INTERMATHS, VOL. 4, NO. 2 (2023), 112–134
https://doi.org/10.22481/intermaths.v4i2.13983
Artigos Gerais
cb licença creative commons
Ensino de Matemática com a Robótica: Uma Proposta
de Recurso Didático
Mathematics Teaching Using Robotics: A Proposal of a Teaching Resource
Carlos Alberto dos Santos Lima
a
, Cleusiane Vieira Silva
a
a
Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia, Jequié - BA, Brasil
* Autor Correspondente: cleusiane.vieira@uesb.edu.br
Resumo: Este artigo é fruto de uma pesquisa já concluída, em que se investigou como a robótica
pode ser utilizada como recurso didático aliado a metodologia de resolução de problemas e a ideia de
gamificação para o ensino e a aprendizagem de matemática. No presente trabalho temos por objetivo
relatar o processo de criação de um Robô Educacional, para ser utilizado como recurso didático nas aulas
de matemática. A proposta apresentada contempla a construção deste Robô, dividida em duas partes:
mecânica e a construção do algoritmo do projeto. A parte mecânica trata da descrição dos componentes
do Robô Educacional e sua montagem, já na parte da construção do algoritmo são expostos os códigos
que permitem o funcionamento do Robô. A utilização da robótica educacional poderá auxiliar o aluno
a desenvolver: lateralidade, noções de espaço, conceitos geométricos, raciocínio lógico, interpretação
e análise de dados, criticidade e tomada de decisões. Na pesquisa citada, o Robô Educacional foi
utilizado para estimular os discentes a resolver uma lista de tarefas matemáticas como forma revisar o
conteúdo estudado no ano letivo anterior. Ressaltamos que, neste caso, o Robô Educacional associado a
gamificação foi um recurso didático capaz de instigar os discentes na realização das tarefas propostas nas
aulas de matemática e proporcionar um ambiente de aprendizagem por meio do trabalho colaborativo.
Por outro lado, como resultado do processo de construção do Robô Educacional, obtemos um recurso
didático de baixo custo e que pode ser confeccionado por professores de todos os níveis de ensino e
alunos de graduação.
Palavras-chave: Robótica Educacional; Ensino de Matemática; Recurso Didático.
Abstract: This article is the result of an already complete research, which investigated how robotics can
be used as a teaching resource combined with problem-solving methodology and the idea of gamification
for teaching and learning mathematics. In this work we aim to report the process of creating an
educational robot, to be used as a teaching resource in Mathematics classes. The proposal presented
includes the construction of this robot, divided into two parts: mechanics and the construction of the
project algorithm. The mechanics part deals with the description of the components of the educational
robot and its assembly, while in the algorithm construction part the code that allow the Robot to
function are exposed. The use of educational robotics can help the student to develop, notions of
laterality, space, geometric concepts, logical reasoning, interpretation and analysis of data, criticality
and decision making. In the aforementioned research, the educational robot was used to encourage
students to solve a list of mathematical tasks as a way to review the content studied in the previous
academic year. We emphasize that, in this case, the Educational Robot associated with gamification
was a teaching resource capable of encouraging students to carry out the tasks proposed in mathematics
classes and providing a learning environment through collaborative work. On the other hand, as a
result of the construction process of the educational robot, we obtain a low-cost teaching resource that
can be created by teachers of all educational levels and undergraduate students.
keywords: Educational Robotics; Teaching Mathematics; Teaching Resource.
Submetido em: 24 de Novembro de 2023 Aprovado em: 20 de Dezembro de 2023 Publicado em: 30 de Dezembro de 2023
ISSN 2675-8318 ©2023 INTERMATHS. Publicado por Edições UESB. Este é um artigo de acesso aberto sob a licença CC BY 4.0.
1 Introdução
Os recursos didáticos exercem um papel de suma importância no ensino e na aprendi-
zagem de matemática ao auxiliar o aluno na compreensão do conteúdo abordado em
sala de aula, além de tornar as aulas dinâmicas e lúdicas. Silva et al. [
1
] salientam que a
ludicidade torna esse processo de construção do conhecimento prazerosa e descontraída
quebrando o paradigma das aulas apenas expositivas e monótonas.
Para o professor é um grande desafio despertar, manter a atenção e a curiosidade dos
alunos, de forma que ocorra uma aprendizagem matemática significativa. Assim, criar
estratégias ou aprimorar as já existentes é uma maneira de minimizar este problema.
Cruz [
2
] ressaltou o elevado nível de dependência dos adolescentes em smartphone, que
dentre os 264 entrevistados, 73% têm vício moderado e 20% grave.
Dentre as estratégias de ensino temos inúmeros materiais pedagógicos que podem
auxiliar nas aulas de matemática, segundo Souza [
3
] qualquer material que o professor
utilizar em sala de aula para ensinar matemática pode ser entendido como um recurso
didático, tais como: revista, tv, jornais, computadores, jogos, multimídia entre outros.
Percebe-se que a nova geração de alunos está voltada para as novas tecnologias. Por
isso, os educadores precisam acompanhar a revolução tecnológica, a fim de, pertencer à
mesma realidade dos alunos. Já que conforme Braz e Vilela [
4
], o que faz efeito para
a aprendizagem hoje pode não fazer diferença amanhã. Além disso, de acordo com
Sacomano et al. [
5
] estamos na quarta era da revolução industrial, chamada de indústria
4.0. Nesse sentido, para entender qual é o impacto que os recursos didáticos, construídos
com as ferramentas atuais desta indústria, têm no ensino de matemática, neste trabalho
foi relatada a produção de um robô com propósito educacional.
