SUPERLOGO-RCX AMBIENTE PARA ROBÓTICA EDUCACIONAL
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SUPERLOGO-RCX AMBIENTE PARA ROBÓTICA EDUCACIONAL
ROBÓTICA EDUCACIONAL E ACESSO REMOTO: RELATO DE UMA EXPERIÊNCIA João Vilhete Viegas d’Abreu - Núcleo de Informática Aplicada à Educação - NIED Universidade Estadual de Campinas / UNICAMP – Campinas, São Paulo, BRASIL [email protected] Maria Cecília Martins - Núcleo de Informática Aplicada à Educação - NIED Universidade Estadual de Campinas / UNICAMP – Campinas, São Paulo, BRASIL [email protected] Resumo A utilização da Internet tem transformado experimentos de robótica educacional, em atividades com possibilidades de serem controlados remotamente por pessoas situadas em locais geograficamente distintos. Este artigo apresenta uma experiência de uso de dispositivos robóticos e rede de comunicação sem fio em uma escola de ensino fundamental I e II (faixa etária de 07 a 14 anos). Nesta experiência dispositivos robóticos dotados de motores, sensores e luzes, puderam ser controlados remotamente, a partir do pátio da escola, para realizar tarefas em um outro local a alguns quilômetros distante da escola. O artigo discutirá, os resultados obtidos nesta experiência com relação a integração deste tipo de atividade de robótica pedagógica ao conteúdo curricular da escola. Abstract The use of the Internet has transformed experiments of educational robotics into activities with possibilities to be controlled remotely for situated people in geographically distinct places. This article presents an experience of use of robotic devices and wireless communication in a basic school. In this experience robotic devices with engines, sensors and light, they could remotely have been controlled, from the school, to carry through tasks in one another place to some kilometers distant of the school. The article will argue, the results gotten in this experience with regard to integration of this type of activity of pedagogical robotics to the curricular content of the school. Introdução A utilização de dispositivos robóticos controlados por computador com finalidades educacionais é uma linha de pesquisa relacionada à denominada área de Robótica Pedagógica, ou Robótica Educacional que tem estado em crescente desenvolvimento ao longo de pelo menos duas décadas. Por sua vez, a Robótica Pedagógica, que consiste basicamente na utilização de conceitos de robótica industrial no contexto educacional, tem se preocupando com a Telerobótica que se constitui, resumidamente, na teleoperação e telemonitoramento de dispositivos robóticos utilizando-se dos recursos da rede Internet. Todo este processo se dá no contexto de uso de recursos tecnológicos baseados em tecnologias digitais que atualmente possibilitam a criação/implementação de Laboratório de Acesso Remoto – LAR.O Laboratório de Acesso Remoto – LAR se enquadra num contexto de diversificação de formas de utilização da Internet para possibilitar a criação de um Território Virtual Comum, onde pessoas podem trabalhar em um mesmo experimento à distância, com a condição de se poder comparar, comprovar e interagir com equipamentos e dispositivos robóticos dos mais variados tipos. Além disso, as pessoas poderão interagir também com os programas computacionais e os resultados que estes estarão produzindo em tempo real. A idéia do LAR está centrada na possibilidade de pessoas localizadas geograficamente em pontos remotos, poderem trocar dados, testar hipóteses, controlar um equipamento (por exemplo, um robô), enfim desenvolverem a distância um projeto. A partir de um laboratório situado geograficamente em uma instituição educacional, pessoas que terão acesso a este laboratório controlarão equipamentos ali existentes, utilizando os recursos da Internet. No contexto educacional atual, se por um lado ocorre um aumento de recursos tecnológicos passíveis de serem utilizados na área de Tecnologias de Informação e Comunicação – TIC’s, existe também, por outro lado, um aumento do número de alunos, para os quais esses recursos devem ser disponibilizados. Acrescentando-se TIC’s ao LAR, uma dinâmica de interação apropriada, é possível à execução de um experimento de maneira colaborativa que permite a troca, a participação