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)

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“)

Eingänge 1,2,3

Ausgänge A,B,C

IR

(Ernergiestufen 1 – 5 )

(Dauer, Frequenz)

(Tast: 0,1)(Licht: 0-100%)

(Temp.: °C)(Rot.: °)

RCX: 8-Bit Mikrocontroller H8/329216 MHz, 16 KB ROM, 512 Byte RAM

Robotik mit LEGO Software

textbasierte Programmierumgebungen

- NQC („not quite C“, unter der LEGO Firmware)

- VisualBasic, C++ (unter alternativer Firmware LegOS)

-Robolab

-LegoKara

- RCX Code

grafische Programmierumgebungen

- Java (unter alternativer Firmware LejOS)

Robotik mit LEGO Lego-Roboter in aller Welt

2- 4- 6- Beiner





Käfer Nr.1 Käfer Nr.2


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

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

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

1,5

Sequenzen in Robolab

1,5 Sekunden Linkskurve Stopp

0,3

2 s vorwärts Rechtsdrehung 1 s rückwärts Stopp


Sensoren in Robolab

Starte bei Berührung Stopp bei zweiter Berührung

45

Fahr geradeaus Stopp wenn Lichtwert < 45


Sprung und Verzweigung in Robolab

50

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.


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.


Variable in Robolab

0,5

5 5

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


Rahmenbedingungen

Das Labyrinth steht die ganze Zeit zum Testen zur Verfügung

Keine Einschränkungen der Wahl der Mittel (fast) keine Beeinflussung durch den Lehrer


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


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

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

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)

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

Beim Schieben ist die Lampe an

Ton spielen, wenn Büchse über die Linie geschoben wird

Anhalten, wenn alle 5 Büchsen rausgeschoben wurden


Ergebnisse

Alle arbeiten von Anfang an mit Sensoren

Alle Gruppen lösen beide Aufgaben

Das „Büchsen schieben“ wird als interessantere Aufgabe gesehen


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

Robotik mit LEGO was fehlt?

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)

Documents

Robotik mit LEGO Dr. Andreas Risch