UTILIZAÇÃO DO KIT LEGO COMO AUXILIO NO ENSINO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

UTILIZAO DO KIT LEGO COMO

AUXILIO NO ENSINO DE CONTROLE E

AUTOMAO

Matheus Mina Hafner (UESC)

[email protected]

Alan Paranhos de Souza e Silva (UESC)

[email protected]

Luiza Miranda Guterres (UESC)

[email protected]

Ione Souza Santos (UESC)

[email protected]

MARUEDSON PIRES MARTINS (UESC)

[email protected]

Na ultima dcada pode-se notar um avano econmico e tecnolgico,

que impulsiona o aperfeioamento dos sistemas produtivos, onde as

tcnicas de controle e automao so algumas das mais usadas para a

evoluo destes sistemas. Porem as instiituies de ensino vem

encontrando muitas dificuldades no ensino destes temas, devido ao fato

dos equipamentos que auxiliam na aprendizagem serem de alto custo

de aquisio, manuteno e necessitarem de conhecimento prvio de

algumas disciplinas, como eletrnica e linguagens de programao.

Por estes motivos as universidades alocam as matrias relacionadas

controle e automao no final dos cursos de Engenharia e Cincia da

Computao. Este trabalho busca demonstrar a utilizao do kit LEGO

Mindstorms como alternativa introduo destes temas nos perodos

iniciais destes cursos, com objetivo de motivar e envolver os estudantes

neste processo de aprendizagem.

Palavras-chaves: Controle, Automao, LEGO, Mindstorms, Ensino,

PET

XXXI ENCONTRO NACIONAL DE ENGENHARIA DE PRODUCAO Inovao Tecnolgica e Propriedade Intelectual: Desafios da Engenharia de Produo na Consolidao do Brasil no

Cenrio Econmico Mundial Belo Horizonte, MG, Brasil, 04 a 07 de outubro de 2011.



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1. Introduo

Com o desenvolvimento econmico e a popularizao dos computadores, foi possvel o

desenvolvimento de diversas metodologias de ensino e aprendizagem. Nesse contexto, uma

tecnologia que tambm vem sendo muito utilizada a robtica pedaggica que por suas

caractersticas abrange condies de ensino interessantes e motivadoras, no momento em que

coloca os estudantes diretamente em contato com a construo do rob, criando desta forma

uma aprendizagem ativa.

Muitas pesquisas indicam a robtica pedaggica como sendo uma ferramenta que envolve

questes multidisciplinares, portanto uma ferramenta bastante educativa, onde estimula os

conceitos de aprender fazendo e aprender apreciando. Neste contexto o Kit Mindstorms (MINDSTORMS, 2011) da plataforma LEGO aparece como uma interessante maneira de

conseguir superar desafios que se referem a vrios domnios do conhecimento.

O kit LEGO Mindstorms vem como uma alternativa de baixo custo, na introduo do ensino

dos temas de controle e automao nos perodos iniciais dos cursos de engenharia e cincia da

computao. Onde os aparelhos convencionais utilizados para ensino desses temas requerem

um alto custo de aquisio e o conhecimento prvio de algumas disciplinas, como eletrnica e

linguagens de programao.

Devido s caractersticas inerentes a plataforma LEGO Mindstorms, como reutilizao,

diviso em mdulos, flexibilidade e custo-efetivo, torna-se uma ferramenta bastante til,

melhorando a aprendizagem de diversas reas do conhecimento (BAGNALL, 2007).

A rea de controle e automao baseia-se na modelagem de sistemas de diversas naturezas,

analisando o seu comportamento dinmico, e usando a teoria de controle para calcular os

parmetros de um controlador que faa o sistema evoluir da forma desejada e adaptativa s

mudanas do ambiente.

Para obter uma automao adequada de um sistema necessrio ter uma viso global do

processo produtivo, o que faz o profissional da rea usar informaes que relacionem reas de

conhecimento distintas, como o caso das engenharias e das cincias da computao.

Os conhecimentos de controle e automao tm suas aplicaes na indstria de processo em

geral, tais como na indstria qumica, petroqumica, alimentcia, txtil, de celulose e de

saneamento, uma vez que nos processos qumicos que decorrem ao longo do percurso

produtivo numa planta industrial, necessrio controlar o comportamento das variveis que

interferem na qualidade dos produtos de acordo com padres pr-estabelecidos. Alm disso,

todos os ramos da automao discreta tais como na manufatura se beneficiam das tcnicas de

controle. Entre as aplicaes neste ramo da indstria est a robtica industrial, usinagem de

peas, controle de motores, entre outras.