e a discussão de um determinado tópico entre alunos de diferentes locais e até mesmo de outros países de forma rápida e eficaz. Além disso, o LAR pode servir como espaço para validação de simulações que são realizadas, somente usando como ferramenta o software, na mediada em que o aluno terá acesso e o controle a um equipamento físico constituído de componentes de hardware que permitem a realização/validação remota daquilo que foi simulado. Isso tudo denota uma mudança de paradigma que tem duas conseqüências diferentes para o uso de ambientes de aprendizagem eficazes com base nessas TIC’s. Ou seja, temos por um lado, as ferramentas tecnológicas influenciando e transformando as atividades desenvolvidas pelos alunos e, por outro lado, por serem ferramentas que podem ser configuradas pelo aluno, a prática no uso dessas ferramentas sendo influenciada pela tecnologia (Odorico, 2004). Os autores d’Abreu e Chella têm desenvolvido trabalhos que envolvem no contexto de LAR o controle de um robô montado com tijolos LEGO, controle de um braço mecânico que utiliza servomotores ou controle de qualquer outro dispositivo eletrônico/eletromecânico, que esteja disponível fisicamente no laboratório (d’Abreu at al, 2006). Ao controle desses dispositivos remotos tem sido incluído o uso de recursos tecnológicos WiFi (Wireless Fidelity) e Wi-Max (Worldwide Interoperability for Microwave Access), que são tecnologias com base em padrões de comunicação que possibilitam criar redes sem fio com o objetivo de promover a compatibilidade e inter-operabilidade entre equipamentos. (http://pt.wikipedia.org/wiki/Wimax). Este artigo apresenta resultados de uma experiência piloto de uso de dispositivos robóticos e rede de comunicação sem fio, Wi-Fi e Wi-Max, em uma escola de ensino fundamental I e II (faixa etária de 07 a 14 anos). Neste contexto dispositivos robóticos dotados de motores, sensores e luzes puderam ser controlados remotamente, a partir do pátio da escola, para realizar tarefas em um outro local, distante a alguns quilômetros da escola. A base teórica deste trabalho se insere no contexto de pesquisas do Núcleo de Informática Aplicada à Educação – NIED/UNICAMP na área de Robótica Pedagógica, que segue desdobramentos de pesquisas atuais de implementação de Laboratório de Acesso Remoto – LAR em algumas instituições de ensino. Do ponto de vista pedagógico acreditamos que todo o aprendizado que é possível de se realizar no ambiente presencial, deve ser propiciado também a distância. Entretanto, isto só se concretizará se houver, por um lado, uma proposta pedagógica, por parte das instituições educacionais que possuem o LAR. E, por outro lado, se o LAR está equipado com ferramentas de hardware e de software que permitem: um acesso rápido, controle dos equipamentos de forma eficiente, troca de mensagens rápidas entre os usuários, interação eficiente entre estes e o equipamento sob controle, para que o feedback seja fiel e confiável. Enfim, é importante que todo o processamento seja realizado rapidamente, para que o usuário, embora executando um controle a distância, se sinta o mais próximo possível do controle em tempo real. Desenvolver ferramentas educacionais que podem auxiliar nesse processo como um todo tem sido um dos nossos desafios. Pesquisa em Robótica Pedagógica A pesquisa na área de Robótica Pedagógica no NIED se insere no contexto de uso do computador como ferramenta educacional tendo como meta a interação do computador com os mais variados tipos de dispositivos robóticos com o propósito educacional. Isso é um tipo de atividade que tem sido desenvolvido ha aproximadamente 20 anos com alunos “normais” e que nos últimos três anos tem se expandido envolvendo também alunos com necessidades especiais. Nesse contexto, o desenvolvimento do Traçador Gráfico para alunos cegos da escola especial teve os seguintes objetivos: ¾ Desenvolvimento de pesquisas enfocando a implementação de Dispositivos Robóticos e a definição de ambientes educacionais, para uso destes dispositivos na área de Cartografia Tátil, Geografia e Meio Ambiente, visando sua utilização por alunos cegos, com baixa acuidade visual e surdos. ¾ Registro da utilização de Dispositivos Robóticos no processo de aprendizagem de