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Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch

Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch. Ein Projekt im neuen Fach „Naturwissenschaft und Technik“. Robotik mit LEGO Hardware – Lego Mindstorms Erfinderset. Robotik mit LEGO Hardware – Lego Mindstorms Erfinderset. programmierbarer Baustein RCX (Robotics Command System)

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Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch

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Presentation Transcript

  1. Robotik mit LEGODr. Andreas Risch Ein Projekt im neuen Fach „Naturwissenschaft und Technik“

  2. Robotik mit LEGO Hardware – Lego Mindstorms Erfinderset

  3. Robotik mit LEGO Hardware – Lego Mindstorms Erfinderset • programmierbarer Baustein RCX (Robotics Command System) • 2 Motoren, 3 Berührungssensoren, 2 Lichtsensoren • Infrarotsender zum Laden der Programme vom PC auf den RCX • Verbindungssteine, Räder, ... sowie viele übliche LEGO Steine • Konstruktionshandbuch

  4. Robotik mit LEGO programmierbarer Baustein („RCX“) IR (Licht: 0-100%) (Tast: 0,1) (Rot.: °) (Temp.: °C) Eingänge 1,2,3 RCX: 8-Bit Mikrocontroller H8/3292 16 MHz, 16 KB ROM, 512 Byte RAM Ausgänge A,B,C (Dauer, Frequenz) (Ernergiestufen 1 – 5 )

  5. Robotik mit LEGO Software • grafische Programmierumgebungen • textbasierte Programmierumgebungen • Robolab • LegoKara - RCX Code - NQC („not quite C“, unter der LEGO Firmware) - VisualBasic, C++ (unter alternativer Firmware LegOS) - Java (unter alternativer Firmware LejOS)

  6. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt 2- 4- 6- Beiner

  7. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

  8. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

  9. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

  10. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt Käfer Nr.1 Käfer Nr.2

  11. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt Feuerwehr Gekko

  12. Robotik mit LEGO Lego-Roboter in Freiburg

  13. Robotik mit LEGO Lego Roboter in der Schule Warum Lego in der Schule? • Einfache Handhabung • Alle Schüler haben (positive) Vorerfahrungen • Relativ günstiger Preis (ca. 250 €) • Handlungsintensiv (Modelle bauen!) • Ergebnisse sind unmittelbar zu beobachten (als Aktionen des Roboters) • Auf allen Altersstufen einsetzbar (von Grundschule bis Informatik-Studium)

  14. Robotik mit LEGO Lego Roboter in der Grundschule „Spezialistenkurs Mindstorms“ (für Zweit- bis Viertklässler) an der Schule an der Gartenstadt Auszug aus der Auswertung des Innovationsprojekts 2003: (Zitat Anfang) Nach einem Jahr der Projektumsetzung kann ein positives Resümee gezogen werden. Die Kinder konnten: • In den Teams zusammenarbeiten • Die Modelle nach Vorlage bauen • Mit dem PC und der entsprechenden Software selbstständig umgehen • Die Modelle selbst programmieren • Versuchsanordnungen/Probeparcours selbst entwerfen • Die Modelle selbstständig testen und verbessern • Die Modelle vorführen und ansatzweise erklären/präsentieren (Zitat Ende)

  15. Robotik mit LEGO Lego Roboter im Studium LEGO-Wettbewerb der Fakultät für Angewandte Wissenschaften für Erstsemester der Studiengänge Informatik und Mikrosystemtechnik aus der Presseerklärung der Universität Freiburg: … treten die Studierenden in Vierer-Gruppen gegeneinander an. Die Aufgabe besteht dieses Jahr darin, ein Fahrzeug zu bauen, das selbständig einen den Teilnehmern unbekannten Parcours abfährt. Der Schwierigkeitsgrad des Parcours ist allerdings bekannt. Die Erstsemester müssen also: • ein Projekt planen und durchführen • das Fahrzeug entwerfen und aufbauen • eine autonome Regelung planen und implementieren • die Regelung optimieren und mit einem Parameter abgleichen • in einem Team zusammenarbeiten und damit ihr ganzes Können unter Beweis stellen. Sieger des Wettbewerbs ist, wessen Fahrzeug den Parcours in der schnellsten Zeit durchfährt.

