicas existentes, é necessário que o processo educativo inclua práticas
tecnológicas em seu contexto educacional. Na busca por ambientes de aprendizagem mais
ricos e inovadores, a robótica educacional se destaca por mostrar, na prática, conceitos
teóricos e por desenvolver competências como raciocínio lógico, investigação e resolução de
problemas (Miranda, 2010).
A robótica educacional incentiva a criação e exploração de ambientes interativos para o
processo de ensino e aprendizagem no estudo das diversas disciplinas, unindo a robótica e a
educação, através da multidisciplinaridade da robótica, que é capaz de envolver temáticas
relacionada a ela, como mecânica, eletrônica e computação, entre outras áreas não
relacionadas tais como matemática, ciências, línguas, ciências sociais (Fernandes, 2013).
Desta forma, a robótica educacional ensina o aluno através da investigação, estimulando a
criatividade, no desenvolvimento de um método científico, através do erro construtivo,
estímulo da lógica, aprimoramento da motricidade, ente outros (Zili, 2004).
Umas das metodologias adequadas para o desenvolvimento de aulas de robótica educacional
em sala de aula é através de oficinas de robótica, nas quais os alunos seguem um conjunto de
passos: análise do desafio, montagem do protótipo robótico e programação do robô. O desafio
proposto pode envolver assuntos relacionados a grade curricular, desde as disciplinas básicas
de Introdução as Técnicas de Programação e Circuitos Eletrônicos, até as disciplinas
avançadas de Sistemas Embarcados e Microprocessados e Robótica. E como resultado desta
aplicação, obtemos o retorno positivo do aluno que valida os conhecimentos obtidos na
prática.
Importante ressaltar que algumas limitações restringem a inserção de robótica educacional,
pois o acesso aos kits de robótica no Brasil é dificultado devido à relação entre recursos e
custos, pois os kits importados são, em sua maioria, mais caros, enquanto que os nacionais
apresentam limitações de hardware e software (Miranda, 2010; Fernandes, 2013).
2. PROJETO DO KIT DIDÁTICO
O kit proposto neste trabalho teve como finalidade o desenvolvimento do raciocínio lógico
e o desenvolvimento acadêmico sobre a área de robótica. Este kit tem uma configuração
inicial de uso, mas é possível a alteração e inclusão de diversos componentes a fim de
possibilitar uma experiência de aprendizado rica e didática.
Na configuração inicial será disponibilizado um modelo mecânico baseado na configuração
de patas (Figura 1) para sua movimentação, e um sensor sonar capaz de medir a distância de
objetos para que o mesmo possa desviar de obstáculos.
A configuração de patas foi inspirada no modelo Crawler Kit For Boe Bot (PARALLAX,
2004) e escolhido devido à facilidade de montagem, o custo baixo e o efeito visual que este
proporciona, visando estimular o interesse de estudantes de diversas faixas etárias na área de
robótica.
ALMEIDA, H.R.P.V. Desenvolvimento de um kit didático de robótica móvel utilizando a plataforma
arduino. Trabalho de Conclusão de Curso, Centro Universitário de Araraquara, 2015.
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Figura 1 - Estrutura Mecânica
Fonte: Próprio Autor
A Figura 1 demonstra em modelagem 3D toda a estrutura montada e a disposição corretas das
patas para conseguir um movimento uniforme que faça com que o robô seja capaz de se
movimentar.
Figura 2 - Exemplo de robôs possíveis com o kit didático
Fonte: Adaptado de Boe Bot por Parallax
O desenvolvimento do kit foi dividido em quatro etapas. Na primeira etapa apresenta-se a
estrutura mecânica e são explicadas as escolhas realizadas para definição das peças e de qual
forma utilizá-las. Na segunda etapa apresenta-se o hardware utilizado, bem como as possíveis
substituições para outro tipo de microcontrolador ou microprocessador utilizado. Na terceira
etapa, os atuadores e sensores escolhidos para a configuração inicial e exemplos de diversas
modificações que podem ser realizadas são apresentadas. E na quarta etapa são apresentados
os resultados obtidos no desenvolvimento do kit proposto e exemplificada a lógica de
programação adotada.
ALMEIDA, H.R.P.V. Desenvolvimento de um kit didático de robótica móvel utilizando a plataforma
arduino. Trabalho de Conclusão de Curso, Centro Universitário de Araraquara, 2015.
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2.1. Estrutura Mecânica
Para a montagem é necessário verificar a escolha do tipo de robô a ser montado. Como
se pode observar, o Chassi (Fig. 3A) pode ser adaptado para a utilização de robô com patas ou
com rodas. Os demais desenhos do kit exemplifica o uso do chassi para a montagem de um
robô com patas (Fig. 3 B à E).
Figura 3 - Estrutura Mecânica : (a) Chassi, (b) Lateral robô com patas, (c) Pata 4 furos, (d) Pata de
ligação e (e) Pata do meio - Fonte: Próprio autor
A estrutura mecânica do robô proposto para o kit didático é baseada no movimento de uma
aranha, utilizam-se seis patas para chegar ao movimento desejado.
A grande diferença desta estrutura está no fato de somente as patas do meio serem atuadas,
utilizando apenas um motor de cada lado do robô, dois motores no projeto todo, para
conseguir um movimento completo de “rastejar” (do inglês craw).
Os desenhos técnicos em CAD estão disponíveis para download
[http://www.thingiverse.com/thing:1122043]. As peças da estrutura podem ser
confeccionadas em uma impressora 3D ou em metal, ambos os materiais são facilmente
encontrados no mercado e por preços acessíveis.
Caso queira utilizar o robô com rodas simplesmente remova a lateral e as patas deixando
somente o servomotor que é instalado diretamente no chassi (Figura 3) e instale as rodas nos
respectivos servos de cada lado do chassi. Também será necessário um acoplamento esférico
na parte frontal para o equilíbrio, conforme mostrado na Figura 2 (Robô com rodas).