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MINISTÉRIO DA DEFESA EXÉRCITO BRASILEIRO DEPARTAMENTO DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA LEONARDO CÉSAR DE OLIVEIRA MARQUES METODOLOGIA DE AUXÍLIO AO ENSINO E À APRENDIZAGEM EM ROBÓTICA INDUSTRIAL BASEADA EM HELICOIDES Rio de Janeiro 2019 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA LEONARDO CÉSAR DE OLIVEIRA MARQUES METODOLOGIA DE AUXÍLIO AO ENSINO E À APRENDIZAGEM EM ROBÓTICA INDUSTRIAL BASEADA EM HELICOIDES Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós- Graduação em Engenharia Mecânica do Instituto Militar de Engenharia, como requisito parcial para obtenção do título de Mestre em Ciências em Engenharia Mecânica. Orientador: Prof. Luiz Paulo Gomes Ribeiro - Dr. Eng. Rio de Janeiro 2019 c2019 INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA Praça General Tibúrcio, 80 - Praia Vermelha Rio de Janeiro-RJ CEP 22290-270 Este exemplar é de propriedade do Instituto Militar de Engenharia, que poderá incluí-lo em base de dados, armazenar em computador, microfilmar ou adotar qualquer forma de arquiva- mento. É permitida a menção, reprodução parcial ou integral e a transmissão entre bibliotecas deste trabalho, sem modificação de seu texto, em qualquer meio que esteja ou venha a ser fixado, para pesquisa acadêmica, comentários e citações, desde que sem finalidade comercial e que seja feita a referência bibliográfica completa. Os conceitos expressos neste trabalho são de responsabilidade do autor e do orientador. Marques, Leonardo César de Oliveira Metodologia de auxílio ao ensino e à aprendizagem em Robótica Industrial baseada em helicoides/ Leonardo César de Oliveira Marques. – Rio de Janeiro: Instituto Militar de Engenharia, 2019. 175 p.:il, graf., tab. Dissertação (mestrado) – Instituto Militar de Engenharia – Rio de Janeiro, 2019. 1. Engenharia Mecânica – teses, dissertações. 2. Cine- mática. 3. Robótica Industrial. 4. Teoria dos Helicoides. I. Ribeiro, Luiz Paulo Gomes. II. Metodologia de auxílio ao ensino e à aprendizagem em Robótica Industrial baseada em helicoides. III. Instituto Militar de Engenharia. 2 Dedico essa obra aos meus avós, Almiro e ‘Júlia’, “In Memorian”. 4 AGRADECIMENTOS Agradeço ao Grande Engenheiro do Universo, que fez toda a Terra e tudo que nela existe. À Ele seja a honra, a glória, o poder e o domínio sobre todas as coisas. A minha esposa, Máira, pela compreensão, pelo suporte e por aprender cinemática de múl- tiplos corpos rígidos comigo. A minha família, minha mãe, Genaina, meu pai, Júlio, e meu irmão, Tiago. Sem eles não chegaria onde cheguei. Ao meu orientador professor Ribeiro, primeiramente por aceitar me orientar, mesmo sa- bendo que isto prolongaria sua permanência no Instituto após sua passagem para a reserva. Pelos diversos ensinamentos e pelas conversas sobre a vida. À todos do IDR Lab, pelo apoio, pela união e pela convivência extremamente sadia, sem falar do café. Aos professores que me fizerem crescer, intelectual e pessoalmente, através de seus ensi- namentos. A todos os funcionários do Instituto Militar de Engenharia que, de alguma forma, colabo- raram com esta etapa que se encerra. Ao IME, pela estrutura oferecida e pela oportunidade que me foi dada de ingressar e me formar no mestrado. A todos que de alguma maneira contribuíram para o meu crescimento durante esta cami- nhada. 5 “Com Deus está a sabedoria e a força; Ele tem conselho e entendimento.” Bíblia Sagrada. Jó 12.13 6 SUMÁRIO LISTA DE ILUSTRAÇÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.1 Motivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2 Formulação do Problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.1 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.3.2 Objetivos Específicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.4 Organização do trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.1 Iniciativa CDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Metodologias Ativas de Aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.1 Aprendizagem Baseada em Problemas (ProbBL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.2 Aprendizagem Baseada em Projetos (ProjBL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.2.2.1 Considerações Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3 A Robótica e a Educação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.3.1 Fundamentos de Robótica Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.1.1 Conceitos Introdutórios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.3.2 Sistema Robótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3.3 Classificação dos manipuladores seriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3.4 Localização de corpos rígidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.5 Definições importantes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.6 Representação da posição em função da mudança de orientação . . . . . . . . . . . . . . . . 45 2.3.6.1 Rotações Elementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 2.3.6.2 Rotação de um vetor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.3.6.3 Composição de Matrizes de Rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.7 Ângulos de Euler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 7 2.3.7.1 Ângulos ZYZ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.7.2 RPY (Roll - Pitch - Yaw) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.3.8 Representação da localização . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.3.8.1 Cinemática de manipuladores seriais baseada em Helicoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 2.3.8.2 Teoria dos Helicoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.3.8.3 Rotação pura de um Helicoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.3.8.4 Deslocamento Helicoidal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3.8.5 Método dos Deslocamentos dos HelicoidesSucessivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 2.3.8.6 Modelagem cinemática através da Teoria dos Helicoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 2.3.9 Fundamentos de programação de robôs industriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3 O SISTEMA CARPA-SERVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.1 Módulo para comando de servomotores R/C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.2 Módulo de planejamento de trajetória . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.2.1 Trajetórias no espaço das juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 3.2.2 Trajetória no Espaço Operacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.2.3 Caminho retilíneo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.3 Criação do Virtual Teach Pendant (VTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.3.1 Modos de manobra do manipulador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.3.2 Processo para ensino de pontos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.3.3 Comandos Básicos para Programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3.4 Procedimentos para a programação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 3.3.5 Execução das tarefas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.3.6 Módulo do protocolo Abrir / Salvar Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.4 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4 FORMALIZAÇÃO DA METODOLOGIA E ESTUDO DE CASO . . . . . . . . . . 96 4.1 Definição dos objetivos de aprendizagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.2 Planejamento da atividade e análise de viabilidade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.2.1 Principais materiais disponibilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 4.2.2 Análise de viabilidade da tarefa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.3 Execução e acompanhamento do projeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4 Avaliação e resultados da atividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.4.1 Avaliação da metodologia proposta com abordagem CDIO na aprendizagem . . . . . . 107 8 4.4.2 Avaliação da metodologia sob ótica dos alunos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.4.3 Contribuição da atividade no desenvolvimento de competências . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5 CONCLUSÕES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.1 Recapitulação sintetizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.2 Contribuições científicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.3 Considerações finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 5.4 Perspectivas para trabalhos futuros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7 APÊNDICES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 7.1 APÊNDICE 1: Modelagem cinemática de manipuladores seriais . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.1 Convenção de Denavit-Hartenberg para a modelagem cinemática de mani- puladores seriais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 7.1.2 Modelagem cinemática dos cinco principais tipos de manipuladores seriais utilizando a convenção de Denavit-Hartenberg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 7.1.3 Modelagem cinemática dos cinco principais tipos de manipuladores seriais utilizando a Teoria dos Helicoides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.2 APÊNDICE 2: Formatação dos Comandos enviados à placa SSC-32 . . . . . . . . . . . . 