conceitos científicos envolvendo alunos cegos, surdos e baixa acuidade visual no que se refere à inserção na escola de tecnologias digitais com base no computador. Robótica Pedagógica Um ambiente de robótica pedagógica pressupõe a existência de professor, aluno e ferramentas que possibilitam a montagem, automação e controle de Dispositivos Robóticos. Alunos e professores interagindo entre si e com essas ferramentas produzem novos conhecimentos caracterizando esse ambiente como um ambiente pedagógico que não existe a priori. Desse cenário podem fazer parte dispositivos como montagens LEGO, manipulador robótico, robô móvel, tartaruga mecânica de solo, Traçador Gráfico educacional, dentre outros. Em um ambiente de robótica pedagógica, na montagem de dispositivos pode-se utilizar peças mecânicas tais como rosca sem-fim, engrenagens, eixos, cremalheiras, correias dentadas etc., para montar estruturas mecânicas. Essas peças são devidamente acopladas respeitando alguns princípios da Mecânica, da Física, da Matemática, buscando trabalhar os conceitos de uma forma interdisciplinar. Além disso, utilizam componentes elétricos como motores, sensores de luz, toque, temperatura, som, posição, lâmpadas dentre outros compnentes, que possibilitam o acionamento dos dispositivos. Em um ambiente de robótica pedagógica, na automação e controle dos dispositivos elabora-se programas utilizando software do tipo SuperLogo1 Robolab2, LEGO Mindstorms, dentre outros softwares elaborados com propósitos educacionais. No contexto de uso de tecnologias digitais com base nos recursos da Internet, a esses ambientes educacionais, têm sido integrados avanços tecnológicos, Wi-Fi e Wi-Max da área de comunicação sem fio, como forma de se expandir e diversificar, ainda mais, o entorno pedagógico no qual o professor e os alunos poderão/deverão atuar. A seguir faremos uma breve descrição das Tecnologias Wi-Fi e Wi-Max. O que é Wi-Fi O termo Wi-Fi (Wireless Fidelity) é o termo usado para receptores de rádios. O termo começou a ser usado no Reino Unido logo depois que uma rádio começou a transmitir para outros sinais eletromagnéticos. É um protocolo de comunicação sem fios projetado com o objetivo de criar redes wireless de alta velocidade e que não faz mais do que transferir dados por ondas de rádio em freqüências não licenciadas. (http://pt.wikipedia.org/wiki/Wi-fi). Para Michael Thelander (2005) o Wi-Fi não é um padrão, mas sim um nome comercial que pode ser aplicado a uma série de padrões 802.11 IEEE, incluindo o 802.11b, 802.11a e o 802.11g. Supõe-se que o termo Wi-Fi será também aplicado ao 802.11n quando esse padrão for aprovado. O que é Wi-Max Segundo Thelander (2005), “WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access Interoperabilidade Mundial para Acesso de Microondas) é o nome comercial de um grupo de tecnologias sem fio que emergIram da família de padrões WirelessMAN (Wireless Metropolitan Area Network – Rede de Área Metropolitana Sem Fio) IEEE 802.16. Apesar do termo WiMAX só ter alguns anos, o padrão 802.16 existe desde o final da década de 1990, primeiro com a adoção do padrão 802.163 (10-66GHz) e depois com o 802.16a (2-11GHz) 1 SuperLogo é uma versão da Linguagem Logo desenvolvida pela Universidade de Berkley -EUA, traduzida para o português pelo Núcleo de Informática Aplicada à Educação - NIED da Universidade Estadual de Campinas UNICAMP. 2 ROBOLAB é um software de programação que utiliza uma linguagem totalmente gráfica, baseada em ícones, desenvolvida especificamente para ser utilizada na programação do RCX ™, bloco programável da LEGO ™. O ROBOLAB foi desenvolvido em parceria entre a National Instruments e a Tufts University - College of Engineering a pedido da LEGO Dacta ™. O software ROBOLAB baseia-se no LabVIEW ™ da Nationall Instruments. 