Robotski modeli za učenje kroz igru u STEM-nastavi – Fischertechnik (57)

Završetak pandemije i povratak u normalu omogućio je dolazak ljudi u zabavne parkove. Različiti zabavni sadržaji raduju posjetitelje svih uzrasta koji se zabavljaju i provode pomoću automatiziranih elektromehaničkh naprava.

U zabavnom parku nalazi se vrtuljak (ringišpil), koji je automatizirani elektromehanički sustav koji omogućuje rotiranje sjedalica i korisnika tijekom vožnje u oba smjera pomoću elektromotora i upravljačkog sustava. Sastoji se od postolja koje se rotira i nosača sa sjedalicama u kojima su smješteni posjetitelji. Sigurnost tijekom rotirajuće vožnje osiguravaju pojasevi ugrađeni u postolje sjedalica. Uključivanjem elektromotora, prolazi struja vodičima i uzrokuje elektromehaničku vrtnju elektromotora koji pokreće rotirajuće elemente sustava.

Konstrukcijski izazovi tijekom izrade modela zabavnog vrtuljka definirani su rasporedom nosivih i elektrotehničkih elemenata kojima upravljamo pomoću senzora.

Slika

1._FT_ZV

Model vrtuljka konstruiran je pomoću elemenata, osnovnih i spojnih građevnih blokova Fischertechnika. Odabir građevnih blokova, električnih i mehaničkih elemenata i senzora upravljanja olakšava izradu konstrukcije kojom upravljamo automatiziranim programskim algoritmima.

Vrtuljak – izrada automatiziranog modela

Električni elementi vrtuljka spojeni su vodičima s ulaznim i izlaznim elementima međusklopa (sučelja). Prije prvog pokretanja automatiziranog modela provjeravamo rad električnih elemenata, magnetskog i dodirnih senzora. Nakon provjere izrađujemo program za upravljanje modelom koji je građen od elektromotora, četiri LED-lampice, dva tipkala i magnetskog senzora.

Postupak sastavljanja konstrukcije automatiziranog modela omogućuje popis elemenata Fischertechnika.

Slika 2._FT_elementi1

Izradit ćemo model vrtuljka s elektromotorom (M1), četiri LED-lampice (05‒08), upravljačkim elektroničkim sklopom (sučeljem), magnetskim senzorom (I1) i dva tipkala (I2, I3).

Model pokreće istosmjerni elektromotor s prijenosnim mehanizmom uz svjetlosni sustav s četiri LED-lampice. Upravljanje modelom pomoću magnetskog senzora i senzorima dodira (tipkala) osigurava pouzdan rad i funkcionalnost uz automatiziranu kontrolu.

Faze izrade konstrukcije modela:

• izrada funkcionalne konstrukcije modela vrtuljka

• postavljanje elektromotora s prijenosnim mehanizmom

• postavljanje svjetlosne signalizacije (LED-lampica)

• postavljanje upravljačkih elemenata (magnetski senzor i tipkala)

• povezivanje električnih elemenata vodičima, međusklopom i izvorom napajanja

• izrada algoritama i računalnog programa s potprogramima za upravljanje.

Napomena: Duljinu vodiča sa spojnicama određuje udaljenost električnih elemenata od međusklopa. Postavljanje međusklopa uz automatizirani model s izvorom napajanja (baterija U = 9 V) definira položaj ulaznih i izlaznih spojeva na međusklopu.

Model pokrećemo magnetskom karticom (magnetski senzor) koja uključuje sustav, omogućuje siguran pristup vrtuljku i nadzor tijekom vrtnje. Nakon provjere magnetske kartice (glavni ključ), vrtuljak uključujemo pritiskom na jedno od tipkala (I1 ili I2).

