Lego Mindstorm - Ausarbeitung PDF

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Summary

Ausarbeitung...

Description

1.

Lego Mindstorm

Das LEGO Mindstorm System ist aus der Zusammenarbeit des dänischen Spielzeugherstellers LEGO und dem Massachusetts Institute of Technology, welches seit 1998 in Form der Produktreihe LEGO Mindstorms Robotics Invention System vertrieben wird, entstanden. Wichtigstes Element ist der Steuerungscomputer, auch NXT-Stein genannt. Dies ist ein großer LEGO Baustein1 mit integriertem 32-BitMikroprozessor. Desweiteren verfügt der NXT-Stein über Bluetooth- und USBAnschluss, drei Motor- und vier Sensoranschlüsse, vier Tasten zur Bedienung und Programmwahl, ein kleines LCD Display. Die Stromversorgung dieser Komponente wird entweder mittels sechs 1,5-V-AA-Batterien oder einem Akku gewährleistet. „Lego“ ist vielen nur aus ihrer Kindheit als „bunte Spielzeugklötze“ in Erinnerung, mit denen man verschiedenste Sachen bauen kann. Allerdings würde ich dieser Aussage nur bedingt zustimmen! Wie im oberen Abschnitt schon beschrieben, bietet Lego seit vielen Jahren Produkte aus der „Mindstorm Serie“ an, welche mehr als nur einfaches Spielezeug sind. So besitzt der Lego Mindstorm neben nichtelektrischen Bauteilen, wie Legobausteine, Ritzel, Winkelverbindungen usw., welche zum Konstruieren bzw. zum Zusammenbau des Roboters dienen, auch elektrische Anbauteile, wie Sensoren und Motoren, welche ich im nächsten Abschnitt näher erläutern werde! Abgesehen vom NXT-Stein, welcher bildlich betracht als „Gehirn“ des Roboters dient und den gesamten Ablauf des Roboters koordiniert, kann der Roboter mit Motoren ausgestattet werden. Dabei dienen die Motoren zur Bewegung und können unter anderem als Antrieb nutzen. So kann zum Beispiel mit Hilfe der Motoren ein Greifarm bedient werden! Die Motoren werden durch Adapterkabel mit den jeweiligen Ports (AC) des NXT-Steins verbunden. Jedoch reichen die Motoren nicht aus, damit der Roboter auf seine Umwelt reagieren kann sind weitere Hilfen in Form von Sensoren notwendig! Die verschiedenen Sensoren werden durch Adapterkabel an die jeweiligen Ports (1-4) des NXT-Steins angeschlossen.

2.

Sensoren

Der „Lego-Basisroboter“ ist mit vier verschiedenen Sensoren (Licht-, Ultraschall-, Berührungs- und Geräuschsensor) ausgestattet, die dem Roboter dienen sich in seiner Umgebung zurecht zu finden. Die Sensoren helfen dem Roboter dabei Informationen über seine Umgebung zu sammeln. Anhand von Programmen, die für den jeweiligen Roboter erstellt werden, sollen diese gesammelten Informationen verarbeitet werden und somit ermöglicht werden auf die Umgebung zu reagieren.

2.1

Der Lichtsensor

Der Farb- bzw. Lichtsensor funktioniert vom Prinzip her wie ein Fotoapparat. Das abgegebene und wieder reflektierte Licht der drei Leuchtdioden (rot, grün, blau) wird mit Fotozellen gemessen und ausgewertet, was bedeutet, dass der Farbsensor einerseits einen farblichen Untergrund (sechs Farben) erkennen und anderseits in Verwendung als Lichtsensor zwischen hell und dunkel (Werte zwischen 0 und 100 %) unterscheiden kann.

2.2

Der Ultraschallsensor

Der Ultraschall- bzw. Abstandssensor nutzt zur Abstandmessung einen Schallimpuls. Der Sensor sendet über das eine „Auge“ einen Schallimpuls, welcher mithilfe eines Gegenstandes auf das andere „Auge“ reflektiert wird, diese Methode ist ähnlich wie bei Fledermäusen. Der Ultraschallsensor sendet zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Trifft der Ultraschallimpuls auf einen Gegenstand, wird er reflektiert. Das so entstehende Echo wird vom Sensor wieder aufgenommen und aus der Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Schallimpulses, wird der Abstand zum Objekt berechnet.