3 IEEE 802.16-2004 é uma tecnologia recente de acesso sem fio fixo, o que significa que está desenhada para servir como uma tecnologia de substituição do DSL sem fio, para concorrer com os provedores de fio de banda larga, ou para prover acesso básico de voz e banda larga em áreas remotas onde não exista nenhuma outra tecnologia de acesso (Thelander, 2005). em janeiro de 2003.” Portanto, o termo WiMAX foi cunhado por um grupo de indústrias conhecido como WiMax Fórum cujo objetivo é promover a compatibilidade e interoperabilidade entre equipamentos baseados no padrão IEEE 802.16. Este padrão é similar ao padrão Wi-Fi (IEEE 802.11), que agrega conhecimentos e recursos mais recentes, visando uma melhor performance de comunicação. (http://pt.wikipedia.org/wiki/Wimax). O padrão WiMAX tem como objetivo estabelecer a parte final da infra-estrutura de conexão de banda larga oferecendo conectividade para uso doméstico, empresarial e em Hotspots (pontos de acesso). Sistema de controle e acesso remoto de Robô Móvel Nas pesquisas desenvolvidas no NIED na área de Robótica Pedagógica foi implementado um sistema de controle e acesso remoto de Robô Móvel para ser utilizado em experimentos inseridos em contextos educacionais. Tal sistema foi desenvolvido a partir do levantamento dos requisitos baseado no seguinte caso de uso: • • Necessidade de deslocamento em um ambiente. Visualização do deslocamento por meio de vídeo em tempo real. O sistema desenvolvido para realização do experimento é constituído por um robô móvel com câmera de vídeo aplicativos que operam no modelo cliente/servidor, veja figura 1, para o controle do robô remotamente, via rede Internet e um servidor/codificador de vídeo responsável pela transmissão em tempo real das imagens capturadas pela câmera do robô (Chella e Ferreira, 2004). Figura 1: Representação Esquemática do Sistema O controle do robô pelo usuário ocorre a partir de uma interface gráfica carregada em navegador padrão web, (veja figura 2). A interface gráfica disponibiliza botões para controle do deslocamento do robô, captura de fotos, anotação de textos e uma janela para visualização de vídeo em tempo real. Botões para controlar o robô Imagem captada pela câmera do robô Botões para controlar a câmera e tirar fotos Figura 2: Interface Gráfica de acesso e controle do Robô Móvel O Robô Móvel é uma plataforma desenvolvida tendo como requisitos a confiabilidade, robustez e baixo custo. O sistema motriz é constituído por dois servomotores padrão (veja figura 3). Esses servomotores são comandados por meio de um microcontrolador que gera os sinais para controle do sentido de rotação e parada. A comunicação do robô móvel com o computador ocorre por meio de um link de rádio freqüência. O computador contendo um aplicativo servidor para comandos de robótica tem conectado a sua porta paralela (Centronics) um sistema com transmissor de rádio freqüência. Desse modo, os comandos originados no computador são enviados para o receptor no robô móvel e decodificados no microcontrolador para gerar os sinais que acionam os servomotores. O usuário ao clicar em um dos botões para controle envia comandos para o servidor de robótica. Nesse servidor os comandos são decodificados. Se for um comando para o robô o mesmo é enviado para o hardware que faz a transmissão pelo link de radiofreqüência. Os comandos para captura de fotos e anotações em texto realizam essas ações disponibilizando os arquivos em uma área acessível ao usuário. O vídeo capturado pela câmera instalada no robô móvel (veja figura 3) é transmitido por rádio freqüência a um receptor conectado a entrada de uma placa para captura de vídeo no PC. O vídeo é codificado pelo servidor e disponibilizado na forma de stream, (veja figura 2). Esta figura apresenta também uma visão geral do sistema para o experimento remoto. Câmera de vídeo e foto Circuitos da interface e comunicação por rádio Servomotores de tracionamento Figura 3: Robô Móvel O Robô Móvel foi inicialmente desenvolvido para utilização com crianças surdas de ensino fundamental I e II (faixa etária de 07 a 14 anos), de uma escola especial, na exploração de espaço físico no contexto de aprendizado de noções espaciais na área de Cartografia Tátil. Esse robô foi posteriormente adaptado para ser usado por alunos de pós-graduação na disciplina Tópicos Especiais em Edificações - IC041, ministrada pela Profa. Regina Coeli Ruschel da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo ao longo do 1º semestre de 2005, servindo como parte da ferramenta pedagógica auxiliar no processo de aprendizado de conceitos de conforto funcional. Descrição do experimento realizado na escola: No segundo semestre de 