רובוטיקה לתלמידי חטה"ב באמצעות מאמא-רובוט

1. רובוטיקה לתלמידי חטה"בבאמצעות מאמא-רובוט

2. פרק 1: מבוא לרובוטיקה

3. מבוא לרובוטיקה • רובוטיקה היא תחום המתפתח בקצב מהיר והיישומים הרובוטיים רבים ומגוונים. • רובוטים משמשים בתעשייה, בחדרי ניתוח, במשחקים, והם אפילו מחליפים חיילים בתפקידים שונים בצבאות מודרניים. • לימוד רובוטיקה חופש יצירה ומשחק שהופכים את הלימוד למהנה מאוד

4. הרובוט כמערכת קלט/פלט • מערכות הנדסיות ניתנות לתיאור כמערכות קלט פלט, כלומר, ניתן לתארן במושגים של "קופסה שחורה": • מתארים "מה המערכת מבצעת" ולא "כיצד המערכת פועלת" • לדוגמא: מכונת פופקורן ניתנת לתיאור כמערכת קלט/פלט:

5. הרובוט כמערכת קלט/פלט • קלט: הרובוט מסוגל לראות על ידי חיישן ראיה, לשמוע על ידי חיישן שמע, לחוש במגע על ידי חיישן מגע, וכו'. • פלט: הרובוט מסוגל לזוז, להניע חפצים, להשמיע קולות, וכו'.

6. מודלים של רובוטים • רובוט אוטונומי - זהו רובוט שמבצע את משימותיו באופן עצמאי לחלוטין, ללא התערבות אדם • דוגמא: רובוט לניקוי בריכת שחייה • רובוט חצי-אוטונומי - רובוט שמבצע את משימותיו תוך בקרה והתערבות של אדם בזמן ביצוע המשימות • דוגמא: טיסן המבוקר ע"י שלט רחוק

7. פרק 2: מרכיבי הרובוט

8. מרכיבי הרובוט

9. מאמא-רובוט • הרובוט מאמא-רובוט הוא רובוט תלת-גלגלי הניתן לתכנות באמצעות שפת התכנות של מאמא-רובוט • מערכת מאמא-רובוט כוללת את כל המרכיבים הנדרשים לבנייה ותכנות של רובוט

10. תכולת מערכת מאמא-רובוט • חלקים מכניים: דפנות, מוטות, ברגים, תפסנים, מנועים + גירים, זרועות מכניות וכו'. • חלקים אלקטרוניים: בקר, חיישנים, כבלים, סוללה • תוכנה: סביבת הפיתוח הגרפית (IDE) של מאמא-רובוט • עזרים נוספים: משטחים, רמזורים, מכשולים וכו'

11. סביבת הפיתוח של מאמא-רובוט • מערכת הרובוטיקה מאמא-רובוט כוללת שפת תכנות מבוססת "גרירה והשלכה" לתכנות הרובוט

12. תוכנת ההפעלה של הרובוט • תוכנת ההפעלה היא תוכנית מחשב המופעלת מעל גבי הבקר - זוהי התכנית המבקרת את פעולת הרובוט • תוכנית זו נקראת קושחה - היא צרובה על גבי רכיבי זיכרון שעל הבקר, והיא מופעלת על ידו בכל פעם שהרובוט מופעל.

13. התנסות 1: חיבור המחשב לבקר

14. הרצת תכנית ההתקנה • בהרצת תכנית ההתקנה של מאמא-רובוט התכנית מתקינה הן את תוכנת מאמא-רובוט והן את מנהלי ההתקנים של הרובוט • לאחר סיום ההתקנה, חברו את הרובוט למחשב באמצעות כבל ה- USB • Windows XP: מנהל ההתקנים יזהה את הרובוט ואשף התקנת חומרה יבצע בחירה אוטומטית של מנהל ההתקן שהותקן קודם • אם מוצגת הודעת אזהרה של Windows על מנהל התקן שלא עבר בדיקה, אשרו את ההתקנה בכל זאת. לאחר אישור, המערכת תתקין את תוכנת מנהל ההתקן. • אם המערכת תציג שוב בקשה לבחירת מנהל ההתקן - חיזרו על הפעולות שביצעתם בשנית. • בסיום, ההתקן מוכן והרובוט מוכן לפעולה. • Windows Vista/7: אין צורך בהתקנה - מנהל ההתקן יותקן אוטומטית.

