Razvoj konstrukcijske sestavljanke za izbirni predmet robotika v tehniki

(1)

PEDAGOŠKA FAKULTETA Program: Matematika in tehnika

Razvoj konstrukcijske sestavljanke za izbirni predmet robotika v tehniki

DIPLOMSKO DELO

Mentor: Kandidat:

izr. prof. dr. Slavko Kocijančič Nejc Žagar

Ljubljana, marec 2013

(2)

(3)

Zahvala

Iskreno se zahvaljujem mentorju izr. prof. dr. Slavku Kocijančiču za strokovno pomoč in znanje, ki sem ga pridobil tekom študija in predvsem med izdelavo diplomskega dela. Hkrati se zahvaljujem tudi staršem, sestri in Sergeji, ki so mi potrpežljivo stali ob strani in verjeli vame.

(4)

(5)

I

Povzetek

Diplomsko delo je namenjeno učiteljem in učencem v osnovni šoli ter mentorjem in udeležencem na poletnih šolah robotike in elektronike kot alternativa pri uporabi konstrukcijskih sestavljank.

Izbirnega premeta robotika v tehniki skoraj ni mogoče izpeljati brez konstrukcijske zbirke, zato je v diplomskem delu predstavljen celoten razvoj nove alternativne konstrukcijske sestavljanke za uporabo pri omenjenem izbirnem predmetu. Opisal sem postopke izdelave posameznih gradnikov in sestavnih delov ter kompatibilnost sestavljanke z vmesnikom eProDas-Rob1 in pripadajočimi elektronskimi komponentami (servomotor, senzor svetlobe

…).

Pri razvoju in izdelavi konstrukcijske sestavljanke sem veliko pozornosti namenil predvsem uporabnosti ter dosegljivosti gradnikov in materialov, zato sem gradnike izdelal iz smrekovega lesa in lesa balse ter iz penjenega PVC-materiala, ki ga lahko kupimo skoraj v vsaki trgovini s tehničnim ali modelarskim blagom. Pri razvoju sem zbirko obdeloval predvsem s postopki obdelave, ki jih slovenski otroci spoznajo med rednim osnovnošolskim izobraževanjem pri predmetu tehnika in tehnologija.

Ključne besede:

robotika,

tehniško izobraževanje, konstrukcijska sestavljanka, Bascom,

krmilnik, zapornica, mobilni robot.

(6)

II

DEVELOPMENT OF THE CONSTRUCTION PUZZLE FOR TEACHING ROBOTICS IN MIDDLE SCHOOL

Abstract

This B. A. Dissertation is intended for teachers and students of primary schools and mentors and participants of summer schools of robotics and electronics as an alternative in the application of structural composites.

The elective subject robotics in technical education cannot be implemented without the structural collection. Therefore, the B. A. Dissertation presents the total development of the new alternative structural composite for the application in the above mentioned elective subject. Moreover, procedures of the manufacture of individual constructs and integral parts, and the compatibility of the composite with the eProDas-Rob1 interface and the associated electronic components (servo motor, light sensor, etc.) are described.

In developing and manufacturing of the structural composite, a lot of attention was dedicated mainly to the usability and attainability of the constructs and materials. Thus, constructs were made of pine and balsa wood, and of foamy PVC material, which is nowadays obtainable in almost every store that sells technical goods or goods for model building. In the development, the collection was processed with treatment processes, which are being taught in Slovene primary schools in technical education.

Key words:

robotics,

technical education, structural composite, Bascom,

controller, barrier, mobile robot.

(7)

III

Kazalo

1 UVOD ... 1

2 OPREMA IN GRADNIKI ... 3

2.1 Krmilnik eProDas-Rob1 ... 3

2.2 Programsko okolje Bascom ... 5

2.3 Elektronske komponente ... 6

2.3.1 Servomotor ... 6

2.3.2 Predelani servomotor ... 8

2.4 Svetlobni senzor ... 9

2.5 Gradniki konstrukcijske sestavljanke ... 11

3 KOMERCIALNE KONSTRUKCIJSKE SESTAVLJANKE ... 15

3.1 Sestavljanka Fischertechnik Profi E-Tec ... 15

3.2 Lego Mindstorms ... 16

3.3 Prednosti in slabosti zbirk Fischertechnik Profi E-Tec in Lego Mindstorms NXT ... 16

4 KONSTRUKCIJSKE NALOGE ... 18

4.1 Zapornica ... 18

4.2 Mobilni robot ... 30

5 TEHNOLOGIJA IZDELAVE GRADNIKOV KONSTRUKCIJSKE SESTAVLJANKE ... 46

5.1 Izdelava posameznih gradnikov ... 46

6 TESTIRANJE ... 62

7 ZAKLJUČEK ... 65

8 VIRI IN LITERATURA ... 67 9 PRILOGE ... I

(8)

IV

Kazalo slik

Slika 2.1: Krmilnik eProDas-Rob1 ... 3

Slika 2.2: Omrežni napajalnik (a) in baterijski napajalnik (b) ... 4

Slika 2.3: Povezava krmilnika eProDas-Rob1 z računalnikom ... 5

Slika 2.4: USB-vodnik (a), programator eProDas-FTDI2 (b) in SPI-vodnik (c) ... 5

Slika 2.5: Servomotor ... 7

Slika 2.6: Priklop servomotorja na TTL-izhode krmilnika eProDas-Rob1 ... 8

Slika 2.7: Predelani servomotor ... 9

Slika 2.8: Priklop obeh servomotorjev na krmilnik eProDas-Rob1 ... 9

Slika 2.9: Fotoupor... 10

Slika 2.10: Shema vezave fotoupora z referenčnim uporom (a) in spajkano vezje fotoupora (b) ... 10

Slika 2.11: Priklop fotoupora na krmilnik eProDas-Rob1 ... 11

Slika 2.12: Smrekova palica (a) in palica iz balse (b) ... 12

Slika 2.13: Gradniki palic oblikovani z laserjem (imenovani stick-20) ... 12

Slika 2.14: Leseno kolo premera 50 mm ... 12

Slika 2.15: Sestavni element sercon-C (a) in sestavni element sercon-I (b) ... 13

Slika 2.16: Šestrobni vijaki s pripadajočimi maticami (a) ter natični ključ in vijača (b) ... 14

Slika 3.1: Zbirka Fischertechnik Profi E-Tec [16] ... 15

Slika 3.2: Zbirka Lego Mindstorms NXT [17] ... 16

Slika 4.1: Zapornica ... 18

Slika 4.2: Označenih 8 šestrobnih vijakov M5 s pripadajočimi šestrobnimi maticami ... 19

Slika 4.3: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo ter pripadajoče šestrobne matice ... 19

Slika 4.4: Palici s šestimi izvrtinami (a) in palici z osmimi izvrtinami (b) ... 20

