GRIOT - sistema CAD inteligente para design de calçados

Expressão Gráfica e Projetos de Engenharia,

Arquitetura e Desenho Industrial

GRIOT - sistema CAD inteligente para design de calçados

Prof^a. Dr^a Marizilda dos Santos Menezes

Dept^o. de Representação Gráfica - FAAC - UNESP Bauru

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Resumo

O presente trabalho é o estudo dos aspectos da metodologia projetual, face às novas tecnologias da informática, Inteligência Artificial (Sistemas Especialistas) e CAD, consideradas as reais possibilidades de automatização no processo de concepção em Design. Esse artigo propõe uma metodologia para a construção de sistema inteligente capaz de auxiliar o designer nas tarefas projetuais. A indústria de calçados foi utilizada como estudo de caso para a aplicação da metodologia, onde as reais possibilidades de automação são verificadas.

Palavras-chave: Design, CAD inteligente, Automatização do Projeto, Processo Projetual.

Abstract

The present work is the study of the aspects of the projectual methodology, face to new technologies of the computer science, Artificial Intelligence (Expert Systems) and CAD, and considered the automation possibilities in the conception process in Design. This paper proposes a methodology to built an intelligent system to aid the designer Projetual tasks. The Shoes Industry was used as case study for the methodology application, where the real automation possibilities were verified.

Keywords: Industrial Design, Intelligent CAD, Design Automation, Design Process .

1. Introdução

A difusão das novas tecnologias da informática, no processo projetual, tem escopo limitado à aplicação de sistemas CAD à fase de produção gráfica do projeto, ficando a concepção desamparada pela tecnologia.

Por outro lado, áreas onde Sistemas Especialistas são mais difundidos, em geral, não necessitam que o sistema emita soluções gráficas, forma mais adequada aos projetos de Design, enquanto que a variedade de CADs existentes abre ilimitadas possibilidades de visualização e modificação dos projetos.

A presente pesquisa teve com objetivo a criação de metodologia para construção de Sistema CAD Inteligente, cuja função é assessorar designers e tutorar estudantes, durante processo de concepção, automatizando parte do processo. Propusemo-nos estudar processos metodológicos do Design, sob a ótica da informática, e construir protótipo de Sistema Especialista, combinado às possibilidades de representação do CAD, utilizando a indústria de calçados como estudo de caso. Aliamos conceitos de Sistemas Especialistas ao CAD e introduzimos certo grau de inteligência ao sistema gráfico computacional.

2. Metodologia da pesquisa

Três aspectos dessa pesquisa, entre outros, exigiram especial exame e alto grau de atenção: a realização dos processos e métodos de aquisição do conhecimento, os problemas cognitivos do projeto automatizado em relação ao projeto não automatizado e o aprendizado e a adaptação das ferramentas desenvolvidas pelas áreas de computação inteligente e de computação gráfica.

Realizamos, primeiramente, levantamento de informações necessárias ao desenvolvimento do projeto de calçado, sob a ótica de conceitos de sistemas inteligentes e utilizando CAD como meio de representação. Foram decodificados métodos utilizados na indústria de calçados, investigando possibilidades de aplicabilidade de técnicas de CAD e Sistemas Especialistas, de maneira conjunta e articulada, durante todo o processo de concepção do calçado. Foram focos da pesquisa os processos de concepção e produção utilizados em ateliês e indústrias das cidades de Jaú e Franca (SP), através da observação de procedimentos e de entrevistas estruturadas, com designers de calçados e professores de estilismo.

Analisamos, também, coleções de calçados, dos últimos sete anos, utilizando revistas de moda e catálogos de tendências, para observação das partes que compõem os diversos modelos de calçados e com isto identificar tipologia, necessária para a composição da base de dados do sistema.

Concluída a análise, partimos para o desenvolvimento do protótipo de Sistema CAD Inteligente, denominado GRIOT, um sistema híbrido de Sistemas Especialistas e CAD, a ser utilizado na concepção do calçado. Concentramo-nos, primeiramente, na procura e aprendizado do "software" inteligente e do "software" gráfico mais adequados. A seguir, estabelecemos a arquitetura para o sistema - o modelamento. Para isso, selecionamos, entre os diversos modos de representação do conhecimento, o que melhor descreveria o método de trabalho do especialista.

Passamos, então, à montagem - implementação dos Sistemas Especialistas, tarefa de programação, para transferência do conhecimento adquirido para as bases de conhecimento e de dados que alimentam a máquina de inferência. Mapeamos o conhecimento anteriormente formalizado com o uso de ferramentas computacionais adequadas, e obtivemos assim um protótipo do programa executável.