Slika 3._konstrukcijaA

Slika 4._konstrukcijaB

Zaokrenite veliku podlogu i s lijeve strane rasporedite četiri kosa elementa s jednim spojnikom (7,5°). Njihov razmak omogućava izra- du podnožja stabilne konstrukcije vrtuljka, a međusoban položaj osigurava precizno postavljanje nosača stupova.

Između dva kutna elementa umetnite mali jednostrani građevni element na koji je postavljen dvostrani spojni crveni blok s rupom. Umetnite kroz spojni crveni blok s rupom stožasti zupčanik s osovinom s konusnim ulazom. Na kraju stožastog zupčanika umetnut je crni valjkasti spojni element. U produžetku valjkastog spojnog elementa umetnite osovinu duljine (d = 45 mm).

U produžetku na maloj udaljenosti postavite mali jednostrani građevni element na koji je umetnut dvostrani spojni crveni blok s rupom. Između dva crvena spojna bloka na kraj konusne osovine umetnite mali crni valjkasti spojni element koji povezuje dvije kratke osovine u jedinstvenu vezu. Ovime se osigurava kontinuirano zajedničko rotaciono gibanje obje osovine. Kratku osovinu umetnite u spojni valjkasti element i provucite kroz otvor drugog crvenog spojnog bloka. Na završetak osovine umetnite crni valjkasti spojni element koji osigurava rotaciju osovine kroz provrt dvostranih spojnih elemenata.

Napomena: Krajevi osovine dodatno su učvršćeni crnim valjkastim spojnim elementom koji onemogućava pomak osovine tijekom rotacije elektromotora.

Slika 5._konstrukcijaC

Slika 6._konstrukcijaD

Slika 7._konstrukcijaE

Izradu nosača elektromotora olakšava odabir gradivnih i spojnih elemenata koji omogućuju podešavanje visine elektromotora. Na podlogu su umetnuti dvostrani spojni crveni elementi koji čine temelj za izradu nosača elektromotora. Spojnicom i drugim spojnim crvenim elementom ostvarujemo jedinstveni čvrsti spoj koji omogućuje postavljanje elektromotora na nužnu visinu.

Stabilnost elektromotora osigurava smanjenje vibracija tijekom uključivanja i isključivanja. Smanjenje brzine rotacije elektromotora osigurava prijenosni mehanizam građen od tri zupčanika. Potpuna funkcionalnost omogućena je umetanjem osovine s velikim zupčanikom u provrt prijenosnog mehanizma i učvršćivanje položaja elektromotora.

Okomito na stožasti zupčanik s osovinom s konusnim ulazom u nosač umetnite kutni blok i vanjski zglob kroz koje prolaze konusna i obostrana osovina duljine (d = 45 mm) povezana valjkastom spojnicom. Na kraj kratke konusne osovine umetnite mali crni valjkasti spojni element koji povezuje dvije osovine duljine (d= 45 mm i d= 75 mm).

Slika 8._konstrukcijaF

Slika 9._konstrukcijaG

Slika 10._konstrukcijaH

Umetnite na četiri kosa elementa s jednim spojnikom (7,5°) kutne profile s dva spojnika. Na njih postavite žute građevne elemente kutnog profila duljine (d= 30 mm). Visinu nosive konstrukcije u punom profilu ostvarite pomoću dva kutna nosača duljine (d= 75 mm). Na vrhove konstrukcije umetnite dva mala kutna elementa te ih spojite građevnim blokom s provrtom i dvije spojke kroz koji prolazi osovina duljine (d= 75 mm).

Leptir-maticu s pločom provucite kroz osovinu i obrnuto postavite iznad građevnog bloka s provrtom i dvije spojke. Kroz osovinu provucite prijenosni kotač sa žlijebom i utorima, te s gornje strane umetnite vijak leptir-matice. Jednom rukom pridržite vijak leptir-matice te čvrsto stegnite leptir-maticu za osovinu. Na vrh postolja umetnite građevni blok s provrtom i dvije spojke te ga provucite kroz osovinu duljine (d= 75 mm).