Slika 4.5: Smrekova palica z desetimi izvrtinami ... 20

Slika 4.6: Palica iz balse s petnajstimi izvrtinami ... 21

Slika 4.7: Sestavni del sercon-I ... 21

Slika 4.8: Sestavni del sercon-C ... 21

Slika 4.9: Nepredelan servomotor ... 22

Slika 4.10: Štirikraki nastavek (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm ... 22

Slika 4.11: Konstrukcijski material za izgradnjo zapornice ... 23

Slika 4.12: Osnovno ogrodje ... 24

Slika 4.13: Zaporna premična palica ... 24

Slika 4.14: Servomotor zapornice ... 25

Slika 4.15: Konstrukcija zapornice ... 25

Slika 4.16: Sestavljeno ogrodje z baterijskim napajanjem ... 26

Slika 4.17: Ogrodje zapornice z vmesnikom eProDas-Rob1 in baterijskim napajanjem ... 26

Slika 4.18: Prenos programa na mikrokrmilnik vmesnika ... 27

Slika 4.19: Dvignjena zapornica ... 27

Slika 4.20: Spuščena zapornica ... 28

Slika 4.21: Kosovnica za sestavljanko zapornice ... 28

Slika 4.22: Priključki na vmesniku ... 30

Slika 4.23: Mobilni robot ... 31

Slika 4.24: Označenih 9 šestrobnih vijakov M5 s pripadajočimi šestrobnimi maticami ... 32

(9)

V

Slika 4.25: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo ter pripadajoče šestrobne matice ... 33

Slika 4.26: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo s 15-milimetrskim desnim navojem ter pripadajoče šestrobne matice ... 34

Slika 4.27: Smrekovi palici s šestimi izvrtinami (a) in smrekovi palici z osmimi izvrtinami (b) ... 35

Slika 4.28: Smrekova palica s štirimi izvrtinami ... 35

Slika 4.29: Sestavna dela sercon-C ... 36

Slika 4.30: Predelan servomotor (kot navaden enosmerni elektromotor) ... 37

Slika 4.32: Konstrukcijski material za izgradnjo zapornice ... 38

Slika 4.33: Osnovno ogrodje ... 39

Slika 4.34: Osnovni sestavi konstrukcije mobilnega robota ... 40

Slika 4.35: Osnovno ogrodje s servomotorjema in kolesoma ... 40

Slika 4.36: Priključitev servomotorjev in svetlobnega senzorja ... 41

Slika 4.37: Baterijsko napajanje ... 41

Slika 4.38: Priključki na vmesniku delujočega mobilnega robota ... 42

Slika 4.39: Senzor zazna svetlo (belo) podlago ... 42

Slika 4.40: Senzor zazna temno (črno) podlago ... 43

Slika 4.41: Kosovnica za sestavljanko mobilnega robota ... 44

Slika 5.1: Vrtanje izvrtin premera 5 mm ... 46

Slika 5.2: Rezanje z vibracijsko žago (a) in vrtanje lukenj premera 5 mm (b) ... 47

Slika 5.3: Rezanje z vibracijsko žago (a) in končni izdelek (b) ... 47

Slika 5.4: Nepredelan servomotor (a) in štirikraki nastavek z izvrtinami premera 3 mm (b) ... 48

Slika 5.5: Vijaki kot vezni elementi ... 48

Slika 5.6: Izris konstrukcijske palice dolžine 90 mm ... 49

Slika 5.9: Tehnična risba s kotiranjem za palico dolžine 90 mm ... 51

Slika 5.14: Sestavni del sercon-I ... 56

Slika 5.15: Tehnična risba s kotiranjem za sestavni del sercon-I ... 57

Slika 5.16: Sestavni del sercon-C ... 58

Slika 5.17: Tehnična risba s kotiranjem za sestavni del sercon-C ... 59

Slika 5.18: Štirikraki nastavek (propeler) za servomotor (nespremenjen) ... 60

Slika 5.20: Vijaki in matice kot vezni elementi ... 61

Slika 5.21: Servomotor ... 61

Slika 6.1: Sestav 14 kompletov sestavljank ... 62

Slika 6.2: Sestavljena modela zapornice in mobilnega robota ... 63

Slika 6.3: Mobilni tank s kupolo ... 64

Slika 6.4: Pametno križišče z zapornico in mobilnima robotoma ... 64

(10)

(11)

1

1 UVOD

Pri predmetu tehnika in tehnologija, predvsem pri izbirnem predmetu robotika v tehniki [1], robotika motivacijsko dobro deluje na učence. Pri tem predmetu se učenci srečajo z osnovami robotike in tako pridobijo sposobnosti prepoznavanja robotov oziroma robotizacije, ki nas obkroža v vsakdanjem življenju, s čimer spoznajo delovanje in uporabnost samih robotov.

Učitelj potrebuje za izpeljavo izbirnega predmeta robotika v tehniki poleg znanja robotike tudi material, s katerim je mogoče sestaviti želene modele, da lahko učencem prikažemo osnove robotike. V šolah prevladujejo predvsem komercialne sestavljanke znamk Fischertechnik [3] in Lego [2], ki vključujejo merilno-krmilne module, senzorje, motorčke, lučke in gradnike za sestavo posameznih konstrukcij. Ti sestavni deli so namenjeni in uporabni le za sestavo dotične zbirke, saj same zbirke in njihovi gradniki med sabo niso združljivi. Združljiva nista niti krmilnika, ki sta priložena zgoraj omenjenima komercialnima sestavljankama, in ju tudi ni mogoče uporabiti s kakšno drugačno, domačo sestavljanko gradnikov.

Na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani so na Katedri za tehniko v sklopu projekta ComLab-2 [4] razvili krmilnik eProDas-Rob1, ki ga lahko pri uporabi komercialnih zbirk Lego ali Fischertechnik zamenjamo s krmilnikom ene ali druge zbirke. Senzorje, elektromotorje in druge elemente posamezne sestavljanke lahko z vodniki priključimo na krmilnik eProDas-Rob1. Slednji ima več vhodnih in izhodnih enot in ga lahko programiramo tudi s programskim okoljem Bascom [5], ki je za potrebe osnovnega programiranja brezplačen. Krmilnik eProDas-Rob1 je tako cenejši od krmilnikov obeh komercialnih zbirk in z njegovo uporabo v povezavi z gradniki, senzorji in elektromotorji se je zbirka, potrebna za izpeljavo izbirnega predmeta robotika v tehniki, pocenila.

Ker večinoma zbirke ne vključujejo celotne palete aktivnosti, ki bi jih v sklopu izbirnega predmeta želeli izpeljati, so te omejene zgolj na te dotične zbirke. Komercialne zbirke so za večino šol tudi predrage, kar jim onemogoča uspešno izpeljavo izbirnega predmeta robotika v tehniki. Zato sem se odločil, da bom izdelal novo in predvsem cenejšo konstrukcijsko sestavljanko, ki bo zadostovala za uspešno izpeljavo izbirnega predmeta robotika v tehniki.

