A Robótica Pedagógica já faz parte do currículo de diversas escolas do ensino fundamental e médio (1o e 2o graus), desde que foi sancionada a Lei de Diretrizes Bases (LDB), que permite uma nova abordagem dos procedimentos utilizados para transmitir os conhecimentos aos alunos (Scuracchio, 2002). Ela é definida como o ramo educacional da Robótica que através de protótipos motorizados permite o ensino de conceitos básicos de Mecatrônica, relacionando-os com situações encontradas no cotidiano do aluno, ressaltando a importância e a utilidade dos conceitos aprendidos pelos futuros profissionais.
Neste projeto de P&D serão desenvolvidos kits de Robótica Pedagógica de baixo custo, que auxiliarão o ensino das disciplinas do ensino fundamental e médio (1o e 2o graus) e ainda introduzirão conceitos de Robótica e Mecatrônica. Além disso, os kits possibilitarão aos alunos associarem conhecimentos de computação, programação, lógica, segurança e ciências básicas durante a operação dos mesmos. Os kits também permitirão adaptações e atualizações.
Equipe executora :
Prof. Dr. Carlos André Dias Bezerra – Departamento de Engenharia Mecânica e de Produção
Prof. Dr. Otacílio da Mota Almeida – Departamento de Engenharia Elétrica
Tema do Projeto : 4.11. Educação
Subtema do Projeto: 4.11.1. Criação e difusão de novas tecnologias de informação na educação.
No final da década de 1970, os japoneses denominaram de Mecatrônica a união entre a Eletrônica, a Mecânica e a Computação em produtos de consumo. A partir desta união surgia uma variedade de aplicações do termo mecatrônica, assim como cursos de Mecatrônica em diversos paises desenvolvidos. Porém, nos Estados Unidos não foram criados cursos específicos de Engenharia Mecatrônica, mas foram introduzidas nos currículos dos cursos de graduação em Engenharia Mecânica, as disciplinas relacionadas com integração da Mecânica, Eletrônica e Computação (Ashley, 1997). Em 1987, na Finlândia foi desenvolvido um programa especial de pesquisa em Mecatrônica com a participação de 4 universidades e 80 indústrias, atuando em setores estratégicos (máquinas para fabricação de papel, telefonia móvel, robôs, entre outras). Com orçamento de U$ 6,5 milhões, este programa durou até 1990 (Salminen, 1996) atingindo o objetivo de difundir os conceitos de Mecatrônica nas industrias. Em 1995 foi lançado um novo programa de U$ 20 milhões com a participação de universidades, centros de pesquisa e indústrias (Adamowski e Furakawa, 2001). Na Inglaterra foi criado em 1990 o Fórum de Mecatrônica que foi apoiado pelo IEE (Institute of Electrical Enginners) e o MechE (Institute of Mechanical Enginners) (Hewit, 1996) para discutir e implementar a Mecatrônica entre a comunidade e a industria.
No Brasil, foi somente no ano de 1988 que surgiu o primeiro curso de graduação em Engenharia Mecatrônica na Universidade de São Paulo – USP (Cozman e Furukawa, 2000). Hoje em dia já estão consolidados os cursos de Mecatrônica nos estados Santa Catarina, Rio Grande do Sul, Paraná, Rio de Janeiro, Distrito Federal, entre outros. No Ceará, a Universidade de Fortaleza – Unifor iniciou o Curso de Engenharia de Controle e Automação e a Escola Técnica Federal do Ceará (CEFET – CE), o curso de tecnólogo em Mecatrônica.
Atualmente pode-se definir Mecatrônica como uma linha de pensamento que combina os conceitos de Mecânica, Eletrônica e Computação, no desenvolvimento de produtos que combinem conceitos de resistência dos materiais, comportamento térmico, mecanismos, sensores, atuadores, controle, lógica, entre outros. Alguns autores apresentam definições formais, entre eles: Schweitzer (Adamowski e Furukawa, 2001) define mecatrônica como uma área interdisciplinar que envolve Engenharia Mecânica, Engenharia Elétrica e Ciências da Computação. Acar (1996) define Mecatrônica como sendo a integração da Microeletrônica, Computação, e Controle de Sistemas Mecânicos, para a solução de projeto e produtos com inteligência e flexibilidade. Na Figura 1 tem-se uma representação da Mecatrônica como sendo a interseção entre três áreas distintas.
Figura 1. Representação da Mecatrônica.
Muitos engenheiros consideram que a Mecatrônica surgiu com o desenvolvimento dos robôs (Adamowski e Furukawa, 2001). De fato, um robô é um dispositivo composto de uma estrutura mecânica composta de atuadores, sensores e de uma unidade de controle (Eletrônica e Computação), capaz de realizar diferentes tarefas em função de sua programação, podendo ser reprogramado. Já a Robótica, que é o estudo dos robôs, é constituída por diversas áreas de conhecimento (Figura 2). De tal modo que um profissional que atua na área de Robótica, deve possuir conhecimento em Mecânica, Eletrônica e Computação e áreas básicas de conhecimento.
Figura 2. Representação da Robótica.
Diante do exposto acima, pode-se concluir que a Mecatrônica é uma realidade e tende a crescer e difundir-se cada vez mais no cotidiano das pessoas. Logo, seria salutar a introdução de alguns conceitos relacionados à Automação, Mecatrônica e Robótica no ensino Fundamental e Médio das escolas estaduais e municipais do Ceará.
