Robotics studies with PINEL: a Platform for Interactive Navigation in Education and Learning contexts

Abstract

The rapid evolution of technology has driven changes in education, demanding new strategies for teaching programming, robotics, and computational thinking. This dissertation presents PINEL (Platform for Interactive Navigation in Education and Learning), a block-based programming platform integrated with the Robot Operating System (ROS 2) and a three-dimensional simulation environment. Designed as a modular, accessible, and extensible solution, PINEL bridges high-level visual abstractions and low-level control through an intermediate JSON representation, connecting a Blockly frontend, a Python/Flask backend with ROS 2 and closed-loop control, and a simulation connector based on the AuRoRA/MATLAB framework. Validation proceeded progressively: (i) in simulation, through experiments involving geometric figures, conditional logic, gesture recognition, and repeat loops; (ii) on a physical Pioneer 3-DX robot, confirming practical feasibility in classical navigation tasks; and (iii) in a multimodal scenario using a neural network–based LIBRAS gesture recognition module, applied to a tic-tac-toe activity for laterality training. Finally, a case study with ninth-grade students highlighted engagement, collaboration, and learning of mathematical and logical concepts. The results indicate that PINEL lowers entry barriers for beginners while preserving technical rigor for advanced applications, integrating simulation, real-robot control, and visual programming within a single environment. As such, it contributes to disseminating computational thinking and supporting reproducible, scalable pedagogical practices. Keywords: educational robotics; computational thinking ; block-based programming ; gesture recognition (LIBRAS) ; ROS 2A rápida evolução tecnológica tem impulsionado mudanças na educação e exigido novas estratégias para o ensino de programação, robótica e pensamento computacional. Nesta dissertação, apresenta-se a PINEL (Platform for Interactive Navigation in Education and Learning), uma plataforma de programação em blocos integrada ao Robot Operating System (ROS 2) e a um ambiente de simulação tridimensional. Concebida como solução modular, acessível e extensível, a PINEL conecta abstrações visuais de alto nível a mecanismos de controle de baixo nível por meio de uma representação intermediária em JSON, articulando um frontend em Blockly, um backend em Python/Flask com ROS 2 e controle em malha fechada, e um conector de simulação baseado no AuRoRA/MATLAB. A validação ocorreu progressivamente: (i) em simulador, com experimentos de figuras geométricas, condicionais, reconhecimento de gestos e laços de repetição; (ii) no robô físico Pioneer 3-DX, confirmando viabilidade prática em tarefas clássicas de navegação; e (iii) em um cenário multimodal com reconhecimento de gestos em LIBRAS (rede neural), aplicado a um jogo da velha para treinamento de lateralidade. Por fim, realizou-se um estudo de caso com estudantes do 9o ano, evidenciando engajamento, colaboração e aprendizagem de conceitos matemáticos e lógicos. Os resultados indicam que a PINEL reduz barreiras de entrada para iniciantes, mantém rigor técnico para aplicações avançadas e integra, em um único ambiente, simulação, controle de robôs reais e programação visual, contribuindo para a difusão do pensamento computacional e para práticas pedagógicas reprodutíveis e escaláveis. Palavras-chave: Robótica Educacional; pensamento computacional; programação em blocos; reconhecimento de gestos (LIBRAS); ROS 2.