2019_Metodologia de auxílio ao ensino e à aprendizagem em robótica industrial baseada em helicóides

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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
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mento.
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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