2.3

Der Berührungssensor

Der Berührungs- bzw. Tastsensor hat prinzipiell die Funktion eines Schalters! Wird der Schalter gedrückt, schließt dieser und es kommt zum Stromfluss. Wird der Schalter nicht gedrückt, ist dieser offen und es erfolgt kein Stromfluss. Dies bedeutet, dass dadurch Hindernisse erfasst werden können. Hinzuzufügen ist, dass dieser Sensor auch als „Startknopf“ dienen kann!

2.4

Der Geräuschesensor

Der Geräusch- bzw. Soundsensor hat die Eigenschaft eines einfachen Mikrofons, bei dem der Lautstärkebereich in dB in Werte zwischen 0 und 100 % umgewandelt wird, wodurch Geräusche wie z.B. Pfeifen, Klatschen usw. erfasst werden können.

3.

Lernarrangement

Die Automatisierung nimmt gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Aufgrund dessen ist es wichtig sich mit diesem Thema zu befassen und SuS näherzubringen. Der bekannteste Einsatzzweck von Maschinen ist die industrielle Massenproduktion. In diesem Fall werden feste, vordefinierte Handlungsabläufe von Robotern übernommen und steigern durch enorme Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit die Produktionsrate massiv. Doch dieser Einsatzort ist lediglich einer von vielen. Roboter werden zunehmen auch in vielen Haushalten eingesetzt! Die Roboter unterscheiden sich durch oft zwei wesentliche Merkmale: zum einen besitzt jeder Roboter eine physische Hülle, also eine Art Form oder Gestalt, die ihn von anderen Robotern unterscheidet. Zum anderen unterscheiden sich die Roboter in ihrer Programmierung. Dies liegt an der Tatsache, dass die Roboter in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz kommen. In diesem Abschnitt werde ich kurz den Einsazt eines Saugroboters näher erläutern, da dieser sehr geläufig ist. Zunächst einmal ein kurzer Einblick in die Funktionsweise eines autonomen Saugroboters. Saugroboter sind in der Regel klein, rund und haben etwa einen Durchmesser von 40 cm. Bürsten schaufeln zur Bodenreinigung den Schmutz unter den Roboter, wo der Schmutz aufgesaugt wird. Der Roboter fährt selbstädnig die Umgebung bzw. Wohnräume ab und stößt häufig auf Hindernisse, wie zum Beispiel Möbelstücke. Damit der Saugroboter ungehindert seine Arbeit verrichten kann ist es notwendig, dass dieser „Sehen und Fühlen“ kann. Die Orientierung geschieht mit Hilfe von Sensoren, welche unter anderem im Abschnitt „Sensoren“ schon beschrieben wurden. Einfache Saugroboter sind in der Regel mit Berührungssensoren ausgestattet. Stößt der Saugroboter an ein Hinderniss wird der Sensor ausgelöst. Je nach dem an welcher Stelle der Roboter anstößt, verändert der Roboter seine Richtung um einen bestimmten Winkel und unternimmt einen neuen Fahrversuch. Ist dieser ebenso erfolglos wiederholt der Roboter das Ganze bis Fahrt wieder frei ist. Abgesehen davon, ist der Roboter ebenso mit Motoren ausgestattet. Diese sollen dem Roboter zum einen helfen sich fortzubewegen und zum anderen werden die Bürsten dadurch betrieben. Darüber hinaus verfügen moderne Saugroboter mittlerweile auch über Sensoren zur Abstandsmessung. In diesem Fall werden zum Beispeil Ultraschallsensoren verwendet. Hierbei misst der Roboter mit Hilfe der Sensoren den Abstand zum Hinderniss und verändert die Fahrtrichtung, um am Hindernis vorbi zu kommen!1

4.

Einsatz von Ultraschallsensoren

Die Automatisierung gewinnt mehr und mehr an Bedeutung. Der bekannteste Einsatzzweck von Maschinen ist die industrielle Massenproduktion. In diesem Fall werden feste, vordefinierte Handlungsabläufe von Robotern übernommen und steigern durch enorme Geschwindigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit die Produktionsrate massiv. Doch dieser Einsatzort ist lediglich einer von vielen. Roboter werden zunehmend auch in vielen Haushalten eingesetzt! Die Roboter unterscheiden sich oft durch zwei wesentliche Merkmale: zum einen besitzt jeder Roboter eine physische Hülle, also eine Art Form oder Gestalt, die ihn von anderen Robotern unterscheidet. Zum anderen unterscheiden sich die Roboter in ihrer Programmierung. Dies liegt an der Tatsache, dass die Roboter in den verschiedensten Bereichen zum Einsatz kommen. In diesem Abschnitt werde ich kurz einen möglichen Einsatzbereich eines Ultraschall- bzw. Abstandssensor näher erläutern. Typische Anwendungsbereiche dieser Sensoren sind PKW’s. So werden Ultraschallsensoren häufig in der Automobilindustrie als Bauteile verwendet. Die Fahrzeuge werden mit diesen Bauteilen ausgestattet. Es wird mittlerweile kaum noch ein Personenkraftwagen ohne den Ultraschallsensor hergestellt. Der Ultraschallsensor dient zur Distanzerfassung zu Objekten, wie zum Beispiel beim Einparken. Die Fahrerin beziehungsweise der Fahrer wird sowohl durch optische als auch akkustische Signale auf die Hindernisse aufmerksam gemacht. Die Sensoren sind jeweils in den Stoßfängern der Fahrzeuge angebracht.