  16. Robotik mit LEGO Lego Roboter in der Schule Mögliche Schwerpunkte • Informatik: • Erlernen von Programmiersprachen, z.B. Java oder C++ • Naturwissenschaft und Technik: • Einblick in Softwareentwicklung (ohne eine „richtige Programmiersprache“ lernen zu müssen) • Algorithmen und grundlegende Softwarestrukturen • Fundamentale Ideen zur Steuerung von Geräten (Sensoren, Informationsverarbeitung, Aktoren) • „künstliche Wesen“: Vergleich mit lebenden Organismen

  17. Robotik mit LEGO Mein Projekt in Klasse 9 Mein Projekt • Klasse 9 am THG im Schuljahr 03/04 • sieben Doppelstunden (aus naturw. Praktikum) • Grafische Programmierumgebung „Robolab“ Projektablauf • Übungsaufgaben zur Einarbeitung • Gruppenarbeit an einer einheitlich gestellten Aufgabe mit abschließendem Wettbewerb

  18. Robotik mit LEGO Mein Projekt in Klasse 9 Übersicht über Projektphasen • Initiierungsphase im Plenum • Planarbeit zum Kennen lernen der Hardware und der Software • Kleingruppenarbeit zur Lösung einer einheitlich gestellten Aufgabe • Präsentation der Entscheidungen und des gebauten Roboters vor der Klasse • Wettbewerb zur Ermittlung der besten Lösung

  19. Robotik mit LEGO Initiierungsphase Initiierungsphase im Plenum (1 Stunde) • Was ist ein Roboter? • Beispiele für Roboter • Klassifizierung „mobil“ – „nicht mobil“ • Klassifizierung „autonom“ – „nicht autonom“ • Komponenten autonomer mobiler Roboter • Sensoren • Steuerung: Hardware, Software • Aktoren • Vorstellen des Lego Mindstorms Baukastens

  20. Robotik mit LEGO Kennenlernphase Kennenlernen der Hardware (Planarbeit, 1 Stunde) • Programmierbarer Baustein RCX • Eingänge, Ausgänge, Funktionstasten • Fest eingebaute Programme des RCX • Roboter fährt endlos geradeaus • Roboter wird über Druckschalter und Kabel ferngesteuert

  21. Robotik mit LEGO Kennenlernphase Kennenlernen der Software (Planarbeit, 2-4 Stunden) • Bedienung der Software „Robolab“ • Programmieren von Sequenzen • Verwendung von Sensoren • Sprungbefehle und Verzweigungen • Parallelverarbeitung • Variable (Roboter bekommt „Gedächtnis“)

  22. Robotik mit LEGO Robolab Sequenzen in Robolab 1,5 Sekunden Linkskurve Stopp 2 s vorwärts Rechtsdrehung 1 s rückwärts Stopp

  23. Robotik mit LEGO Robolab Sensoren in Robolab Starte bei Berührung Stopp bei zweiter Berührung Fahr geradeaus Stopp wenn Lichtwert < 45

  24. Robotik mit LEGO Robolab Sprung und Verzweigung in Robolab Der Sprungbefehl erzeugt zusammen mit dem Landebefehl eine Endlosschleife. Der Befehl erzeugt eine Verzweigung. Für Lichtwerte oberhalb des Schwellwertes wird der obere Zweig, andernfalls der untere Zweig abgearbeitet. Mit werden die Zweige wieder zusammengeführt.

  25. Robotik mit LEGO Robolab Parallelverarbeitung in Robolab Der Befehl erzeugt zwei parallele Prozesse, welche unabhängig voneinander sind und bleiben. Der Befehl erzeugt eine Verzweigung, abhängig davon ob der Tastsensor gedrückt ist.

  26. Robotik mit LEGO Robolab Variable in Robolab

  27. Robotik mit LEGO Die Projektaufgabe Möglichst schnell aus dem Labyrinth herausfinden

  28. Robotik mit LEGO Projektarbeitsphase Freie Arbeit an der gestellten Aufgabe (8 Stunden) • Bilden der Gruppen von 2-3 Schülern • Empfehlung zur Spezialisierung „Programmierer“ und „Konstrukteur“: • Programmierer macht sich in Planarbeit mit weiteren Programmiertechniken vertraut • Konstrukteur macht sich mit Baumaterial und den mechanischen Anforderungen vertraut

  29. Robotik mit LEGO Projektarbeitsphase Rahmenbedingungen • Das Labyrinth steht die ganze Zeit zum Testen zur Verfügung • Keine Einschränkungen der Wahl der Mittel • (fast) keine Beeinflussung durch den Lehrer

  30. Robotik mit LEGO Projektarbeitsphase Lösungsansätze der Schüler für die Steuerung • Fahrzeug wird von einer Sequenz gesteuert • Fahrzeug arbeitet mit zwei Lichtsensoren • Fahrzeug arbeitet mit einem Lichtsensor • Fahrzeug arbeitet mit zwei Tastsensoren Mögliche, aber von den Schülern nicht versuchte Ansätze • Mit Tastsensor an einer Wand lang fahren • Mit Lichtsensor die schwarze Wand erkennen