2 A Construção do Robô Educacional
A inspiração para construir o Robô Educacional nasceu durante as aulas do curso de
licenciatura em Matemática da Universidade Estadual do Sudoeste da Bahia (UESB), a
partir das componentes curriculares: Linguagem de Programação (LP); Introdução à
Ciência da Computação (ICC); Banco de Dados e Informática Aplicada na Educação.
Notou-se nestas componentes um potencial para a produção de recursos didáticos que
podem ser aplicados nas aulas de matemática.
Nas componentes curriculares, Linguagem de Programação (LP); Introdução à Ciência
da Computação (ICC) e Banco de Dados obtemos o conhecimento inicial para escrever
os códigos de programação do Robô Educacional. Já na componente curricular Infor-
mática Aplicada na Educação, uma das linguagens de programação que conhecemos e
aprendemos foi o LOGO. O programa LOGO é interessante pois faz uso do computador
e da lógica de programação para fazer uma tartaruga andar pelo cenário, desenhando
figuras geométricas de acordo com o interesse do usuário. Este programa de computador,
o LOGO, fica apenas na atmosfera digital. Não podemos manipular concretamente a
tartaruga, seria interessante se ela fosse “palpável”. Isso só seria possível se fizéssemos o
uso da robótica para unir o abstrato ao concreto.
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O Robô Educacional foi construído com materiais de baixo custo e de fácil aquisição,
tais como: uma vasilha com tampa, um Arduino Pro Mini, que atua como o controlador
do robô; temos dois motores de passos, que exerce a função de locomoção, duas rodas de
borracha e uma roda esférica. Um suporte para quatro baterias 18650
∗
para alimentação
do projeto, um módulo bluetooth para conexão com o smartphone e duas abraçadeiras
de cano para a fixação dos motores. O objetivo da escolha deste material foi alcançar os
profissionais da educação que desejam construir e utilizar esse recurso educacional. A
seguir descreveremos os passos para a construção do Robô Educacional.
2.1 Parte Mecânica
Para construir o Robô Educacional foi utilizada uma vasilha plástica com tampa,
que tinha 19 cm de diâmetro e 10 cm de altura (essas medidas são as medidas míni-
mas para realizar o projeto). A tampa da vasilha foi a base do Robô onde todos os
elementos mecânicos e eletrônicos foram fixados. A vasilha teve a função de proteção
dos componentes sendo, também, o corpo do Robô. Observe a Figura 1 a seguir.
Figura 1. Vasilha utilizada para construção do robô
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Para montar a base do robô construímos um desenho esquemático, Figura 2, com todas
as medidas, posições dos furos e cortes necessários. Fixamos com uma fita adesiva o
desenho esquemático sobre a tampa e transportamos as medidas para a superfície plástica
(o que pode ser feito utilizando papel-carbono), furamos todos os pontos marcados no
desenho e recortamos todos os retângulos.
∗
As baterias de Lítio 18650, são nomeadas assim por terem 1.8 cm de diâmetro por 6.5 cm de comprimento. Estas baterias são as
mesmas utilizadas em notebook.
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Figura 2. Processo de marcação e furos para fixação dos componentes do robô
Fonte: figura construída pelos autores
Para montar a base do robô, Figura 3, necessitamos de alguns parafusos com porcas
e arruelas. Esses materiais são de baixo custo e podem ser encontrados em casas de
materiais de construções. As quantidades e medidas desses parafusos são: 6 parafusos
com porcas de 5 cm, para fixar os motores; 2 parafusos com porcas de 2 cm, para fixar a
protoboard; 2 parafusos com porcas de 2 cm, para fixar o porta bateria; 4 parafusos com
porcas de 2 cm, para fixar os drives; 2 parafusos com porcas de 2 cm, para fixar a roda
esférica; 3 parafusos de 2 cm, para fixar o corpo do robô na base, e, por fim, 24 arruelas.
Figura 3. Anexação dos parafusos para fixação dos componentes do robô
Fonte: figura construída pelos autores
Fixamos os quatro parafusos principais que serviram para sustentar os dois motores
de passos e as rodas do robô. Em seguida, rodas e motores foram colocados, conforme
Figura 4 a seguir.
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Figura 4. Parafusando os motores e as rodas na base do robô
Fonte: fotografia realizada pelos autores
O passo seguinte na montagem do robô foi acoplar o Arduino, que é uma placa de
circuito impresso com microcontrolador, sendo ele capaz de controlar vários atuadores
†
como motores de passos e sensores.
Figura 5. Arduino Pro Mini
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Para programar o Arduino, Figura 5, usamos o Arduino IDE, um programa de
computador em que escrevemos os códigos em C/C++.
O módulo bluetooth, Figura 6, foi o componente eletrônico utilizado para conectar o
Arduino remotamente ao celular ou notebook.
†
Os atuadores têm a função de converter um sinal (geralmente elétrico) em ação de algum tipo, geralmente singular [6]
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Figura 6. Módulo bluetooth
Fonte: fotografia realizada pelos autores
A minifonte, Figura 7, tem a função de converter a voltagem de 14 volts fornecida
pelas baterias, para uma tensão menor de 5 volts suportada pelo Arduino, motor de
passo, servo motor e o módulo bluetooth.