3. Processo projetual e os sistemas inteligentes

A idéia central da pesquisa era o entendimento das lógicas que o designer usa durante o processo projetual e das possibilidades de automação inteligente do projeto. Assim sendo, poderíamos criar metodologia do processo projetual com o uso de Sistemas Especialistas, embasada naquela empregada pelos designers no processo projetual tradicional.

Focalizamos, em primeiro lugar, como o designer compõe suas regras internas e seu comportamento, de onde pudemos estabelecer a relação Design e Sistemas Especialistas, já que o que se pretendia era simular o comportamento mental do designer, durante o processo projetual, através do computador, utilizando o desenho como forma de representação.

O universo do conhecimento do designer é constituído, por um lado, da cultura adquirida e, por outro, pelas experiências vividas pelo designer. No momento da criação, a atuação do designer movimenta-se em duas direções: a intuição e a razão. Como o designer não trabalha em busca cega, o trabalho de concepção calca-se sobre o seu conhecimento adquirido. O peso excessivo que se coloca sobre a intuição, obriga-nos a refletir o que é a intuição, que poderíamos definir como a habilidade em transitar no universo do conhecimento do designer e sua grande sensibilidade em manipular experiências vividas.

Apesar do argumento dos designers experientes de que cada projeto tem seu próprio mundo, existem elementos comuns aos projetos de mesma espécie, que se repetem na obra de um criador ou de uma geração de criadores. É o conhecimento adquirido, através do treinamento e do aprendizado, e recuperado pela memória. O que os diferencia são pequenas particularidades, que aí são fruto da criatividade e do repertório individual que cria.

Tomando esse entendimento como verdadeiro, a criação pode ser auxiliada por sistemas inteligentes. Para tanto, consideramos os tipos, elementos básicos que podem ser oferecidos ao designer de forma inteligente pelo Sistema Especialista, potencializando o poder criador do designer. Com base, então, numa tipologia dos elementos comuns encontrados nos projetos de mesma espécie, é que sistemas inteligentes, assessores para projetos, podem ser construídos.

Nesse sistema inteligente, as tarefas de rotina e de trabalho intenso são feitas pelo computador, que toma decisões e pode simular comportamentos. A associação do raciocínio geométrico utilizado pelos programas gráficos (CADs) ao conhecimento administrado pelos Sistemas Especialistas funciona de forma que o conhecimento utilizado possa ser incorporado, assimilado e utilizado pelo sistema continuamente.

Tomando a definição genérica de Jones [1976], na qual o processo projetual pode ser dividido em três fases principais - divergência, transformação e convergência -, situamos a atuação do designer e do sistema, conforme observamos na Figura 1.

Figura 1
- Atuação do designer e do sistema no processo projetual.

Na divergência, o Sistema Especialista é alimentado com as informações iniciais em sua base de dados, que, cruzadas com as regras arquivadas na base de conhecimento, serão trabalhadas no núcleo do sistema. Como resultado, teremos novas informações que fornecerão uma primeira apresentação da direção e da proposição a serem seguidas. Nessa ocasião, processa-se a investigação das potencialidades da idéia originária.

Num segundo momento, fase de transformação, ocorre o período de elaboração interior, quando as idéias do criador são moldadas, articuladas. Fase de liberdade, mas, ao mesmo tempo, de organização das idéias geradas na etapa anterior. São feitas as mais diversas conexões. O Sistema CAD Inteligente, enquanto Sistema Especialista, tem como função coordenar as informações, compatibilizar as condicionantes com as idéias geradas e os objetivos intermediários e auxiliar na tomadas de decisões. Como CAD, começa a ter atuação mais efetiva, enquanto ferramenta de desenho. O uso de Sistema CAD Inteligente permitirá que o designer solte a imaginação, mantendo-o ligado às possibilidades oferecidas pelo mundo real.