Tako bo ta sestavljanka skupaj z vmesnikom eProDas-Rob1 prva samostojna sestavljanka, ki

(12)

2

daje možnost obdelave gradnikov s postopki obdelav, ki se jih učenci priučijo v 6., 7. in 8.

razredu pri rednem pouku tehnike in tehnologije. Zbirka učencem omogoča samostojno ustvarjanje in razmišljanje ter tudi spodbuja ustvarjanje novih projektov. To lahko dosežemo s pomočjo uporabe prostodostopnih računalniških programov (Google Sketch Up, CiciCAd, Bascom …), saj lahko z njimi in znanjem obdelave gradiv (les, umetne snovi …) izdelamo načrt, tehnično dokumentacijo ter različne gradnike, česar komercialne zbirke ne vključujejo.

Nova sestavljanka bo zajemala osnovne gradnike, senzorje, elektromotorje, vmesnik in orodje, s katerim bomo lahko zelo preprosto sestavili model zapornice, ki se bo s pritiskom na različni tipki spuščala ali dvigala, ter model mobilnega robota, ki bo sledil temni črti.

(13)

3

2 OPREMA IN GRADNIKI

Za konstrukcijsko sestavljanko potrebujemo sestavne gradnike z veznimi elementi, orodje, osebni računalnik in krmilnik s programsko opremo. V tem poglavju sem opisal krmilnik eProDas-Rob1 z opremo, programsko okolje Bascom, nepredelan in predelan servomotor, elektronski sestavni del (fotoupor) ter gradnike nove konstrukcijske sestavljanke.

2.1 Krmilnik eProDas-Rob1

Krmilnik eProDas-Rob1 [8] so izdelali kot odprti sistem za krmiljenje (modelov) robotskih sistemov, ki ga lahko uporabljamo v stalni povezavi z računalnikom ali samostojno (slika 2.1). Nanj moramo najprej prenesti program, ki smo ga napisali na računalniku. Če prekinemo povezavo z računalnikom, vmesnik deluje tudi samostojno. Nanj je pritrjen mikrokrmilnik ATmega16 družine ATMEL [9], ki z dodanimi elementi kot celota predstavlja uporabno krmilje. Z vmesnikom krmilimo različne električne naprave (motorje, LCD, LED-diode …) ali od senzorjev prejemamo koristne informacije (napetost, osvetlitev, temperatura, tlak …).

Slika 2.1: Krmilnik eProDas-Rob1

(14)

4 Krmilnik vsebuje:

 8 x močnostni digitalni izhod (do 1 A),

 17 x TTL-digitalni izhod (do 20 mA),

 20 x TTL-digitalni izhod,

 4 x tipka,

 8 x analogni vhod,

 priključek za SPI-komunikacijo,

 priključke za Rx-Tx-komunikacijo,

 razširitveni priključek.

Zgoraj našteti priključki se med seboj izključujejo, saj je lahko število digitalnih vhodov TTL in izhodov naenkrat le 20. S pomočjo mikrokrmilnika ATmega16 družine ATMEL in nekaj dodatnega vezja (tranzistorji) lahko število digitalnih izhodov tudi povečamo.

Vmesnik se napaja z omrežnim napajalnikom (slika 2.2 a) ali z baterijami (slika 2.2 b), pri čemer napajalna priključka privijemo na modre sponke z oznakama POW in GND. Napetost mora biti med 7,5 in 12 V.

(a) (b)

Slika 2.2: Omrežni napajalnik (a) in baterijski napajalnik (b)

Za priključitev vmesnika na osebni računalnik (slika 2.3) potrebujemo USB-vodnik (slika 2.4 a), programator eProDas-FTDI2 (slika 2.4 b) in SPI-vodnik (slika 2.4 c). USB-vodnik priključimo na USB-vhod računalnika, na drugi konec USB-vodnika priključimo programator eProDas-TDI2 in nato s ploščatim vodnikom SPI povežemo krmilnik eProDas-Rob1 s

(15)

5

programatorjem eProDas-FTDI2. Če želimo vzpostaviti komunikacijo med računalnikom in krmilnikom eProDas-Rob1, ga moramo vseskozi napajati z električno napetostjo. Če smo krmilnik priključili na napajanje, bo ob vklopu na krmilniku gorela zelena LED-dioda. Ob pravilni povezavi vmesnika in računalnika bo zelena LED-dioda gorela tudi na programatorju eProDas-FTDI2.

Slika 2.3: Povezava krmilnika eProDas-Rob1 z računalnikom

(a) (b) (c)

Slika 2.4: USB-vodnik (a), programator eProDas-FTDI2 (b) in SPI-vodnik (c)

2.2 Programsko okolje Bascom

Za potrebe programiranja uporabljamo brezplačno različico programa Bascom AVR DEMO, ki ga lahko presnamemo s spletnega mesta http://www.mcselec.com. Pri brezplačni demo različici je omejitev samo ta, da prevedena koda ne sme biti večja od 4 KB, kar zadostuje

(16)

6

našim potrebam. Programski ukazi v programu Bascom temeljijo na programskem jeziku BASIC, ki je enostaven in razumljiv tudi za začetnike, vgrajeno pa ima tudi zelo pregledno sprotno pomoč (help). Pomembna lastnost je tudi ta, da nam program zapisan v programu Bascom omogoča avtonomno delovanje robota (offline komunikacijo). Ko program prenesemo na mikrokrmilnik, lahko povezavo med računalnikom in krmilnikom prekinemo, saj krmilnik deluje samostojno. Kot sem že omenil, lahko samostojno deluje celo sam mikrokrmilnik, ki ga predhodno sprogramiramo s pomočjo krmilnika eProDas-Rob1in ga nato samostojno napajamo. Čeprav program Bascom ne deluje po načelu WYSIWYG (What You See Is What You Get), nam vseeno omogoča spremljanje poteka izvajanja programa (debugger), kar nam olajša iskanje napak v že zapisanem programu.

2.3 Elektronske komponente

Krmilnik eProDas-Rob1 z vso pripadajočo opremo in programsko okolje Bascom nista dovolj za uporabnost nove konstrukcijske sestavljanke.

2.3.1 Servomotor

Za izvedbo obeh vaj, zapornice in mobilnega robota, ki ju bom predstavil v diplomskem delu, potrebujemo elektromotorje. Ker imajo navadni elektromotorji vgrajene krtačke, ki zaradi vrtenja v ohišju motorčka povzročajo tudi iskrenje in lahko tako poškodujejo vezje na krmilniku eProDas-Rob1, je priporočljivo uporabljati navadne servomotorje (slika 2.5), ki jih lahko kupimo v modelarskih in drugih tehničnih trgovinah ali prek spleta. Te servomotorje uporabljajo tako v industriji kot v modelarstvu, zato je zaradi množične proizvodnje njihova cena primerno nizka [11].