Figura 7. Mini fonte para convenção de energia
Fonte: fotografia realizada pelos autores
O motor de passo e seu driver foram os responsáveis pela tração do robô, Figura 8,
sendo que este componente faz o sistema deslocar sob a superfície.
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Figura 8. Motor elétrico de passo com suporte
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Nesse projeto foi essencial usar motores desse tipo, pois existia a necessidade conse-
guirmos precisão de movimento.
Para o projeto ter autonomia energética, ou seja, ter um tempo maior de execução,
foram utilizadas células de bateria de lítio 18650 (Figura 9), pois elas possuem capacidade
de armazenamento de energia elevada e, também, são recarregáveis.
Figura 9. Bateria de lítio 18650
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Foram utilizadas quatro baterias, Figura 9, ligadas em série por meio do suporte de
bateria, a voltagem máxima fornecida por esse sistema é de 14.8 volts.
Um par de rodas de borracha, uma para cada motor de passo e uma roda pequena
foram utilizadas para sustentação da base do robô e facilitar a sua locomoção. Veja
Figura 10 abaixo.
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Figura 10. Rodas usadas para locomoção do robô
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Para facilitar a montagem de todos os componentes eletrônicos de modo que não
tivéssemos a necessidade de utilizar solda, usamos a protoboard (Figura 11), um acessório
que fornece a praticidade de fazer conexões apenas fixando pinos e fios.
Figura 11. Protoboard para construção do circuito eletrônico
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Para controlar o Robô foi usado um aplicativo de smartphone construído por meio da
plataforma de desenvolvimento Mit APP Inventor. Esse site é gratuito e fornece uma
ferramenta de fácil utilização para a elaboração de App. Veja na Figura 12, a seguir, a
tela de iniciação do aplicativo no celular.
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Figura 12. Aplicativo utilizado para controlar o robô
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Depois de conectar o celular ao Robô Educacional, para movê-lo, digite na caixa de
diálogo a distância em centímetros que ele deve percorrer e escolha a direção nos botões
de giro ou de seta. Assim, o Robô será controlado com movimentos de acordo com o
interesse do operador.
A cabeça do robô foi feita com a metade de uma bola de isopor. Esta bola de isopor
é oca e pode se encontrada em papelaria ou casa de decorações. Dentro dela colocamos
um sensor de distância para ser os “olhos” do robô e um servo motor para fazer a cabeça
girar para os lados, conforme Figura 13 a seguir.
Figura 13. Montagem da cabeça do robô
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Observe que esses dois furos têm dimensões suficiente para inserirmos o sensor sendo
fixado com cola quente apenas pela borda, como mostrado na Figura 14.
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Figura 14. Pequena chapa na cabeça do robô e sistema mostrando a cabeça anexada ao corpo por dois
parafusos
Fonte: fotografia e esquema realizados pelos autores
Para fixar a cabeça do robô no corpo foi preciso colocar, usando supercola, um pequeno
pedaço de chapa de 4 cm
×
4 cm no centro da bola, como mostrado na Figura 14.
Usamos esse procedimento para parafusar o servo motor no centro da bola, caso não
tivesse esta chapa, o parafuso ficaria apenas no isopor, podendo soltar-se imediatamente.
A aparência do Robô Educacional
‡
se assemelha com a apresentada na Figura 15 a
seguir:
Figura 15. Resultado final do Robô Educacional
Fonte: fotografia e esquema realizados pelos autores
Na seção a seguir descreveremos o projeto de programação do Robô Educacional, o
que envolve a linguagem de programação C/C++.
2.2 Desmembrando o algoritmo do projeto
A peça fundamental para a construção de qualquer máquina que exija previsibilidade
e exatidão em seus movimentos é a escolha certa dos atuadores, eles transformam
‡
As etapas da montagem do Robô Educacional, com todos os componentes incluindo a cabeça e sua fun-
cionalidade, estão disponíveis em vídeo, gravado pelo primeiro autor, no Youtube cujo endereço eletrônico é
https://www.youtube.com/playlist?list=PLJ_XBkc0KIrKb_jZf7ZOwQGTblmYuD2CN.
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energia elétrica em mecânica. Dessa forma, quando se trata de movimentos controlados e
precisos são utilizados os motores de passo e o servo motor. Os motores de passo atuam
com a deslocação em seu eixo principal dando pequenos passos em ângulos menores
que um grau por vez. Enquanto o servo motor trabalha diretamente com ângulos que
variam de 0 a 180º graus. Sendo assim, o desenvolvimento do algoritmo que comandará
a máquina deverá ser escrito em função dos atuadores ou sensores que compõem esta
máquina.
Em projetos de robótica para iniciantes o Motor de Passo 28BYJ-48 é muito utilizado
por ter um custo relativamente baixo e ser funcional, pois ele já vem com o seu próprio
drive de controle e, além disso, tem um baixo consumo de energia em relação aos outros.