160 7.3 APÊNDICE 3: Algoritmos para a determinação de trajetórias . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.4 APÊNDICE 4: Cinemática Diferencial e Inversa por Helicoides . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.5 APÊNDICE 5: Exemplo de arquivo texto da tarefa gerada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9 LISTA DE ILUSTRAÇÕES FIG.2.1 Etapas de aplicação da ProbBL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 FIG.2.2 Número de publicações . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 FIG.2.3 Sinergia associada à robótica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 FIG.2.4 Componentes de um sistema robótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 FIG.2.5 Representação esquemática de um manipulador robótico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 FIG.2.6 Esquemático das juntas elementares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 FIG.2.7 Tipos de manipuladores robóticos e sua área de trabalho . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 FIG.2.8 Representação de um corpo rígido no espaço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 FIG.2.9 Representação de um corpo rígido no espaço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 FIG.2.10 Representação da rotação de um referencial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 FIG.2.11 Significação das linhas e colunas de uma matriz de rotação . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 FIG.2.12 Representação da rotação de um vetor em um plano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 FIG.2.13 Ângulos de Euler (ZYZ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 FIG.2.14 Ângulos de Euler (RPY) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 FIG.2.15 Representação de um ponto em diferentes sistemas de coordenadas . . . . . . . . . . 56 FIG.2.16 Representação de um helicoide associado a um corpo rígido . . . . . . . . . . . . . . . . 58 FIG.2.17 Representação da rotação de um helicoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 FIG.2.18 Projeção de SPP r2 sobre SPP1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 FIG.2.19 Rotação e translação em torno de um único eixo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 FIG.2.20 Deslocamento de um corpo com dois helicoides sucessivos . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 FIG.2.21 Deslocamento de um corpo por n helicoides sucessivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 FIG.3.1 Servomotor Radio Control (R/C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 FIG.3.2 Esquemas de repetições de pulsos Pulse Width Modulation (PWM) . . . . . . . . . . 76 FIG.3.3 Relação entre a posição do flange do servomotor e o sinal de referência . . . . . . 76 FIG.3.4 Placa eletrônica SSC-32, dedicada ao controle de servomotores R/C . . . . . . . . . 77 FIG.3.5 Módulo de calibração do software . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 FIG.3.6 Trajetória definida por um polinômio de terceira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 FIG.3.7 Trajetória definida por um polinômio de quinta ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 FIG.3.8 Representação paramétrica de um caminho no espaço . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 FIG.3.9 Virtual Teach Pendant - VTP do CARPA-SERVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 FIG.3.10 Seleção do modo do VTP para ensino de pontos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 10 FIG.3.11 Comportamento da junta no modo Junta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 FIG.3.12 Procedimento para ensino de pontos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 FIG.3.13 Visualização de pontos ensinados em ambiente virtual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 FIG.3.14 Procedimento para programação on-line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 FIG.3.15 Informações complementares para os comandos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 FIG.3.16 Seleção do modo do TP para ensino de pontos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 FIG.3.17 Adaptações feitas no protótipo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 FIG.4.1 Resultado da Espectroscopia de Energia Dispersiva (EDS) . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 FIG.4.2 CAD 3D das primeiras versões dos elos e do suporte do servomotor . . . . . . . . . 100 FIG.4.3 Resultados da fabricação dos elos e do suporte do motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 FIG.4.4 Montagem dos elos e do suporte do motor em CAD 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 FIG.4.5 Modelagem 3D de parte da base e montagem da base final . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 FIG.4.6 Protótipo teste: modelo CAD 3D e fabricação/montagem . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 FIG.4.7 Análise de dificuldades de fabricação (Grupo 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 FIG.4.8 Modelagem dos elementos comerciais integrados ao projeto (Grupo 2) . . . . . . . 105 FIG.4.9 Fabricação e montagem dos protótipos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 FIG.4.10 Apresentação final dos protótipos obtidos pelos alunos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 FIG.4.11 Inclusão dos modelos em CAD 3D no CARPA-SERVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 FIG.4.12 Comparação dos conceitos obtidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 FIG.4.13 Comparação dos conceitos obtidos por turmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 FIG.4.14 Principais fatores de dificuldade durante a atividade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 FIG.4.15 Avaliação do desenvolvimento de competências . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 FIG.7.1 Parâmetros de DH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 FIG.7.2 Fluxograma para a geração de trajetória definida por um polinômio de terceira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 FIG.7.3 Fluxograma para a geração de trajetória definida por um polinômio de terceira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 FIG.7.4 Fluxograma para a geração de trajetórias de várias juntas através de polinômios de terceira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 FIG.7.5 Fluxograma para a geração de trajetórias de várias juntas através de polinômios de terceira ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 11 FIG.7.6 Fluxograma para a geração de trajetória retilínea no espaço operacional definida por um polinômio de quinta ordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 FIG.7.7 Representação do fechamento de cadeia de um manipulador serial com n juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 12 LISTA DE TABELAS TAB.2.1 Metas da abordagem CDIO para o ensino de Engenharia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 TAB.2.2 Princípios para programas baseados no CDIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 TAB.2.3 Princípios para programas baseados no CDIO (Continuação) . . . . . . . . . . . . . . . 29 TAB.2.4 Diferenças entre o Ensino Tradicional e a Problem Based Learning (ProbBL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 TAB.2.5 Comparação entre ProbBL e ProjBL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 TAB.3.1 Regiões do Virtual Teach Pendant - VTP do CARPA-SERVO . . . . . . . . . . . . . . 87 TAB.3.2 Comandos implementados no CARPA-SERVO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 TAB.4.1 Principais materiais e equipamentos disponibilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 TAB.4.2 Levantamento de custos dos materiais utilizados durante atividade . . . . . . . . . . 102 TAB.4.3 Levantamento de custos das ferramentas essenciais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 TAB.4.4 Dados estatísticos da comparação das duas turmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 TAB.4.5 Pesquisa de opinião sobre os atributos desenvolvidos ao longo do pro- jeto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 13 LISTA DE ABREVIATURAS E SÍMBOLOS ABREVIATURAS CAD 3D - Computer Aided Design CAMPS - Computer-Aided Motoman MH5F robot Programming System CARPA - Computer-Aided Serial Robots Programming, Modelling and Sim- ulation Analysis CDIO - Conceive - Design - Implamentation - Operation Chalmers - Chalmers Institute of Technology COTS - Commercial Off-The-Shelf CVA - Cadeias Virtuais de Assur DCN - Diretrizes Curriculares Nacionais DCNEng - Diretrizes Curriculares Nacionais para cursos de Engenharia D-H - Denavit-Hartenberg DOF - Degree of Freedom DC - Corrente Contínua EDS - Espectroscopia de Energia Dispersiva EPD&I - Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação EPI - Equipamento de Proteção Individual END - Estratégia Nacional de Defesa FMS - Flexible Manufacturing System GBM - Grupo Banco Mundial GUI - Graphical User Interface IDR Lab - Laboratório de Robótica Industrial e de Defesa IES - Instituições de Ensino Superior IFR - International Federation of Robotics IME - Instituto Militar de Engenharia KTH - Royal Institute of Technology LiU - Linköping University MDHS - Método dos Deslocamentos dos Helicoides Sucessivos MEV - Microscópio Eletrônico de Varredura MIT - Massachusetts Institute of Technology 14 MTH - Matriz de Transformação Homogênea OOP - Object-oriented programming PD&I - Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação PIB - Produto Interno Bruto ProbBL - Problem Based Learning ProjBL - Project Based Learning PWM - Pulse Width Modulation R/C - Radio Control RUR - Rossum’s Universal Robots TCP - Tool Center Point TP - Teach Pendant VL - Virtual Laboratories VTP - Virtual Teach Pendant 15 RESUMO O surgimento de novas tecnologias, cujo impacto afeta diretamente setores ligados à in- dústria, tem determinado um marco para o início de uma nova era, a 4a Revolução Industrial, ou Indústria 4.0, tendo como características principais, processos de fabricação automatizados e a inserção da internet na indústria, visando amparar a tomada de decisão e auferir robustez aos produtos fabricados. Neste contexto, a Robótica Industrial está presente como ferramenta estratégica em processos de fabricação automatizados e se destaca pela possibilidade de em- prego dual, ou seja, é considerada estratégicapor países tecnologicamente desenvolvidos para emprego tanto em indústrias civis quanto de defesa. Entretanto, para integração dos robôs aos processos, há necessidade de capacitação e formação de recursos humanos, que demandam al- tos investimentos em equipamentos para a prática em laboratório, importante para fixação de conceitos teóricos e eficiente capacitação em programação de robôs industriais. Esta dissertação propõe uma metodologia alternativa para o auxílio ao ensino e à aprendizagem de fundamentos associados à Robótica Industrial, objetivando associar teoria à prática com segurança, baixo custo e de forma acessível, utilizando a Teoria dos Helicoides para resolução cinemática de robôs e pela proposição de uma linguagem genérica de programação integrada à comunicação com servomotores, o que possibilita a obtenção de protótipos de manipuladores robóticos utili- zando a abordagem CDIO. Como resultado é apresentado um sistema computacional intitulado CARPA-SERVO (Computer-Aided Serial Robots Programming, Modelling, Simulation Analy- sis), permitindo a inclusão de modelos em CAD 3D, com atuação simultânea de equivalente real, pela capacidade de controlar posição de servomotores. A metodologia proposta foi vali- dada com alunos do 5o ano de graduação de Engenharia Mecânica do IME no ano de 2018 e são apresentados indicadores de efetividade que mostram um aumento considerável na média do conceito obtido pelos alunos, uma redução da variância das notas individuais, além da contri- buição no desenvolvimento de competências desejáveis aos futuros engenheiros. O protótipo de manipulador robótico construído pelos próprios alunos, em conjunto com o CARPA-SERVO, resultou em um ambiente integrado de baixo custo para o ensino de tarefas simples que, diante da impossibilidade da aquisição e/ou uso do robô real, se apresenta como ferramenta alternativa ou intermediária. Palavras-chave: Robótica industrial. Teoria dos Helicoides. CDIO. Programação de Robôs. 16 ABSTRACT The emergence of new technologies, whose impact directly affects industry sectors, has set a milestone for the beginning of a new era, the 4th Industrial Revolution, or Industry 4.0, having as main characteristics, automated manufacturing processes and the insertion of the Internet in the industry, in order to support decision-making and gain robustness to manufactured products. In this context, Industrial Robotics is present as a strategic tool in automated manufacturing pro- cesses and stands out for the possibility of dual employment, that is, it is considered strategic by countries technologically developed for employment in both civil and defense industries. However, for the integration of robots into processes, there is a need for training and training of human resources, which require high investments in equipment for laboratory practice, impor- tant for establishing theoretical concepts and efficient training in industrial robot programming. This dissertation proposes an alternative methodology to aid teaching and learning fundamen- tals associated to Industrial Robotics, aiming to associate theory with practice with safety, low cost and accessible, using the Screw Theory for robot kinematic resolution and the proposi- tion of a generic programming language integrated with communication with servo motors, which allows to obtain prototypes of robotic manipulators using the CDIO approach. As a re- sult, a computer system named CARPA-SERVO (Computer-Aided Serial Robots Programming, Modeling, Simulation Analysis) is presented, allowing the inclusion of 3D CAD models, with simultaneous actuation of real equivalent, by the ability to control position of servo motors. The proposed methodology was validated with students of the 5th year of mechanical engineering graduation of the IME in the year of 2018 and are presented indicators of effectiveness that show a considerable increase in the average of the concept obtained by the students, a reduction of the variance of the individual notes, besides the contribute to the development of desirable skills for future engineers. The prototype of a robotic manipulator built by the students them- selves, together with CARPA-SERVO, resulted in an integrated low-cost environment for the teaching of simple tasks that, given the impossibility of acquiring and / or using the real robot, alternative or intermediate tool. Keywords: Industrial Robotics, Screw Theory, CDIO, Robot Programming. 17 1 INTRODUÇÃO Esta dissertação apresenta uma metodologia alternativa para o auxílio ao ensino e à aprendi- zagem de fundamentos associados à Robótica Industrial, conciliando ensino teórico à prática em laboratório didático, onde o sistema mecânico do manipulador robótico é obtido pelos alunos na forma de um protótipo usando abordagem Conceive - Design - Implamentation - Opera- tion (CDIO). Com isso, além de contribuir para o desenvolvimento de competências desejáveis aos futuros engenheiros, busca-se um aumento da efetividade do ensino de modelagem e re- solução cinemática de robôs industriais baseados na Teoria dos Helicoides e do treinamento das etapas de programação, fundamental para aumentar a quantidade de pessoal capacitado, contribuindo para disseminar a importância da integração destes sistemas mecatrônicos aos processos de fabricação do país. Este capítulo inicia com a Seção 1.1, onde é apresentada a argumentação de motivação para o Ensino, Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (EPD&I) em Robótica Industrial. A Seção 1.2 apresenta a formulação do problema que esta dissertação objetiva contribuir; seguida da Seção 1.3 onde encontram-se enumerados tanto o objetivo geral quanto os específicos. Fi- nalmente a estrutura e a organização dos capítulos seguintes são apresentados na Seção 1.4. 1.1 MOTIVAÇÃO Historicamente, o Brasil é um país cuja base econômica encontra-se firmada no setor primário e na extração de matéria-prima. Isto fica evidenciado ao serem analisados dados de 2017, onde o Ministério da Agricultura, Pecuária e Abastecimento registrou uma supersafra de 238 mi- lhões de toneladas de grãos (BRASIL, 2017), enquanto dados do Grupo Banco Mundial (GBM) mostram que a participação da indústria no Produto Interno Bruto (PIB) caiu para 21,2% em 2017 (BANCO MUNDIAL, 2017a), sendo apenas 11,7% proveniente da industria manufa- tureira (BANCO MUNDIAL, 2017b). Muitas vezes a matéria-prima extraída no Brasil é ex- portada, retornando para o país após sua transformação, em forma de produtos com maior valor agregado. Este cenário mostra que além da grande representatividade na agropecuária e nas indús- trias de extração, o Brasil apresenta grande potencial de crescimento para a manufatura, sendo o próprio país um mercado consumidor com mais de 207 milhões de habitantes (BANCO 18 MUNDIAL, 2017c). A indústria, por sua vez, não permanece inerte, e vem se adaptando às novas demandas e tecnologias, sempre em busca de auferir vantagens estratégias e maiores fatias de mercado. O surgimento dessas novas tecnologias tem determinado um marco para o início de uma nova era, a 4a Revolução Industrial, também chamada de Indústria 4.0. O termo, que corresponde à tradução literal de Industrie 4.0 em alemão, foi utilizado pela primeira vez em 2011 na Feira de Hannover, Alemanha, com “a ideia de reforçar a competividade do setor industrial alemão" (DUARTE, 2017 apud HERMANN et al., 2016). Diferente das demais Revoluções Industriais, esta se destaca por despertar o interesse de diversos países antes de sua consolidação (HER- MANN et al., 2016). Nesse contexto, a Robótica Industrial deixa de ser uma alternativa, e passa a se apresentar como ferramenta estratégica e presente na automação de processos de fabricação, para auferir competitividade e robustez aos produtos fabricados. Além de sua aplicabilidade no meio civil, a Robótica se caracteriza por seu emprego dual, podendo ser utilizada tanto no meio civil quanto na defesa, substituindo o ser humano em atividades mais perigosas, comono Teatro de Opera- ções. Alguns países já despertaram para essa nova realidade e, nos últimos anos, destinam altos investimentos em Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação (PD&I) nessa área. Analisando o panorama da Robótica Industrial em nível mundial é possível constatar um crescimento no número de novas unidades instaladas nos últimos anos, conforme mostram os dados divulgados em relatório pela International Federation of Robotics (IFR) (2018). O