u STEM-nastavi - Fischertechnik (50

Slika 31.10. Ovaj program pretvara izvod P0 rubnog priključka u kapacitivnu tipku

Prstom dodirnite (pressed) izvod P0 rubnog priključka. Na LED-displeju se ispisuje broj 1. Isprobajte i program sa Slike 31.11. Program otpremite i isprobajte. Ako je sve kako valja, na LED-displeju se prikazuje broj 0. Lijevim kažiprstom dodirujte i držite izvod P1 rubnog priključka, a desnim kažiprstom dodirnite izvod GND rubnog priključka. Na LED-displeju bi se trebao prikazati broj 1. Ako neće, onda navlažite kažiprste kako biste snizili prijelazni otpor vaše kože. To je za sada sve.

Slika 31.11. Ovaj program pretvara izvod P1 rubnog priključka u otporničku tipku

Za ove ste vježbe trebali: - BBC micro:bita v.2 - USB-kabel - kućište s baterijama za BBC micro:bit - zvučnik.

Marino Čikeš, prof.

"STEM" U NASTAVI

Robotski modeli za učenje kroz igru Slike u prilogu u STEM-nastavi - Fischertechnik (50)

Suvremeni edukativni procesi zahtijevaju različite metode i pristupe poučavanja prema učenicima svih dobnih skupina, koji su u središtu nastavnog procesa tijekom školovanja. Usvajanje ishoda učenja i njihova primjena u svakodnevnim nastavnim problemskim zadacima rezultira njihovim uspješnim rješavanjem. Učitelji prirodoslovnih i tehničkih nastavnih predmeta (STEM) metodički povezuju stečena znanja i vještine koje se isprepliću kroz mnoštvo različitih međupredmetnih tema. Matematičke izazove o geometrijski različitim kutovima možemo jednostavno prikazati tijekom usvajanja ishoda učenja uporabom automatiziranog robotskog modela. Rotacija koju omogućava pokretni mehanizam zorno prikazuje principe određivanja kutova pri zakretanju postolja stacionarnog robotskog modela. Problemski zadaci koje učenik nakon usvajanja ishoda učenja aktivno rješava pomoću modela kutomjera, ubrzava proces učenja i savladavanja nastavnog gradiva o odnosima kutova u kružnici, trokutima i drugim geometrijskim pojmovima. Primjena usvojenih ishoda učenja kroz rješavanje problemskih izazova omogućava pokretanje i upravljanje mobilnim ili stacionarnim modelima robota. Gibanje stacionarnih robota definirano je njihovim radnim prostorom i okružjem u kojem izvršavaju radne zadatke. Rotacija postolja i pomak robotske ruke moguće je precizno određivati pomoću zadanih kutova. Kod modela mobilnih robota (robotska vozila) učenici moraju moći primijeniti usvojena znanja o kutovima radi uspješnog rješavanja zadataka tijekom kretanja uz pravovremeno detektiranje i izbjegavanje prepreka u prostoru.

Odabir građevnih konstrukcijskih elemenata za izradu modela kutomjera omogućava izradu funkcionalne konstrukcije koja rotacijskim gibanjem određuje vrijednost kutova u kružnici. Slika 1._Kutomjer

Model kutomjera izrađen je od elemenata Fischertechnika, građevnih blokova, spojnih vodiča, električnih elemenata, senzora (tipkala, fototranzistora), međusklopa (TXT) i izvora napajanja (baterija). Konstrukcija robotskog modela izrađena je pomoću detaljne tehničke dokumentacije koju izrađuje inženjerski tim koji nadgleda glavni inženjer. Inženjerski tim određuje dinamiku izrade konstrukcije kutomjera pomoću dokumentacije i plana rada. Smještanje i pozicija elektrotehničkih elemenata te njihovo ožičenje vodičima osigurava kontinuirani rad tijekom nastavnog procesa i funkcionalnost robotskog modela. Postupak ožičenja svjetlosnih indikatora (LED), elektromotora, svjetlosnih senzora (fototranzistora), senzora dodira (tipkala) i sučelja (međusklopa) zahtijeva precizno mjerenje udaljenosti. Proces spajanja slijedi točan odabir duljine vodiča, njihovo povezivanje spojnicama s međusklopom i električnim elementima.