A terceira fase, a convergência, é o momento em que o Designer percebe a solução do problema. Aquele que concebe estabelece equações que regem o comportamento do produto, a relação entre resistência e as cargas, comportamento do usuário, equações que permitem calcular os valores, dimensões. Toma distância do objeto e avalia seu trabalho. Imagina ou simula as reações daqueles com os quais ele quer se comunicar. É o momento de verificação da adequação dos resultados obtidos com os desejos do cliente. Se não forem compatíveis, fazem-se as modificações das hipóteses. Um sistema CAD inteligente, nessa fase de adequação às diferentes condições reais, que envolvem a otimização da implementação de um partido geral, escolha de soluções, a ordenação, normas e dimensionamento, traz grande auxílio na elaboração do projeto. Ele pode apresentar sugestões de soluções, que, mesmo não tendo de ser seguidas com rigor, dão uma configuração, ou melhor, simulam o que o projeto poderá vir a ser. É quando o CAD inteligente apresenta vantagens significativas em relação ao tradicional, pois, além de oferecer maior número de opções de representação, constrói automaticamente o objeto virtual, dentro dos parâmetros estabelecidos pelo designer e as condições de produção, e simula o comportamento do objeto quando estiver em uso. Também alerta sobre a possibilidade de erros e aponta para as soluções mais promissoras.

4. A Metodologia Proposta - Aplicação ao estudo de caso

O processo de construção de um sistema inteligente implica a aquisição do conhecimento, escolha de ferramentas e representação do conhecimento adquirido.

A escolha de ferramentas para a construção de Sistemas Inteligentes constituiu fase crucial desse processo. Existiam condicionantes para a seleção dos softwares, tanto "Shell", quanto do CAD. Entre outras, podemos citar: compatibilidade com computadores pessoais, relacionamento amigável com o usuário, ambiente de desenvolvimento e aplicação gráfica, preço acessível.

Foram utilizados, como programa gráfico, o AutoCAD e o "shell" Kappa-PC, programa auxiliar de analistas e especialista, para construção de bases de conhecimentos complexas e que tem a capacidade de raciocinar, inferir inteligentemente, desde que seja alimentado com o conhecimento de determinado domínio.

Elegemos duas formas de representação do conhecimento adquirido junto aos designers e bibliografia: Objeto Estruturado e Sistema de Regras. Os conhecimentos que poderiam ser classificados, hierarquizados ou descritos - fatos e dados - foram tratados como Objeto Estruturado e utilizados no Banco de Dados. Os conhecimentos ligados a procedimentos e comportamentos foram trabalhados pelo Sistema de Regras e alocados na Base de Conhecimentos.

O processo projetual, sob o foco de Sistemas Especialistas, é uma seqüência de passos, por meio da qual se obtêm informações completas sobre os seguintes componentes: entidades, atributos, relações entre entidades. Dentro da sistemática dos Sistemas Especialistas, o objeto projetual, nesse caso, o calçado, foi decomposto em subpartes, a serem propostas separadamente, constituindo projetos distintos, e que se completam, como produto final.

Na prática tradicional do design do calçado, os desenhos são realizados sobre a fôrma. Com o CAD, abriu-se nova forma de raciocínio, com a construção do espaço virtual. Podemos traduzir esse fato, nesse trabalho, no desenho do calçado, na desobrigação do uso da fôrma, na fase de concepção do calçado. Tal atitude permite maior agilidade no processo de produção, porque o calçado já pode estar sendo projetado paralelamente à fabricação da fôrma, ou, ainda, fornecendo subsídios para a construção da mesma, em vez de ficar na sua dependência.

Para tanto, primeiramente, fizemos exame do desenho da fôrma para estudarmos modos de transformá-la em modelo bidimensional, através de construções geométricas, baseadas em métodos de planificação da forma. Isto resultou na possibilidade de construção do meta-modelo (fôrma virtual), modelo conceitual do calçado, onde poderão ser desenhados os modelos e testadas as peças (Figura 02). O sistema deverá usá-lo como parâmetro, pois é a combinação dos ideais do designer e do usuário compatibilizados com as possibilidades do fabricante.

As entidades que compõem o meta-modelo, ou modelo básico do calçado, são o corpo de forma, o solado e o salto, que podem ser descritos através da geometria do objeto, utilizando-se de CADs vetoriais. Os pontos geométricos que descrevem a conformação do metamodelo ou de suas partes devem ser parte de um arquivo construído por rotinas, que permitem modificações, de acordo com as necessidades, pela simples alteração das variáveis.

Os Sistemas Especialistas são constituídos de quatro partes principais, ou seja, Base de Dados, Base de Conhecimento, Máquina de Inferência e Interface com o usuário, cuja interação é ilustrada na Figura 03.

A Base de Dados, a área de trabalho do sistema, será formada em primeiro lugar pelas rotinas para criação de modelo básico de forma, que constitui um metamodelo. Alimentamos, ainda, a Base de Dados com os desenhos de peças extraídos da análise tipológica dos diversos tipos de calçados e suas peças, constituídos sob a forma de classes, subclasses e instâncias, com seus "slots" respectivos, que as caracterizam e as descrevem, assim como analisamos as relações que os objetos estabelecem entre si e que devem servir para a alimentação do sistema. A administração desses desenhos é estabelecida de acordo com a posição e função de cada peça na montagem do calçado.