doc- umento mostra um crescimento no número de novas unidades instaladas de aproximadamente 33% entre 2016 (294.312) e 2017 (381.335), últimos dados divulgados. Entretanto, grande parte das instalações de novas unidades de robôs industriais concentra-se em apenas cinco países, ou seja, cerca de 73% de todas as aquisições de 2017 foram feitas pela China (36,2%), Japão (11,9%), Coréia do Sul (10,4%), Estados Unidos (8,7%) e Alemanha (5,6%), enquanto o Brasil apresenta apenas 0,25% deste total (IFR, 2018). Este comportamento resulta da importância que o setor industrial daqueles países despendem aos robôs industriais. Por sua vez, o cenário brasileiro analisado neste contexto tem muita oportunidade de melho- ria, principalmente se comparado com os países líderes em instalação. Esta baixa quantidade relativa de robôs industriais instalados no país, pode indicar pouca atenção, preocupa e tende a afetar o futuro da competitividade dos produtos fabricados pela indústria brasileira. Analisando o aspecto dual da Robótica e o cenário atual brasileiro, não há como desvincular a Estratégia Nacional de Defesa (END) da Estratégia Nacional de Desenvolvimento, pois ambas 19 caminham juntas na construção de um modelo próprio de desenvolvimento para o Brasil. Isso se deve ao fato de que um projeto de desenvolvimento forte tem como princípios a independência nacional, que deve ser alcançada através da capacitação tecnológica autônoma (BRASIL, 2012). Sem o domínio das tecnologias sensíveis, tanto para a defesa quanto para o desenvolvimento, é impossível que o Brasil se torne um país independente. A END possui três eixos estruturantes (BRASIL, 2012) e, no segundo, encontra-se o respaldo para o desenvolvimento da Robótica Industrial, onde é destacada a importância da reestrutu- ração da Base Industrial de Defesa, sendo esse fator primordial para a defesa do Brasil. O documento ainda atribui ao setor estatal a responsabilidade de desenvolver tecnologias que em- presas privadas não consigam obter de maneira rentável a curto ou médio prazo, incentivando a competição em mercados externos, com o objetivo de obter o aumento da sua escala de pro- dução, buscando, sempre que possível, o desenvolvimento de materiais que tenham uso dual. Porém, vale ressaltar que a capacitação tecnológica nacional de defesa depende tanto do de- senvolvimento de aparatos tecnológicos, quanto da formação de recursos humanos, garantindo mão de obra competente capaz de trabalhar com esses novos recursos. 1.2 FORMULAÇÃO DO PROBLEMA Países desenvolvidos admitem como consenso que robôs devem substituir o homem em tarefas perigosas ou insalubres, indesejáveis ou impossíveis e também onde são mais produtivos e econômicos (NOF, 1999). Esta afirmação desperta, em parte da população, a preocupação com o desaparecimento de empregos, quando em análise preliminar, além de acreditarem que a substituição do homem por máquinas pode resultar em pressão descendente sobre os salários dos trabalhadores (IFR, 2017). Não há como negar que os robôs podem aumentar a produtividade, nem que possuam per- formance mais eficiente e com melhor qualidade do que os humanos em tarefas específicas e repetitivas. A IFR (2017) divulgou um relatório posicionando-se quanto à substituição do ser humano por robôs, recorrendo a diversas pesquisas para embasar sua opinião quanto ao assunto, que aponta o potencial da automação para duplicar o Valor Agregado Bruto em 12 economias desenvolvidas até 2035, além de melhorar em 40% a produtividade. Prevê ainda melhorias de 30% na produtividade nos próximos 10 anos, estimuladas principalmente pela utilização de robôs nas pequenas e médias empresas, devido ao aumento progressivo da acessibilidade à tecnologia, sua adaptabilidade e a facilidade de programar. Quanto à relação direta entre o aumento da produtividade e da competitividade com o au- 20 mento do desemprego e a questão salarial, BERG et al. (2016) consideram que a tecnologia não aparenta ser a culpada pelo aumento da desigualdade em muitos países. Ainda segundo a IFR (2017), existem argumentos e fatos que permitem concluir que a automação não leva à substituição do trabalho, mas sim à redistribuição dos empregos e das tarefas, além de gerar uma melhor gratificação da mão de obra qualificada onde a automação substitui o trabalho humano. BESSEN (2016) destaca que, embora a automação computa- dorizada não esteja causando perda líquida de empregos, pode implicar em um deslocamento substancial de empregos de algumas ocupações para outras que, relativamente, são capazes de absorver empregos de baixa qualificação. MURO & ANDES (2015) ressaltam que embora os empregos de manufatura tenham dimin- uído ao longo de vários anos, analistas afirmam que os países que investiram mais em robôs perderam menos empregos de manufatura do que aqueles que não o fizeram, sendo que países com maior densidade de robôs, como a Alemanha e a Coreia, apresentam baixos índices de desemprego. MANYIKA et al. (2017) ressaltam que menos de 10% dos processos podem ser totalmente automatizados e que o nível de automação varia com a tarefa e a indústria, indicando cenários onde robôs e humanos trabalharão juntos, cada qual com suas habilidades, contribuindo para o aumento de competitividade da empresa e da qualidade de trabalho do empregado, sendo esta a visão de futuro da IFR (2017). Diante desse panorama, a IFR (2017) incube ao governo dos países a tarefa de preparar as gerações atuais e futuras de trabalhadores para que aproveitem das oportunidades oferecidas pela automação, fornecendo políticas-públicas, incentivos e programas para atualizar e reabilitar a sua força de trabalho. MANYIKA et al. (2017) ressaltam a necessidade dos currículos de educação se concen- trarem em habilidades básicas de Ciência, Tecnologia, Engenharia e Matemática, sem abrir mão das habilidades humanas, às quais os robôs não substituirão, tais como criatividade, empatia, pensamento de sistemas, competências desejáveis aos humanos. Apesar do grande potencial que a Robótica Industrial representa, existe o desafio da capa- citação da mão de obra. Isso porque os investimentos necessários em laboratórios com robôs industriais podem ser relativamente altos, para prover cursos de Graduação em Engenharia com estes recursos e com laboratórios adequadamente montados. Além destas demandas em novas estruturas laboratoriais, os adventos tecnológicos induzem ao aprimoramento contínuo das metodologias de ensino associadas. 21 Segundo CERQUEIRA et al. (2016), mais de 120 universidades, dentre as quais o Instituto Militar de Engenharia (IME), aderiram à iniciativa CDIO que enfatiza o desenvolvimento de habilidades com foco na resolução de problemas tangíveis, fazendo conexões claras entre o aprendizado e sua utilidade. Assim sendo, o problema em foco que esta dissertação pretende contribuir em nível de solução é: Como capacitar pessoal em nível de Graduação em Engenharia Mecânica, cons- ciente da importância estratégica da Robótica Industrial para a automação de processos, aliando ensino e aprendizagem de conceitos teóricos com prática de laboratório, com efi- ciência, baixo custo e segurança, com desenvolvimento de competências com foco na reso- lução de problemas tangíveis, de modo a formar engenheiros alinhados e preparados para enfrentar um panorama dinâmico de adventos tecnológicos galopantes que impulsionam uma alta competitividade em um mercado globalizado? Esta dissertação, intitulada "Metodologia de auxílioao ensino e à aprendizagem em Robótica Industrial baseada em helicoides", se enquadra na linha de pesquisa vigente do Laboratório de Robótica Industrial e de Defesa (IDR Lab) do IME, mais especificamente no desenvolvimento de simuladores e laboratórios virtuais na área de Robótica Industrial. SANTOS (2017) iniciou o desenvolvimento do software Computer-Aided Serial Robots Programming, Modelling and Simulation Analysis (CARPA) como alternativa para diminuir a complexidade e o tempo associados às fases de planejamento, programação, sincronização, validação e testes de programação de robôs industriais. A empregabilidade do simulador como ferramenta no ensino de programação ON-LINE para iniciantes, já foi comprovada por (SAN- TOS et al., 2017) e possibilitou a diminuição do tempo de uso do robô real quando aplicado na turma 2017 da graduação em Engenharia Mecânica do IME, no Rio de Janeiro. O CARPA recebeu caráter específico para o treinamento do robô industrial Motoman MH5F dando origem ao Computer-Aided Motoman MH5F robot Programming System (CAMPS), re- sultado da dissertação de MACEDO (2018), que mostrou-se eficiente na redução do tempo de treinamento do iniciante na programação do respectivo robô. Entretanto, tanto o CARPA quanto o CAMPS são sistemas que simulam um ambiente vir- tual, ou seja, não possuem características de conexão direta ou simultânea do modelo 3D virtual com o equivalente real. Na linha do desenvolvimento do grupo IDR Lab esta dissertação é o marco inicial da conexão virtual / real pelo desenvolvimento do módulo de comunicação com servomotores e de lin- guagem de programação própria, concebida e inspirada em estrutura usualmente encontrada 22 em robôs industriais, originando o sistema CARPA-SERVO, que permite ao aluno conceber, projetar, implementar e operar protótipos de manipuladores robóticos didáticos. 1.3 OBJETIVOS Mediante ao que foi disposto nas Seções 1.1 e 1.2, essa dissertação apresenta os seguintes objetivos. 