Na vrhu kroz osovinu umetnite osigurač za osovinu s graničnikom.

Slika 11._konstrukcijaI

Slika 12._konstrukcijaJ

Umetnite u bočne utore građevnog bloka s rupom i dvije spojke dva mala spojnika. Postavite četiri građevna elementa kutnog profila duljine (d= 60 mm) i učvrstite ih spojnicama. Na završetak građevnog elementa kutnog profila učvrstite blok za dva kotača okomito. Kroz gornji provrt provucite vratilo s krajnikom duljine (d= 20 mm) i umetnite valjkasti adapter. Na valjkaste adaptere spojite četiri osovine s graničnicima duljine (d= 90 mm). Na završetak konusne osovine umetnite valjkasti adapter. Okomito postavite spojnik duljine (d= 15 mm) koji ima ulogu povezivanja konusne osovine s nosačem za sjedalicu. Građevni element s utorom i spojnikom spojite kroz utor sa spojnikom na jednom kraju postolja.

Umetnite sjedalice na nosače te ih pozicionirajte u isti položaj.

Slika 13._konstrukcijaK

Slika 14._konstrukcijaL

Slika 15._konstrukcijaLJ

Postavite desno na podlogu u zadnji red četvrtog stupca građevni blok duljine (d= 20 mm) te na njega učvrstite izvor napajanja. Ispred izvora napajanja umetnite dva građevna elementa s dva spojnika dijagonalno na podlogu. Na njih umetnite međusklop pazeći na razmak između izvora napajanja i međusklopa.

Slika 16._konstrukcijaM

Slika 17._konstrukcijaN

Slika 18._konstrukcijaNJ

U prvi i zadnji red podloge umetnite četiri postolja za LED-lampice pazeći na međusobnu udaljenost u odnosu na ukupnu površinu konstrukcije vrtuljka. LED-lampice umetnite u postolje.

Napomena: Postavite vodilice za vodiče u utore na podlozi tako da izmjerite ravnalom duljinu vodiča i ukupnu udaljenost do međusklopa. LED-lampice spojite vodičima sa spojnicama na međusklop, te ih spojite sa spojnicama i umetnite u vodiče pazeći na urednost i preglednost. Izmjerite i izrežite vodiče, skinite izolaciju na krajevima, umetnite krajeve vodiča u spojnice i odvijačem stegnite vijak.

Napomena: Vodiči smješteni unutar vodilica olakšavaju pregledno i pravilno spajanje LED-lampica, osiguravaju urednost i preglednost vodljivih elemenata spojenih na sučelje.

Napomena: LED-lampice spojite zajedničkim vodičem na uzemljenje sučelja tako da dvije lampice (O7, O8) spojite direktno na uzemljenje. LED-lampice s uzemljenjem serijski su povezane s LED-lampicama (O5, O6).

LED-lampice imaju jedan zajednički vodič (uzemljenje) radi smanjenja broja vodiča koji povezuju model s međusklopom. U utore s lijevog boka međusklopa umetnite dva dodirna senzora koji upravljaju rotacijom automatiziranog modela vrtuljka.

Slika 19._konstrukcijaO

Slika 20._ konstrukcijaP

Signalizacija oko vrtuljka upozorava na opasnost i omogućuje bolju vidljivost tijekom rada vrtuljka uključivanjem izlaznih električnih elemenata ovisno o očitanom stanju na ulaznim elementima (magnetski senzor i tipkala).

U podnožje međusklopa postavljena su četiri tipkala (I1‒I4) kojima upravljamo modelom. Pozicija magnetskog senzora i dodirnih senzora (tipkala) određena je mjestom ulaza međusklopa.