Izrada konstrukcije modela ‒ Kutomjer

Konstrukcija Kutomjera, povezivanje vodičima s međusklopom, provjera rada električnih elemenata (LED-lampica, elektromotor) i senzora (tipkalo, fototranzistori). Automatizirani robotski model upotrebljavamo kao digitalno učilo za određivanje kutova tijekom provedbe nastavnog procesa u matematici, fizici, tehničkoj kulturi i informatici (programiranje). Slika 2._FT_elementi1 Konstrukcija je izrađena od osnovnih elemenata Fischertechnika, građevnih blokova, spojnih vodova, električnih i elektroničkih elemenata. Konstruktorski tim inženjera dogovara, projektira i dizajnira funkcionalni model robotskog automatiziranog digitalnog kutomjera koji zakretanjem pokazuje zadani kut pomoću svjetlosnih indikatora (LED). Tim inženjera planira faze izrade konstrukcije, ugrađuje elektrotehničke elemente i projektira ožičenje vodičima različitih duljina. Ugradnja elektrotehničkih elemenata i ožičenje osigurava potpunu funkcionalnost robotskog modela uz odabir optimalnog broja vodiča. Ožičenje elektromotora, senzora dodira (tipkala), svjetlosnih senzora (fototranzistora) s međusklopom zahtijeva detaljan plan pri izradi projekta. Programski inženjer izrađuje plan (algoritam) rada, programski kod, provjerava ispravnost senzora, elektromotora, LED-lampica i obavlja završno testiranje prije pokretanja digitalnog kutomjera. Faze izrade konstrukcije modela: 1. Pozicioniranje i spajanje statičnog dijela postolja nosača na podlogu. 2. Umetanje rotirajućeg zupčanika na statični dio postolja. 3. Postavljanje mehanizma rotacije kutomjera s prijenosnim mehanizmom na rotor elektromotora. 4. Postavljanje senzora dodira (tipkalo, I1) za pokretanje i zaustavljanje programa. 5. Postavljanje svjetlosnih senzora (fototranzistori, I5) za određivanje početnog položaja (kalibracija, kut 0°). 6. Postavljanje svjetlosnih senzora (fototranzistori, I6–I8) za određivanje kutova (90°, 180°, 270° i 360°) položaja postolja kutomjera. 7. Postavljanje svjetlosnih indikatora pokazatelja kuta rotacije (LED). 8. Izrada algoritama i računalnih programa s potprogramima za automatizirano upravljanje modelom kutomjera. Napomena: Duljinu vodiča sa spojnicama određuje udaljenost električnih elemenata od međusklopa. Pozicija međusklopa i izvora napajanja (baterija U = 9 V) određena je ulazno-izlaznim elementima spojenima na međusklop modela kutomjera. Izradit ćemo model Kutomjera koji je automatski upravljan pomoću fototranzistora (I5-I8) i tipkalom (I1) za pokretanje programa. Prvi zahtjev prilikom izrade konstrukcije modela postavljanje je stabilnog nepomičnog postolja, ugađanje mehanizma prijenosa s velikim crnim rotirajućim zupčanikom, pregledno i uredno spajanje LED-lampica, elektromotora i senzora s vodičima, međusklopom i računalom. Slika 3._konstrukcijaA Slika 4._konstrukcijaB Slika 5._konstrukcijaC Nosači postolja izvedeni su pomoću četiri crna građevna bloka s dva spojnika postavljena na podlogu. Nosači postolja pozicionirani su s desne strane u sredini podloge. Dva građevna