A Base de Conhecimento é composta do conhecimento que se tem sobre o projeto e que é introduzido por meio de regras, funções, métodos e "goals". A articulação dos diversos objetos no projeto é possível através de regras, na forma de SE-ENTÃO. A edição, a manutenção e a expansão da Base de Conhecimentos são realizadas pelo editor do conhecimento. A manipulação das regras deverá ser estabelecida de forma que haja iteração, à medida que novos dados e novas respostas sejam obtidos para serem incorporados à base de dados e de conhecimento.

A Máquina de Inferência, centro organizador das inferências, o espaço onde se processa o raciocínio do Sistema, de posse dos dados e conhecimentos, trará a resposta mais adequada, tanto sob de a forma "strings" - palavras -, como de imagens através da interação com interfaces ou programas gráficos.

A interface amigável com o usuário permite que este possa dialogar com o sistema por meio do acionamento de botões e menus e, por meio da abertura de janelas que permitem a introdução de dados e o acionamento da Máquina de Inferência, para que sejam executadas as tarefas a serem exercidas pelo computador. O contato é realizado por meio de entrada e saída de dados, que podem ser digitados e selecionados em um menu ou desenhados na tela.

5. Simulação de funcionamento do GRIOT (Sistema CAD Inteligente)

Em se tratando de sistema híbrido, no qual ser humano e máquina trabalham em simbiose, é necessário que conheçamos as tarefas desempenhadas por eles. As tarefas serão demonstradas a seguir, com a simulação do funcionamento do GRIOT.

Segundo a metodologia proposta, o sistema é alimentado com conhecimento do designer quanto às características e especificações do objeto a ser projetado, nesse caso o calçado.

Para desencadearmos o processo projetual através do GRIOT, devemos dar a entrada do nome do usuário - designer e cliente. Como vemos na Figura 04A, essa tela permite que identifiquemos e personalizemos o trabalho, impedindo que um mesmo projeto seja criado para dois clientes diferentes.

Inicia-se o processo de seleção para identificação do calçado a ser criado, primeiramente quanto à faixa etária (Figura 4B). São exibidos, então, os menus referentes ao tipo de calçado, feminino ou masculino, conforme podemos observar na Figura 5.

Figura 5
- Menus de seleção do tipo de calçado.

A seguir, selecionam-se as características do calçado a ser criado, quanto a estilo e símbolo (Figura 6). Dentro de cada categoria, existirá o detalhamento de cada uma delas, o que definirá com maior precisão o modelo, fazendo depuração e delineamento do perfil do calçado, sob o ponto de vista estético.

Figura 6
- Seleção das tendências do calçado.

Feito isto, uma nova tela permitirá a definição das características técnicas do calçado, de acordo com especificações fornecidas pelo fabricante, e de suas condições de fabricação. O designer informa o GRIOT, através da tela ilustrada na Figura 7, dados referentes ao tipo de biqueira, peças que formam a gáspea e a traseira, altura, formato e largura do salto, espessura e largura do solado. De posse das informações prestadas pelo designer, o GRIOT, então, processará os dados e apresentará relatório, para apreciação do designer que o confirmará ou procederá às alterações necessárias.

Figura 7
- Especificações do calçado .

Processando esses dados e não havendo alterações, o GRIOT inicia o processo de seleção de peças dentro das especificações definidas e oferecerá ao Designer, agora sob a forma de desenhos, os elementos que poderão ser utilizados para o projeto do calçado. Uma ampla coleção de peças poderão compor o objeto a ser criado, entre as quais o designer selecionará aquelas que lhe parecerem de maior interesse.

Dentro desses menus, são apresentados tipos de peças de gáspeas, como na Figura 8, e salto e solados disponíveis para utilização, para serem selecionados pelo Designer, cujo exemplo temos na Figura 9. Além das peças preexistentes no sistema, o designer pode propor outras que, se adequadas, serão incorporadas ao sistema posteriormente.

Figura 8
- Gáspeas selecionadas.

Figura 9
- Saltos e solados.

Paralelamente, ainda utilizando as informações recebidas, o GRIOT criará um metamodelo (fôrma virtual), que servirá de molde para as peças propostas pelo designer, ou as residentes no sistema. Se as peças selecionadas estiverem de acordo com as condições técnicas e construtivas do calçado, estas serão testadas no metamodelo, uma a uma, para verificação, cujo exemplo podemos observar na Figura 10.

