A Robótica Educacional consiste na utilização de robôs para aplicação prática dos conteúdos teóricos discutidos em sala de aula. Porém, os robôs mais usados apresentam uma carência de interação com os usuários, a qual pode ser melhorada com a inserção de robôs humanoides. Esta dissertação tem como objetivo a combinação de técnicas de visão computacional, robótica social e reconhecimento e síntese de fala para a construção de um sistema interativo que auxilie em sessões pedagógicas por meio de um robô humanoide. Diferentes conteúdos podem ser abordados pelos robôs de forma autônoma. Sua aplicação visa o uso do sistema como ferramenta de auxílio no ensino de matemática para crianças. Para uma primeira abordagem, o sistema foi treinado para interagir com crianças e reconhecer figuras geométricas 3D. O esquema proposto é baseado em módulos, no qual cada módulo é responsável por uma função específica e contém um grupo de funcionalidades. No total são 4 módulos: Módulo Central, Módulo de Diálogo, Módulo de Visão e Módulo Motor. O robô escolhido é o humanoide NAO. Para visão computacional, foram comparados a rede LEGION e o sistema VOCUS2 para detecção de objetos e SVM e MLP para classificação de imagens. O reconhecedor de fala Google Speech Recognition e o sintetizador de voz do NAOqi API são empregados para interações sonoras. Também foi conduzido um estudo de interação, por meio da técnica de Mágico-de-Oz, para analisar o comportamento das crianças e adequar os métodos para melhores resultados da aplicação. Testes do sistema completo mostraram que pequenas calibrações são suficientes para uma sessão de interação com poucos erros. Os resultados mostraram que crianças que tiveram contato com uma maior interatividade com o robô se sentiram mais engajadas e confortáveis nas interações, tanto nos experimentos quanto no estudo em casa para as próximas sessões, comparadas às crianças que tiveram contato com menor nível de interatividade. Intercalar comportamentos desafiadores e comportamentos incentivadores do robô trouxeram melhores resultados na interação com as crianças do que um comportamento constante. / Educational Robotics is a growing area that uses robots to apply theoretical concepts discussed in class. However, robots usually present a lack of interaction with users that can be improved with humanoid robots. This dissertation presents a project that combines computer vision techniques, social robotics and speech synthesis and recognition to build an interactive system which leads educational sessions through a humanoid robot. This system can be trained with different content to be addressed autonomously to users by a robot. Its application covers the use of the system as a tool in the mathematics teaching for children. For a first approach, the system has been trained to interact with children and recognize 3D geometric figures. The proposed scheme is based on modules, wherein each module is responsible for a specific function and includes a group of features for this purpose. In total there are 4 modules: Central Module, Dialog Module, Vision Module and Motor Module. The chosen robot was the humanoid NAO. For the Vision Module, LEGION network and VOCUS2 system were compared for object detection and SVM and MLP for image classification. The Google Speech Recognition speech recognizer and Voice Synthesizer Naoqi API are used for sound interactions. An interaction study was conducted by Wizard-of-Oz technique to analyze the behavior of children and adapt the methods for better application results. Full system testing showed that small calibrations are sufficient for an interactive session with few errors. Children who had experienced greater interaction degrees from the robot felt more engaged and comfortable during interactions, both in the experiments and studying at home for the next sessions, compared to children who had contact with a lower level of interactivity. Interim challenging behaviors and support behaviors brought better results in interaction than a constant behavior.

A Robótica Educacional consiste na utilização de robôs para aplicação prática dos conteúdos teóricos discutidos em sala de aula. Porém, os robôs mais usados apresentam uma carência de interação com os usuários, a qual pode ser melhorada com a inserção de robôs humanoides. Esta dissertação tem como objetivo a combinação de técnicas de visão computacional, robótica social e reconhecimento e síntese de fala para a construção de um sistema interativo que auxilie em sessões pedagógicas por meio de um robô humanoide. Diferentes conteúdos podem ser abordados pelos robôs de forma autônoma. Sua aplicação visa o uso do sistema como ferramenta de auxílio no ensino de matemática para crianças. Para uma primeira abordagem, o sistema foi treinado para interagir com crianças e reconhecer figuras geométricas 3D. O esquema proposto é baseado em módulos, no qual cada módulo é responsável por uma função específica e contém um grupo de funcionalidades. No total são 4 módulos: Módulo Central, Módulo de Diálogo, Módulo de Visão e Módulo Motor. O robô escolhido é o humanoide NAO. Para visão computacional, foram comparados a rede LEGION e o sistema VOCUS2 para detecção de objetos e SVM e MLP para classificação de imagens. O reconhecedor de fala Google Speech Recognition e o sintetizador de voz do NAOqi API são empregados para interações sonoras. Também foi conduzido um estudo de interação, por meio da técnica de Mágico-de-Oz, para analisar o comportamento das crianças e adequar os métodos para melhores resultados da aplicação. Testes do sistema completo mostraram que pequenas calibrações são suficientes para uma sessão de interação com poucos erros. Os resultados mostraram que crianças que tiveram contato com uma maior interatividade com o robô se sentiram mais engajadas e confortáveis nas interações, tanto nos experimentos quanto no estudo em casa para as próximas sessões, comparadas às crianças que tiveram contato com menor nível de interatividade. Intercalar comportamentos desafiadores e comportamentos incentivadores do robô trouxeram melhores resultados na interação com as crianças do que um comportamento constante. / Educational Robotics is a growing area that uses robots to apply theoretical concepts discussed in class. However, robots usually present a lack of interaction with users that can be improved with humanoid robots. This dissertation presents a project that combines computer vision techniques, social robotics and speech synthesis and recognition to build an interactive system which leads educational sessions through a humanoid robot. This system can be trained with different content to be addressed autonomously to users by a robot. Its application covers the use of the system as a tool in the mathematics teaching for children. For a first approach, the system has been trained to interact with children and recognize 3D geometric figures. The proposed scheme is based on modules, wherein each module is responsible for a specific function and includes a group of features for this purpose. In total there are 4 modules: Central Module, Dialog Module, Vision Module and Motor Module. The chosen robot was the humanoid NAO. For the Vision Module, LEGION network and VOCUS2 system were compared for object detection and SVM and MLP for image classification. The Google Speech Recognition speech recognizer and Voice Synthesizer Naoqi API are used for sound interactions. An interaction study was conducted by Wizard-of-Oz technique to analyze the behavior of children and adapt the methods for better application results. Full system testing showed that small calibrations are sufficient for an interactive session with few errors. Children who had experienced greater interaction degrees from the robot felt more engaged and comfortable during interactions, both in the experiments and studying at home for the next sessions, compared to children who had contact with a lower level of interactivity. Interim challenging behaviors and support behaviors brought better results in interaction than a constant behavior.