bloka pozicionirana su u petom i sedmom stupcu četvrtog reda podloge. Nasuprot njima umetnuta su dva građevna bloka u šestom redu. Slika 6._konstrukcijaD Elektromotor je postavljen na gornje spojnike dva nosača koji su pozicionirani na podlogu u trećem stupcu desetog i jedanaestog reda. Kućište rotacionog mehanizma pužnog vijka umetnuto je na utore elektromotora s prednje strane i rotora elektromotora. Građevne elemente postolja nosača elektromotora upotrebljavamo za precizno podešavanje položaja elektromotora (M1) koji zakreće (rotira) pomični dio postolja i precizno regulira kut otklona (rotaciju). Napomena: Precizno pozicioniranje elektromotora na podesivom nosaču omogućava promjenu položaja (naprijed ili nazad) i osigurava zakretanje pomičnog postolja za programski zadani kut. Zupci velikog zupčanika moraju se precizno podesiti s pužnim vijkom koji prenosi vrtnju elektromotora (M1) i zakreće pokretni dio postolja za definirani kut otklona. Slika 7._konstrukcijaE Mali crveni kutni element postavljen je okomito na rotirajući dio postolja. Njegova uloga je omogućiti umetanje postolja za LED-lampicu (O3) u koje je umetnuta. Nasuprot je postavljen nosač fototranzistora. Visina nosivog stupa osigurava idealan položaj svjetlosnog senzora (fototranzistora I5) koji određuje početni položaj zakretanja robotskog modela (0°) i krajnji položaj (360°). Pužni vijak omogućuje usporavanje brzine vrtnje elektromotora (M1) čime je osigurano kontinuirano precizno zakretanje postolja u oba smjera. Slika 8._konstrukcijaF Slika 9._konstrukcijaG Nosivi stupovi svjetlosnih senzora postavljeni su u ravnini nasuprot početnom čime je osigurana preciznost tijekom rada robotskog modela pri određivanju kuta zakretanja. Napomena: Precizno očitanje svjetlosnih senzora (I5–I8) osigurava optimalna udaljenost izvora konstantne svjetlosti LED-lampice (O3). Slika 10._konstrukcijaH Slika 11._konstrukcijaI Slika 12._konstrukcijaJ Automatizirani model kutomjera omogućava rotaciju u dva smjera; (cw – smjer kretanja kazaljke na satu i ccw – smjer suprotan od kretanja kazaljke na satu). Elektromotor (M1) programski pokrećemo i testiramo rad, rotaciju postolja robotskog modela. Nakon provjere rada potpuni popis građevnih FT-elemenata olakšava izradu konstrukcije. Napomena: testiranjem programski ispitujemo različite brzine i maksimalnu brzinu rotacije (8) koju elektromotor (M1) može podnijeti. Ovaj korak nam osigurava pravovremenu detekciju svjetlosti koja očitanjem na svjetlosnim senzorima (fototranzistorima I5–I8) zaustavlja zakretanje i pokazuje kut. Slika 13._konstrukcijaK Slika 14._konstrukcijaL Umetanje pužnog vijka osigurava usporavanje brzine vrtnje elektromotora i omogućuje precizno zakretanje postolja sortirnog stroja. Napomena: Kod podešavanja preciznog položaja pužnog prijenosa nužno je podesiti usporednu poziciju pužnog vijka i velikog zupčanika koji rotira ovisno o smjeru vrtnje elektromotora. Slika 15._konstrukcijaLJ Pet postolja za LED-lampice pozicioniramo u obliku znaka plus (+). LED-lampice umetnemo u kućišta postolja i na njih postavimo kapice zelene boje. Svjetlosne indikatore postavljamo s lijeve prednje strane podloge radi preglednosti tijekom određivanja kutova. LED-lampice signaliziraju kut otklona rotirajućeg zupčanika i određuju vizualno kut. Provjera kuta otklona pomoću robotskog modela kutomjera olakšava učenicima savladavanje ishoda učenja. Napomena: Postolja lampica obavezno postaviti u položaj radi veće preglednosti i jednostavnijeg umetanja spojnica vodiča tijekom spajanja LED-lampica s međusklopom. Slika 16._konstrukcijaM Slika 17._konstrukcijaN Veliki crni građevni blok pozicioniran je u gornjem lijevom kutu postolja uz njegov lijevi rub. Dvostrani spojni crveni element umetnut je s unutarnje strane velikog crnog građevnog bloka. Na njegovu spojnicu učvršćen je međusklop okrenut u položaj koji pregledno pokazuje ulazno-izlazne konektore (utore) na koje spajamo električne elemente i senzore. Napomena: Izvor napajanja umetnut je na vrh nosivog stupa međusklopa čime je osigurana stabilnost, brza i jednostavna izmjena baterije.