2006 houve a realização de aplicações de Robótica Pedagógica em um projeto piloto que se propunha a montar e avaliar uma rede Wimax4, criando cenários de testes para a caracterização de propagação e desempenho desta rede, em contextos educacionais. Em um “estudo de campo” foram consideradas as condições técnicas para a interligação de uma escola5 com uma Estação de Rádio Base (ERB) - localizada na PUC-Campinas, uma universidade da região – que contava com sistema para promover “Triple Play” (servidores de streaming de vídeo e servidor para conexão de voz e conexão com a Internet). Com a instalação na Escola de uma antena que possibilita a conexão de acesso sem fio à Internet banda larga (longo alcance e alta taxa de transmissão), bem como software para configuração e realização de testes da rede Wimax, foi possível a realização de aplicações – como Wimax-Robótica - de acesso a dispositivos computacionais móveis, o controle remoto destes dispositivos, o acesso e transmissão de vídeo, telefonia e dados via Internet. As aplicações de “Robótica Pedagógica” desenvolvidas neste contexto consistiam de: confecção de dispositivos mecânicos com Kit LEGO e controle remoto de dispositivos (imagem e áudio via bridge WiFi-WiMax). Nestes encontros os participantes também puderam se familiarizar com o Robô Móvel e a interface gráfica que permite o controle remoto deste equipamento. Na atividade de acesso remoto do robô os alunos puderam participar do Desafio de controlar remotamente o dispositivo em um percurso montado distante da escola. A aplicação WiMax-Robótica consistiu de 2 encontros, de aproximadamente 3 horas cada e contou com a participação de 3 professores e 15 alunos do Ciclo III, daquela escola, que envolve alunos da 6ª,7ª e 8ª séries. Nestas atividades os alunos e professores distribuídos em grupos, como mostra a figura 4, puderam montar algumas máquinas utilizando tijolos LEGO, elementos mecânicos e componentes elétricos LEGO (sensores de toque, de luz e motores), tijolos programáveis LEGO/RCX (Robotic Command Explorer) e o software Robolab que permite a programação do RCX. 4 O uso da tecnologia WiMAX na Escola do Sítio foi uma iniciativa do Projeto Piloto “Integração WiMAX: inclusão digital, conhecimento e cultura” que contou com o suporte do laboratório Wireless Competence Network (WCN)/Instituto de Computação da Unicamp, mantido pela Intel. O projeto piloto foi coordenado pelos professores Guido de Araújo (IC/Unicamp) e Omar Branquinho (Laboratório de Rádio-Frequência da PUCC) e contou com a parceria do Núcleo de Informática Aplicada à Educação (NIED/Unicamp) e do Museu de Ciências da Unicamp. Este projeto piloto envolvou a pesquisa de conexão, serviços e aplicações WiMAX em contextos educacionais e de inclusão digital. A utilização da tecnologia WiMax possibilitou a verificação do serviço Triple Play (recepção e transmissão conjunta de serviços de voz, vídeo e Internet/dados) convergente em uma conexão sem fio (wireless) para acesso e aplicações. 5 A Escola do Sitio atende alunos do ensino infantil (3 a 6 anos) e fundamental I e II (7 a 14 anos) de e tem sede em Barão Geraldo, distrito de Campinas, São Paulo, Brasil. Esta escola trabalha com ciclos de formação que desenvolve projetos com alunos de séries agrupados por interesses, idades, afinidades e necessidades cognitivas e afetivas. Segundo a concepção pedagógica da escola, estes ciclos de formação concedem mais tempo para a aprendizado, definem o que se deseja construir, viabiliza soluções, amplia as situações de aprendizagem e avaliação. Figura 4: atuação dos participantes e Robôs elaborados pelos alunos na Aplicação Wimax-Robótica No processo de construir robôs os participantes puderam aprender um pouco mais sobre o comportamento destes objetos se deslocando no espaço conectados a luzes, motores e sensores. Os robôs construídos aliados a um programa computacional puderam se locomover e, por meio de sensores, “perceber” o ambiente ao seu redor A movimentação dos robôs requer a escrita de um programa utilizando as ferramentas do software ROBOLAB. Nesse contexto, escrever programas para o controle de dispositivos robóticos significa, agrupar segundo uma certa lógica, ícones gráficos que permitem acionar