Izvor napajanja (baterija) učvršćena je na građevni blok duljine (d= 20 mm). Pozicija među- sklopa (sučelja) definirana je udaljenošću od izvora napajanja. Međusklop postavite na dva mala crvena spojnika koji su učvršćeni na podlogu pazeći na njihov razmak i položaj. U bočne utore elektromotora umetnute dva tipkala kojima upravljamo vrtnjom modela. Položaj tipkala definira digitalni ulaz međusklopa.

Napomena: postavite izvor napajanja (bateriju) i međusklop na podlogu te ih spojite uredno vodičima optimalne duljine. Ulazne i izlazne električne elemente povežite s međusklopom i testirajte rad programskim alatom u programu RoboPro.

Slika 21._TXT

Spajanje FT-elemenata s TXT-sučeljem:

• elektromotor spojite na (M1) izlaz

• LED-lampice spojite na (O5‒O8) izlaze (crveno) i uzemljenje (┴ , zeleno)

• magnetski senzor spojite na digitalni ulaz (I1)

• tipkala spojite vodičima na digitalne ulaze (I2, I3)

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

Napomena: Pri povezivanju međusklopa s električnim elementima modela pazite na boje spojnica vodiča, urednost spajanja vodiča i dužinu vodiča elektromotora, LED-lampica, magnetskog senzora i tipkala.

Slika 22._FT_elementi2

Elektroničke elemente povezujemo prije spajanja izvora napajanja (baterije) i izrade algoritma (programa):

• povezivanje TXT-sučelja s računalom, ulaznim i izlaznim elementima

• provjera komunikacije TXT-sučelja s računalom (USB, Bluetooth, Wi-Fi) s izvorom napajanja (baterijom U = 9 V)

• provjera rada spojenih elemenata: magnetskog senzora, tipkala, elektromotora i LED-lampica s programom RoboPro.

Modelom vrtuljka upravljamo pomoću magnetskog senzora i senzora dodira (tipkala I1, I2) kojima određujemo smjer vrtnje elektromotora i uključivanje i isključivanje svjetlosne signalizacije (lampice O5‒O8).

Napomena: Provjerite sve spojeve vodiča prije pokretanja alata za test programa i testirajte ispravnost ulaznih i izlaznih električnih elemenata. Uredno postavljanje vodiča u vodilice osigurava preglednost pri provjeri rada i uštedu pri izradi duljina vodiča između modela i međusklopa.

Izrada algoritama i programskih rješenja

Slika 23._FT_ZV1

Zadatak_1: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućuje automatizirano upravljanje vrtuljkom u zabavnom parku. Pokretanjem programa vrtuljak ne radi, elektromotor stoji i LED-lampice ne svijetle.

Glavni program konstantno provjerava ulaze međusklopa na koje su spojeni magnetski senzor, magnetska kartica (I1) i senzori dodira, tipkala (I2, I3). Program provjerava ulaze i signal magnetskog senzora (I1) dok ne očita magnetsku karticu. Očitanjem magnetske kartice program provjerava koji je ulaz pritisnut (I2 ili I3).

Pritiskom tipkala (I2 = 1) uključi se elektromotor (M1) koji se vrti u smjeru kazaljke na satu (cw) različitom brzinom (v = 6, 7, 8) i ubrzava dok ne postigne najveću brzinu.

Istovremeno se naizmjence uključuju i isključuju LED-lampice (O5, O6, O7, O8). Period rotacije vrtuljka i uključivanja/isključivanja LED-lampica traje dok ne pritisnemo tipkalo (I2 = 1).

Pritiskom tipkala (I2 = 1) svi izlazi se isključe, elektromotor se zaustavi (M1 = stop) i LED-lampice ne svijetle (O5‒O8 = off). Program nastavlja kontinuirano provjeravati stanje na tipkalima (I2, I3).

Pritiskom tipkala (I3 = 1) uključi se elektromotor (M1) koji se vrti u suprotnom smjeru vrtnje kazaljke na satu (cw) različitom brzinom (v = 6, 7, 8) i ubrzava dok ne postigne najveću brzinu.