15. עולמות מאמא-רובוט • בהרצת התוכנה מאמא-רובוט נפתח עולם חדש. • הגדרה :עולם במאמא-רובוט הוא תכנית מחשב המיועדת להפעיל את הרובוט, עפ"י ההוראות שכתבנו. • תכנית זו ניתנת לשמירה לקובץ ולשיחזור מקובץ, וכן ניתן לצרוב אותה כקושחה לבקר של הרובוט.

16. חלון הבקר חלון הבקר מספק לנו אפשרות להפעלת מרכיבים שונים בבקר באמצעות גרירה והשלכה: • מסך - אליו ניתן להדפיס באמצעות ההוראה "הדפס" שבתפריט ההוראות. • ערוצים 1 - 4 : ערוצי קלט/פלט לקריאת ערכי חיישנים ולהפקת ערכים למפעילים. • נוסף - ערוץ קלט/פלט נוסף, בשימוש בעיקר בהפעלת זרועות רובוטיות • מנוע1, מנוע2 - מנועי הסעה של הרובוט • כפתור1 - כפתור לחיצה (בעל ראש שחור). מימין לכפתור זה נמצא כפתור "אתחל" (בעל ראש אדום) המאפשר להפעיל מחדש את תוכנת הרובוט הצרובה עליו כעת. • זמזם - משמש ליצירת קולות. • נורית - ניתן להדליק ולכבות את הנורית.

17. התנסות 2: שלום עולם! • בהתנסות זו נדפיס ברכת שלום למסך הרובוט. • אנו נכתוב בחלון העריכה את התכנית הבאה, המדפיסה את ההודעה "שלום עולם!". קוד התכנית: הדפס "שלום" הדפס "עולם!" • הסבר התכנית: התכנית כוללת שתי הוראות הדפסה, שיגרמו להדפסת המחרוזת "שלום עולם!" בשתי שורות המסך. • יש לשים לב שהאורך המקסימלי של כל שורה הוא 8 תווים, לכן ההודעה מודפסת על פני שתי שורות.

18. יצירת התכנית • בכדי ליצור את התכנית אנו נגרור את הוראת ההדפסה מתפריט ההוראות לתוך חלון העריכה: • גררו את ההוראה "הדפס" מתפריט ההוראות • והשליכו על השורה הראשונה שבחלון העריכה (היכן שמופיע הכיתוב "אל תעשה דבר"). • כעת מוצג תפריט לבחירה:

19. יצירת התכנית - המשך • בחרו ב"מחרוזת טקסט...". כעת, נפתח חלון להכנסת טקסט - הקלידו את המחרוזת "שלום". • באופן דומה, הוסיפו הוראת הדפסה למחרוזת "עולם!".

20. צריבת התכנית כקושחה לרובוט • הקליקו על הכפתור "העלה לרובוט" (F7) לצריבת התכנית לרובוט: • כעת מוצג פקד התקדמות של העלאת התכנית לבקר: • בסיום ההעלאה, התכנית תתחיל מיד לפעול על הבקר.

21. התנסות 3: הדלקת נורית • בהתנסות זו נדליק ונכבה נורית הנמצאת על הבקר. • אנו נכתוב בחלון העריכה את התכנית הבאה, המדליקה את הנורית למשך שניה, ואז מכבה אותה. • קוד התכנית: נורית.ערך = 1 המתן(1) נורית.ערך = 0 המתן(1)

22. יצירת התכנית • בכדי ליצור את התכנית אנו נגרור את העצם או ההוראה המתאימים אל תוך שטח העריכה: • גררו את העצם "נורית" מחלון הבקר והשליכו על השורה הראשונה שבחלון העריכה (היכן שמופיע הכיתוב "אל תעשה דבר"). • כעת מוצג תפריט לבחירה: בחרו בערך "1". זוהי הוראה להדליק את הנורית (השמת ערך 1 לנורית מדליקה אותה, השמת ערך 0 לנורית מכבה אותה).