  31. Robotik mit LEGO Projektarbeitsphase Mechanische Konstruktionen der Schüler Fahrzeugtyp • Raupenfahrzeuge am beliebtesten • Zwei Räder und Gleitkufe Defizite • Vier starre Räder: nicht steuerbar • Mechanische Instabilität: Roboter zerfällt • Zu große Übersetzung: zu schnell, kaum steuerbar • Zu kleine Übersetzung: zu langsam (Raupenfahrzeuge)

  32. Robotik mit LEGO Präsentation Präsentationen • Entscheidung für Fahrzeugtyp i.d.R. oberflächlich 6 von 9 sind Raupenfahrzeuge • Überwiegend durch Sequenz gesteuerte Fahrzeuge (7 von 9) • Entscheidungen über Art der Steuerung i.d.R. wenig reflektiert • Zwei Fahrzeuge sind durch einen bzw. zwei Lichtsensoren gesteuert

  33. Robotik mit LEGO Wettbewerb Wettbewerb • Vier Modelle fanden aus dem Labyrinth • Vier Modelle blieben stecken (schräg gegen die Wand) • Ein Modell trat nicht an Siegermodell:

  34. Robotik mit LEGO Modelle aus Projektarbeit

  35. Robotik mit LEGO Modelle aus Projektarbeit

  36. Robotik mit LEGO Auswertung/Reflexion Gelungen • Keine Probleme im Umgang mit Software • Die Schüler waren sich einig, dass die Lösungen mit Lichtsensor überlegen sind • 70 % der Schüler hat das Projekt sehr gut gefallen Verbesserungsfähig • Ein paar Mädchen haben keinen Zugang gefunden • Viele Schüler haben sich mit der Programmierung von Sequenzen beschieden • Wenige gute Präsentationen

  37. Robotik mit LEGO Verbesserungsvorschläge Was könnte man anders machen? • Höhere Anforderungen an Präsentation stellen • Einsatz von Sensoren voraussetzen, oder Parcours erst beim Wettbewerb zur Verfügung stellen • Bei diesem Anforderungsniveau mehr Zeit einplanen • Gezielt versuchen Mädchen anzusprechen

  38. Robotik mit LEGO Anregungen - Ideen ? Wie kann man Mädchen besser ansprechen? • ethische Fragen • Roboroach • Roboter als Helfer • Robodoc • Roboclean

  39. Robotik mit LEGO Anregungen - Ideen ? Wie kann man Mädchen besser ansprechen? • Kommunikative Roboter • Robocom • Künstlerische Roboter • Roboart • Musikalische Roboter • Robosound • Hinweis: Projekt „Roberta“ konzipiert Lego-Robotikkurse für Mädchen (Link siehe Anhang)

  40. Robotik mit LEGO Projekttage Robotikprojekt an den Projekttagen des THG • 7 Teilnehmer, alles Jungen • vier halbe Tage • Eine Gruppe hat stabile Lösung der Labyrinthaufgabe schon nach einem halben Tag

  41. Robotik mit LEGO Projekttage Zweite Aufgabe • Alle Büchsen aus dem inneren Kreis schieben • Beim Schieben ist die Lampe an • Ton spielen, wenn Büchse über die Linie geschoben wird • Anhalten, wenn alle 5 Büchsen rausgeschoben wurden

  42. Robotik mit LEGO Projekttage Robotik mit LEGO Projekttage Ergebnisse • Alle arbeiten von Anfang an mit Sensoren • Alle Gruppen lösen beide Aufgaben • Das „Büchsen schieben“ wird als interessantere Aufgabe gesehen

  43. Robotik mit LEGO was fehlt? Weitere Möglichkeiten mit Robolab • Datenlogger mit professionellen Analysefunktionen (FFT, Integration, Differenziation, Fit usf.) • Kommunikation zwischen mehreren Robotern über Infrarotschnittstelle • Roboter steuern und Messwerte erfassen über Internet

  44. Robotik mit LEGO Links Bezugsquelle • www.technik-lpe.de Links • www.convict.lu/Jeunes/RoboticsIntro.htm • www.lugnet.com/links/ • www.roberta-home.de • www.gymnasium-wertingen.de/deutsch/fachbereiche/informatik/material/RoboLab/index.html • Braitenberg, Valentin: Vehikel. Experimente mit kybernetischen Wesen, Rowohlt Taschenbuch, Deutschland (1993)

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