Desenvolvimento de um Módulo Controlador como Ferramenta para Viabilização de Projetos de ...

76 Pages·2013·2.35 MB·Portuguese

by  Marcelo Moura Caires

Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia
Departamento de Ciência da Computação

Marcelo Moura Caires

Desenvolvimento de um Módulo Controlador como
Ferramenta para Viabilização de Projetos de Robótica
Educativa

Vitória da Conquista/BA
2013
2

Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia

Marcelo Moura Caires

Desenvolvimento de um Módulo Controlador como Ferramenta para Viabilização de
Projetos de Robótica Educativa

Trabalho de conclusão de curso
apresentado à Banca Examinadora do
Colegiado de Ciência da Computação da
Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia
como exigência final para obtenção do título
de Bacharel em Ciência da Computação.

Orientador: Prof. Dr. Roque Mendes Prado Trindade

Vitória da Conquista/BA
2013
3

Desenvolvimento de um Módulo Controlador como Ferramenta para Viabilização de
Projetos de Robótica Educativa

Marcelo Moura Caires

BANCA EXAMINADORA

........................................................................
Prof. Dr. Roque Mendes Prado Trindade
Orientador

........................................................................
Prof. Me. Stenio Longo Araújo

........................................................................
Prof. Me. Adilson de Lima Pereira
4

RESUMO

Este trabalho propõe o desenvolvimento de um módulo controlador que possa ser
utilizado como ferramenta na elaboração de projetos de robótica educativa, em
escolas da rede pública de ensino. A idéia do desenvolvimento desse módulo
controlador surgiu com o anseio e a necessidade de levar à comunidade escolar de
baixa renda técnicas de ensino mais dinâmicas e motivadoras, através da robótica,
utilizando material de baixo custo.
A robótica educativa pode se tornar estimulante quando utilizado com o objetivo de
levar o aluno à busca, experimentação e solução de problemas cujas resoluções
exijam criatividade e cooperação na programação e montagem de robôs, daí a
necessidade de desenvolvimento de um módulo de controle que possa viabilizar o
desenvolvimento de experiências em robótica, como meio de aplicação e
experimentação de idéias na resolução de problemas.
No desenvolvimento deste trabalho são estudados e apresentados vários conceitos
envolvendo a construção de robôs e o uso da robótica como ferramenta de auxílio
ao ensino. Ao final é desenvolvido e apresentado um protótipo do módulo
controlador proposto, aplicado a um projeto simples de robótica, com o fim de
comprovar sua viabilidade.

Palavras-chave: Robótica, Educação, Módulo Controlador, Robótica Educativa.
5

ABSTRACT

This work proposes the development of a controller module that can be used as a
tool in the development of educational robotics projects in public schools teaching.
The idea of developing this module controller came with the desire and the need to
bring to the school community of poor teaching techniques most dynamic and
motivating through robotics, using low cost material.
The educational robotics can become challenging when used with the goal of
bringing the student to the pursuit, trial and troubleshooting resolutions which require
creativity and cooperation in programming and assembly robots, hence the need for
development of a control module that can enable the development of experiments in
robotics as a means of implementation and experimentation of ideas in solving
problems.
In developing this work are studied and presented several concepts involving the
construction of robots and the use of robotics as a tool to support teaching. At the
end is developed and presented a prototype of the proposed controller module,
applied to a simple robotics, in order to prove its feasibility.

Keywords: Robotics, Education, Controller Module, Educational Robotics.
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SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ___________________________________________ 9
1.1 Formulação do Problema _________________________________ 10
1.2 Justificativa____________________________________________ 10
1.3 Objetivo ______________________________________________ 11
1.4 Objetivos específicos ____________________________________ 11
1.5 Estrutura do trabalho ____________________________________ 11
1.6 Recursos utilizados _____________________________________ 12
1.6.1 Material Permanente _________________________________ 12
1.6.2 Material de consumo _________________________________ 12
2. FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA ____________________________ 12
2.1 Conceito e História ______________________________________ 12
2.2 Classificação __________________________________________ 15
2.3 Constituição ___________________________________________ 16
2.3.1 Estrutura __________________________________________ 16
2.3.2 Atuadores _________________________________________ 26
2.3.3 Sensores __________________________________________ 29
2.3.4 Centro de controle __________________________________ 33
2.4 Robótica Educativa _____________________________________ 34
3. MÓDULO CONTROLADOR: DESENVOLVIMENTO _____________ 38
3.2 Aspectos gerais do projeto ________________________________ 38
3.3 Microcontrolador _______________________________________ 39
3.4 Programação __________________________________________ 43
3.5 Eletrônica envolvida _____________________________________ 45
3.6 Confecção da placa _____________________________________ 52
3.6.1 Módulo controlador __________________________________ 52
3.6.2 Módulos auxiliares __________________________________ 59
3.6.2.1 Módulo Sensor Seguidor de Linha ____________________ 59
3.6.2.2 Módulo de Controle de Motores DC ___________________ 64
3.7 Exemplo de aplicação ___________________________________ 69
4. CONCLUSÃO ___________________________________________ 73
5. BIBLIOGRAFIA __________________________________________ 74
7