Istovremeno se naizmjenice uključuju i isključuju LED-lampice u suprotnom smjeru (O5, O8, O7, O6). Period rotacije vrtuljka i uključivanja/ isključivanja LED-lampica traje dok ne pritisnemo tipkalo (I3 = 1).

Pritiskom tipkala (I3 = 1) svi izlazi se isključe, elektromotor se zaustavi (M1 = stop) i LED-lampice ne svijetle (O5‒O8 = off). Program nastavlja kontinuirano provjeravati stanje na tipkalima (I2, I3). Pritiskom na tipkalo automatizirani proces se ponavlja.

Slika 24._FT_ZV_G

Slika 25._FT_ZV_PP

Potprogram O_off isključi elektromotor i LED-lampice.

Potprogram M_cw uključi elektromotor koji se rotira u smjeru vrtnje kazaljke na satu i postepeno ubrzava u periodu (t = 0,3 s), dok ne postigne najveću brzinu.

Potprogram M_ccw uključi elektromotor koji se rotira u suprotnom smjeru vrtnje kazaljke na satu i postepeno ubrzava u periodu (t = 0,3 s), dok ne postigne najveću brzinu.

Potprogram LED_cw uključuje i isključuje LED-lampice u smjeru kretanja kazaljke na satu.

Potprogram LED_ccw uključuje i isključuje LED-lampice u suprotnom smjeru kretanja kazaljke na satu.

Izazov_1: Izradi algoritam i dijagram tijeka (program) koji omogućuje automatizirano upravljanje vrtuljkom u zabavnom parku. Pokretanjem programa vrtuljak ne radi, elektromotor stoji i LED-lampice ne svijetle.

Glavni program konstantno provjerava ulaze međusklopa na koje su spojeni magnetski senzor, magnetska kartica (I1) i senzori dodira, tipkala (I2, I3). Program provjerava ulaze i signal magnetskog senzora (I1) dok ne očita magnetsku karticu. Očitanjem magnetske kartice program provjerava koji je ulaz pritisnut (I2 ili I3).

Pritiskom tipkala (I2 = 1) uključi se elektromotor (M1) koji se rotira u smjeru vrtnje kazaljke na satu (cw) najvećom brzinom (v = 8).

Istovremeno se naizmjenice uključuju i isključuju LED-lampice (O5, O8) na period od pola sekunde. Nakon prolaska procesa nastavlja se istovremeno uključivanje i isključivanje LED-lampica (O6, O7) na period od pola sekunde.

Proces rotacije vrtuljka i uključivanja/isključivanja LED-lampica ponavlja se dok ne pritisnemo tipkalo (I2 = 1).

Pritiskom tipkala (I2 = 1) svi izlazi se isključe, elektromotor se zaustavi (M1 = stop) i LEDlampice ne svijetle (O5‒O8 = off). Program nastavlja kontinuirano provjeravati stanje na tipkalima (I2, I3).

Pritiskom tipkala (I3 = 1) uključi se elektromotor (M1) koji se rotira u suprotnom smjeru vrtnje kazaljke na satu (ccw) najvećom brzinom (v = 8).

Istovremeno se naizmjenice uključuju i isključuju LED-lampice (O5, O7) na period od pola sekunde. Nakon prolaska procesa nastavlja se istovremeno uključivanje i isključivanje LED-lampica (O6, O8) na period od pola sekunde. Proces rotacije vrtuljka i uključivanja/isključivanja LED-lampica ponavlja se dok ne pritisnemo tipkalo (I3 = 1).

Pritiskom tipkala (I2 = 1) svi izlazi se isključe, elektromotor se zaustavi (M1 = stop) i LEDlampice ne svijetle (O5‒O8 = off). Program nastavlja kontinuirano provjeravati stanje na tipkalima (I2, I3). Pritiskom na tipkalo automatizirani proces se ponavlja.

Petar Dobrić, prof.