Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch

Präsentation zum Thema: "Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch"—  Präsentation transkript:

1 Robotik mit LEGO Dr. 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, Berührungssensoren, 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 Robolab LegoKara - RCX Code textbasierte Programmierumgebungen - 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
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
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
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 Wie kann man Mädchen besser ansprechen?
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 Robotikprojekt an den Projekttagen des THG
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 Zweite Aufgabe Alle Büchsen aus dem inneren Kreis schieben
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
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 Bezugsquelle Links www.technik-lpe.de
Robotik mit LEGO Links Bezugsquelle Links Braitenberg, Valentin: Vehikel. Experimente mit kybernetischen Wesen, Rowohlt Taschenbuch, Deutschland (1993)