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1: PUMA _______________________________________________ 15
Figura 2: Diferentes tipos de articulações para Robôs __________________ 18
Figura 3: Principais configurações dos robôs industriais ________________ 19
Figura 4: Polias _______________________________________________ 22
Figura 5: Polias com motor acoplado. Fonte: Sandin (2003, p.74). ________ 22
Figura 6: Esquema de funcionamento de Engrenagens Harmônicas ______ 24
Figura 7: Engrenagem Harmônica _________________________________ 25
Figura 8: Exemplo de guia dentada em portão elétrico Fonte:
http://img2.mlstatic.com/cremalheira-para-automatizador-porto-eletrnico-1-
metro_MLB-O-236633390_2625.jpg _______________________________ 26
Figura 9: Esquema de funcionamento de motores de passo Fonte: Barrientos et al
(1997, p.29). __________________________________________________ 28
Figura 10: Esquema de ligação de um motor de passo Fonte: Appin (2007, p.143).
____________________________________________________________ 29
Figura 11: Par Bimetálico ________________________________________ 31
Figura 12: Sensor De Temperatura Digital Ds18b20 ___________________ 31
Figura 13: Termistores __________________________________________ 32
Figura 14: LDR (resistor dependente de luz) _________________________ 32
Figura 15: Sensor Ultra-som _____________________________________ 33
Figura 16: Microcontroladores PIC _________________________________ 34
Figura 17: Organização da memória no Microcontrolador PIC18F4550. Fonte:
Microchip Technology INC (usa) (2013) _____________________________ 40
Figura 18: Conector USB. Fonte: (IBRAHIM, 2008, p.411). ______________ 42
Figura 19: Pinagem do microcontrolador PIC18F4550, encapsulamento PDIP.
Fonte: Microchip Technology INC (usa) (2013) _______________________ 43
Figura 20: Esquema elétrico básico do Módulo Controlador. Fonte:
http://wiki.pinguino.cc/index.php/PIC18F4550_Pinguino ________________ 46
Figura 21: Módulo Controlador: Circuito Completo ____________________ 47
Figura 22: Circuito de alimentação do Módulo Controlador ______________ 48
Figura 23: Portas S1, S2 e S3 - Sensores ___________________________ 48
Figura 24: Portas MP1 e MP2, controladoras de Motores de Passo _______ 49
8

Figura 25: Conector de Motor DC com PWM. ________________________ 49
Figura 26: Porta para display LCD _________________________________ 50
Figura 27: Circuito de reset ______________________________________ 50
Figura 28: Circuito do módulo controlador (Ampliado) __________________ 51
Figura 29: PCB do módulo controlador _____________________________ 53
Figura 30: Módulo controlador – Impressão das trilhas _________________ 54
Figura 31: Módulo controlador - Impressão dos componentes ____________ 55
Figura 32: Módulo controlador - Impressão dos componentes (espelhada) __ 55
Figura 33: Transferência térmica de Layout __________________________ 56
Figura 34: Retirando o papel após a transferência do layout _____________ 56
Figura 35: Transferência do layout realizada _________________________ 57
Figura 36: Placa corroída ________________________________________ 57
Figura 37: Perfurando a placa ____________________________________ 58
Figura 38: Módulo Controlador Pronto ______________________________ 58
Figura 39: Módulo Controlador - Trilhas _____________________________ 59
Figura 40: Funcionamento do sensor seguidor de linha _________________ 60
Figura 41: Sensor Seguidor de Linha - Esquema do Circuito _____________ 60
Figura 42: Sensor Seguidor de Linha - Placa ________________________ 62
Figura 43: Sensor Seguidor de Linha - Impressão dos Componentes _____ 63
Figura 44: Sensor Seguidor de Linha – Impressão dasTrilhas ____________ 63
Figura 45: Sensor Seguidor de Linha - Placa Pronta - Componentes ______ 63
Figura 46: Sensor Seguidor de Linha - Placa Pronta - Trilhas ____________ 64
Figura 47: Exemplo de ponte H. Fonte: Pazos (2002, p. 103) ____________ 64
Figura 48: Exemplo de Ligação do C.I. L293D ________________________ 65
Figura 49: Pinagem do C.I. 74LS04 ________________________________ 65
Figura 50: Módulo de Controle de Motores DC - Esquema do Circuito _____ 66
Figura 51: Módulo de Controle de Motores DC - Placa _________________ 67
Figura 52: Módulo de Controle de Motores DC - Impressão das Trilhas ____ 67
Figura 53: Módulo de Controle de Motores DC - Impressão dos Componentes68
Figura 54: Módulo de Controle de Motores DC - Placa Pronta - Componentes 68
Figura 55: Módulo de Controle de Motores DC - Placa Pronta - Trilhas_____ 69
Figura 56: Kit de Esteiras VEX ____________________________________ 69
9