Assim, pode-se afirmar que a tecnologia de controle e automao gerou um grande aumento

na competitividade nas mais diversas reas enquanto que a automatizao dos processos

aumentou significativamente a produtividade e qualidade dos produtos.

Esse artigo trata da introduo do kit LEGO Mindstorms no ensino de robtica no Programa

de Educao Tutorial Controle (PET-CA) e automao, na montagem e desenvolvimento da rotina aplicada ao rob escorpio, onde visa desenvolver uma metodologia de ensino

utilizando o kit.



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2. PET-CA

O PET foi criado como apoio s atividades acadmicas que integram ensino, pesquisa e

extenso. Onde formado por grupos de trabalho, nos quais os alunos so alocados de acordo

com a sua aptido e desejo prprio, o PET proporciona aos estudantes participantes a

realizao de atividades extracurriculares, que so realizadas sobre a superviso de um tutor, e

complementam a formao acadmica do estudante e atendam as necessidades dos seus

cursos de graduao. ( MEC, 2011)

O PET-CA (Programa de Ensino Tutorial Controle e Automao) da Universidade Estadual

de Santa Cruz (UESC) atua gerando uma rica aprendizagem interpessoal e uma ampla

formao acadmica a alunos do curso de Engenharia de Produo e Sistemas e de Cincia da

Computao. O projeto pretende oportunizar capacitao de alto nvel aos seus membros,

gerar solues de ensino das disciplinas envolvidas utilizando instrumentais tecnolgicos

atuais e inteligentes, formar cidados com esprito empreendedor, e estender os benefcios e

resultados obtidos sociedade.

Com base no desenvolvimento e melhoria do ensino, o grupo PET-CA desenvolve trabalhos

com os kits LEGO, a fim de elaborar e desenvolver metodologias que auxiliem os professores

no ensino de controle e automao, alguns desses trabalhos podem ser visualizados na figura

1.

Figura 1 Trabalhos realizados por alunos do PET utilizando o kit LEGO

O PET-CA foi criado para contribuir para formao dos alunos envolvidos. Pois a maioria dos

cursos de engenharia e de cincia de computao no consegue fazer com que o aluno tenha

uma experincia prtica na rea de controle e automao. Fazendo com que o aprendizado de

tpicos avanados nessa rea exija a aplicao de novos mtodos de aprendizagem, a fim de

motivar e envolver os alunos no processo de aprendizagem.

3. A robtica educacional mvel

Na introduo do ensino da robtica necessrio que os recursos computacionais possuam

algumas caractersticas especiais. Como tamanho reduzido, dispositivos para entrada e sada

de dados e independncia energtica.

Visando atender tais necessidades foi desenvolvido, no Massachusetts Institute of Technology

(MIT, 2007), um tijolo programvel (Programmable Bricks) que um computador muito

pequeno inserido dentro de um bloco de montagem do tamanho de uma caixa pequena de

suco. Este pequeno computador pode ser programado para interagir com o ambiente externo

atravs de sensores de temperatura, de toque, de intensidade de luz e atuadores como motores,

buzinas e luzes. A programao do tijolo realizada em um computador pessoal utilizando



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uma verso da linguagem Logo, conhecida como Logo de tijolo (Logo Bricks), sendo em

seguida efetuada a transferncia do programa para o tijolo programvel atravs de um cabo

USB ou atravs de comunicao via Bluetooth. A partir deste ponto podem ocorrer duas

situaes: o tijolo continuar conectado com o computador pessoal e continuar trocando

informaes ou tornar-se autnomo e independente (Resnick et al., 1996).

A partir do prottipo do primeiro bloco programvel foi desenvolvido o conjunto de robtica

educacional LEGO Mindstorms, que pretendia supria a necessidade de um setor lgico que

auxiliaria na criao de um dispositivo automatizado, com funcionamento autnomo e

independente do computador pessoal. Este conjunto de robtica comercializado pela

empresa LEGO. A utilizao de dispositivos de computao embarcada em ambientes

educacionais de robtica pode oferecer aos estudantes, do ensino fundamental Universidade,

uma ferramenta para o desenvolvimento de projetos que necessitem de um computador de

tamanho reduzido, com facilidade de mobilidade e de aprendizado da programao (Fortes,

2007; Ribeiro, 2006; Teixeira, 2006; Klassner; Anderson, 2003; Steffen , 2002; Vallim,

2000).

Alem do tamanho reduzido do bloco lgico, a flexibilidade e a diviso modular associada

plataforma LEGO Mindstorms permite criar rapidamente diferentes configuraes,

apresentando uma motivao para o pblico que est dando seus primeiros passos no mundo

da robtica (e especialmente no mundo da robtica mvel), alm disso, est adquirindo

conhecimentos baseados na tcnica de prototipagem rpida (RESHKO et al., 2000).