1.3.1 OBJETIVO GERAL • Propor uma metodologia que auxilie à formação de recursos humanos em Robótica In- dustrial, capaz de integrar teoria e prática, estimulando a construção de um laboratório didático, composto por um protótipo servo-atuado do sistema mecânico de um mani- pulador robótico, confeccionado pelos alunos, contribuindo para o desenvolvimento de competências com segurança e baixo custo. 1.3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Desenvolver um módulo de posicionamento de servomotores e programação assistida para o CARPA, obtendo o sistema CARPA-SERVO. 2. Obter a modelagem do protótipo através da Teoria dos Helicoides, utilizando o CARPA- SERVO para simulação do movimento do modelo em ambiente virtual e seu correspon- dente real de maneira simultânea opcional. 3. Implementar a metodologia CDIO na turma da disciplina de Introdução à Mecatrônica do 5o ano do Curso de Graduação em Engenharia Mecânica do IME de 2018, de maneira a cumprir as seguintes etapas: 1) Conceive - a concepção do projeto de um manipulador robótico, assim como sua análise cinemática utilizando a Teoria dos Helicoides, através do Método dos Deslo- camentos dos Helicoides Sucessivos; 2) Design - o projeto do manipulador, valendo-se de ferramentas de Computer Aided Design (CAD 3D), bem como o planejamento do processo de fabricação; 3) Implementation - construção do protótipo físico e obtenção do modelo em ambiente virtual utilizando o CARPA-SERVO e os parâmetros dos helicoides associados; 23 4) Operate - a operação do protótipo, manobrando simultaneamente o modelo em ambiente virtual e o equivalente real, testando e validando o laboratório didático. 1.4 ORGANIZAÇÃO DO TRABALHO O Capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos básicos para o desenvolvimento desta dis- sertação, com revisão de literatura específica na iniciativa CDIO e em metodologias ativas de aprendizagem, além de verificar as iniciativas e pesquisas em Robótica e Educação. Finaliza com o conteúdo teórico em Robótica Industrial baseada na Teoria dos Helicoides, o foco que deseja-se contribuir para o aumento da eficiência do ensino e aprendizagem. Apresenta-se o sistema CARPA-SERVO no Capítulo 3, onde encontram-se detalhados os módulos desenvolvidos que integram capacidade de comunicação com componentes eletrôni- cos, mas especificamente uma placa de controle de múltiplos servomotores, além do desenvolvi- mento de um Virtual Teach Pendant (VTP), interface gráfica na qual o usuário pode acessar funcionalidades de manobrar, ensinar pontos, programar o protótipo de manipulador, através de comandos implementados, bem como, o protocolo de armazenar e acessar os programas escritos pelo usuário. O Capítulo 4 apresenta a formulação da metodologia proposta, onde é apresentado de forma simultânea um estudo de caso realizado com alunos da turma 2018 da graduação em Engenharia Mecânica do IME, com a respectiva verificação de efetividade, tanto em nível do conceito obtido em avaliação escrita, quanto sob a ótica do aluno. Finalmente o Capítulo 5 apresenta as conclusões, iniciando por uma recapitulação sumária, de forma a encadear o raciocínio até as contribuições obtidas e as considerações finais. Ainda são sugeridos desenvolvimentos futuros para a continuidade da pesquisa. Alguns apêndices foram incluídos contendo a modelagem de robôs seriais usando a con- venção de Denavit-Hartenberg, exemplificação da modelagem cinemática dos tipos de manipu- ladores seriais, utilizando tanto esta convenção quanto a Teoria dos Helicoides. São apresen- tados fluxogramas dos módulos de planejamento de trajetória desenvolvidos para o CARPA- SERVO, bem como o protocolo do arquivo concebido com extensão ‘.PCS’, nativa do CARPA- SERVO para armazenar informações dos pontos salvos e da estrutura de comando de programas, representando uma tarefa desejada. 24 2 FUNDAMENTOS TEÓRICOS O Capítulo 2 apresenta os fundamentos teóricos necessários ao desenvolvimento desta dis- sertação, onde a literatura específica trata inicialmente da iniciativa CDIO, sendo esta abor- dagem descrita na Seção 2.1, seguida das metodologias ativas de aprendizagem na Seção 2.2, onde buscou-se lastro para os benefícios de conciliar abordagem teórica com integração prática na execução de projetos e solução de problemas pela obtenção de protótipo. A Seção 2.3 analisa as iniciativas implementadas por pesquisadores que utilizam Robótica e Educação, finalizando com a Seção 2.3.1, onde são apresentados fundamentos da Robótica baseada em Helicoides e de programação de robôs industriais, conteúdo teórico que almeja-se ensinar com auxílio do CDIO, estabelecendo o desafio a ser vencido pela interdisciplinaridade intrínseca à obtenção de protótipo de manipuladores robóticos. 2.1 INICIATIVA CDIO Atualmente, o IME passa por um processo que, como denominam PASSOS et al. (2017, p. 20), é “um processo de transformação complexo e multidimensional” que, segundo os autores, “visa atender demandas cada vez mais sofisticadas e apoiar na superação dos imensos desafios tecnológicos que o Exército Brasileiro e o Brasil possuem” (PASSOS et al., 2017, p. 20). A Educação em Engenharia também recebe atenção pelas novas metodologias que permitem atender e se alinhar aos adventos tecnológicos pela adoção de uma abordagem CDIO, cujo objetivo é proporcionar uma educação que enfatize os fundamentos de engenharia no contexto da Concepção, Projeto, Implementação e Operação de sistemas reais e produtos (BERGGREN et al., 2003). A Iniciativa CDIO é uma colaboração internacional cujo o objetivo é o desenvolvimento e aprimoramento do ensino de engenharia (CERQUEIRA et al., 2016). Esta iniciativa teve inicio no ano 2000, onde estavam envolvidas três universidades suecas, Royal Institute of Technol- ogy (KTH), Chalmers Institute of Technology (Chalmers), e Linköping University (LiU), e a americana Massachusetts Institute of Technology (MIT). Houve algumas adesões e atualmente esse número aumentou para mais de 120 instituições, segundoCERQUEIRA et al. (2016), sendo o IME uma destas. A estrutura do CDIO é baseada em dois documentos: o CDIO Syllabus e o CDIO Standards. 25 Segundo (CERQUEIRA et al., 2016), o primeiro estabelece quatro grandes metas para o ensino de Engenharia em nível de graduação: (1) adquirir conhecimento disciplinar e raciocínio, (2) desenvolver habilidades e atributos pessoais e profissionais, (3) desenvolver habilidades inter- pessoais e (4) conceber, projetar, implementar e operar sistemas no contexto empresarial, social e ambiental. A TAB. 2.1 apresenta estas metas com associação de um segundo nível de deta- lhamento. TAB. 2.1: Metas da abordagem CDIO para o ensino de Engenharia em nível de graduação (Adaptado de CERQUEIRA et al. (2016)) 1. Adquirir conhecimento disciplinar e raciocínio 1.1 Conhecimento da Ciência associada 1.2 Conhecimentos básicos de Engenharia 1.3 Conhecimentos avançados de Engenharia 2. Desenvolver habilidades e atributos pessoais e profissionais 2.1 Análise e resolução de problemas 2.2 Aquisição de conhecimento e experimentação 2.3 Análise de sistemas 2.4 Habilidades e atitudes pessoais 2.5 Habilidades e atitudes profissionais 3. Desenvolver habilidades interpessoais 3.1 Trabalho em equipe 3.2 Comunicação 4. Conceber, projetar, implementar e operar sistemas no contexto empresarial, social e ambiental 4.1 Contexto social e ambiental 4.2 Contexto empresarial e de negócios 4.3 Concepção e construção de sistemas 4.4 Projeto 4.5 Implementação 4.6 Operação O segundo documento serve como diretriz para a reforma e avaliação de programas educa- cionais e criar benchmarks e metas com aplicabilidade mundial, fornecendo uma estrutura para melhoria contínua (CDIO, 2017). Os princípios indicados pelo documento CDIO Standards 26 encontram-se resumidos nas TAB. 2.2 e 2.3. O documento possui 12 princípios que definem as características desejadas de diferentes pontos de vista (CERQUEIRA et al., 2016), sendo o primeiro o de que a concepção-projeto- implementação-operação devem representar o contexto autêntico da educação em Engenharia (CRAWLEY et al., 2008). Esse contexto engloba um conjunto de meios culturais e ambientes que contribuem para a aprendizagem, onde cada conhecimento e habilidade são aprendidos. O segundo princípio é que um programa baseado nesta abordagem deve definir resulta- dos de aprendizagem específicos e detalhados para competências pessoais e interpessoais, para habilidades de desenvolvimento de produtos, processos e sistemas, bem como conhecimento disciplinar, consistente com as metas do programa e validado pelas partes interessadas (CRAW- LEY et al., 2007). As Diretrizes Curriculares Nacionais para cursos de Engenharia (DCNEng) também desta- cam competências e habilidades a serem desenvolvidas ao longo dos Cursos de Engenharia (BRASIL, 2001), dentre as quais é possível enumerar: (1) aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais à engenharia; (2) projetar e conduzir experimentos e interpretar resultados; (3) conceber, projetar e analisar sistemas, produtos e processos; (4) planejar, supervisionar, elaborar e coordenar projetos e serviços de engenharia; (5) identificar, formular e resolver problemas de engenharia; (6) desenvolver e/ou utilizar novas ferramentas e técnicas; (7) supervisionar a operação e a manutenção de sistemas; (8) avaliar criticamente a operação e a manutenção de sistemas; (9) comunicar-se eficientemente nas formas escrita, oral e gráfica; (10) atuar em equipes multidisciplinares; (11) compreender e aplicar a ética e responsabilidade profissionais; (12) avaliar o impacto das atividades da engenharia no contexto social e ambiental; (13) avaliar a viabilidade econômica de projetos de engenharia; (14) as- sumir a postura de permanente busca de atualização profissional. Para isso, orienta-se que a estrutura dos cursos favoreça tanto o trabalho individual quanto em grupo, estimulando projetos interdisciplinares, que requeiram trabalho em equipe e desenvolvimento de protótipos, com o objetivo de garantir o desenvolvimento das competências de cooperação, comunicação e lider- ança (BRASIL, 2001). Analisando as DCNEng e as metas e princípios do CDIO não existem contraposições ou choques, muito pelo contrário, observa-se um alinhamento em prol de um objetivo comum, a responsabilidade pela experiência na qualificação profissional e a melhoria contínua. O princípio 8 do CDIO Standards é a utilização de metodologias ativas de aprendizagem, que estão descritas a seguir, ganhando maior profundidade de análise. 