Slika 18._konstrukcijaNJ Slika 19._konstrukcijaO Senzor dodira (tipkalo I1) uključuje i isključuje pokretanje (program) i određuje početni položaj modela. Položaj tipkala na desnoj strani elektromotora (M1) osigurava kontinuirani rad tijekom zakretanja postolja modela kutomjera. Napomena: Duljina vodiča sa spojnicama određena je početnom i krajnjom pozicijom robotskog modela kutomjera i međusklopa. Pozicioniranje međusklopa u odnosu na model i izvor napajanja (baterija) definirana je ulaznim i izlaznim elementima smještenima na modelu sortirnog stroja. Napomena: provjerite napon izvora napajanja (bateriju) i povežite uredno složenim vodičima pravilne duljine s međusklopom. Ulazne i izlazne električne elemente povežite s međusklopom i ispitajte njihov rad alatom Test u programu RoboPro. Slika 20._TXT Shema spajanja elemenata sa TXT-međusklopom: 1. elektromotor spajamo na izlaz (M1) 2. LED-lampice spajamo na izlaze (O3–O8) i zajedničko uzemljenje (┴) 3. tipkalo spajamo vodičima na digitalni ulaz (I1) 4. fototranzistore spajamo vodičima na digitalne ulaze (I5–I8). Povezivanje međusklopa s električnim elementima robotskog modela kutomjera zahtijeva precizno mjerenje udaljenosti, i pregledno postavljanje vodiča na duljinu koja dozvoljava rotaciju od početnog položaja (0°) do krajnjeg kuta otklona (360°). Napomena: sve elektroničke elemente povezujemo prije spajanja izvora napajanja (baterija). Slika 21._FT_elementi2 Detaljan popis FT-elemenata omogućava brzu i funkcionalnu izradu konstrukcije modela kutomjera. Slika 22._Kutomjer1 Napomena: Tijekom izrade konstrukcije moguće je različito rasporediti FT-elemente na podlogu. Provjera rada elektroničkih elemenata provodi se prije izrade algoritma i programa: 1. povezivanje TXT-sučelja s računalom, ulaznim i izlaznim elementima 2. provjera ispravnog rada električnih elemenata: tipkala, fototranzistora, elektromotora i LED-lampica 3. provjera napona izvora napajanja (baterija U = 9 V) 4. provjera komunikacije između TXT-međusklopa i programa RoboPro. Zadatak_1: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji provjerava ispravnost spojenih električnih elemenata (LED-lampice, elektromotor) s digitalnim izlazima međusklopa (TXT). Pokretanjem programa uključe se sve LED-lampice na jednu sekundu i isključe. Nakon isključivanja svih LED-lampica, elektromotor se uključi i vrti u jednom smjeru jednu sekundu, zaustavi na jednu sekundu, vrti se u drugom smjeru jednu sekundu i zaustavi. Nakon zaustavljanja elektromotora program ne radi. Slika 23._Test_out Program RoboPro pokreće izvršavanje programa pritiskom na alat Start (zeleno) koji je smješten na alatnoj traci programa. Glavni program upravlja radom modela izvršavanjem potprograma Test. Nakon završetka rada potprograma Test glavni program ne radi. Potprogram Test izvršava četiri potprograma u nizu. Potprogram Lamp_on uključuje LED-lampice na izlazima (O3–O8) međusklopa. Potprogram Time definira period izvršavanja programa od jedne sekunde. Potprogram Lamp_off isključuje LED-lampice na izlazima (O3–O8) međusklopa. Potprogram Motor provjerava ispravan rad elektromotora (M1). Uključi elektromotor (M1 = cw) na jednu sekundu, zaustavi (M1 = stop) na jednu sekundu, uključi elektromotor (M1 = ccw) na jednu sekundu i zaustavi (M1 = stop). Zadatak_2: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji provjerava ispravnost spojenih električnih elemenata (LED-lampica, elektromotor) i senzora (tipkalo I1, fototranzistor I5) s digitalnim ulazima međusklopa (TXT). Pokretanjem programa, program provjerava stanje tipkala (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) uključi se LED-lampica (O3 = on) i elektromotor (M1 = cw) na jednu sekundu. Program se izvršava dok fototranzistor (I5) ne detektira svjetlost LED-lampice. Elektromotor se isključi (M1 = stop), program ne radi. Slika 24._Test_in Uključivanjem alata Interface Test vidimo rad programa u RoboPro sučelju u realnom vremenskom periodu. Zadatak_3: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji kontinuirano provjerava poziciju