(17)

7

Slika 2.5: Servomotor

Za izvedbo vaje zapornice potrebujemo navaden servomotor, s katerim lahko zelo natančno nastavimo oziroma spremljamo njegov položaj oziroma položaj vrteče se gredi. Zanj je značilno, da končno gred motorja premika le v obsegu 180° (od –90° do +90°). Zaradi že vgrajenih reduktorjev se odlikujejo po odličnih navorih. Poleg servomotorja dobimo v paketu tudi več različnih nastavkov, kot sta dvo- in štirikraki nastavek, ki ju bomo z majhno predelavo uporabljali tudi pri novi sestavljanki.

Motor za priklop potrebuje tri priključke, dva za napajanje (+, –) in priključek za servosignal.

Iz servomotorja vodijo tri žice (v mojem primeru črna, rdeča in rumena). Eno moramo priključiti na negativni priključek GND (črna), drugo na pozitivni priključek +5 V (rdeča), tretjo pa moramo priključiti za servosignal, ki je namenjen pošiljanju impulzov iz vmesnika na servomotor (rumena). Kot je prikazano na sliki 2.6, je vmesnik eProDas-Rob1 z izhodi TTL (od D0 do D7) popolnoma prilagojen vtiču servomotorja.

(18)

8

Slika 2.6: Priklop servomotorja na TTL-izhode krmilnika eProDas-Rob1

2.3.2 Predelani servomotor

Za izvedbo vaje mobilni robot potrebujemo pogonske motorje, ki so večinoma dragi in nimajo reduktorja, zato največkrat tudi niso uporabni. Zaradi cenovne ugodnosti je priporočljivo uporabiti servomotor in ga predelati v navaden enosmerni motor z reduktorjem [11]. Postopek predelave je po korakih opisan na spletnem naslovu www.pef.uni- lj.si/narteh/robteh/Projekti/Servos/Predelava%20servo-motorja-2.doc.

Pri razumevanju delovanja mobilnega robota, ki samostojno sledi temni črti, je odločilnega pomena predvsem enosmerni elektromotor, ki je v našem primeru kar predelani servomotor (slika 2.7). Motor za priklop potrebuje dva priključka, enega za pozitivno napetost in drugega za negativno napetost. Iz servomotorja vodita dve žici (v mojem primeru modra in oranžna).

Eno lahko priključimo na pozitivni priključek +5 V (oranžno), drugo na negativni priključek GND (modro), lahko pa predelani servomotor priključimo tudi obratno – eno na pozitivni priključek GND (oranžno), drugo na negativni priključek +5 V (modro). Za enosmerne elektromotorje je značilno, da je smer vrtenja njihove gredi odvisna od smeri toka, torej od polaritete priključkov vira napetosti. Predelana servomotorja lahko za potrebe delovanja mobilnega robota priključimo na močnostne izhode (D0, D1, D2 in D3), tako da lahko

(19)

9

krmilimo vsak motor posebej. Kot je prikazano na sliki 2.8, moramo za pravilno delovanje mobilnega robota pravilno priklopiti priključke obeh predelanih servomotorjev.

Slika 2.7: Predelani servomotor

Slika 2.8: Priklop obeh servomotorjev na krmilnik eProDas-Rob1

2.4 Svetlobni senzor

Senzor, ki mu pogovorno rečemo tudi čutilo ali tipalo, deluje po načelu zaznavanja svetlobe.

Fotodioda, ki jo uporabljajo tudi za svetlobne senzorje, ima v primerjavi s fotouporom boljšo

(20)

10

odzivnost, vendar je za delovanje mobilnega robota za svetlobni senzor dovolj uporabiti fotoupor (slika 2.9). Fotoupor je nelinearni upor, katerega upornost je odvisna od osvetljenosti [13].

Slika 2.9: Fotoupor

Fotoupor je najpreprosteje vezati v delilnik napetosti [14], in sicer ga vežemo zaporedno z referenčnim uporom (slika 2.10 a). Tako ima večjo upornost, ko je zatemnjen, in manjšo, ko je osvetljen. Za potrebe mobilnega robota je smiselno fotoupor vezati tako (slika 2.10 b), da je prirejen za TTL-vhode (A4 do A7) krmilnika eProDas-Rob1 (slika 2.11).

(a) [14] (b)

Slika 2.10: Shema vezave fotoupora z referenčnim uporom (a) in spajkano vezje fotoupora (b)

(21)

11

Slika 2.11: Priklop fotoupora na krmilnik eProDas-Rob1

2.5 Gradniki konstrukcijske sestavljanke

Poleg zgoraj opisanega za celotno sestavljanko potrebujemo še sestavne elemente ali gradnike, ki so načrtno narejeni iz materialov, ki jih lahko kupimo v najbližji tehnični ali modelarski trgovini. Tako lahko učitelji kot tudi učenci ves potreben material za izdelavo novih gradnikov kupijo v neposredni bližini šole oziroma v okolju, kjer bodo uporabljali sestavljanko. Gradniki so iz dveh vrst materialov, lesa in umetne snovi penjenega PVC.

Konstrukcijske palice so iz lesa smreke in balse – smreka (slika 2.12 a) ima gostoto 430 kg/m³, medtem ko ima balsa (slika 2.12 b) gostoto 130 kg/m³ [15]. Zaradi različne gostote in s tem različne teže (pri enako oblikovanih gradnikih) sta zaradi dobrih obdelovalnih lastnosti zelo primerni za mešano uporabo. Smrekove palice uporabljamo večinoma za osnovne, nosilne konstrukcije, palice iz balse pa za dodatne, nenosilne dele konstrukcije. Obe vrsti lesa lahko zelo dobro oblikujemo, vendar sem imel pri balsi zaradi mehkosti nekaj težav z razcefranostjo izvrtin. To lahko popravimo s krogelnimi pilami, s katerimi zgladimo površino samega obdelovanca. Lepše oblikovane palice dobimo takrat, če izvrtine izžgemo z laserjem (slika 2.13). Na pogled je gradnik smrekove palice zelo podoben gradniku palice iz balse, razlika je le v teži in mehkosti samega materiala. Ker sem v okviru diplomskega dela sam izdelal vse gradnike, sem jih za lažje prepoznavanje tudi poimenoval. Ime je sestavljeno iz besede stick in številke, ki sledi in predstavlja število izvrtin na eni ploskvi. Tako se palici na sliki 2.13 imenujeta stick-20.

(22)

12

(a) (b)

Slika 2.12: Smrekova palica (a) in palica iz balse (b)

Slika 2.13: Gradniki palic oblikovani z laserjem (imenovani stick-20)

Za potrebe mobilnega robota sem izdelal tudi kolo, ki ima izvrtini premera 3 mm in povrtino premera 10 mm popolnoma prilagojene štirikrakemu nastavku, ki je del kompleta servomotorja. Kolo je narejeno iz smrekove valjaste palice premera 50 mm (slika 2.14).