O passo deste motor é de 0,088º a cada pulso, isso significa que para seu eixo girar 360º é
preciso de 360
◦
/
0
,
088
◦
= 4090 passos ou pulsos. Note que, com o controle de cada passo
temos altíssima precisão de movimento, visto que o motor não gira descontroladamente
igual ao motor DC
§
normal. Dessa maneira, o algoritmo foi desenvolvido convertendo
esses passos/pulsos em distâncias (centímetros). Para desenvolver um algoritmo foi
necessário um propósito bem definido, com todas as metas e problemas que nos propomos
alcançar e resolver. Na construção desse Robô para aplicação didática em aulas de
matemática, foi necessário que ele tivesse movimentos precisos em seu deslocamento
retilíneo ou angular. Contudo, foi preciso saber quantos centímetros as rodas do Robô
percorrerem na superfície ao completar uma volta completa de 360º. Para isso, usamos
a seguinte fórmula algébrica: Perímetro = 2
× π×
raio. Note que, é preciso uma função
para converter a distância (centímetros) para passos, para isso, foi usada regra de três
simples. Sabemos que quando o motor executa 4090 passos o robô percorrerá o valor do
perímetro. Diante dessa informação foi possível prever quantos passos o motor precisaria
dar para percorrer uma determinada distância exata. Veja a seguir como foi deduzida a
principal função do código:
Observe que o valor do perímetro dependerá das dimensões da roda que for utilizada
no projeto. Note que, esse valor é calculado apenas uma vez, dessa forma, no lugar da
variável perímetro você pode substituir pelo valor numérico que já foi obtido. Assim,
a função passos dependerá apenas da distância. Essa função será aplicada para fazer
o Robô se movimentar tanto para frente quanto para trás em linha reta, percorrendo
distâncias precisas.
Para o Robô rotacionar em seu próprio eixo com ângulos precisos foi necessário deduzir
outra fórmula. Primeiramente as duas rodas precisam girar em sentido contrário entre
si, Figura 16, gerando assim uma rotação em seu eixo.
§
Um motor DC é um tipo de máquinas elétricas que converte energia elétrica de corrente contínua em energia mecânica. Os tipos mais
comuns dependem das forças produzidas por campos magnéticos.
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Figura 16. Rotação do robô
Fonte: Construção dos autores
Note que quando essas rodas girarem farão um círculo, sendo necessário calcular o
perímetro dele também. É preciso utilizar a medida do raio sendo a metade da distância
entre as duas rodas pois, “a localização do robô é representada por um ponto que fica
no ponto médio entre as suas duas rodas” [
7
, pp. 26]. A partir daí deduzimos a seguinte
regra de três: quando o Robô girar 360º ele percorrerá um perímetro completo em torno
de si próprio. Assim temos que:
O perímetro nessa função dependerá da distância entre as duas rodas, assim, igual-
mente na fórmula anterior, só precisamos calcular uma única vez depois de estabelecida
a distância delas. Desse modo, a aplicação rotação ficará em função apenas do ângulo.
Contudo, observe que o valor obtido da função rotação não está em passos ou pulsos,
assim, precisamos converter o valor da rotação em passos. Observe que temos dois
valores de perímetros: o primeiro obtido da circunferência presente na roda que está
acoplada no motor; e o segundo retirado da rotação que as rodas produzem em torno
do eixo central do robô. O perímetro da roda está diretamente ligado com os passos
ou pulsos. O segundo perímetro está em conexão com a rotação do robô e ambas são
distâncias em centímetros. Diante dessas informações, temos as seguintes relações:
Veja que nessa nova fórmula o perímetro já pode ser calculado e acrescentado como
constante. Esse fato ocorre porque o comprimento das rodas não varia. Dessa maneira, a
função passos fica em função apenas da rotação. Essas funções funcionaram da seguinte
forma: quando o usuário informar o valor do ângulo a função rotação fornecerá uma
certa distância em centímetro, que pode ser, menor, maior ou igual ao comprimento
do perímetro do Robô. A função passo receberá o valor em centímetro da rotação
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e transformará em passos ou pulsos precisos, fazendo os motores rotacionarem com
exatidão ao ângulo desejado. Está ocorrendo que as rodas estão se movimentando a
distância do arco gerado por um determinado ângulo. Ou seja, percorrendo um arco
resultará em um ângulo. Dessa forma, trabalhamos com as duas fórmulas em conjunto.
Como já foram obtidas as principais fórmulas do programa, vamos agora construir
um algoritmo que permite fazer as entradas de dados quando solicitado pelo usuário.
Essas informações serão comunicadas por meio de um aplicativo de celular via bluetooth.
Inicialmente precisamos importar quatro bibliotecas que são: AccelStepper.h; Mul-
tiStepper.h; stdio.h; Servo.h. A primeira e a segunda são utilizadas para manipular
o motor de passo, a terceira é específica para escrever textos de comando e a última
para comandar o servo motor. Caso fôssemos trabalhar com mais módulos seria preciso
adicionar bibliotecas específicas para eles. Em nosso caso, serão utilizados apenas essas:
1 \# includ e $ < $AccelStepper .h$ >$
2
3 \# includ e $ < $MultiStepper .h$ >$
4
5 \# includ e $ < $std io . h$ >$
6
7 \# includ e $ < $Ser vo . h$ >$
Para usar o servo motor é preciso criar um objeto do tipo Servo. Nesse exemplo,
chamamos esse objeto de myservo, contudo, pode-se nomear segundo a preferência do
programador. Por meio do myservo podemos controlar o posicionamento da alavanca do
servo motor e até da sua velocidade. Esse recurso será importante para fazer a cabeça
do Robô girar para os lados, ou criar outros mecanismos como, por exemplo, um braço
para manipular algum objeto.
Para o motor ter maior precisão podemos dividir ainda mais seus passos, para isso,
vamos definir algumas constantes, FULLSTEP e HALFSTEP.
