robotik mit lego dr. andreas risch ein projekt im neuen fach „naturwissenschaft und technik“
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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
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
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
Robotik mit LEGO Robolab
Sensoren in Robolab
Starte bei Berührung Stopp bei zweiter Berührung
45
Fahr geradeaus Stopp wenn Lichtwert < 45
Robotik mit LEGO Robolab
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.
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
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
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
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
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 Projekttage
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)