Slika 2.14: Leseno kolo premera 50 mm

(23)

13

Konstrukcijski sestavni elementi, s katerimi skupaj spojimo sestavne palice in elektronske komponente, so izdelani iz umetne snovi oziroma iz penjenega PVC, ki ga že vrsto let uporabljajo pri rednem pouku tehnike in tehnologije, zato je tako učiteljem kot učencem zelo dobro poznan. Poleg tega ga lahko zelo dobro oblikujemo z osnovnimi postopki obdelave.

V okviru diplomskega dela sem sam izdelal te gradnike in jih zaradi lažjega prepoznavanja tudi poimenoval. Ime je sestavljeno iz besede sercon in črke, ki sledi in predstavlja obliko samega sestavnega gradnika. Oblika in izvrtine so popolnoma prilagojene sestavnim palicam ter elektronskim komponentam (servomotorju, nastavkom …). Na sliki 2.15 a je prikazan poseben sestavni element imenovan sercon-C, na sliki 2.15 b pa poseben sestavni element imenovan sercon-I.

(a) (b)

Slika 2.15: Sestavni element sercon-C (a) in sestavni element sercon-I (b)

Za konstrukcijsko sestavljanko potrebujemo tudi vezne elemente. Uporabil sem navadne šestrobne vijake M5 s 35-milimetrskim desnim navojem s pripadajočimi šestrobnimi maticami ter vijake z lečasto glavo in križno zarezo z 10-milimetrskim in 15-milimetrskim desnim navojem ter pripadajoče šestrobne matice (slika 4.16 a). Za sestavo celotne konstrukcije potrebujemo tudi orodje, in sicer navadni vijač, križni vijač ter navadni šestrobni natični ključ premera 8 mm (slika 2.16 b).

(24)

14

(a) (b)

Slika 2.16: Šestrobni vijaki s pripadajočimi maticami (a) ter natični ključ in vijača (b)

(25)

15

3 KOMERCIALNE KONSTRUKCIJSKE SESTAVLJANKE

V slovenskih osnovnih šolah se učitelji odločajo za nakup opreme različnih proizvajalcev, vendar ima večina šol komplete znamk Lego ali Fischertechnik. Tako Fischertechnik kot Lego ponujata pestro izbiro konstrukcijskih kompletov, s katerimi lahko sestavimo enostavne ali zelo dovršene konstrukcijske modele. Za kratek opis obeh sem si pri Fischertechniku izbral pogosto uporabljeno zbirko Fischertechnik Profi E-Tec, pri Legu pa zbirko Lego Mindstorms NXT.

3.1 Sestavljanka Fischertechnik Profi E-Tec

S sestavljankami Fischertechnik (priloga 1) lahko sestavljamo modele, ki realistično prikazujejo delovanje robotov oziroma strojev [16]. Sestavljanka Fischertechnik Profi E-Tec (slika 3.1) vsebuje sestavne gradnike, elektromotorje, različne senzorje, lučke in modul E- TECH, v katerem je že vpisanih 8 različnih programov za krmiljenje. Za zahtevnejše uporabnike je na voljo tudi vmesnik s programsko opremo. Vse to zbirko zelo podraži.

Učenci, študenti in raziskovalci lahko s pomočjo takšne sestavljanke pred končno realizacijo projektov zelo dobro preizkusijo delovanje konstrukcijskih modelov. Tako sestavni gradniki kot vključujoča oprema s krmilnikom so omejeni na združljivost le-tega znotraj same sestavljanke, kar pomeni, da gradnikov, senzorjev in krmilja ne moremo uporabljati z dopolnjevanjem katere druge komercialne sestavljanke. Sami gradniki, ki so oblike kvadra, so popolnoma unikatno oblikovani in jih lahko spajamo na vseh šestih ploskvah le z gradniki iz te zbirke. Prav tako je uporaba krmilnika iz zbirke Fischertechnik omejena zgolj na samo zbirko.

Slika 3.1: Zbirka Fischertechnik Profi E-Tec [16]

(26)

16

3.2 Lego Mindstorms

S sestavljankami Lego (priloga 2) se otroci v slovenskih šolah srečujejo že v predšolskem izobraževanju. Uporaba teh kock je zelo pogosta tudi v prvi in v dveh tretjinah druge triade, saj so zaradi kakovostnih gradnikov uporabne več let in jih lahko brez težav uporabljamo znotraj posameznih zbirk Lega. Pri izbirnem predmetu robotika v tehniki v slovenskih šolah večinoma uporabljajo komplet Lego Mindstorms NXT (slika 3.2) [17]. Zbirka vsebuje veliko kosov unikatnih kock Lego, s katerimi lahko sestavimo kar nekaj zanimivih modelov. Ker so kocke, drugi gradniki in vmesnik unikatno oblikovani, smo tudi pri tej zbirki omejeni zgolj na uporabo njenih sestavnih delov. Tako imamo tudi pri tej tako kot pri zbirki Fishertechnik težavo, da vmesnika in gradnikov ne moremo združevati s komponentami preostalih zbirk.

Slika 3.2: Zbirka Lego Mindstorms NXT [17]

3.3 Prednosti in slabosti zbirk Fischertechnik Profi E-Tec in Lego Mindstorms NXT

Obe zbirki sta zelo dovršeni, saj so tako gradniki kot preostali sestavni deli in material izdelani zelo kakovostno. Obe imata dobro podporo pri razvoju in sami prodaji ter sta zaradi razširjenosti tako po svetu kot tudi v Sloveniji zelo primerni za različna tekmovanja v robotiki. Vsaka zbirka ponuja tudi svojo programsko opremo in podporo, vendar so ta programska okolja tako specifična, da njihova uporaba učencu ne nudi realnega vpogleda v

(27)

17

svet elektronike in konstruktorstva. Pri obeh zbirkah so sestavni deli in gradniki unikatno oblikovani, kar učencu ponovno ne prikazuje realne uporabe pri gradnji pravih naprav in robotov. Za sestavo dveh gradnikov iz omenjenih zbirk ne potrebujemo posebnih veznih elementov oziroma vijakov, ki jih uporabljamo v realnem svetu, ampak so gradniki oblikovani tako, da je ena ploskev prilagojena drugi ploskvi gradnika in ju lahko spojimo na klik. Pri sestavljanki Fischertechnik imajo enosmerni elektromotorji sicer dva priključka, zaradi česar zbirka omogoča vezavo dveh žičk. Učencem lahko prikažemo delovanje tega motorja tako, da menjavamo polariteto na priključkih motorja(vrtenje gredi motorja). Tudi uporaba drugih elektronskih sestavnih delov omogoča, da lahko te elektronske komponente vežemo na druge krmilnike – na primer na eProDas-Rob1, ki so ga razvili prav za takšne potrebe. Zelo dovršena zbirka Lego zaradi unikatnosti ne dopušča ničesar od tega, saj so celo priključki elektronskih komponent čisto posebej oblikovani in posledično nezdružljivi z drugimi krmilniki. To je mogoče doseči samo tako, da vezne žice prerežemo in pustimo samo žičke ter tako omogočimo uporabo komponent Lego celo na krmilniku eProDas-Rob1, vendar so potem za samo zbirko neuporabne.