27 TAB. 2.2: Princípios para programas baseados no CDIO (Adaptado de CDIO (2008)) Princípio 1. Contextualização Adoção do princípio que o desenvolvimento e a implantação do ciclo de vida do produto, do processo e do sistema - Conceber, Projetar, Implementar e Operar - são o contexto para a educação em engenharia. Princípio 2. Objetivos de Aprendizagem Objetivos de aprendizagem específicos e detalhados para habilidades pessoais e interpessoais e habilidades de desenvolvimento de produtos, processos e sistemas, bem como conhecimento disciplinar, consistente com as metas do programa e validado pelas partes interessadas do programa. Princípio 3. Currículo Integrado Um currículo projetado com disciplinas de apoio mútuo, com um plano ex- plícito para integrar habilidades pessoais e interpessoais e habilidades de de- senvolvimento de produto, processo e sistema. Princípio 4. Introdução à Engenharia Um curso introdutório que forneça a estrutura para práticas de engenharia no desenvolvimento de produtos, processos e sistemas, e introduza habilidades pessoais e interpessoais essenciais. Princípio 5. Experiências de Projeto e Implementação Um currículo que inclui duas ou mais experiências de implementação de pro- jeto, incluindo uma em um nível básico e outra em um nível avançado. Princípio 6. Espaços de Trabalho de Engenharia Espaços de trabalho e laboratórios de engenharia que apoiam e incentivam a aprendizagem prática de produtos, processos e sistemas de construção, co- nhecimento disciplinar e aprendizado social. 28 TAB. 2.3: Princípios para programas baseados no CDIO (Adaptado de CDIO (2008)) (Contin- uação) Princípio 7. Experiências de Aprendizagem Integradas Experiências de aprendizagem integradas que levam à aquisição de conhe- cimento disciplinar, bem como habilidades pessoais e interpessoais e habili- dades de desenvolvimento de produto, processo e sistema. Princípio 8. Aprendizagem Ativa Ensinar e aprender com base em métodos ativos de aprendizagem experien- cial. Princípio 9. Aprimoramento da Competência Docente Ações que aprimorem a competência do docente em habilidades pessoais e interpessoais e habilidades de desenvolvimento de produto, processo e sis- tema. Princípio 10. Aprimoramento do Corpo Docente Ações que aprimoram a competência do corpo docente no fornecimento de experiências de aprendizagem integradas, no uso de métodos de aprendiza- gem experiencial ativa e na avaliação da aprendizagem do aluno. Princípio 11. Avaliação de Aprendizagem Avaliação do aprendizado do aluno em habilidades pessoais e interpessoais, e habilidades de desenvolvimento de produto, processo e sistema, bem como em conhecimento disciplinar. Princípio 12. Avaliação do Programa Um sistema que avalia os programas em relação a esses doze padrões e fornece feedback aos alunos, ao corpo docente e a outras partes interessadas para fins de melhoria contínua. 29 2.2 METODOLOGIAS ATIVAS DE APRENDIZAGEM Assim como houve mudanças significantes nos contextos tecnológico e industrial, o perfil dos alunos também mudou e as expectativas de desempenho pós-formação estão cada vez mais altas (BARBOSA & DE MOURA, 2013). DEBALD (2003) destaca que, em muitos casos, a dificuldade na aprendizagem não está no conteúdo ou na falta de domínio por parte do docente, mas na metodologia utilizada. Em outras palavras, as diversas temáticas não são abordadas de uma maneira que facilite a aprendizagem.Segundo as DCNEng, não se adequar às novas exigências resulta no atraso do desenvolvi- mento (BRASIL, 2001), e as tendências atuais apontam “na direção de cursos de graduação com estruturas flexíveis, permitindo que o aluno tenha opções de áreas de conhecimento e atuação, articulação permanente com o campo de atuação do profissional, base filosófica com enfoque na competên- cia, abordagem pedagógica centrada no aluno, ênfase na síntese e na transdisci- plinaridade, preocupação com a valorização do ser humano e preservação do meio ambiente, integração social e política do profissional, possibilidade de articulação direta com a pós-graduação e forte vinculação entre teoria e prática.” (BRASIL, 2001, p. 1) Ainda segundo o documento, partindo de uma ressignificação do termo currículo, destaca-se três elementos fundamentais, dentre os quais está o processo participativo, onde a consolida- ção do aprendizado se dá a partir de um papel ativo do estudante na construção do próprio conhecimento e experiência, através da orientação e participação do professor. De acordo com BARBOSA & DE MOURA (2013), apesar da criação de um decreto e reorganização do currículo por parte de muitas Instituições de Ensino Superior (IES), a falta de capacitação do corpo docente inviabiliza a obtenção dos resultados esperados, e é nesse contexto que as metodologias ativas apresentam contribuição relevante para a criação de “ambientes de aprendizagem contextualizada”. Em função disso, segundo BERBEL (2011), alguns cursos de graduação, incluíram em suas reorganizações curriculares, novas metodologias de ensino que permitam, além da obtenção do conhecimento teórico desejado, desenvolver nos alunos as competências que compõem o perfil exigido ao futuro profissional, pela utilização do que convencionou-se por Metodologias Ativas. Segundo BASTOS (2006), Metodologias Ativas são processos interativos onde o conheci- mento é construído a partir de análise, estudos, pesquisas e decisões individuais ou coletivas, 30 com a finalidade de propor soluções para um problema. É o processo de ensino onde o papel do aluno é central na aprendizagem. Esta metodologia é respaldada também por FREIRE (1996), que afirma que na educação de adultos a aprendizagem é impulsionada pela superação de de- safios, pela resolução de problemas e pela construção do novos conhecimentos, tendo como ponto de partida experiências e conhecimentos prévios. A expressão aprendizagem ativa (ou aprendizagem significativa) muitas vezes é tratada de maneira vaga e imprecisa (BARBOSA & DE MOURA, 2013), levando ao equívoco de que toda aprendizagem é inerentemente ativa, e, desta forma, uma aula expositiva asseguraria a absorção do conhecimento. Entretanto, pesquisas da ciência cognitiva apontam que para uma aprendizagem efetiva, não basta simplesmente ouvir (MEYERS & JONES, 1993). Ainda se- gundo os autores, na aprendizagem ativa existe a interação entre o aluno e o assunto estudado, estimulando sua participar na construção do conhecimento, ao invés de recebê-lo passivamente. BONWELL & EISON (1991) destacam algumas estratégias que podem ser utilizadas para este fim: (1) discussão de temas e tópicos de interesse para a formação profissional; (2) trabalho em equipe com tarefas que exigem colaboração de todos; (3) estudo de casos relacionados com áreas de formação profissional específica; (4) debates sobre temas da atualidade; (5) geração de ideias (brainstorm) para buscar a solução de um problema; (6) produção de mapas conceituais para esclarecer e aprofundar conceitos e ideias; (7) modelagem e simulação de processos e sistemas típicos da área de formação; (8) criação de sites ou redes sociais visando aprendizagem cooperativa; e (9) elaboração de questões de pesquisa na área científica e tecnológica. Dentre as várias possibilidades de Metodologias Ativas, com potencial de viabilizar a apren- dizagem, BERBEL (2011) destaca as principais: (1) estudo de caso; (2) processo do incidente; (3) pesquisa científica; (4) aprendizagem baseada em projetos (do inglês, Project Based Learn- ing (ProjBL)); e (5) aprendizagem baseada em problemas (do inglês, ProbBL). Ainda segundo o autor (2011), constantemente, as Metodologias ProjBL e ProbBL são uti- lizadas de forma equivocada. Sendo assim, as principais características de cada uma foram levantadas sendo descritas a seguir. 2.2.1 APRENDIZAGEM BASEADA EM PROBLEMAS (PROBBL) Segundo RIBEIRO et al. (2003), a ProbBL é uma metodologia caracterizada, fundamen- talmente, pela utilização de problemas do mundo real como forma de estímulo para que os alunos adquiram e apliquem conceitos da área em foco, desenvolvendo pensamento crítico e habilidades de solução de problemas. 