5.

Lernarrangement

Ziel des Lernarrangements ist es, die Funktionsweise des Ultraschall- bzw. Abstandssensor anhand der Programmierung des Sensors am LEGO Mindsorm näherzubringen. Die SuS sollen die Funktionsweise des Ultraschall- bzw. Abstandssensor kennenlernen. Desweitern sollen die Schülerinnen und Schüler einen Einblick über die weiteren Sensoren des Mindstorm Roboter erhalten. Dazu erhalten die SuS ein Handout zum Thema Sensorik, welches die Funktion der Sensors vereinfacht darstellt. Im ersten Schritt können die SuS anhand eines Rollenspiels den Ultraschallsensor näher kennenlernen. Wichtig dabei ist es, dass die Schülerinnen und Schüler ihre Rollen tauschen und den Vorgang wiederholen. Ein Beispiel für das Rollenspiel wäre, dass sich die Schülerinnen und Schüler Rollen zuweisen, so ist eine Person für die Informationen zuständig und eine Person dafür den Roboter zu imitieren. Als Hilfe dienen in diesem Fall die Programmablaufkarten. Die SuS schauen sich diese zunächst an, im Anschluss daran werden dem „Roboter“ die Augen verbunden. Danach erfolgt die „Informationseingabe“, so werden dem „Roboter“ Befehle übermittelt. Ein solcher Programmablauf kann wie folgt aussehen. Gehe zwei Schritte geradeaus, Abstand zur Wand kleiner als 1 Meter, drehe um 90 Grad nach rechts, gehe einen Schritt geradeaus, drehe um 90 grad nach links. Der „Roboter“ soll sich hierbei den Programmablauf merken und diese umsetzen. Haben die SuS einmal den Ablauf selbst nachgestellt, sollen sie im Anschluss mit Hilfe des

LEGO Mindstorms Sensoren verbauen und eine vorgegebene Strecke bzw. Fläche abfahren. Hierbei soll der von den SuS erbaute Roboter auf ein Hindernis stoßen, diesen mit Hilfe des Sensors erkennen und den Roboter zum anhalten bringen oder um diesen herum fahren. Der Roboter wird mit Hilfe von „Open Roberta Lab“ programmiert. Bei diesem Schritt lernen die SuS, wie die Befehle zusammengestellt werden und an den Roboter weitergeleitet werden. Um auch bei Schwierigkeiten voran zu kommen, stehen den SuS Lernkarten zu Hilfe, auf denen der Umgang mit dem Mindstorm und dem Sensor erklärt ist. Die Programmierung des Roboters erfolgt über das „Open Roberta Lab“, die Vorgehensweise ist im Handbuch „TUROB“ näher beschrieben! Das „Open Roberta Lab“ soll Lehrkräften, sowie SuS das Programmieren vereinfacht ermöglichen. Es werden keinerlei Vorkenntnisse benötigt, da eigene Programme per „drag & drop“ erstellt werden.

5.1

Mögliche Hilfestellung

Neben dem Handbuch können den SuS Lernkarten zur Hilfe stehen. Diese dienen dazu den Schülerinnen und Schülern Denkanstöße zu geben, wie zum Beispiel Impulsfragen. -

Was ist ein Sensor? Was macht ein Sensor? Wie kann ein Sensor Einfluss auf die Funktion des Roboters nehmen? Was ist Ultraschall? Kennt ihr Einsatzbereiche? Wenn ja, welche? Z.B. im PKW als Einparkhilfe. Warum werden Ultraschallsensoren in PKW’s verbaut?