(28)

18

4 KONSTRUKCIJSKE NALOGE

4.1 Zapornica

Za sestavo konstrukcije zapornice, ki bi jo lahko s pomočjo vezja in zapisanega programa krmilili, dvigali in spuščali, si pomagamo s predhodno izrisanimi in konstruiranimi sestavnimi deli konstrukcije, ki so prikazani v 3D-tehniki v prostodostopnem programu Google Sketch Up.

Sestavljeno konstrukcijo zapornice sem predhodno izrisal v prostodostopnem 3D-risarskem programu Google Sketc Up (priloga 3), ki ga lahko brezplačno prenesemo s spleta in preprosto naložimo na računalnik. V programu sem izrisal posamezne dele konstrukcijske sestavljanke in jih nato tudi sestavil (slika 4.1).

Slika 4.1: Zapornica

S pomočjo programa Google Sketch Up lahko telo obračamo in vrtimo v vseh treh dimenzijah (x, y, z). Ker je grafika vektorska, lahko posamezne dele sestavljanke poljubno približamo oziroma povečamo ter tako še bolj poudarimo pomembne spojne dele konstrukcije. Tako lahko približamo in poudarimo položaj ter število šestrobnih vijakov M5 s 35-milimetrskim

(29)

19

desnim navojem in pripadajočimi šestrobnimi maticami, ki jih potrebujemo za sestavo konstrukcije (slika 4. 2).

Slika 4.2: Označenih 8 šestrobnih vijakov M5 s pripadajočimi šestrobnimi maticami

V programu lahko prikažemo, koliko vijakov z lečasto glavo in križno zarezo z 10- milimetrskim desnim navojem ter pripadajočih matic in na katerih spojnih mestih jih potrebujemo za sestavo konstrukcije (slika 4.3).

Slika 4.3: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo ter pripadajoče šestrobne matice

(30)

20

Za sestavo zapornice tako potrebujemo 5 palic, in sicer 1 par smrekovih palic s šestimi izvrtinami (slika 4.4 a), 1 par smrekovih palic z osmimi izvrtinami (slika 4.4 b) ter eno smrekovo palico z desetimi izvrtinami (slika 4.5). Če uporabimo daljšo zaporno palico, je zaradi nižje teže priporočljivo uporabiti palico iz balse s petnajstimi izvrtinami (slika 4.6).

(a) (b)

Slika 4.4: Palici s šestimi izvrtinami (a) in palici z osmimi izvrtinami (b)

Slika 4.5: Smrekova palica z desetimi izvrtinami

(31)

21

Slika 4.6: Palica iz balse s petnajstimi izvrtinami

Prav tako za zbirko potrebujemo posebni vezni element imenovan sercon-I (slika 4.7) in posebni vezni element imenovan sercon-C (slika 4.8) iz penjenega PVC.

Slika 4.7: Sestavni del sercon-I

Slika 4.8: Sestavni del sercon-C

(32)

22

Za delovanje zapornice potrebujemo tudi nepredelan servomotor (slika 4.9), ki ima tri priključke in vrteči se rotor, na katerega priključimo oziroma nataknemo štirikraki propeler (slika 4.10). Iz servomotorja vodijo tri žice (črna, rdeča in rumena). Eno moramo priključiti na negativni priključek GND (črno), drugo na pozitivni priključek +5 V (rdečo), tretja pa mora biti na priključku, ki je namenjen pošiljanju impulzov iz vmesnika v servomotor (rumena).

Slika 4.9: Nepredelan servomotor

Slika 4.10: Štirikraki nastavek (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm

(33)

23

Ko v prostodostopnem programu Google Sketch Up izrišemo celotno konstrukcijo, lahko enostavno sestavimo konstrukcijo zapornice.

Za izvedbo vaje zapornice potrebujemo (slika 4.11): nepredelan servomotor, 2 palici s šestimi utori premera 5 mm, 2 palici z osmimi utori premera 5 mm, 1 palico z desetimi utori premera 5 mm, 8 šestrobnih vijakov M5 s 35-milimetrskim desnim navojem ter osmimi pripadajočimi maticami, 4 vijake z lečasto glavo in križno zarezo ter štiri pripadajoče šestrobne matice, 2 posebna dela iz penjenega PVC imenovana sercon-C in sercon-I ter predelan dvokraki nastavek (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm. Pri sestavljanju potrebujemo tudi manjši križni vijač in šestrobni natični ključ premera 8 mm.

Slika 4.11: Konstrukcijski material za izgradnjo zapornice

Najprej sestavimo ogrodje (slika 4.12), na katerega lahko položimo vmesnik eProDas-Rob1, ki nam za celotno konstrukcijo zapornice predstavlja tudi delno obtežitev, ki je pomembna zato, da se zapornica ne premika ali celo prevrne. Premično zaporno palico sestavimo z

(34)

24

dvokrakim nastavkom, vijakoma z lečasto glavo in križno zarezo ter pripadajočima šestrobnima maticama. Oboje privijemo na poseben penjen PVC-del sercon-I in z vijaki M5 pritrdimo na palico z desetimi utori (slika 4.13). Nato na nepredelan servomotor z vijakoma z lečasto glavo in 10-milimetrskim desnim navojem ter pripadajočima maticama privijemo posebni PVC-del sercon-C (slika 4.14). Na to leseno konstrukcijo, sestavljeno iz dveh parov različno dolgih smrekovih palic, prevrtanih z luknjami premera 15 mm in spojenih s šestrobnima vijakoma M5 s 35-milimetrskim desnim navojem in pripadajočima maticama ter posebnim penjenim PVC delom sercon-C, privijemo nepredelan servomotor (slika 4.15).

Slika 4.12: Osnovno ogrodje

Slika 4.13: Zaporna premična palica

(35)

25

Slika 4.14: Servomotor zapornice

Slika 4.15: Konstrukcija zapornice

(36)

26

Ko sestavimo ogrodje, nanj položimo vmesnik eProDas-Rob1 in na rotor servomotorja pritrdimo še dvokraki propeler, na katerega smo s pomočjo vmesnega PVC-dela sercon-I pritrdili palico z desetimi izvrtinami (slika 4.16 in slika 4.17). Vmesnik eProDas-Rob1, ki ga napaja adapter (+7,5 V), preko LPT-priključka in USB-vodnika priključimo na prenosni računalnik ter tako s pomočjo programa Bascom nanj prenesemo program (slika 4.16 in slika 4.18).