31 Seu surgimento de forma sistematizada ocorreu no final da década de 60, na McMaster University, Canadá, na área médica (RIBEIRO, 2005), mas muitos de seus elementos são en- contrados em trabalhos de outros educadores e pesquisadores, como Ausubel, Bruner, Dewey, Piaget, Rogers (DOCHY et al., 2003) e Paulo Freire (BORGES & ALENCAR, 2014). BAR- BOSA & DE MOURA (2013) afirmam que esta ideia de ensinar por meio de problemas é tão antiga, que pode ser vista também na história de Confúcio (500 a.C.). Para ARAÚJO (2011), apesar de seu surgimento ter acontecido na área médica, a meto- dologia também é eficaz em outras áreas do conhecimento, como: administração, arquitetura, ciências da computação, ciências sociais, economia, engenharias e matemática. RIBEIRO, 2005 (apud GIJSELAERS, 1996) afirma que a ProbBL possui três princípios fundamentais: (1) a aprendizagem não é um processo receptivo, mas sim construtivo; (2) a metacognição, ou seja, o conhecimento que o próprio indivíduo tem sobre seus processos cog- nitivos, influencia na aprendizagem; e (3) a aprendizagem é afetada também pelos fatores con- textuais e sociais. De acordo com BARBOSA & DE MOURA (2013), esta metodologia precisa considerar a área de conhecimento, o nível e tipo de ensino e os objetivos propostos, mas de forma geral, inclui as etapas esquematizadas na FIG. 2.1. FIG. 2.1: Etapas de aplicação da ProbBL (adaptado de ARAÚJO (2011)) 32 BARBOSA & DE MOURA (2013) destacam que cada etapa do ProbBL traz oportunidade de envolvimento do aluno em tarefas que favorecem a aquisição e consolidação do conheci- mento, partindo do entendimento do problema sugerido, passando pelas etapas de análise e busca de solução até a fase de apresentação e análise dos resultados. Diferente do ensino tradicional, na ProbBL o objetivo final não é chegar a resolução do pro- blema, por si só, mas enfatizar o processo da busca por uma solução, valorizando a autonomia e a cooperação (BARBOSA & DE MOURA, 2013). Esta e outras diferenças são listadas por RIBEIRO (2005) e encontram-se elencadas na TAB. 2.4 TAB. 2.4: Diferenças entre o Ensino Tradicional e a ProbBL (Adaptado de RIBEIRO (2005)) Ensino Convencional Abordagem da ProbBL Função de especialista ou autoridade for- mal Orientador, coaprendiz ou consultor Trabalho isolado Trabalho em equipe Transmissão de informação aos alunos Ensina ao aluno a gerenciar sua aprendi- zagem Conteúdo organizado em aula expositiva Curso organizado em problemas reais Pr of es so r Trabalho individual por disciplina Estímulo ao trabalho interdisciplinar Receptores passivos da informação Valorização do conhecimento prévio Trabalho individual isolado Interação com colegas e professores Transcrevem, memorizam e repetem Função de buscar/construir o conheci- mento Aprendizagem individualista e competi- tiva Aprendizagem em ambiente colaborativo Busca resposta certa para sair bem na prova Busca questionar e equacionar problemas Avaliação dentro de conteúdos limitados Análise e solução ampla de problemas Avaliação somativa e feita somente pelo professor Aluno e grupo avaliam contribuições A lu no Aula baseada em transmissão da infor- mação Trabalho em grupo para buscar soluções; conhecimento é aplicado em vários con- textos;busca da informação com orien- tação docente 2.2.2 APRENDIZAGEM BASEADA EM PROJETOS (PROJBL) Desde o início da civilização, segundo MORAES (2012), vários projetos de engenharia foram realizados, como exemplo, a construção das Pirâmides do Egito, o Coliseu em Roma, 33 entre outros. Com o passar dos anos, principalmente a partir da Revolução Industrial no Século XIX, surgiu a necessidade de sistematizar e orientar formas de gestão para os projetos, o que segundo CODAS (1987), sempre existiu de forma empírica, natural e espontânea, mas foi for- malizada como ciência apenas na década de 1960. Na literatura, são encontradas algumas definições para projeto. De acordo com o PMI (2001, p. 4), um projeto “é um esforço temporário para a obtenção de um objetivo particular e sobre o qual a gerência de projetos pode ser aplicada, independente de seu tamanho, orçamento ou cronograma de execução”. Já para MAXIMIANO (1997, p. 20), compreende “um empreendi- mento finito, com objetivos claramente definidos em função de um problema, oportunidade ou interesse de uma pessoa ou organização”. WEISS & WYSOCKI (1992, p. 3) ressaltam as carac- terísticas de um projeto: “complexidade, unicidade, finitude, recursos limitados, envolvimento intelectual, escalonamento de tarefas, orientado por objetivos e com um produto (ou serviço) final”. Em diversas áreas projetos são utilizados na concepção de produtos, serviços e procedimen- tos (KERZNER, 2016). Sua utilização como recurso pedagógico tem inicio com John Dewey em 1897, apesar de ser possível observar alguns aspectos empregados no final do século XVII na Itália, em cursos de Arquitetura (KNOLL, 1997). MOURA & BARBOSA (2017, p. 21) explicam que um projeto educacional é “um em- preendimento ou conjunto de atividades com objetivos claramente definidos em função de pro- blemas, necessidades, oportunidades ou interesses de um sistema educacional, de um educador, grupos de educadores ou de alunos, com a finalidade de realizar ações voltadas para a formação humana, construção do conhecimento e melhoria de processos educativos”. Sendo assim, projetos aplicados na área educacional, como afirma BERBEL (2011), po- dem ser associados a atividades de ensino, pesquisa e extensão, tendo como principal objetivo “lutar contra a artificialidade da escola e aproximá-la o máximo possível da realidade da vida” (BERBEL, 2011 apud BORDENAVE & PEREIRA, 1982, p. 322), de forma tal que NOBRE et al. (2006) destacam a relação entre a ProjBL e o Construtivismo. Ambas possuem como premissa comum a não existência do conhecimento absoluto e a interação do aluno em sua construção, por meio de seu conhecimento prévio e sua percepção (BRANDÃO et al., 1998). De acordo com BARBOSA & DE MOURA (2013), um projeto educacional desenvolvido baseado na metodologia ProjBL pode ser classificado em três categorias: 1. Projeto construtivo: visa a construção de algo, introduzindo algum nível de inovação, promoção de nova solução para um problema ou de uma determinada situação; 34 2. Projeto investigativo: busca desenvolver pesquisa sobre uma questão ou situação, através do emprego do método científico; e 3. Projeto didático (ou explicativo): busca ilustrar, explicar e revelar princípios científicos do funcionamento de mecanismos, sistemas entre outros. Independentemente da categoria, existem quatro fases essenciais para um projeto, definidas por KILPATRICK (1918), um dos precursores da ProjBL: (1) intenção, (2) planejamento, (3) execução e (4) julgamento (ou avaliação). BARBOSA & DE MOURA (2013) apontam diretrizes, indicadas como fundamentais, para aplicação do método: 1. realizar o projeto dividindo os alunos em grupos, definindo criteriosamente o número de participantes para cada experiência; 2. estabelecer um período de tempo para a realização do projeto; 3. escolher o tema, através de negociação com o aluno, levando em consideração os inter- esses de ambas as partes e objetivos didático-pedagógicos; 4. contemplar, no projeto, uma finalidade útil, possibilitando uma percepção de um sentido real dos projetos propostos; 5. utilizar múltiplos recursos ao longo dos projetos, permitindo a busca em fontes diversas, dentro ou fora do ambiente escolar; e, 6. apresentar os resultados obtidos em diversos níveis de comunicação. Por fim, as metodologias ProbBL e ProjBL são favoráveis e apresentam diversos aspec- tos comuns, entretanto existem também diferenças significativas. BARBOSA & DE MOURA (2013) elencam as diferenças e as similaridades, cuja comparação encontra-se apresentada na TAB. 2.5. 35 TAB. 2.5: Comparação entre ProbBL e ProjBL (Adaptado de BARBOSA & DE MOURA (2013)) ProbBL ProjBL Tem origem em Problemas Situação-geradora (Problemas, necessi- dades, oportunidade, interesse, etc.) Problema: mais contextual do que teórico Situação-geradora: contextual ou teórica Problemas definidos pelo professor Situação geradora / problemas definidos pelos alunos mediados pelo professor Curta duração (2 a 4 semanas) Média duração (4 a 12 semanas) Percurso com etapas bem definidas Percurso com etapas mais abertas e flexíveis Proposta de análise / solução de um pro- blema Proposta de desenvolver algo novo Produto final não obrigatório Requer um produto final Formação efetiva para o mundo do trabalho Favorece aprendizagem contextualizada e significativa Requer disposição e habilidades específicas do professor e do aluno Método de ensino centrado no aluno Favorece a interdisciplinaridade Favorece o desenvolvimento da criatividade e inovação 2.2.2.1 CONSIDERAÇÕES FINAIS É importante destacar que, apesar dos benefícios e características agregadoras das metodolo- gias ativas, uma pesquisa no sistema de buscas acadêmicas do Google, Google Scholar, uti- lizando a composição de termos chave em inglês, mostrou que o número de publicações na área da Robótica que as envolvem não é expressivo. Este número é ainda menor se considerada a metodologia ProbBL aplicada na área da Robótica Industrial, como pode ser observado na FIG. 2.2. As metodologias ativas descritas serviram de fundamento para a formulação da Metodologia proposta nesta dissertação com foco em Robótica Industrial, cuja avaliação no contexto da Educação é analisado na próxima seção. 