Neste trabalho utilizou-se o NXT, como o setor lgico do kit que possui quatro entradas

(numeradas com nmeros de 1 a 4) e trs sadas (indicados com letras de A at C). Isso

significa que os blocos NXT podem coletar informaes do ambiente, atravs de quatro

sensores, e pode acionar trs dispositivos de atuao. Os sensores comuns usados por esta

plataforma so os sensores infravermelhos, sensores de toque e sensores sonoros, No entanto,

possvel obter sensores adicionais para conectar o controlador NXT, tais como sensores de

temperatura, explorando a potencialidade do LEGO Minsdstorms.

4. Apresentao do rob

Antes de falar em programao, deve-se conhecer o rob que foi montado usando um kit

LEGO Mindstorms a fim de proporcionar uma melhor interao dos usurios com a

programao do rob.

O rob montado possui 3 sensores e 3 motores ligados ao bloco lgico programvel da LEGO

Mindstorms e chamado de Spyke. O Spyke foi montado seguindo instrues

disponibilizadas no site da LEGO Mindstorms (LEGO Spike, 2011).

O Spyke, que pode ser visto na fig. 2, possui a arquitetura de um escorpio, sendo assim, dois

de seus motores so responsveis pelo movimento de suas seis patas, trs patas em cada motor, e o outro motor fica responsvel pelo movimento de seu ferro, possui tambm um sensor ultrassnico que possibilita ver a distncia de determinado objeto em sua frente, como

tambm sensor de som, que possibilita reconhecer nveis de som. No se pode esquecer o

sensor de toque localizado na ponta do seu ferro, que possibilita reconhecer se o ferro toca em algo ou no.



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Figura 2 Estrutura do Spyke

O movimento do ferro, como pode ser visto na figura 3, se d por 7 peas longas de LEGO, possibilitando alongar ou retrair atravs do motor A.



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Figura 3 Movimento do ferro

Vale ressaltar que suas patas, esquerdas ou direitas, so movimentadas simultaneamente, ou seja, ao movimentar uma pata do lado esquerdo, iremos movimentar todas as patas do lado

esquerdo, facilitando assim a movimentao do Spyke.

Sabendo da estrutura de montagem do Spyke e de como funcionam os seus movimentos,

sensores e motores, pode-se falar sobre o controle do Spyke, que feito base de software, e

possui uma grande liberdade de movimentos, coletando e enviando dados ao meio exterior.

5. Construo do programa para o rob

A programao do NXT pode ser executada dentro do ambiente de programao RIS, que

uma ferramenta de programao grfica fornecida pela LEGO.

A linguagem RIS de programao grfica que consiste em blocos funcionais que esto

organizados para a construo da programao. O programa de controle composto por um

conjunto de blocos maiores que agem como macros, ou seja, contm vrios sub-blocos, cada

um executando uma tarefa de controle especfica. Por exemplo, j existem blocos pr-

definidos para mover o rob para frente por algum tempo, para virar esquerda ou direita.

Tm-se tambm includo os chamados pequenos blocos de modo que agem como funo que

podem ser utilizados para controlar algumas funes dos blocos macros, como para controlar

a potncia dos motores, o som e as comunicaes via Bluetooth. A linguagem grfica RIS

permite tambm construir novos blocos macros que podero ser re-utilizados, ou seja,

possvel agrupar um conjunto de aes que sero utilizados mais de uma vez sobre o

programa do rob. A linguagem de programao RIS tambm contm algumas funes

auxiliares, tais como blocos dedicados a realizar repetio e temporizao, alm de um

conjunto de blocos para interagir com os diferentes sensores disponveis.

Figura 4 Interface do software NXT

O ambiente de programao RIS permite o desenvolvimento rpido de programas de robs.

Apesar de suas vantagens, principalmente quanto simplicidade e poder de intuio, o

software do NXT, que pode ser visto na Fig.4, (NXT SOFTWARE, 2011), d muitas



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limitaes aos usurios, isso pode ser visto como uma vantagem j que se trata de um kit para

leigos, porm usurios mais avanados, que dominam alguma outra linguagem de

programao, sentem a necessidade de mais liberdade para poder inovar, criar novos blocos,

funes e usar mais da lgica e da matemtica.