1 // Exemplo s :
2 \# define F ULLSTEP 4
3
4 \# define H ALFSTEP 8
Nas linhas de códigos a seguir foram definidas as portas digitais do Arduino em que
cada conexão do motor foi ligada. Veja que o motor 1 é ligado nas portas digitais (2, 3,
4, 5) e o motor 2 é ligado nas portas (6, 7, 8, 9). Note que podemos ligar os motores em
outras portas, contudo, precisaríamos trocar também a numeração referente a entrada
que foi utilizada nas linhas abaixo.
1 \# define m o t orPino1 2 // Pino do driver IN1
2
3 \# define m o t orPino2 3 // Pino do driver IN2
4
5 \# define m o t orPino3 4 // Pino do driver IN3
6
7 \# define m o t orPino4 5 // Pino do driver IN
8
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9 \# define m o t orPino5 6 // Pino do d river2 IN
10
11 \# define m o t orPino6 7 // Pino do d river2 IN
12
13 \# define m o t orPino7 8 // Pino do d river2 IN3
14
15 \# define m o t orPino8 9 // Pino do d river2 IN4
No projeto são utilizados dois motores de passo, dessa forma, precisam ser criados
dois objetos do tipo 0 e, além disso, comunicar os parâmetros dos pinos e da precisão.
O objeto stepper é vinculado ao motor 1 e o stepper2 ao motor 2. Com esses objetos
será possível acessar as funções da biblioteca Accelstepper.
1 AccelStepper s tepper ( HALFSTEP , m otorPino1 , motor Pino3 , m otorPino2 , m otorPino4 );
2 AccelSteppe r s t e p p e r 2 ( HALFSTEP , motorPino5 , motorPino7 , mot orPino6 , motorPino8 ) ;
Nas linhas a seguir foram definidas algumas variáveis, dentre estas, a velocidade e a
distRoda precisam de um pouco de atenção. A variável distRoda receberá o valor da
distância das duas rodas que estão montadas no Robô. Esse valor influencia no cálculo
do perímetro das fórmulas mostradas anteriormente. A variável velocidade pode receber
um parâmetro de até 2000 passos, contudo, nos testes realizados pelos pesquisadores a
velocidade de 500 passos forneceu melhores resultados.
1 String l eeCadena ; int v e l o cidade = 500 , veloc idade1 , v e l ocidade2 ;
2
3 int direcao ,direcao1 , direcao2 , direcao3 =1;
4
5 int distR o da = 16, raio , passo , reta , seta , cont =0 , corrente , desligado ,
ligad o ;
6
7 int angulo , angulo1 , direita , esquerda , servo , cima , baixo ;
8
9 int codigo S e r i a l = 0 , protocolo , conta t =0;
10
11 long pass , dist , com Arco1 , comArco2 , comArco3 , comArco4 , rotacao , compcen1 ,
compcen 2 ;
Todas as linhas dos códigos dentro do setup são lidas apenas uma vez quando o Arduino
é ligado, dessa maneira, ele foi utilizado para configurar inicialmente o programa. O
serial.begin possibilita analisar o código funcionando pelo monitor serial da IDE. O
stepper.setMaxSpeed() configura o motor 1 para ter uma velocidade de até 1000 passos,
da mesma forma que o stepper2.setMaxSpeed(). O myservo.attach() indica para o
Arduino o pino que o servo motor está conectado na placa. Se o servo motor estiver em
outro pino digital é preciso informar esse valor para o myservo.attach(). Por sua vez, o
myservo.write() é usado para comunicar o valor do ângulo para o servo motor executar.
Nesse caso, toda vez que o Arduino for ligado, o servo motor irá para a posição de 90º.
Como ele fica preso na cabeça do Robô Educacional, então por meio dessa configuração
o Robô iniciará o movimento com a cabeça voltada para frente.
1 void setup (){
2
3 Serial . begin (9600) ;
4
5 stepper . setMaxSpeed (1000) ;
6
7 s tepper2 . setMaxSpeed (100 0) ;
8
9 myservo . atta ch (10) ;
10
11 myservo . write (90) ;}
C. A. dos S. Lima, C. V. Silva INTERMATHS, 4(2), 112–134, Dezembro 2023 | 125
Todas as linhas dentro do loop são lidas uma após a outra. Para organizar todo o
código foram utilizadas algumas funções específicas para cada funcionalidade do Robô.
A função comuSerial() possibilitou a comunicação do Arduino com o celular via bluetooth.
O controleSerial() é um menu que faz a escolha das ações informadas para o Robô. A
função motorControle_reta() trabalha com o deslocamento do Robô em linha reta, tanto
para frente, quanto para trás. Já o motorControle_centro() controla a rotação em grau
do Robô em torno de si, em sentido horário ou anti-horário. O servoMotor() controla as
ações do servo motor.
1 void loop (){
2
3 c o m uSerial () ;
4
5 c o n t r o l e S e r i a l ();
6
7 m o t o r C o n t role \ _re ta () ;
8
9 m o t o r C o n t role \ _cent ro () ;
10
11 s e r voMotor () ;}
Observe que na função comuSerial() o bloco condicional if() depende dos dados
recebidos e tratados no while(). Inicialmente o while() avalia se tem dado chegando ou
não. Quando a comunicação avaliada é tida como verdadeira entrará dentro do while().
