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) 2 Motoren, 3 Berührungssensoren, 2 Lichtsensoren Infrarotsender zum Laden der Programme vom PC auf den RCX Verbindungssteine, Räder, ... sowie viele übliche LEGO Steine Konstruktionshandbuch

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 )

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)

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

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

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

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt Feuerwehr Gekko

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in Freiburg

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)

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)

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.

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

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

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

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

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

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“)

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

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

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.

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.

Robotik mit LEGO Robolab Variable in Robolab

Robotik mit LEGO Die Projektaufgabe Möglichst schnell aus dem Labyrinth herausfinden

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

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

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

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)

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

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

Robotik mit LEGO Modelle aus Projektarbeit

Robotik mit LEGO Modelle aus Projektarbeit

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

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

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

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)

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

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

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

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

Bezugsquelle Links www.technik-lpe.de 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)