23. יצירת התכנית - המשך • גררו את הפקודה "המתן" מתוך תפריט ההוראותשבתחתית החלון: • והשליכו אותה כשורה שניה בתכנית. • מתוך התפריט המוצע בחרו ב"1". זוהי הוראה להמתין 1 שניה, כלומר לא לבצע דבר במשך השניה הבאה. • גררו שוב את העצם "נורית" והשליכו לחלון העריכה כשורה שלישית, והפעם בחרו ערך 0 - כלומר, כיבוי הנורית. • גררו שוב את ההוראה "המתן" והשליכו כשורה רביעית בחלון העריכה. בחרו שוב בערך "1" - המתנה למשך שניה נוספת.

24. שינוי ערכים בקוד התכנית • שנו את התכנית כך שתדליק את הנורית למשך חצי שניה, ולאחר מכן תכבה את הנורית למשך חצי שניה. • הדרכה: בשורה השנייה ניתן להקליק על המספר 1, מה שיגרום לפתיחת תפריט לבחירת מספר שונה:

25. תרגיל: הוספת הבהובים נוספים • בתרגיל זה נוסיף הבהובים נוספים של הנורית בתכנית. • הוסיפו הוראה חדשה בשורה חדשה (שורה 5) שבה שוב הוראה להדלקת הנורית. • הוסיפו הוראת המתנה למשך 1 שניה. • הוסיפו הוראת כיבוי לנורית. • הוסיפו הוראת המתנה למשך 1 שניה. • בצעו העלאה לבקר - כמה הבהובים יש כעת? • הוסיפו עוד הבהובים כרצונכם ובדקו שאכן הם מבוצעים כצפוי על הבקר.

26. התנסות 4: קוד מורס • בתרגיל זה נכתוב תכנית העושה שימוש בקוד מורס לכתיבת אותיות. • קוד מורס פותח במאה ה- 19 ע"י סמואל מורס, והינו שיטת התקשרות בינארית שבה רק שני מצבי שידור: דולק וכבוי.

27. קוד מורס • אותיות וספרות בשפת מורס מצוינות כצירופים שונים של משכי שידור והפסקות. • נקודה מצוינת על ידי שידור למשך יחידת זמן אחת ולאחריה הפסקה למשך יחידת זמן אחת. • מקף מצוין על ידי שידור למשך 3 יחידות זמן, ולאחריהן הפסקה למשך יחידת זמן אחת. לדוגמא, האות האנגלית A מצוינת על ידי: -נקודה (שידור,הפסקה) -מקף (שידור,שידור, שידור, הפסקה) לעומתה, האות M מצוינת על ידי: -מקף (שידור,שידור, שידור, הפסקה) -מקף (שידור,שידור, שידור, הפסקה)

28. מימוש קוד מורס במאמא-רובוט • בכדי לכתוב אותיות בכתיב מורס באמצעות הרובוט, נעשה שימוש בנורית כאמצעי שידור: • לציון נקודה נדליק את הנורית למשך 1 שניה, ולאחר מכן נכבה אותה למשך 1 שניה. • לציון מקף נדליק את הנורית למשך 3 שניות, ולאחר מכן נכבה אותה למשך 1 שניה.

29. הוספת הערות לתכנית • מכיוון שתכנית זו כבר כוללת מספר גדול של הוראות, כדאי לעשות שימוש בהערות בקוד התכנית כך שיתעדו אותה. • הגדרה: הערה היא שורה בקוד התכנית שאינה מבוצעת, ותפקידה הוא לספק הסבר ותיעוד להוראות בתכנית. • בכדי להוסיף הערה לתכנית יש לגרור את הסימן "#" מתפריט ההוראות שבתחתית חלון העריכה, ולהשליכו לתוך חלון העריכה בשורה המתאימה. • לאחר מכן ניתן להקליק על תוכן ההערה ולכתוב מה שברצוננו לתעד.

30. כתיבת האותיותMA • כתבו את האות M - אות זו מורכבת משני מקפים. • כתבו את האות A - אות זו מורכבת מנקודה ומקף. • בדקו את התכנית על ידי העלאתה לרובוט.

31. *** אופציונלי: שימוש במתודות • כפי שראיתם בוודאי בתרגיל, נדרשנו לכתוב שוב ושוב הוראות הדלקה, כיבוי והמתנה. חלק מקבוצות ההוראות חוזרות על עצמן. • שאלה :אילו קבוצות הוראות חוזרות על עצמן בתכנית שכתבת? • באפשרותנו לחסוך את הכתיבה החוזרת על ידי שימוש במתודות: מתודה היא יחידת תוכנה המכילה מספר הוראות שניתנת לביצוע חוזר.