Slika 4.16: Sestavljeno ogrodje z baterijskim napajanjem

Slika 4.17: Ogrodje zapornice z vmesnikom eProDas-Rob1 in baterijskim napajanjem

(37)

27

Celotno sestavljeno konstrukcijo zapornice z vmesnikom lahko priključimo na sprotno napajanje +7,5 V ali na baterijsko napajanje +9 V (slika 4.17). Pred tem smo na mikrokrmilnik vmesnika preko USB-vodnika, povezanega z računalnikom, prenesli program (slika 4.18), ki omogoča, da s pritiskom na tipko T1 (B0) zapornico postavimo v položaj odprte zapornice (dvignjena zapornica) (slika 4.19 ) in s pritiskom na tipko T2 (B1) v položaj zaprte zapornice (spuščena zapornica) (slika 4.20).

Slika 4.18: Prenos programa na mikrokrmilnik vmesnika

Slika 4.19: Dvignjena zapornica

(38)

28

Slika 4.20: Spuščena zapornica

Za delujočo zapornico (slika 4.17) poleg konstrukcijskega materiala za izgradnjo potrebujemo tudi vmesnik in sprotno ali samostojno napajanje le-tega (slika 4.21). Za izvedbo zgornjih manevrov zaženemo program BASCOM-AVR, v katerega vnesemo ukaze za krmiljenje vmesnika. Zapisani program preko USB-vodnika prenesemo na vmesnik (slika 4.18).

Programiranje je prilagojeno potrebam zapornice in je zapisano na naslednji strani (priloga 4).

Slika 4.21: Kosovnica za sestavljanko zapornice

(39)

29 Program:

(40)

30

Kot prikazuje slika 4.22, moramo na tripinski priključek z oznako D0 priključiti nepredelan servomotor, tako da je črna žička na mestu GND. Ker smo za napajanje vmesnika uporabili baterijski vir napetosti, moramo s pozitivnega pola baterije priviti žičko na vmesniku na vhod POW, z negativnega pola baterije pa na sosednji vhod GND.

Slika 4.22: Priključki na vmesniku

4.2 Mobilni robot

Pri sestavi konstrukcije oziroma modela mobilnega robota, ki ponazarja avtomobil, ki bi ga lahko s pomočjo vezja, senzorja in zapisanega programa krmilili za samostojno vožnjo po začrtani poti (črna črta na svetli podlagi), si pomagamo s predhodno izrisanimi in konstruiranimi sestavnimi deli konstrukcije, ki so prikazani v prostodostopnem programu Google Sketch Up.

Sestavljeno konstrukcijo oziroma model mobilnega robota sem predhodno izrisal v prostodostopnem 3D-risarskem programu Google Sketc Up (priloga 3), ki ga brezplačno prenesemo s spleta in enostavno naložimo na računalnik. V programu sem izrisal posamezne dele konstrukcijske zbirke in nato s pomočjo izrisanega modela sestavljene konstrukcije mobilnega robota tudi fizično sestavil konstrukcijo mobilnega robota (slika 4.23).

(41)

31

Slika 4.23: Mobilni robot

V programu Google Sketch Up lahko telo obračamo in vrtimo v vseh treh dimenzijah (x, y, z).

Ker je grafika vektorska, lahko posamezne dele sestavljanke poljubno približamo oziroma povečamo ter tako še bolj poudarimo pomembne spojne dele konstrukcije. Tako lahko približamo in poudarimo, koliko in na katerih spojnih mestih potrebujemo za sestavo konstrukcije šestrobnih vijakov M5 s 35-milimetrskim desnim navojem in pripadajočih šestrobnih matic (slika 4.24).

(42)

32

Slika 4.24: Označenih 9 šestrobnih vijakov M5 s pripadajočimi šestrobnimi maticami

Prikažemo lahko tudi, koliko in na katerih spojnih mestih potrebujemo za sestavo konstrukcije vijakov z lečasto glavo in križno zarezo z 10-milimetrskim desnim navojem s pripadajočimi maticami (slika 4.25).

(43)

33

Slika 4.25: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo ter pripadajoče šestrobne matice

Prikažemo lahko še, koliko in na katerih spojnih mestih potrebujemo za sestavo konstrukcije vijakov z lečasto glavo in križno zarezo s 15-milimetrskim desnim navojem ter pripadajočimi maticami (slika 4.26).

(44)

34

Slika 4.26: Označeni 4 vijaki z lečasto glavo in križno zarezo s 15-milimetrskim desnim navojem ter pripadajoče šestrobne matice

Prikažemo lahko tudi, da potrebujemo za sestavo 5 palic, in sicer 1 par smrekovih palic s šestimi izvrtinami (slika 4.27 a), 1 par smrekovih palic z osmimi izvrtinami (slika 4.27 b) ter eno smrekovo palico s štirimi izvrtinami (slika 4.28).

(45)

35

(a) (b)

Slika 4.27: Smrekovi palici s šestimi izvrtinami (a) in smrekovi palici z osmimi izvrtinami (b)

Slika 4.28: Smrekova palica s štirimi izvrtinami

Poleg tega za zbirko potrebujemo tudi posebna nastavka imenovana sercon-C iz penjenega PVC (slika 4.29).

(46)

36

Slika 4.29: Sestavna dela sercon-C

Za delovanje mobilnega robota potrebujemo tudi predelana servomotorja (slika 4.30), ki v osnovi delujeta kot navadna enosmerna elektromotorja. Vsak izmed predelanih servomotorjev ima po dva priključka in vrteči se rotor, na katerega priključimo oziroma nataknemo štirikraki nastavek (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm, ki je z vijakoma z lečasto glavo in križno zarezo s 15-milimetrskim desnim navojem ter pripadajočima šestrobnima maticama spojen z valjastim kolesom (slika 4.31). Iz servomotorja vodita dva vodnika (oranžen in moder), od katerih moramo enega priključiti na negativni priključek GND, drugega pa na izhod (pin), ki je namenjen pošiljanju impulzov iz vmesnika v servomotor.

Lahko naredimo tudi tako, da oba priključimo na izhoda vmesnika.

(47)

37

Slika 4.30: Predelan servomotor (kot navaden enosmerni elektromotor)

(48)

38

Ko izrišemo celotno konstrukcijo v prostodostopnem programu Google Sketch Up, je sestava naše konstrukcije mobilnega robota enostavnejša.

Za izvedbo vaje mobilni robot potrebujemo (slika 4.32): predelan servomotor (enosmerni elektromotor), 2 palici s šestimi utori premera 5 mm, 2 palici z osmimi utori premera 5 mm, 1 palico s štirimi utori premera 5 mm, devet šestrobnih vijakov M5 s 35-milimetrskim desnim navojem ter osmimi pripadajočimi maticami, štiri 10-milimetrske vijake z lečasto glavo in križno zarezo ter štiri pripadajoče šestrobne matice, štiri 15-milimetrske vijake z lečasto glavo in križno zarezo ter štiri pripadajoče šestrobne matice, 2 posebna dela iz PVC imenovana sercon-C in predelana štirikraka nastavka (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm ter dve leseni valjasti kolesi. Pri sestavljanju potrebujemo tudi manjši križni vijač in šestrobni natični ključ premera 8 mm.