1. INTRODUÇÃO

Vivemos um tempo em que a tecnologia tem se tornado cada vez mais presente
em nossas vidas. Fazendo parte do nosso trabalho ou da nossa casa, onde quer
que estejamos podemos sentir, em menor ou maior grau, sua influência. Seja
através de um simples celular ou de um computador conectado à internet,
podemos perceber como a tecnologia tem mudado o modo como as pessoas se
relacionam, se divertem e trabalham. Podemos perceber essa influência de
forma muito forte nas relações de trabalho, inegavelmente a tecnologia tem
tornado as empresas cada vez mais competitivas e eficientes. Assim toda
novidade tecnológica que venha otimizar o processo produtivo e maximizar os
lucros é rapidamente incorporada pelas empresas, fazendo do ambiente de
trabalho um lugar extremamente dinâmico, onde a capacidade de aprender e se
adaptar à essas novas formas de produção são qualidades desejáveis e até
imprescindíveis ao trabalhador moderno. Papert(1994, p.5) faz um observação
interessante à esse respeito quando diz que “a habilidade mais importante na
determinação do padrão de vida de uma pessoa já se tornou a capacidade de
aprender novas habilidades, de assimilar novos conceitos, de avaliar novas
situações, de lidar como o inesperado”. Dessa forma podemos entender a
necessidade de aproveitarmos todo o potencial que a tecnologia nos oferece,
agregando ao ensino tradicional novos métodos de ensino-aprendizagem e
oferecendo aos estudantes a oportunidade de vivenciar situações com as quais,
mais cedo ou mais tarde, terão que se confrontar quando se inserirem no
mercado de trabalho. Corroborando essa idéia, Papert(1994, p.6) destaca assim
o enorme potencial que essas novas tecnologias tem de dinamizar o ambiente
de aprendizagem:
As tecnologias de informação, desde a televisão até os computadores e todas as suas
combinações, abrem oportunidades sem precedentes para a ação a fim de melhorar a
qualidade do ambiente de aprendizagem, pelo que me refiro ao conjunto inteiro de
condições que contribuem para moldar a aprendizagem no trabalho, na escola e no
brinquedo. (PAPERT, 1994, p. 6)
Este trabalho visa, neste contexto constante de novidade tecnológica, prover
uma forma de levar um pouco dessa tecnologia tão presente na vida cotidiana
para as escolas, de forma fácil e acessível, tanto no aspecto de implementação
e utilização quanto no custo.
10

1.1 Formulação do Problema
A idéia do desenvolvimento deste trabalho surgiu com o anseio e a necessidade
de levar à comunidade escolar de baixa renda técnicas de ensino mais
dinâmicas e motivadoras, através da robótica, oferecendo um meio estimulante
de aplicar o conhecimento multidisciplinar de forma prática e intuitiva.

1.2 Justificativa
O benefício mais importante deste projeto é o de tornar a educação de crianças
carentes mais estimulante, tornando assim os atos de aprender e de ir à escola
atividades prazerosas nas quais o aluno possa vivenciar a prática de situações
reais que exijam dele a aplicação de todo seu potencial criativo, conhecimento
de mundo e espírito de cooperação na resolução de problemas que surgem na
interação com o meio, conforme nos mostra Weiss e Cruz (2001, pág.33): “a
aprendizagem é resultante da interação do sujeito com o objeto do
conhecimento, que não se reduz ao objeto concreto, mas inclui o outro, a
família, a escola, o social”.
Segundo Weiss e Cruz (2001, pág.32) “o professor será aquele que enriquece o
ambiente, provoca situações para que o aprendiz possa se desenvolver de
forma ativa, realizando também suas próprias descobertas”. Assim, o uso da
robótica proporciona ao professor uma forma de tornar o ambiente de ensino
mais dinâmico, prazeroso e estimulante, no qual pode interagir com o aluno,
atuando como facilitador das informações e das ferramentas necessárias à
busca de soluções, projetando, construindo, testando, analisando e
reformulando hipóteses, auxiliando e instigando assim o aluno na construção de
uma consciência crítica a respeito do mundo que o rodeia. Conforme destaca
Maisonnette:
A robótica pedagógica é uma atividade que permite a simulação em
mundos virtuais e reais, colocando o aluno e o professor diante do
computador como manipuladores de situações ali desenvolvidas, que
imitam ou se aproximam de um sistema real. É esse ambiente que
permite ao aluno manipular variáveis, observar os resultados, errar, e
modificar seu trabalho, trabalhando de forma positiva com o
paradigma erro-acerto (MAISONNETTE, 2009).