32. מתודות: המשך • לדוגמא, בכדי לפשט את כתיבת התכנית בתרגיל מורס שלעיל, נכתוב שתי מתודות - אחת לכתיבת נקודה ואחת לכתיבת מקף. • בכדי ליצור מתודה, נקליק על הכפתור "צור מתודה חדשה" הנמצא בחלון הפרטים של העולם: • לאחר הקלקה על כפתור זה נפתח דיאלוג לבחירת שם המתודה: • נקליק את המילה נקודה ונלחץ על "אישור". נוצרת מתודה בשם נקודה והיא נפתחת בחלון העריכה כלשונית נוספת למתודה הראשית:

33. מתודות: המשך • כעת נוצרה מתודה בשם "נקודה" והיא נפתחת בחלון העריכה כלשונית נוספת למתודה הראשית: • באופן דומה ניצור מתודה בשם "מקף".

34. קריאה למתודה • בכדי לקרוא למתודה יש לגרור אותה מטאב המתודות לתוך גוף המתודה הראשית, למקום בו רוצים לבצע את הקריאה למתודה: • השלימו את כתיבת התכנית כך שתשודר המילה "MAMA".

35. פרק 3: תנועה

36. תנועה באמצעות מנועים • תנועת רובוט מתבססת על חיבור של מנוע חשמלי לתמסורת, ומהתמסורת לגלגלים כך שהפעלת המנוע תגרום לתנועת הגלגלים. המנוע החשמלי מחובר לסוללה המשמשת עבורו כמקור חשמלי. בהפעלת המנוע, ציר המנוע מסתובב ומסובב את גלגל השיניים הקטן (מס. 1). גלגל זה מסובב באמצעות שיניו את גלגל השיניים 2, גלגל 2 מסובב את גלגל השיניים 3, וזה האחרון מסובב את הגלגל.

37. מנוע חשמלי – המרת אנרגיה • המרת אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית - מנוע חשמלי מספק כוח מכני בהינתן לו מתח חשמלי. במילים אחרות, המנוע ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.

38. המרת אנרגיה – המשך • המרת אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית: למעשה, מנוע חשמלי מסוגל גם להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית: אם נסובב את הציר המכני שלו ונמדוד את המתח על פני כניסות המתח של המנוע, נגלה שישנו מתח חשמלי גדול מ- 0! • ניתן, למשל, לחבר נורה לכניסות המתח של המנוע, ולסובב את ציר ההנעה - הנורה תדלוק!

39. ניסוי מקדים: משחקים באנרגיה • בהתנסות זו נבצע המרה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית ולהפך. • ודאו כי מנוע1 מחובר לבקר על ידי כבל מתח בנקודת החיבור "מנוע1" וכי מנוע2 מחובר לבקר בנקודת החיבור "מנוע2" • צרו תכנית חדשה במאמא-רובוט • גררו מחלון הבקר את "מנוע1" והשליכו אותו כשורה ראשונה בתכנית. מתוך תפריט המספרים המוצע, בחרו ב- 100 • העלו את התכנית לרובוט - כעת מנוע1 מסתובב!

40. הסבר ההתנסות • הסבר: כאשר אנו מציבים את הערך 100 למנוע1, אנו מורים לבקר להזרים זרם חשמלי למנוע שיזרום דרך הכבל החשמלי המחבר את המנוע לבקר. • המנוע החשמלי כולל בתוכו מגנטים וציר מלופף בסלילים: • המנוע הופך את הזרם החשמלי לתנועה מעגלית על ידי העברת הזרם החשמלי דרך סליל, זה בתמורה יוצר שדה מגנטי הגורם לסיבוב של ציר המנוע כתוצאה מכוחות המשיכה והדחייה עם המגנטים.

41. היפוך: המרת אנרגיה מכנית לחשמלית • לצורך המחשה זו אין צורך כלל בהפעלת הבקר ומאמא-רובוטיקה. • נתקו את הבקר ממקור המתח (סוללות) • סובבו את גלגל ימין (המחובר למנוע1) באמצעות ידכם והביטו בנוריות הדולקות על הבקר – גרמנו לנוריות לדלוק ללא שיהיו מחוברות לסוללה!