motores, sensores e lâmpadas. A movimentação os robôs criados na Aplicação WiMax-Robótica foi realizada a partir de um programa base disponibilizado para os alunos. A figura 5 mostra o exemplo de uma tela de programa no Robolab utilizado. Cria um Loop na verificação Início do programa Junção: une as duas condições Verifica sensor e toma a decisão a ser executada Liga o motor com potência máxima Fim do programa Volta para o início do Loop Figura 5: interface software Robolab e descrição de um programa base para movimentação de um robô a partir da percepção de uma determinada quantidade de luz no ambiente Na atividade de controle do robô móvel, as equipes de alunos puderam deslocar o robô em um trajeto distante da escola e que disponha de alguns desafios para serem resolvidos. Por meio de uma interface gráfica – os participantes puderam movimentar o robô no trajeto proposto, controlar os movimentos da câmera de vídeo e gravar as imagens captadas pela câmera do robô. As equipes puderam se comunicar por telefones VoiP – enviando e recebendo informações relacionadas a resolução dos desafios propostos durante a movimentação do robô em um dado trajeto. Para a análise de desempenho dos serviços e conexões da rede Wimax foi montado um trajeto com desafios para a movimentação do Robô e uma câmera wifi. Os comandos remotos do robô foram acessados pela Internet, e o streaming de vídeo capturado por uma câmera wifi. Figura 6: interação entre os alunos e interface de acesso e controle do robô móvel A idéia desta aplicação era propor um contexto significativo que pudesse envolver os alunos na atividade de controlar remotamente o Robô. Envolvidos nesta atividade, os participantes tiveram a possibilidade de testar sua capacidade de tomada de decisões, de trabalhar em equipe, de buscar soluções. Considerações A atividade de Robótica Pedagógica permite tanto para os professores quanto para os alunos, alunos descrever, refletir e depurar o que está sendo montado e explorar conceitos científicos, envolvidos na montagem dos dispositivos robóticos tais como: conceitos de Física (atrito, força, velocidade); de Matemática (fração, proporção); de Engenharia (concepção/construção de dispositivos robóticos, utilização de princípios mecânicos); de Programação (elaboração de procedimentos, comandos da linguagem que possibilitam a automação dos dispositivos); de Design (estética, funcionalidade); etc. Este tipo de atividade propicia ao professor o resgate das relações interdisciplinares que normalmente permeiam o ambiente de Robótica Pedagógica (D’Abreu, 1995)6. O experimento apontou para novas possibilidades de desenvolvimento de projetos conjuntos entre NIED e escola de ensino fundamental. A partir do experimento inicial houve a demanda da escola no sentido de implementar outros projetos envolvendo sensores e acesso remoto integrado a outros conteúdos que podem ser trabalhados com os alunos nos projetos que desenvolvem na escola. As possibilidades apresentadas de uso de acesso remoto promoveram uma demanda de se buscar outras formas de integrar a tecnologia ao cotidiano pedagógico da escola. 6 D´ABREU, J. V. V. Design de Dispositivos: Uma Abordagem Interdisciplinar, publicado nos Anais do VII Congresso Internacional LOGO/ I Congresso de Informática Educativa do Mercosul, em Porto Alegre, UFRGS, 1995. Bibliografia Chella M. T., e Ferreira E.C., Ferramenta para o desenvolvimento de experimentos remotos com aplicações educacionais In: VII Congresso Ibero-Americano de Informática Educativa RIBIE, Monterrey (México), 2004. D'Abreu J. V. V., Chella M. T e Ruschel R. C. , Uso de um Robô Móvel no Experimento de Conforto Funcional, In Anais do VIII Congresso Ibero-americano de Informática Educativa RIBIE, Costa Rica, 2006. D'Abreu J. V. V., e Chella M. T., Ambiente de Telerobótica em EaD In: XIII Simpósio Brasileiro de Informática na Educação - SBC2003, Campinas SP, 2003. Odorico A., Marco Teórico para una Robótica Pedagógica, Revista de Informática educativa y Medios Audiovisuales Vol. 1(3), ISSN 1667-8338, LIE-FI-UBA, AR, 2004, 34-46. Michael W. Thelander M. W., WiMAX Oportunidades e desafios em um mundo wireless, Signals Research Group, LLC, 2005. http://pt.wikipedia.org/wiki/Wimax (acesso em 12/12/06)