Este Projeto de Pesquisa e Desenvolvimento (P&D) tem como objetivo principal o desenvolvimento de Kits Educacionais para o ensino de Mecatrônica nas escolas da rede estadual do Ceará. Além disso, são também objetivos específicos deste projeto de P&D:
· Doar os Kits Educacionais para escolas de ensino Fundamental e Médio do estado do Ceará;
· O processo de concepção e implantação desta nova tecnologia de informação, que é a Mecatrônica e a Robótica, em uma escola estadual de Ensino Fundamental e Médio;
· Desenvolver um manual de montagem e operação dos kits;
· Treinar professores de Física ou de Matemática para transmitir os conceitos aos alunos do ensino médio;
· Acompanhar o rendimento da turma antes e depois da implementação dos Kits Educacionais;
· Disponibilizar na Internet um site com o conteúdo teórico relacionado aos kits;
· Publicar um trabalho (artigo completo) em congresso científico.
O projeto de P&D foi dividido em etapas, conforme o cronograma abaixo. Assim que for liberada a verba solicitada, será realizada a compra dos equipamentos, materiais e softwares.
Etapa A – Visita as escolas públicas estaduais de ensino Fundamental e Médio
Inicialmente, serão visitadas escolas de ensino e equipadas com um micro computador com potencial para receber o software de operação do kit (porta serial, espaço disponível, entre outros). Para a seleção das 02 escolas que receberão 01 kit e o treinamento de 01 professor, cada. O critério de seleção será o sorteio de 02 entre as escolas.
Etapa B – Acompanhamento do rendimento escolar
Serão escolhidas 01 turma de Matemática e 01 turma de Física por cada escola selecionada. Estas turmas selecionadas, que irão operar os Kits Educacionais, serão acompanhadas. As 04 turmas a serem acompanhadas, 02 por escola, terão as freqüências e as notas de Matemática e Física anotadas para uma comparação durante todo o período deste projeto de P&D, respeitando-se o sigilo e a individualidade. O objetivo é comparar as notas dos alunos antes e depois da implantação dos kits.
Etapa C – Determinação dos modelos matemáticos dos kits
Nesta etapa serão determinados todos os parâmetros dimensionais dos kits. Tais como as dimensões e material que constituem cada kit. Em seguida será feito o equacionamento matemático do modelo físico de cada kit e determinadas as equações que regem a posição, velocidade e aceleração.
Etapa D – Implementação computacional dos modelos e simulação
Após ter sido modelado, cada kit terá o seu modelo matemático implementado no computador visando obter as variações dos ângulos necessários ao acionamento dos kits. O programa desenvolvido deverá gera os ângulos a serem enviados aos atuadores, como também determinar as velocidades, acelerações e torques correspondentes a cada conjunto de vetor com os ângulos. A finalidade é proteger os atuadores de cargas excessivas e movimentos bruscos, que podem danifica-los.
Etapa E - Fabricação dos Kits Educacionais
Depois de terem sido simulados computacionalmente, serão iniciadas a fabricação e montagem dos kits: 01 do tipo guindaste e 01 do tipo braço mecânico.
Etapa F – Treinamento dos professores das escolas estaduais de ensino
Os dois professores selecionados, um de cada escola, receberão treinamento de 36 horas: 20 horas de atualização em conceitos fundamentais de matemática (álgebra linear, matrizes, geometria, conjuntos), Física (estática, mecânica, eletrônica) e demais áreas básicas relacionadas com os kits. As aulas de atualização serão realizadas nas dependências do DEMP e o conteúdo disponível na internet; 16 horas de treinamento em operação e realização das aulas práticas com os kits.
Etapa G – Implementação dos Kits Educacionais
Serão implantados os kits, um em cada escola. As escolas receberão acompanhamento nas primeiras 02 aulas práticas.
Etapa H – Término do acompanhamento dos alunos e análise dos dados
Ao final do prazo de um ano, que preferencialmente deve coincidir com o ano escolar da rede estadual, todos os dados com o rendimento escolar das turmas selecionadas serão analisados e os resultados serão divulgados (média) via internet e publicados em artigo em congresso nacional.
| Etapa/Meses | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
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| Etapa A | |||||
| Etapa B | |||||
| Etapa C | |||||
| Etapa D | |||||
| Etapa E | |||||
| Etapa F | |||||
| Etapa G | |||||
| Etapa H |
Adamowski, J. C. e Furukawa, C. M., “Mecatrônica: Uma abordagem voltada à automação industrial”. Mecatrônica Atual. Ed. Saber. No. 1. Pág. 08-11. Out-Nov. 2001.
Ashey, S., “Getting a hold on Mechatronics”. Mechanical Engineering. ASME. pp. 60-63. May. 1997.
Bezerra, C. A. D., “Modelagem geométrica da estrutura cartesiana totalmente paralela”. Dissertação de Mestrado. Universidade Federal de Uberlândia. 1996.
Cozman, F.G. E Furukawa, C. M., “A reestruturação curricular do Curso de Mecatrônica da Escola Politécnica”. COBENGE 2000. Ouro Preto. MG. Outubro. 2000.
Hanselman, D. and Littlefield, B. “Mastering Matlab- Matlab Curriculum Series”. Prentice - Hall, New Jersey. 1996.
Hewit, J. R. and King, T. G., “Mechatronics design for product enhancement”. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 1. no. 2, pp. 111-119. 1996.
Salminen, V., “Ten years of Mechatronics research and industrial applications in Finland”. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics. Vol. 1. no. 2, pp. 103-105. 1996.
Scuracchio, S. C. G., “Robótica no currículo escolar: o futuro é agora”. Mecatrônica fácil. Ed. Saber. Pág. 26-28. Maio. 2002.