2.3 A ROBÓTICA E A EDUCAÇÃO Segundo MUBIN et al. (2013), o ensino da Robótica pode ser dividido em duas grandes categorias: na educação técnica e na educação não-técnica. A primeira abrange o ensino gradual da Robótica e das muitas tecnologia envolvidas (CHIOU, 2012) e a segunda, explora aspectos 36 FIG. 2.2: Número de publicações como o ensino de Ciências, onde o emprego de robôs pode ser uma ferramenta intermediária para a formação de estudantes em Física (MITNIK et al., 2008) e Matemática. No que diz respeito à adequação do currículo dos cursos de graduação em Engenharia in- cluindo o ensino de novas tecnologias é um desafio que muitos pesquisadores vêm discutindo, principalmente pela oportunidade de integrar, com sinergia, múltiplas áreas do conhecimento. Dentre essas tecnologias, a Robótica recebe especial atenção devido à natureza multidisciplinar intrínseca, o que possibilita um vasto campo de aplicação (MACEDO & RIBEIRO, 2015), como pode ser observado na FIG. 2.3. FIG. 2.3: Sinergia associada à robótica (Adaptado de MACEDO & RIBEIRO (2015)) Nos últimos anos, o mercado da Educação vem introduzindo a Robótica, tanto como fer- 37 ramenta motivacional em programas de pesquisa, quanto em implementações concretas que demonstram o Estado da Técnica em processos robotizados (SICILIANO & KHATIB, 2008). Este movimento teve início com Seymour Papert, psicólogo do Laboratório de Inteligência Ar- ticificial do MIT, através da adaptação dos princípios do construtivismo cognitivo de Piaget e da inserção do computador como ferramenta educacional (ALMEIDA, 2000), o que mais tarde denominou de construcionismo. Além disso, existem pesquisas que evidenciam o ensino prático da Robótica para alunos de gradução.JUNG (2013); KROTKOV (1996); PIEPMEIER et al. (2003); NAGAI (2001); BALCH et al. (2008) descrevem a adaptação do currículo de suas instituições e a inclusão da robótica como disciplina. MEOLA et al. (2014); CALVO et al. (2018); COCOTA et al. (2015) defendem que o ensino de Robótica ocorra por meio de projetos ao longo de disciplinas já existentes e ainda PACK et al. (2004); MURPHY (2001); CHEN (1997) e BAERVELDT et al. (2003) utilizam aspectos associados à competição entre grupos como forma de motivar e aumentar a eficiência do ensino e aprendizagem. SICILIANO & KHATIB (2008) ressaltam que a inserção da Robótica na Educação pode trazer benefícios quando feita através de uma aprendizagem integrada e orientada a projetos, pois seu estudo fornece lições de hierarquia, mitigação de riscos, planejamento e diagnóstico que superam os benefícios trazidos pela exploração de um único tópico de depuração e análise de problemas. ZILLI (2004) explica que a Robótica na Educação pode desenvolver outras competências, além do conhecimento da tecnologia em si, como: (1) raciocínio lógico; (2) habilidades manu- ais e estéticas; (3) relações interpessoais e intrapessoais; (4) utilização de conceitos aprendidos em diversas áreas do conhecimento para o desenvolvimento de projetos; (5) investigação e com- preensão; (6) representação e comunicação; (7) trabalho com pesquisa; (8) resolução de pro- blemas por meio de tentativas, erros e acertos; (9) aplicação das teorias formuladas a atividades concretas; (10) utilização da criatividade em diferentes situações; e (11) para o desenvolvimento de capacidade crítica. Em um contexto onde amplas possibilidades de abordar e desenvolver atributos e habili- dades podem ser exploradas, os robôs podem desempenhar papéis diferentes (SICILIANO & KHATIB, 2008). O primeiro consiste em utilizar o robô como um projeto de programação, onde o sistema robótico é utilizado como ferramenta apenas para a execução de determinadas tarefas. Por outro lado o robô pode ser tratado como o foco da aprendizagem, voltada para a construção do robô em si e seu uso, estimulando assim o interesse nas áreas associadas a 38 Ciências, Tecnologia e Engenharia. Apesar de grande parte dos trabalhos desenvolvidos no campo educacional serem voltados para a Robótica Avançada, é no contexto industrial onde se encontram os maiores aportes fi- nanceiros e, consequentemente, maior demanda por mão de obra. Segundo SICILIANO et al. (2009), o manipulador robótico é o sistema mecatrônico mais utilizado na automação industrial. É possível inferir, baseado na argumentação da revisão da literatura específica apresentada, que a motivação em PD&I em Sistemas de Ensino e Aprendizagem de Robótica Industrial de baixo custo, ganha amparo e relevância, no sentido de contribuir para disseminação da im- portância estratégica destes sistemas, para auferir vantagens estratégias aos produtos fabricados nas empresas e difundir os fundamentos teóricos associados, auxiliando na formação de mão de obra especializada. A seção a seguir apresenta os principais conceitos que deseja-se ensinar. 2.3.1 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA INDUSTRIAL 2.3.1.1 CONCEITOS INTRODUTÓRIOS Historicamente, existem três principais fatores que motivam a automatização de uma deter- minada tarefa, ou seja, quando: (1) a energia requerida para executar a tarefa ou o ambiente onde é realizada vai além da resistência humana; (2) a habilidade necessária está além da capacidade humana; e ainda (3) quando a demanda pelo produto, por ser grande, motiva a procura por me- lhores métodos e processos. Estes três fatores são apontados por NOF (1999) que ainda destaca a influência de um quarto fator, (4) a disponibilidade de novas tecnologias e sua aplicabilidade para a tarefa em questão. O termo robótica, derivado do termo “robota”, que significa “trabalho escravo” em línguas eslavas, surge em 1920 através do dramaturgo tcheco Karel Capek, em sua peça Rossum’s Universal Robots (RUR) (SICILIANO et al., 2009). Apesar de o conceito robô ser estabelecido bem cedo na ficção, o surgimento do robô “físico” necessitou aguardar a evolução de algumas tecnologias, sendo possível apenas no século XX. O desenvolvimento de circuitos integrados, dos computadores digitais e dos componentes miniaturizados permitiu a criação de robôs controlados por computador, possibilitando o surgi- mento da Robótica Industrial, área do conhecimento estratégico para a automação de processos, viabilizando os Flexible Manufacturing System (FMS), ou Sistemas Flexíveis de Manufatura, no final da década de 1970 (SICILIANO & KHATIB, 2008). Na década de 1990, o crescimento da Robótica Industrial é incentivado pelo decréscimo do 39 preço do robô se comparado ao custo da mão de obra humana (CRAIG, 2005), e por ganhos de produtividade e qualidade, fruto das características próprias destes Sistemas Mecatrônicos associados à rapidez, acurácia e flexibilidade. SICILIANO et al. (2009) definem a Robótica como o estudo das máquinas que podem substituir o ser humano na execução de tarefas, podendo ser dividida em duas áreas: • Robótica Industrial: ciência baseada no projeto, controle e aplicação de robôs volta- dos para a indústria. De modo geral, sua operação ocorre em um ambiente estruturado, onde as características físicas e geométricas são bem conhecidas, e menor necessidade de autonomia. • Robótica Avançada: voltada para o estudo de robôs cuja principal característica é a necessidade de maior autonomia associada, pois atuam em ambientes parcialmente ou não estruturados, cujas naturezas física e geométrica não são conhecidas inicialmente. Diante da ampla capacidade de atuação a Robótica vem recebendo atenção de países tecno- logicamente desenvolvidos, onde consideram estratégicos o EPD&I. Anualmente um relatório estatístico é publicado pela IFR, cujos dados disponibilizados ressaltam o avanço deste mercado num contexto global e a baixa participação brasileira. O anuário da IFR é um relatório de leitura recomendada nas fases introdutórias de ensino de Robótica Industrial por mostrar números que comprovam a importância estratégica que países tecnologicamente desenvolvidos dão aos robôs industriais, pela alta taxa anual de novas inte- grações aos processos de fabricação das indústrias destes países. 2.3.2 SISTEMA ROBÓTICO SICILIANO et al. (2009) afirmam que um sistema robótico, com toda complexidade asso- ciada, é representado por múltiplos subsistemas, conforme consta na FIG. 2.4. Assim sendo, podem ser divididos e definidos, resumidamente, como: 1. Sistema Mecânico: composto por corpos, ou elos, e elementos de máquina que possi- bilitem o movimento relativo entre os diversos elos, ou seja, juntas; 2. Sistema de Atuação: responsável pela movimentação relativa dos corpos, podendo ser elétricos, hidráulicos ou pneumáticos; 3. Sistema de Sensores: sistema capaz de coletar dados internos do sistema mecânico, assim como do ambiente onde está inserido; e, 40 FIG. 2.4: Componentes de um sistema robótico (Adaptado de SICILIANO et al. (2009)) 4. Sistema de Controle: responsável efetivamente por comandar a execução de determi- nada tarefa, mediante planejamento prévio ou da análise dos dados coletados. Quanto à classificação dos robôs, é possível dividi-los como os de base fixa, denominado robô manipulador, ou simplesmente manipulador, enquanto os de base móvel, robôs móveis (SICILIANO et al., 2009). Esta dissertação tem como foco o estudo dos manipuladores robóti- cos de base fixa, uma vez que, segundo CRAIG (2005), são estes os que recebem maior destaque na Robótica Industrial. O sistema mecânico do manipulador pode ser ainda dividido em: (1) um braço, que pro- porciona mobilidade; (2) um punho, que garante destreza; e, (3) um efetuador final, também conhecido como garra ou ferramenta, que efetivamente executa a tarefa desejada (SICILIANO & KHATIB, 2008), como exemplificado na FIG. 2.5. 2.3.3 CLASSIFICAÇÃO DOS MANIPULADORES SERIAIS Segundo