5.2

Lernziele

Nach Abschluss sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage ihr neu erworbenes Wissen auf andere Sachverhalte zu übertragen. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage die einzelnen Bauteile zu benennen. Die SuS haben ebenso das Funktionsprinzip der einzelnen Bauteile verstanden und sind in der Lage diese zu erklären. Die SuS sind in der Lage Bereiche aus dem Alltag zu nennen, in denen Roboter vorkommen. Sie kennen den Unterschied zwischen einem Roboter und einer normalen Maschine.

6.

Anknüpfung an den Kernlehrplan

Um den Inhalt der Ausarbeitung nicht zu sprengen, wird in der vorliegenden Hausarbeit auf den Kernlehrplan für das Wahlpflichtfach Technik an Realschulen eingegangen. Das Thema „Robotik“ ist im Inhaltsfeld 4, Automatisierung, im Kernlehrplan des Landes NordrheinWesftfalen für das Wahlpflichtfach Technik verortet. Automatisierung ist laut Kernlehrplan, die „Auseinandersetzung mit Möglichkeiten und Grenzen von technischen Systemen, die motorische Tätigkeiten ersetzen, präzisieren und erweitern.“ Die Schülerinnen und Schüler sollen hierbei lernen sich, „mit Problemstellungen aus dem Bereich des breiten

Spektrums der Automatisierung – von Verfahren zur Optimierung manueller Fertigungsprozesse bis hin zum Einsatz von Mess-, Steuerungs- und Regelungssystemen“, zu beschäftigen.

Das Inhaltsfeld 4 des Kernlehrplans beinhaltet unter anderem die Vereinfachung von Arbeitsprozessen, das Kennenlernen von Geräten und Maschinen in Haushalt und Beruf. Zusätzlich soll das Inhaltsfeld 4 einen Überblick über die industrielle Fertigung verschaffen. Abgesehen davon sollen die Schülerinnen und Schüler Verfahren zur Vereinfachung wiederkehrender Arbeitsprozesse bschreiben können. Sie sollen Geräte und Maschinen hinsichtlich ihrer Funktionen und Einsatzbereiche unterscheiden. Desweiteren sollen sie das Prinzip der Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe in den Kategorien Stoff, Energie und Information erklären können. Sie kennen den Unterschied zwischen Mess-, Steuerungs- und Regelungsaufgaben. Zusätzlich sollen die SuS in der Lage sein technische Systeme im Hinblick auf deren Funktion zu beschreiben. Darüber hinaus sind die Schülerinnen und Schüler in der Lage die Einsatzmöglichkeiten technischer Hilfsmittel zur Optimierung von Arbeitsprozessen und ihren Ergebnissen zu beurteilen. Die SuS sind in der Lage die Eignung unterschiedlicher Maßnahmen der Arbeitsorganisation unter ökonomischen und ergonomischen Aspekten zu bewerten. Sie können den Einsatz von Geräten und Maschinen unter ökonomischen und ökologischen Aspekten bewerten. Die Schülerinnen und Schüler sind in der Lage die sozio-ökonomischen Auswirkungen industrieller Automatisierung zu beurteilen.

6.1

Lernerfolgsüberprüfung und Leistungsbewertung

Die Leistungsbewertung der Schülerinnen und Schüler bezieht sich auf die erworbenen Kompetenzen, die die SuS in Laufe des Unterrichts erworben haben. Voraussetzung dafür ist, dass den SuS die Möglichkeit gegeben wird, die geforderten Kompetenzen zu erlangen. Die Beurteilung eines Projekts fällt unter den Beurteilungsbereich „Sonstige Leistungen im Unterricht“. Die Beurteilung findet nicht nur im Verlauf eines Schuljahres durch kontinuierlichen Beobachtung statt, sondern kann auch durch eine punktuelle Überprüfung erfolgen. Genauer gesagt wird dadruch nicht nur der gesamte Prozess der Kompetenzentwicklung, sondern auch der Stand der Kompetenzentwicklung festgestellt.

7.

Fazit

LEGO Mindstorms eignen sich aufgrund ihrer vielseitigen Einsatzmöglichkeiten gut für den Unterricht. Sie bieten eine Einführung in das Thema Robotik, jedoch ist eine didaktische Reduktion notwendig, da das Themengebiet sehr groß und komplex ist. LEGO Mindstorms helfen den SuS Fähigkeiten zur Aneignung von und zum Umgang mit grundlegenden technischen Kenntnissen, wie zum Beispiel der Informations- und Kommunikationstechnik zu erlangen. Ebenso verdeutlicht dieses Themengebiet den Bezug zur Realität und die Bedürfnisse des Menschen oder Erfindungen und Entwicklungen, welche die Lebens- und Arbeitswelt des Menschen beeinflussen....