O delay() pausa o loop por dois segundos, em seguida o primeiro caractere de texto
é lido pelo Serial.read() e armazenado na variável C que é do tipo char. A variável
leeCadena é um vetor do tipo string, logo cada caractere recebido em C é colocado em
uma posição dentro de leeCadena. Quando leeCadena é maior que zero a condição é
verdadeira e entrará dentro do if(). O serial println(leeCadena.toInt()) converterá o
texto armazenado em um número inteiro e apresentará no monitor serial da IDE. Em
seguida a variável codigoSerial recebe todo valor de leeCadena.toInt() já convertido.
1 void c o muSerial () {
2 while ( Serial . available ()) {
3 delay (2) ;
4 char c = S erial . r ead ();
5 leeCadena += c;}
6 if ( leeCaden a . lengt h ()$> $0 ) {
7 Serial . p r intln ( leeCadena . t oInt ());
8 c o d i g oSerial = l eeCadena . toInt () ;}}
O aplicativo instalado no celular enviará dois tipos de códigos: o primeiro será um
número com mais de quatro dígitos, esses são para escolher as funcionalidades do Robô.
Já os números menores ou iguais a quatro dígitos são ações que ele fará. Tais como se
movimentar a determinada distância ou girar em determinado ângulo, segundo a escolha
do operador. Quando o número recebido for maior que quatro dígitos, então entrará
na condição if() e a partir daí o código Serial será avaliado pelo switch() e determinará
as funções que o robô realizará. O case 10000 indica a direção para frente; case 10001
direção para trás; case 10002 rotação no sentido horário; case 10003 rotação no sentido
anti-horário (ver anexo 1).
Se o número recebido tiver a quantidade de dígito menor ou igual a quatro, significa
que esse dado não é para selecionar as opções do menu, logo não entrará no if() passando
assim para o else{}. Dessa forma, a variável passo receberá o número em centímetro que
está dentro do codigoSerial. Em seguida o codigoSerial é zerado para processar novos
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valores. Note que dentro do else o passo também é informado com a distância que o
Robô irá percorrer ou o ângulo que ele irá girar:
1 else { passo = c o digoSerial ; c o d i goSerial = 0; dist = passo ; angulo = dist ;\}}
Observe que os valores recebidos nas variáveis passo, dist e angulo não estão conver-
tidos para pulsos ou passos que o motor precisa para funcionar. Assim, se a função
motorControle_Centro() for selecionada no switch() a função usará o valor que está
guardada dentro da variável angulo e a partir daí será convertido pelas funções (rotacao e
pass). Perceba que nas fórmulas é usado a palavras long e a letra L nos números inteiros
que estão multiplicando uma variável, fizemos isso para forçar uma conversão mais
precisa. De posse do passo já convertido e armazenado em pass são usados os objetos
stepper.moveTo e stepper2.moveTo para informar a quantidade de passos que o motor
deverá rotacionar. Em stepper.setSpeed() são comunicados a direção e a velocidade do
motor. O comando while() força o motor a executar todos os passos que foram dados.
Ao sair do comando de repetição a função stepper.setCurrentPosition() resetará todos os
passos usados dentro da biblioteca. Em seguida as variáveis usadas são zeradas. Observe
que é trabalhado com os dois motores em conjunto. Esse bloco de código utiliza o valor
fornecido pelo usuário em grau, transforma em passo e faz o robô girar no ângulo e
direção desejados (ver anexo 2).
Essa função controla o movimento para frente ou para atrás do robô através dos valores
passados pela variável distância (dist). Veja que esse valor ainda não está convertido
para passos ou pulsos e por meio da função pass esse número será convertido.
Depois que pass recebe o total de passos, o stepper.MoveTo() informa para o motor
a quantidade de pulso que ele precisa dar; por sua vez, as funções stepper.setSpeed()
informam a direção e a velocidade. O comando de repetição while() assegura que o motor
dará todos os passos fornecidos. Ao sair do while() a função stepper.setCurrent.Position()
anula todas as entradas na biblioteca para receber novos valores. Em seguida algumas
variáveis são reiniciadas.
Note que novamente a função trabalha com os dois motores ao mesmo tempo: o
stepper e o stepper2 (ver anexo 3).
A função servoMotor() só funcionará quando a função motorControle_centro() estiver
em execução, isso pois, dentro dessa função a variável contat receberá o valor de 100.
Quando contat for verdadeira entrará na condição if() e em seguida será passada o
ângulo de 180º para o servo motor através da função myservo.write(), em seguida pausa,
e é informado o ângulo de 90º. Ao final do código a variável contat é zerada para repetir
o processo, caso a função rotação for acionada novamente. Esse movimento do servo
motor condiz com o movimento da cabeça do Robô toda vez que ele for rotacionar (ver
anexo 4).
O controle remoto é um aplicativo para smartphone desenvolvido na plataforma
gratuita chamada MIT App Inventor. Esse recurso de desenvolvimento de aplicativos
pode ser utilizado por iniciantes em robótica, pois a estrutura de códigos é feita em blocos
de encaixe. Uma das vantagens desse site é que ele possui muitos artigos e tutoriais para
o aprendizado. Para usar a plataforma basta pesquisar por Mit App Inventor e fazer
um cadastro utilizando apenas um e-mail. Ao abrir o site são disponibilizadas todas
as ferramentas necessárias para criar um aplicativo. Contudo, o objetivo desse artigo é
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explicar a lógica por trás do código, o que por sua vez ampliará o desenvolvimento e
aperfeiçoamento do mesmo para futuros projetos.