Figura 10
- Parametrização das peças selecionadas com o metamodelo.

Quando uma peça proposta pelo designer não for adequada ao modelo projetado ou entrar em conflito com as regras de construção do calçado, o GRIOT advertirá, identificando o erro e apresentando pelo menos uma possibilidade de correção, como podemos observar na Figura 11.

Figura 11
- Advertência de erro e sugestão de correção.

Parametrizadas todas as peças escolhidas com o metamodelo, o sistema fará a montagem das peças em todas as combinações possíveis e oferecerá ao designer uma cartela de modelos com grande variedade de possibilidades de desenhos.

Cabe ao designer, nesse momento, escolher, agora, utilizando-se sua parte intuitiva, com conceitos subjetivos adquiridos com sua experiência e criatividade, aqueles que mais se adequarão ao público alvo. Temos exemplo na Figura 12. Entre os vários modelos de sandálias criados, o designer poderia excluir o modelo assinalado, por apresentar cabedal visualmente muito carregado, por ser esportivo, para o salto fino, mais social, seleção que o GRIOT seria incapaz de fazer.

Figura 12
- Cartela de modelos e intervenção do designer.

7. Conclusão

Podemos concluir que design, em seu processo projetual, envolve em seu desenvolvimento parcela considerável de atividades passíveis de automatização. A introdução de tecnologias avançadas como a Inteligência Artificial é possível em áreas que ainda se utilizam métodos tradicionais, com pouco uso de tecnologias modernas como o design de calçados. Para isso, é necessário que consigamos detectar quais as formas de raciocínio do designer ao desempenhar essas tarefas e em quais tarefas o ser humano pode utilizar o computador, livre de idéias arraigadas como a de que o projeto é pura criação intuitiva.

Com a introdução da representação do CAD aliado aos Sistemas Especialistas, o universo das possibilidades de representação e estudo do produto fica profundamente alterado. O uso de CAD supõe o conhecimento de formas geométricas que nas concepções tradicionais passavam desapercebidas pelo uso rotineiro e que a procura da metodologia para a criação do Sistema Especialista nos força a observar e refletir sobre elas e sobre a adequação de seu uso. A explicitação das formas geométricas introduz modificações significativas no raciocínio e na concepção. Permite enxergar novas formas de fazer, a exemplo do que ocorreu com a transformação do corpo de forma na fôrma virtual.

O uso de CAD inteligente permite a liberdade de criação do designer, em um design de inovação, ao mesmo tempo em que preserva as condições necessárias para o desenvolvimento correto do projeto por meio da sua Base de Conhecimento e da Máquina de Inferência. O papel do sistema inteligente, enquanto assessor do designer no projeto, pode contribuir na concepção do objeto, localizando problemas e ajudando a corrigi-los. Pode auxiliar criando registros do processo de raciocínio, de forma transparente. Ao fornecer a explicação do processo de inferência, assim como a justificativa da decisão tomada, baseada em julgamentos objetivos, pode permitir uso posterior, servindo, tanto como tutor para os usuários menos experientes, ou que desconhecem alguns fatores do processo, como arquivo de referências para projetos futuros. Permite assistência permanente através de controle-tutor, transmitindo a perícia e a preservação que, muitas vezes, são perdidas no decorrer do tempo.

A cultura do designer é basicamente visual e a tecnologia de que se serve deve privilegiar a imagem como interface e como resultado, ao invés de outras formas de interação. O CAD inteligente permite que o designer ocupe-se em alimentar o banco de conhecimento e dedicar-se aos aspectos subjetivos do projeto, com maior profundidade, podendo concentrar-se nas questões conceituais, teóricas e filosóficas, que são, por sinal, o caminho que o design envereda na atualidade, deixando para o computador a parte prática. A área de representação gráfica pode ser mais bem desenvolvida na construção dos bancos de dados e de conhecimento, para a ampliação do protótipo proposto, proporcionando aumento na qualidade gráfica do projeto final.

Artigo recebido em 06/11/2000

• 1. JONES, C. Métodos del diseño Barcelona: Ed. Gustavo Gili, 1976.
• 2. MENEZES, Marizilda S. Novas tecnologias da informática e o processo projetual: um exemplo no design de calçados São Paulo: Faculdade de Arquitetura e Urbanismo, Universidade de São Paulo, 1998. 210p. (Tese de Doutorado em Estruturas Urbanas).

Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  21 Ago 2003
• Data do Fascículo
  Mar 2001

Histórico

• Recebido
  06 Nov 2000