42. הסבר ההתנסות • הסבר: כאשר אנו מסובבים את הגלגל, אנו למעשה מסובבים את ציר המנוע שבתווך המגנטים העוטפים אותו: • תנועת הציר בתוך התווך המגנטי משרה זרם על הסליל, וזה מדליק את הנורות המחוברות לחיבורי המתח של המנוע.

43. המרת אנרגיה מכנית לחשמלית, וחשמלית למכנית • למעשה, באפשרותנו להמיר אנרגיה של סיבוב ידני של מנוע אחד באנרגיה חשמלית שתגרום לסיבוב המנוע השני! • מהלך ההתנסות: • נתקו את הבקר ממקור המתח החשמלי (וגם מחיבור ה- USB). • חברו בין שני המנועים ישירות באמצעות כבל חשמלי. • כעת סובבו את הגלגל המחובר למנוע אחד של הרובוט באופן ידני - כתוצאה מכך, הגלגל השני מסתובב אף הוא! • הסבר: סיבוב הגלגל הראשון באופן ידני גרם להשראת זרם חשמלי במנוע, וזה זרם למנוע השני דרך הכבל החשמלי וגרם להפעלתו, ולסיבוב הגלגל המחובר אליו.

44. התנסות 1: הנעת הרובוט • בהתנסות זו נבצע תנועה של הרובוט. • לצורך ההתנסות יש להצטייד במשטח נסיעה אישי של מאמא-רובוט, אשר יונח על רצפת הכיתה. • משטח זה כולל שני צדדים, צד A וצד B. בשלב זה נעשה שימוש בצד A.

45. מהלך ההתנסות • צרו תכנית חדשה במאמא-רובוט, ושימרו אותה בקובץ בשם "תנועה1". • גררו מחלון הבקר את "מנוע1" והשליכו אותו כשורה ראשונה בתכנית. מתוך תפריט המספרים המוצע, בחרו ב- 100. • גררו מחלון הבקר את "מנוע2" והשליכו אותו כשורה שניה בתכנית. בחרו עבורו את המספר 100. • הוסיפו הוראת המתנה למשך 2 שניות. • גררו שוב את מנוע1 לחלון העריכה והפעם בחרו בערך 0 - זה יגרום לעצירת המנוע. • באופן דומה, הציבו ערך 0 גם למנוע2. • בצעו העלאה לרובוט.

46. מדידת מהירות הרובוט • המהירות שקבענו הנה למנועי הרובוט, והיא נמדדת באחוזים (ערכים בין 0 ל- 100). לא ניתן לדעת על פיה את מהירות הרובוט. מהירות הרובוט בפועל תלויה במספר גורמים: • ביחס התמסורת • בגודל הגלגלים • במצב הסוללה • בתנאי הסביבה בה הוא מוסע: שיפוע המשטח, חלקות המשטח, מכשולים, רוח, וכו'.

47. מדידת מהירות הרובוט - המשך • בכדי למדוד את מהירות הרובוט כתלות בערך שקבענו למנוע, נסיע את הרובוט במספר מהירויות שונות למשך זמן קבוע - למשל 3 שניות - ונמדוד את המרחק שעבר הרובוט. • המהירות תתקבל על ידי חלוקה של המרחק בזמן הנסיעה.

48. התנסות 2: פניות • בהתנסות זו נלמד לבצע פניות עם הרובוט. • צרו תכנית חדשה במאמא-רובוט, ושימרו את התכנית בשם "תנועה2". • הציבו למנוע1 את הערך 100 • הוסיפו הוראת המתנה למשך 5 שניות • הציבו למנוע1 את הערך 0 – עצירה • בצעו העלאה לרובוט

49. פניות במקום • אנו מעונינים כעת לכתוב תכנית שתגרום לרובוט לבצע פניה במקום, כלומר, סביב נקודת האמצע שבין שני הגלגלים הקדמיים.

50. פניות במקום - המשך • צרו תכנית חדשה במאמא-רובוט, ושימרו את התכנית בשם "תנועה2-ב".הציבו למנוע1 את הערך 100 • הציבו למנוע2 את הערך -100 • הוסיפו הוראת המתנה למשך 1 שניה • הוסיפו הוראת עצירה לשני המנועים (על ידי הצבת ערך 0)