No primeiro bloco de código, quando o aplicativo é iniciado é verificado se o bluetooth
está ativo (Figura17), se ele não estiver, então aparecerá uma mensagem na tela pedindo
para ligar o bluetooth (Figura 17). Por sua vez, antes dele ser ligado, uma lista com
todos os dispositivos próximos será apresentada para ser escolhido e pareado.
Figura 17. Verificação de ativação do bluetooth
Fonte: figura gerada pelos autores no Mit App Inventor
Quando o dispositivo for escolhido pelo usuário, o bluetooth tentará conectar e parear,
se for conectado, será mostrada na tela do aplicativo (Figura 18) a mensagem que foi
conectado. Caso não for conectado, mostrará uma mensagem de alerta ou erro, Figura
18.
Figura 18. Mensagem de erro de conexão
Fonte: figura gerada pelos autores no Mit App Inventor
Esse bloco de código pertence à funcionalidade dos botões. Quando ele é clicado,
verificará se o bluetooth está ativo, se estiver ativo, então será enviado um texto para o
bluetooth que está no Arduino. Observe que esse botão envia a string 10000. Quando
esse número chegar no Arduino será tratado e verificado que é um código para selecionar
uma função do Robô, como por exemplo se movimentar para frente. Dessa forma, esse
código (Figura 19) serve para acessar opções do menu.
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Figura 19. Código de acesso às opções do Menu
Fonte: figura gerada pelos autores no Mit App Inventor
Depois de escolhidas a direção e/ou a rotação que o Robô fará por meio dos botões
citados anteriormente, é preciso informar a distância ou o ângulo. Para isso, basta
digitar por meio do teclado do celular, na caixa de texto, o comando e clicar no botão
enviar. O código verificará se o bluetooth está ligado, se estiver, então enviará todo o
texto digitado. Números menores que 10000 não são classificados como protocolo para
selecionar as opções do menu. Observe, na Figura 19, que esses parâmetros podem ser
mudados tranquilamente.
Figura 20. Mudança de parâmetro
Fonte: figura gerada pelos autores no Mit App Inventor
Os códigos aqui apresentados são abertos ao aperfeiçoamento por parte daqueles que
desejarem construir o Robô Educacional.
3 Aplicação do Robô Educacional
O Robô Educacional foi utilizado, como recurso didático, em uma investigação cujo
objetivo era revisar conteúdos matemáticos dos anos finais do Ensino Fundamental II e
foi associado às metodologias de Gamificação e Resolução de problemas. Na ocasião,
os pesquisadores utilizaram, além dos dois Robôs Educacionais, um tabuleiro com o
aspecto de uma trilha, Figura 20, que deveria ser percorrido pelos Robôs sob o comando
de duas equipes de alunos. Foi utilizado ainda um dado com dimensões específicas, como
pode ser visualizado na figura 20, também construído com o propósito do experimento,
que servia para ditar o número de “passos” a ser percorrido pelos Robôs.
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Figura 21. Mudança de parâmetro
Fonte: fotografia realizada pelos autores
Para fazer os Robôs se movimentarem sobre o tabuleiro, os discentes tinham que
resolver corretamente, 24 situações problemas de matemática, propostas em lista elabo-
rada pelo professor regente da turma e os pesquisadores. As situações problemas foram
resolvidas alternadamente pelas equipes de alunos. Neste experimento foi percebido
que as duas equipes não estavam competindo entre si. Os seus objetivos eram fazer os
Robôs se movimentarem e chegarem no destino final, independentemente se um estivesse
na frente do outro. Isso foi satisfatório, pois resolver as questões de matemática fazia
sentido para eles, o desafio de ambas as equipes não era vencer o jogo, e sim, solucionar
os problemas matemáticos. Durante o experimento, foi possível observar como o fator
lúdico e diferente conseguiu transcender, em algumas ocasiões, a aversão a matemática
em prazer, levando os alunos a pensar, raciocinar e interagir entre si, e com o docente
para solucionar os problemas propostos.
4 Conclusão
A concepção do Robô Educacional, com materiais de baixo custo, proporcionou aos
autores oferecer um recurso didático a profissionais da educação, de modo especial, a
professores de matemática, uma forma de instigar os discentes ao aprendizado e propor
diversas estratégias de ensino.
Ao Relatar todo o processo de construção do Robô Educacional, incluindo a abertura
dos códigos de programação, este trabalho oportuniza que esse processo sirva como
fonte de pesquisa e ensino para professores, uma vez que, o Robô Educacional pode ser
aperfeiçoado, tanto na parte mecânica com a adição de braços e outros mecanismos de
movimento, quanto no âmbito da programação.
Ressaltamos que outras aplicações do Robô Educacional podem ser implementadas de
acordo com objetivo do professor, como a adaptação de uma caneta ou lápis na base do
robô para a construção de figuras geométricas, sendo dados medida dos lados, ângulos,
etc.
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Contribuições
Todos os autores contribuíram substancialmente na concepção e/ou no planejamento do estudo;
na obtenção, análise e/ou interpretação dos dados; na redação e/ou revisão crítica; e aprovaram
a versão final a ser publicada.
Fontes de financiamento
Não há.
Orcid
Carlos Alberto dos Santos Lima https://orcid.org/0009-0004-0276-3244
Cleusiane Vieira Silva https://orcid.org/0000-0002-7156-2276
Referências
1.
J. L. S. da Silva, J. R. Evangelista, R. B. dos Santos e P. M. Mendes, “Matemática Lúdica
Ensino Fundamental e Médio”, Educação em Foco, no. 06, pp. 26-36, 2013.
2.
F. A. D. Cruz, “O Impacto do Uso de Mídias Tecnológicas (Tecnologia Móvel-Internet)
na Qualidade de Vida de Adolescentes”, Thesis Dissertation in Educação, Universidade
Federal de São Paulo, São Paulo, 2014.
3.
S. E. de Souza, “O Uso de Recursos Didáticos no Ensino Escolar”. In: I Encontro de
Pesquisa em Educação, IV Jornada de Prática de Ensino, XIII Semana de Pedagogia da
UEM: Infância e práticas Educativas, Maringá, PR, 2007.
4.
E. J. Braz and D. P. Vilela, “Robótica Educacional Como Auxilio no Ensino de Matemática:
relatos de uma professora”, Revista Ensin@ ufms, Três Lagoas, vol. 1, no 05, pp. 149-163.
2020.
5.
J. B. Sacomano, R. F. Gonçalves, M. T. da Silva, S. H. Bonilla and W. C. Sátyro, Indústria
4.0: Conceitos e Fundamentos, 1st ed, São Paulo: Editora Edgard Blücher Ltda. 2018.
6. F. Brito, Sensores e atuadores, 1st ed, São Paulo: Editora Érica, 2017.
7.
F. P. de Paiva, “Filtro de Kalman aplicado à Localização de Robôs Móveis utilizando
o sensor Laser Rangefinder 2D”, Trabalho de conclusão de Curso, Engenharia Elétrica,
Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora, 2017.
Editora-científica: Ana Paula Perovano. Orcid iD: https://orcid.org/0000-0002-0893-8082
© INTERMATHS
CC BY 4.0
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ANEXO 1
1 void cont r o l e Serial () {
2 if ( leeCadena . length () >4){
3 switch ( codigoSeria l ) {
4 case 10000:
5 seta = 0;
6 direita = 0;
7 esquerda = 0;
8 servo = 0;
9 direcao = -1;
10 direcao1 = 0;
11 codigoSe r i al = 0;
12 break
13 case 10001:
14 seta = 0;
15 direita = 0;
16 esquerda = 0;
17 servo = 0;
18 direcao = 1;
19 direcao1 = 0;
20 codigoSe r i al = 0;
21 break ;
22 case 10002:
23 seta = 0;
24 direita = 0;
25 esquerda = 0;
26 servo = 0;
27 direcao = 0;
28 direcao1 = 1;
29 direcao2 = -1;
30 codigoSe r i al = 0;
31 break ;
32 case 10003:
33 seta = 0;
34 direita = 0;
35 esquerda = 0;
36 servo = 0;
37 direcao = 0;
38 direcao1 = -1;
39 direcao2 = 1;
40 codigoSe r i al = 0; break ;}}
41 else { passo = co digoSerial ; cod i goSerial = 0; dist = passo ;
angulo = dist ; } }
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ANEXO 2
1 void motorControle_cen t r o () {
2 if ( (( dire cao1 !=0) &&( direcao2 !=0) ) ) {
3 if ( (( dire cao1 !=0) &&( direcao2 !=0) ) && ( passo > 0) ){
4 contat =100;
5 rotacao = long (( ( 51 L * ( angulo ) ) /360) +1) ;
6 pass = long ( (4096 L * rotacao ) /14) ;
7 stepper . moveTo ( pass ) ;
8 stepper2 . moveTo ( pass );
9 stepper . setSpeed ( direcao1 * velocida de );
10 stepper2 . setSp eed ( - direcao2 * velocidade );
11 delay (500) ;
12 while ( ( dire cao1 * stepper . currentPositi o n () != pass ) && (
direcao2 * stepp er2 . currentPosition () != pass )) {
13 stepper . runSpeed () ;
14 st epper2 . runSpeed () ;}}
15 stepper . s e t C u r r e n t P o s i t io n (0) ;
16 st epper2 . setCurrentPosition (0) ;
17 passo = 0;
18 pass = 0;
19 angulo = 0;}
20 leeCadena = ""; }
ANEXO 3
1 void m o t o r C o n t r o le _ r e t a () {
2 if ( direcao !=0) {
3 if ( (( direcao == -1) || ( direcao == 1 ) ) &&
passo > 0 ) {
4 contat = 100;
5 pass = ( long ( (4096 L * 1) /13.8 ) ) * dist ;
6 stepper . moveTo ( pass ) ;
7 stepper2 . moveTo ( pass );
8 stepper . set Speed ( direcao * v elocida de );
9 stepper2 . setSpeed ( - direcao * velocidade );
10 delay (500) ;
11 while ( ( direcao * stepper . currentPosition () != pass ) && (
direcao * stepper2 . currentPosition () != pass )) { stepper .
runSpeed () ; stepper2 . runSpeed () ;}}
12 stepper . setCurrentPosition (0) ;
13 stepper2 . setCurrentPosition (0) ;
14 passo = 0;
15 pass = 0;}
16 leeCadena = " "; }
C. A. dos S. Lima, C. V. Silva INTERMATHS, 4(2), 112–134, Dezembro 2023 | 133