robotskog modela i kalibrira ga u početnu poziciju, kut (α = 0°) pritiskom tipkala (I1 = 1). Završetkom kalibracije program kontinuirano provjerava tipkalo (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) elektromotor (M1) rotira postolje dok fototranzistor (I6) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on) smještene na rotirajućem postolju. Nakon detekcije svjetlosti fototranzistor (I6) isključi elektromotor (M1) i LED-lampicu (O5). Uključi se LED-lampica (O6), koja signalizira pomak kuta (α=90°) i program se zaustavi. Slika 25._Kružnica_kut Slika 26._Kalibracija Pokretanjem programa, program provjerava stanje tipkala (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) uključi se LED-lampica (O3 = on) i elektromotor (M1 = ccw) koji rotira postolje. Program se izvršava dok fototranzistor (I5 = 0) ne detektira svjetlost LED-lampice. Očitanjem svjetlosti, fototranzistora (I5 = 1) isključi elektromotor (M1 = stop) i uključi LED-lampicu (O5 = on). Rotirajuće postolje programski je pozicionirano (kalibrirano) u kut (α=0°). Program kontinuirano provjerava stanje tipkala (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1), elektromotor (M1 = ccw) rotira u suprotnom smjeru sve dok fototranzistor (I6 = 0) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = 1). Očitanjem svjetlosti, fototranzistora (I6 = 1) isključi elektromotor (M1 = stop), uključi LED-lampicu (O6 = on) i isključi LED-lampicu (O5 = off). Rotirajuće postolje programski je pozicionirano u kut (α=90°). Zadatak_4: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji kontinuirano provjerava poziciju robotskog modela i kalibrira ga u početnu poziciju, kut (α=0°) pritiskom tipkala (I1 = 1). Slika 27._Kut_90 Završetkom kalibracije program kontinuirano provjerava tipkalo (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) elektromotor (M1) rotira postolje dok fototranzistor (I6) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on) smještene na rotirajućem postolju. Nakon detekcije svjetlosti, fototranzistor (I6) isključi elektromotor (M1) i LED-lampicu (O5). Uključi se LED-lampica (O6) na jednu sekundu i isključi. Nakon isključivanja LED-lampice (O6), kontinuirano se ponavlja uključivanje signalnih LED-lampica (O4–O6) na pola sekunde i isključivanja dok ne pritisnemo tipkalo (I1). LED-lampice signaliziraju pravi kut (α=90°) i program se zaustavi. Zadatak _5: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji kontinuirano provjerava poziciju robotskog modela i kalibrira ga u početnu poziciju, kut (α=0°) pritiskom tipkala (I1 = 1). Slika 28._Kut_180 Završetkom kalibracije program kontinuirano provjerava tipkalo (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) elektromotor (M1) rotira postolje dok fototranzistor (I6) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on) smještene na rotirajućem postolju. Nakon detekcije svjetlosti, fototranzistor (I6) isključi LED-lampicu (O5) i uključi LED-lampicu (O6). Tri signalne LED-lampice (O4–O6) uključe se na pola sekunde i isključe. Nakon isključivanja, LED-lampica (O6) ostaje uključena i elektromotor (M1) se vrti dok fototranzistor (I7) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on). Nakon detekcije svjetlosti, fototranzistor (I7) isključi elektromotor (M1) i LED-lampicu (O6). Uključi se LED-lampica (O7) i započinje proces uključivanje signalnih LED-lampica (O5–O7) na pola sekunde i isključivanja dok ne pritisnemo tipkalo (I1). LED-lampice signaliziraju kut otklona (α=180°) i program se zaustavi. Izazov_1: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji kontinuirano provjerava poziciju robotskog modela i kalibrira ga u početnu poziciju, kut (α=0°) pritiskom tipkala (I1 = 1). Završetkom kalibracije program kontinuirano provjerava tipkalo (I1 = 0). Pritiskom tipkala (I1 = 1) elektromotor (M1) rotira postolje dok fototranzistor (I8) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on), motor se zaustavi, signalizira kut otklona (α = 270°) i program se zaustavi. Slika 29._Kut_270 Izazov_2: Napiši algoritam i dijagram tijeka (program) koji kontinuirano provjerava poziciju robotskog modela i kalibrira ga u početnu poziciju, kut (α = 0°) pritiskom jednog od tipkala (I1–I4). Završetkom kalibracije program kontinuirano provjerava pritisnuto tipkalo (I1–I4). Pritiskom tipkala (I1–I4) elektromotor (M1) rotira postolje dok fototranzistor (I5‒I8) ne detektira svjetlost LED-lampice (O3 = on), motor (M1) se zaustavi, signalizira kut otklona (α = 90°‒360°). Program se neprekidno ponavlja dok ga ne zaustavimo pritiskom na alat Stop u RoboPro sučelju. Slika 30._FT_Kutomjer_360 Napomena: Četiri usporedna programa izvršavaju se kontinuirano.

Petar Dobrić, prof.