Contudo, como esse artigo trata da introduo do kit LEGO estudantes do primeiros

semestres dos cursos de Engenharia de Produo e Cincia da Computao, no se v

necessidade de tanta liberdade, j que so alunos com noes bsicas de eletrnica e

linguagens de programao. Com o kit LEGO, esses alunos desenvolvero curiosidade e

vontade de aprender, j que sairo da teoria e partiro para a prtica, observando rapidamente

o resultado de sua programao e a enorme quantidade de combinaes que podem ser feitas

com as peas da LEGO.

Uma grande vantagem do kit LEGO a facilidade de se trabalhar com sensores, que se

fossem obtidos na ausncia do kit, se faria necessrio de um grande conhecimento em

eletrnica para confeco de um hardware para controlar os sensores alm de conhecimento

em linguagens de programao para interagir com o hardware confeccionado.

6. Esquematizao do controle do rob

Foi desenvolvido um esquema de controle, com o intuito de fazer o Spyke andar livremente

em um ambiente desconhecido, porm antes de conhecer esse esquema, deve-se entender

alguns conceitos bsicos de um fluxograma, diagrama onde foi desenvolvido o esquema de

controle, possibilitando assim maior entendimento do esquema sem noes avanadas do

software do NXT (NXT SOFTWARE, 2011).

Um fluxograma um diagrama que tem como finalidade representar processos ou fluxos de

materiais e operaes (diagramao lgica, ou de fluxo).

O fluxograma sempre tem um incio, um sentido de leitura, ou um fluxo e um fim. Alguns

smbolos bsicos so usados na construo de qualquer fluxograma, porm eles podem variar.

A figura 5 mostra os smbolos usados no esquema de controle e seus respectivos significados.

Figura 4 Elementos de um Fluxograma

O crculo alongado indica incio ou fim do fluxo, no retngulo so inseridas as aes, o

losango representa questes/alternativas, onde sempre ter duas sadas (verdadeiro ou falso) e

o semicrculo alongado indica um atraso no fluxo, para melhor entendimento, pode ser lido

como esperar por.

No se pode esquecer-se das setas, que indicam o sentido do fluxo, fluxo este que deve ser

lido do incio em direo ao fim.

Com esse conhecimento muito bsico sobre fluxograma em conjunto com um pouco de

lgica, j se torna possvel a compreenso do esquema de controle usado pelo Spyke. Na Fig.

6, encontramos o esquema em modelo de fluxograma.



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Figura 6 Fluxograma de processos do Spyke

Ao analisar o fluxograma anteriormente apresentado, o Spyke espera uma resposta do sensor

de som para continuar o fluxo, nota-se tambm que uma deciso est no centro do processo e

executada vrias vezes at o trmino seu trmino, que calcular, com base na distncia

recebida pelo sensor ultrassnico, se deve ou no continuar andando.



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Ao no encontrar nenhuma barreira, ou a barreira esteja a mais de 30 cm de distncia, o Spyke

locomove-se para frente usando os motores B e C em sincronia. Caso contrrio, o motor A faz

com que o ferro seja alongado e espera-se uma resposta do sensor de toque para recolher o ferro, movimento tambm proporcionado pelo motor A; Logo aps esse movimento, o Spyke

usa os motores B e C em sentido contrrio para distanciar-se do obstculo e logo aps realiza

um movimento aleatrio que de virar para a esquerda ou virar para a direita.

Esses movimentos so repetidos vrias vezes at que o boto de parar, situado na unidade

lgica do NXT, seja pressionado.

Como o Spyke no possui rodas, o movimento de virar para a esquerda ou para a direita

feito baseado na velocidade de rotao do motor, ou seja, se o motor B estiver com velocidade

total e o motor C estiver com velocidade mnima, sendo que ambos os motores esto em

sentido normal, o Spyke vai se movimentar na direo do motor C.

possvel observar que os movimentos de motores so feitos em tempos pequenos para que

sempre seja possvel estar usando os sensores, possibilitando assim, maior confiabilidade nas

aes do Spyke.

7. Consideraes finais

possvel notar que a introduo do kit LEGO, nos perodos iniciais dos cursos de

engenharia e de computao uma boa alternativa pedaggica, pois consegue-se estimular a

criatividade, em relao a liberdade de alterar a estrutura criando novas composies, e aos

conceitos inicias de programao, introduzindo ferramentas simples como a diagramao com

o fluxograma e noes de lgica de programao. Saindo da teoria e partindo pra muita

prtica, com resultados quase que imediatos. Espera-se desenvolver o interesse, a pro

atividade e a curiosidade dos alunos, diminuindo assim as desistncias que existem nos

primeiros perodos dos cursos em questo.

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visitado em 5 de janeiro de 2011.

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UTILIZAÇÃO DO KIT LEGO COMO AUXILIO NO ENSINO DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO