Robotski modeli za učenje kroz igru u STEM-nastavi – Fischertechnik (55)

Model robotskog vozila svakodnevno se u nastavnim procesima upotrebljava za učenje i razumijevanje rada autonomnih vozila. Edukacija i usmjeravanje mladih u tehnička zanimanja (STEM) otvara velik prostor za napredak i stvaranje novih dodatnih vrijednosti.

Razvoj inovativnih rješenja kod autonomnih vozila koji senzorima očitavaju prostor, obrađuju informacije koje omogućuju kontrolu i sigurno upravljanje vozilom. Mnoštvo tehnoloških inovacija potiče ubrzani razvoj autonomnih električnih vozila.

Autonomna vozila imaju senzore koji neprekidno prikupljaju informacije iz okolnog prostora. Obradu prikupljenih podataka procesuiraju računala iznimnom brzinom u stvarnom vremenu. Obrađene informacije računalo pretvara u naredbe koje omogućavaju vozilu sigurnu vožnju prometnicama. Senzori ugrađeni u autonomna vozila osiguravaju prikupljanje informacija tijekom vožnje prometnicama u različitim vremenskim uvjetima.

Parkiranje vozila je potpuno autonomno bez ikakvog utjecaja čovjeka na slijed izvršavanja naredaba koje računalo procesuira. Podaci se obrađuju kontinuirano složenim algoritamskim procesima unutar računala.

Autonomni robotski sustav izvršava postupke manipuliranja podacima (ulaz-obrada-izlaz) pomoću mnoštva senzora. Unaprijed ugrađeni algoritmi obrađuju prikupljene podatke i pomoću njih donose odluke koje prosljeđuju upravljačkom sustavu autonomnog vozila. Obrađene naredbe prosljeđuju se sustavima u vozilu koji ih izvršavaju trenutno (kočioni sustav, upravljački mehanizam, sustav brzine i parkirni sustav).

Programske procedure i zadani algoritmi izvršavaju se tijekom prometnih izazova na prometnici: ubrzanje radi izbjegavanja prepreke, iznenadno kočenje i zaustavljanje, promjena trake kolnika radi izbjegavanja gužve, zaobilaženje prepreka na maloj udaljenosti ispred vozila (dobiveni podaci iz senzora pokreću naredbe za zaustavljanje autonomnog vozila).

Autonomni mobilni robotski sustav omogućava lakše razumijevanje problemskih situacija i razumijevanje novih inovativnih informacijskih sustava. Model robotskog vozila pomoću senzora za detekciju crne crte kontinuirano očitava digitalne ulazne podatke i prosljeđuje ih elektroničkom sklopu (sučelju). Elektronički sklop povezan je s računalom kojim upravljamo programski. Kontrola ulaznih i izlaznih elemenata automatiziranog robotskog modela izvršava se unaprijed napisanim programskim algoritmima.

Slika 1._FT_RV

Robotsko vozilo

Robotsko je vozilo sastavljeno od pogonskog mehanizma (elektromotori), prijenosnog mehanizma (getribe) i gonjenog mehanizma (kotači). Ispred i iza su smješteni senzori za detektiranje količine svjetlosti očitanjem promjene na podlozi. Autonomno robotsko vozilo detektira crnu crtu, sučelje pomoću algoritama i programa dobivene podatke procesuira i prosljeđuje na digitalne izlaze.

Izradu i sastavljanje mobilnog robotskog modela omogućava popis konstrukcijskih blokova i elektrotehničkih elemenata koje je potrebno sastaviti.

Model robotskog vozila građen je od pogonskog mehanizma (dva elektromotora), prijenosnog mehanizma (dvije getribe) i gonjenog mehanizma (dva kotača).

Izrada modela Robotskog vozila

Model Robotskog vozila povezan je vodičima s ulaznim i izlaznim električnim elementima i s međusklopom (sučeljem). Prije pokretanja automatiziranog modela provjeravamo rad električnih elemenata i svjetlosnih senzora (izrada programa za upravljanje elektromotorima, LED-lampicama i fototranzistorima).

Slika 2._FT_elementi1

Faze izrade konstrukcije modela:

• izrada konstrukcije autonomnog robotskog vozila

• postavljanje svjetlosne signalizacije (LED-lampice)

• postavljanje upravljačkih elemenata (svjetlosni senzori)

• povezivanje električnih elemenata vodičima, sučeljem i izvorom napajanja

• izrada algoritama i računalnog programa s potprogramima za upravljanje.

Napomena: Duljina vodiča sa spojnicama određuje udaljenost električnih elemenata od priključaka sučelja, ulaznih i izlaznih utora spojnica i izvora napajanja (baterija).

Robotsko vozilo – konstrukcija automatiziranog modela

Model autonomnog robotskog vozila izrađen je od dva elektromotora (M1 i M2), tri LED-lampice (O5 i O6) i upravljačkog sklopa sa svjetlosnim senzorima (I1 i I2).

Inženjerski izazovi: gradivnim elementima izraditi stabilnu i funkcionalnu konstrukciju autonomnog robotskog vozila, električne elemente povezati vodičima, sučeljem, izvorom napajanja i računalom.

Konstrukcijski izazovi su optimiziranje težišta ravnomjernom raspodjelom mase na robotskom vozilu i uredno povezivanje elektrotehničkih elemenata s vodičima i sučeljem.

Slika 3._konstrukcijaA

Slika 4._konstrukcijaB

Slika 5._konstrukcijaC

Dva istosmjerna elektromotora prenose vrtnju (rotaciju) na prijenosne mehanizme (getriba) koji su povezani s osovinom koja se vrti. Na osovinu su pričvršćeni kotači koji su čvrsto stegnuti steznim maticama. U bočne utore elektromotora umetnute su dvije male jednostruke spojnice koje omogućavaju čvršći spoj između oba elektromotora. Položaj elektromotora je usporedan (paralelan).

Pogonski elektromotor povezan je s prijenosnim mehanizmom koji omogućuje promjenu brzine okretaja i po potrebi smjer vrtnje uz pomoć niza međusobno spojenih zupčanika. Osovina istosmjernog elektromotora je pužnog oblika i vrti se kada kroz njegove polove prolazi struja iz izvora napajanja (baterija). Vrtnja osovine pužnog vijka elektromotora direktno se prenosi na pogonski mehanizam koji prenosi vrtnju na zupčanike unutar pogonskog mehanizma. Pužni navoji elektromotora dodiruju zupčanik koji je direktno povezan s nizom zupčanika različite veličine prijenosnog mehanizma. Vrtnja elektromotora prenosi se između dodirnih ploha pužnog vijka i zupčanika smještenih na prijenosnom mehanizmu, pri čemu dolazi do prijenosa kinetičke energije na kotače robotskog vozila. Spajanje oplate kotača s gumom i steznom maticom osigurava povezivanje u funkcionalnu cjelinu pomoću elementa za sastavljanje lijevog i desnog kotača (stezna matica).

Mala osovina sa zupčanikom umetnuta je s vanjske strane unutar prijenosnog mehanizma. Ovime je omogućen kontinuirani prijenos pri pokretanju zupčanika povezanog s osovinom kotača. Kotači su učvršćeni steznim maticama koje su okrenute prema prijenosnom mehanizmu.

Napomena: Čvrsto stegnute stezne matice na podlošku kotača osiguravaju pouzdan rad i vrtnju elektromotora robotskog vozila. Prijenos kružnog gibanja i vrtnja elektromotora na prijenosni mehanizam zupčanika ostvarena je čvrstim spojem između pogonskog i prijenosnog mehanizma.

Napomena: Provjera ispravnosti položaja prijenosnog mehanizma omogućava povezivanje s elektromotorom i izvorom napajanja.

Slika 6._konstrukcijaD

Slika 7._konstrukcijaE

Slika 8._konstrukcijaF

Slika 9._konstrukcijaG

Dva velika trostrana kutna elementa umetnuta su na prednjem dijelu prijenosnih mehanizama. Njihov položaj omogućuje brzo povezivanje nosača s jednostranim malim crnim građevnim blokom koji je umetnut između lijevog i desnog prijenosnog mehanizma. Dvije male jednostruke spojnice smještene su u utore oba elektromotora. Njihova uloga je spajanje nosive pokrovne pločice s tri utora s robotskim vozilom. U produžetak pokrovne pločice umetnut je veliki crni građevni blok (30 mm) koji je spojen s građevnim blokom s provrtom (postolje trećeg “kotača”). Veliki crni jednostruki građevni blok povezuje robotsko vozilo s konstrukcijom trećeg kotača. Treći kotač osigurava potpunu stabilnost tijekom kretanja robotskog vozila te omogućuje promjenu smjera pri skretanju i vožnji unatrag.

Napomena: Spojni element trećeg kotača umećemo u rupu manjeg otvora koja je smještena nasuprot podloge.

Slika 10._konstrukcijaH

Slika 11._konstrukcijaI

Vratilo s krajnikom umetnuto je s donje strane podvozja robotskog vozila i prolazi cijelom duljinom kroz provrt građevnog bloka. Spojnici za osovinu s oprugom umetnuti su na vratilo s obje strane provrta građevnog bloka čime je osigurana stabilnost pri vožnji između robotskog vozila i podloge.

Slika 12._konstrukcijaJ

Slika 13._konstrukcijaK

Smještaj sučelja na robotskom vozilu određuje raspored opterećenja ukupne mase na nosače konstrukcije i težišta robotskog vozila. S gornje strane elektromotora umetnuti su kosi elementi s jednim spojnikom (30°) koji su učvršćeni malom jednostrukom spojnicom. Unutar žljebova elektromotora (M1 i M2) umetnuta je mala spojnica koja omogućava precizno podešavanje položaja sučelja.

Jednostavno podešavanje položaja sučelja smještenog iznad elektromotora omogućavaju kosi elementi s jednim spojnikom (30°). U utore na gornjoj strani elektromotora (M1 i M2) umetnuta je mala spojnica koja omogućava precizno podešavanje sučelja.

Napomena: Robotsko vozilo klizi površinom zaobljenog vratila s krajnikom dodirujući podlogu pri čemu je trenje zanemarivo.

Slika 14._konstrukcijaL

Slika 15._konstrukcijaLJ

Slika 16._konstrukcijaM

Građevni element s utorom i jednim spojnikom spojen je na građevni blok s provrtom na koji je spojen veliki trostrani kutni element. Svjetlosni senzori su smješteni na krajevima prednjeg i stražnjeg dijela robotskog vozila. Kosi element s jednim spojnikom (15°) umetnut je u nosač utora građevnog elementa s jednim spojnikom s jedne strane. Na drugom kraju istog građevnog elementa smještena je svjetlosna signalizacija (LED-lampica) koja omogućuje primarni izvor svjetlosti koji osvjetljava podlogu.

Konstrukcija postolja za svjetlosne senzore koji detektiraju crnu crtu određena je zadanim uvjetima problemskog zadatka. Podešavanje razmaka između podloge i svjetlosnog senzora uvjetuje pouzdan rad svjetlosnih senzora (fototranzistora).

Popis konstrukcijskih blokova i električnih elemenata osigurava izradu senzorskog sklopa za detekciju crne crte. Udaljenost između LED-

-lampice i svjetlosnog senzora osigurava pouzdan rad tijekom vožnje robotskog vozila.

Napomena: Montaža senzora za detekciju crne crte na model autonomnog robotskog vozila omogućuje podešavanje razmaka senzora u odnosu na podlogu, osigurava refleksiju svjetlosti od podloge te pravilan rad električnih elemenata (LED-lampica - odašilje svjetlost, fototranzistor ‒ prima odbijenu svjetlost).

Slika 17._konstrukcijaN

Slika 18._konstrukcijaNJ

Slika 19._konstrukcijaO

Slika 20._konstrukcijaP

Iznad velikog crnog građevnog bloka (30 mm) umetnut je veliki jednostruki spojni element radi lakše izmjene izvora napajanja (baterije). Velika masa baterijskog bloka osigurava potpunu stabilnost robotskog vozila.

Slika 21._konstrukcijaR

Na gornjoj površini sučelja smješten je nosač postolja za LED-lampicu radi jednostavne montaže i demontaže te lakšeg spajanja sa spojnicama vodiča. Zaštitne kapice na LED-lampicama su plave boje. Postavljanje električnih elemenata, LED-lampica i spojnih vodiča na model robotskog vozila posljednja je faza izrade konstrukcije.

Napomena: Položaj izvora napajanja, sučelja te pravilan balans ukupne mase omogućuje ravnomjerno opterećenje pogonskog mehanizma robotskog vozila.

Slika 22._TXT

Postupak ožičenja elektrotehničkih elemenata (elektromotora M1 i M2) započinje s lijeve na desnu stranu robotskog vozila. Princip spajanja vodiča olakšava podešavanje i kontrolu ispravnosti elektrotehničkih elemenata tijekom provjere i izrade algoritama programa.

Spajanje FT-električnih elemenata s TXT-sučeljem:

• elektromotore (M1 – lijevi, M2 – desni) na izlaze

• fototranzistore (I1 i I2) na ulaze

• LED-lampicu (O5) na izlaz (crveno) i uzemljenje (┴ , zeleno)

• LED-lampice serijski (O6) na izlaz (crveno) i uzemljenje (┴ , zeleno)

• izvor napajanja ‒ baterija (U = 9 V).

Napomena: Elektroničke elemente sa sučeljem spajamo prije spajanja izvora napajanja (baterije).