As tecnologias contemporâneas são elementos centrais da nossa sociedade, e sua consolidação como instrumentos transformadores e capacitores das ações cotidianas influenciaram e ainda influenciam diversas áreas de atividades humanas. Dentre diversas mudanças, esta investigação procurou destacar as exigências criadas para a educação, com enfoque no processo de ensino-aprendizagem de matemática por meio da robótica. Para isso, esta pesquisa propôs analisar o ambiente de aprendizagem constituído por meio da preparação e participação de alunos nos campeonatos de robótica. No processo de produção de informação adotamos como metodologia de pesquisa a de caráter qualitativo, em um delineamento baseado nos parâmetros da observação participante, na qual utilizamos fotos, filmagens, documentos produzidos pelos alunos e entrevista. Assim sendo, por um período de dois anos, acompanhamos alunos, com idade entre 10 e 16 anos, que cursavam o Ensino Fundamental II de uma escola municipal na cidade de Uberlândia, Minas Gerais, em suas atividades de preparação e participação em competições de robótica, das quais destacamos suas produções e elaboração de estratégia de organização. No processo de análise das informações consideramos dois momentos: o primeiro, relacionado aos estudos e reflexões sobre o processo de produção de conhecimento envolvendo a organização de estratégias para preparação e participação em competições de robótica; e o segundo momento, que compreende o processo de produção de conhecimentos pelos estudantes relacionados às exigências dos campeonatos de robótica, destacando a criação de um projeto escrito, numa perspectiva científica, dentro dos moldes de campeonatos de robótica e no processo de montagem, programação e simulação de robôs. No desenvolvimento da análise das informações desta investigação apresentamos algumas dificuldades no processo de consolidação deste ambiente de aprendizagem, tais como: aquisição de materiais na escola pública; formação e/ou capacitação de professores em robótica; relacionar as atividades desenvolvidas com robótica e as aulas de matemática em sala de aula e desenvolver a prática de pesquisar dos alunos. Entretanto, esse ambiente de aprendizagem possibilitou que os alunos desenvolvessem sua autonomia e criatividade quando realizavam construções de maquetes e trabalhavam com mídias sociais. A montagem e programação de robôs evidenciou o processo de autoria e de produção coletiva dos estudantes da escola pública. / Contemporary technologies are central elements of our society and its consolidation as transformative instruments and capacitors of everyday actions have influenced and still influence diverse areas of human activities. Among several changes, this investigation sought to highlight the demands created for education, focusing on the process of teaching-learning of mathematics through robotics. For this, this research proposed to analyze the learning environment constituted through preparation and participation of students in the robotics championships. In the process of information production, we adopted qualitative research methodology, in a design based on the parameters of participant observation, in which we use photos, filming, documents produced by students and interviews. Thus, for a period of two years, we accompanied students, aged between 10 and 16, who were attending Elementary School II of a municipal school in the city of Uberlândia, Minas Gerais, in their activities of preparation and participation in robotics competitions, of which we highlight his productions and elaboration of organizational strategy. In the process of informations analysis we consider two moments: the first, related to the studies and reflections on the process of knowledge production involving the organization of strategies for preparation and participation in robotics competitions; And the second moment, which comprises the process of knowledge producing by the students related to the requirements of the robotics championships, highlighting the production of a scientific research within the molds of robotics championships and on the process of assembly, programming and simulation of robots. In the development of analyzing the information of this investigation we present some difficulties in the process of consolidation of this learning environment, such as: acquisition of materials in the public school; training and/or improvement of teacher in robotics; to relate the activities developed with robotics and to the classes of mathematics in the classroom and to develop the practice of researching the students. However, this learning environment made it possible for students to develop their autonomy and creativity when constructing mock-ups and working with social media. The assembly and programming of robots evidenced the process of authorship and collective production of public school students. / Dissertação (Mestrado)