Slika 4.32: Konstrukcijski material za izgradnjo zapornice

(49)

39

Najprej sestavimo ogrodje (slika 4.33), na katerega nato položimo vmesnik eProDas-Rob1, ki nam za celotno konstrukcijo mobilnega robota predstavlja tudi delno obtežitev, da ima mobilni robot dober oprijem s podlago, po kateri se premika. Nato na predelana servomotorja z vijakoma z lečasto glavo z 10-milimetrskim desnim navojem ter pripadajočima maticama privijemo posebna PVC-dela sercon-C (slika 4.34). Z vijakoma z lečasto glavo in 15- milimetrskim desnim navojem ter pripadajočima maticama spojimo tudi štirikraki nastavek (propeler) za servomotor z izvrtinami premera 3 mm in valjasti kolesi (slika 4.34). Na to leseno konstrukcijo, sestavljeno iz dveh parov različno dolgih smrekovih palic, prevrtanih z luknjami premera 15 mm, in spojeno s šestrobnima vijakoma M5 s 35-milimetrskim desnim navojem in pripadajočima maticama, ter palico s štirimi izvrtinami, ki služi za ravnotežje celotne konstrukcije, privijemo predelana servomotorja ter nanju pritrdimo sestavljeni kolesi (slika 4.35).

Slika 4.33: Osnovno ogrodje

(50)

40

Slika 4.34: Osnovni sestavi konstrukcije mobilnega robota

Slika 4.35: Osnovno ogrodje s servomotorjema in kolesoma

V nadaljevanju skozi sprednje izvrtine na palici napeljemo žičke od servomotorjev ter jih povežemo z izhodi C0, C1, C2 in C3 na vmesniku (slika 4.36). Modro žičko desnega kolesa povežemo z vhodom C0, oranžno žičko desnega kolesa z vhodom C1. Modro žičko levega kolesa povežemo z vhodom C3, oranžno žičko levega kolesa z vhodom C2. Skozi sprednji sredinski izvrtini na palici napeljemo svetlobni senzor, ki mora segati čim bližje podlagi, po kateri se bo premikal mobilni robot.

(51)

41

Slika 4.36: Priključitev servomotorjev in svetlobnega senzorja

Na koncu dodamo vir napetosti, ki je lahko sprotno napajanje +7,5 V ali baterijsko napajanje +9 V (slika 4.37). Ker smo za napajanje vmesnika uporabili baterijski vir napetosti, moramo s pozitivnega pola baterije žičko na vmesniku priviti na vhod POW, z negativnega pola baterije pa na sosednji vhod GND (slika 4.38).

Slika 4.37: Baterijsko napajanje

(52)

42

Slika 4.38: Priključki na vmesniku delujočega mobilnega robota

Predhodno smo na mikrokrmilnik vmesnika preko USB-vodnika, povezanega z računalnikom, prenesli program (slika 4.18), ki omogoča, da mobilni robot s pomočjo svetlobnega senzorja odčitava, kdaj je na svetlem (belo) (slika 4.39) ali na temnem (črno) (slika 4.40) območju.

Slika 4.39: Senzor zazna svetlo (belo) podlago

(53)

43

Slika 4.40: Senzor zazna temno (črno) podlago

Za sestavo delujočega mobilnega robota (slika 4.38) poleg konstrukcijskega materiala za izgradnjo mobilnega robota potrebujemo tudi vmesnik in sprotno ali samostojno napajanje le- tega (slika 4.41). Za izvedbo zgornjih manevrov mobilnega robota zaženemo program BASCOM-AVR, v katerega vnesemo ukaze za krmiljenje vmesnika. Zapisani program preko USB-vodnika prenesemo na vmesnik (slika 4.18). Programiranje je prilagojeno potrebam mobilnega robota, ki sledi črni črti, in je zapisano na strani 45 (priloga 4).

(54)

44

Slika 4.41: Kosovnica za sestavljanko mobilnega robota

(55)

45 Program:

(56)

46

5 TEHNOLOGIJA IZDELAVE GRADNIKOV KONSTRUKCIJSKE SESTAVLJANKE

5.1 Izdelava posameznih gradnikov

Za izdelavo konstrukcijske zbirke sem uporabil palice iz lesa balse in smreke kvadratnega preseka 15 x 15 mm, ki so dolge 1 m in jih lahko kupimo v katerikoli modelarski trgovini.

Nato sem jih razrezal na primerne dolžine 225 mm ter s pomočjo risalnega orodja (svinčnik, kotno ravnilo, geotrikotnik …) izrisal srednjico in na srednjici na razdalji vsakih 15 mm označil in zatočkal mesta, kjer sem naredil izvrtine premera 5 mm (slika 5.1).

Slika 5.1: Vrtanje izvrtin premera 5 mm

Iz večjih kosov umetne mase debeline 3 mm (penjeni PVC) sem z vibracijsko žago izrezal primerne kose širine 15 mm in dolžine 225 mm (slika 5.2 a). Na te palice sem s pomočjo osnovne geometrije zarisal in zatočkal mesta, kjer sem naredil izvrtine premera 5 mm (slika

(57)

47

5.2 b). Pri vrtanju sem moral paziti predvsem na intenzivnost pritiska svedra na samo plastiko, saj lahko ob prevelikem pritisku takšen kos plastike hitro poči.

(a) (b)

Slika 5.2: Rezanje z vibracijsko žago (a) in vrtanje lukenj premera 5 mm (b)

Za konstrukcijsko sestavljanko potrebujemo še dodatne sestavne dele, ki sem jih predhodno načrtoval v konstruktorskem programu Google Sketch Up 8 in programu CicCAD 2.5. Nato sem ponovno s pomočjo osnovne geometrije nanesel načrt na večje kose penjenega PVC, iz katerih sem z vibracijsko žago nato izrezal nove sestavne dele, na katere sem izvrtal še izvrtine premera 3 mm in 5 mm (slika 5.3 a in b).

(a) (b)

Slika 5.3: Rezanje z vibracijsko žago (a) in končni izdelek (b)

Potrebujemo tudi servomotor (slika 5.4 a), ki ima (že ob nakupu) priložene sestavne oz.

dodatne dele ali nastavke. Štirikraki nastavek, ki ga pritrdimo na rotor motorja in na del, ki ga želimo vrteti, ima industrijske izvrtine premera 1,5 mm, medtem ko sem za svojo

(58)

48

konstrukcijsko zbirko potreboval na vsakem izmed štirih krakov le eno izvrtino premera 3 mm (slika 5.4 b).

(a) (b)

Slika 5.4: Nepredelan servomotor (a) in štirikraki nastavek z izvrtinami premera 3 mm (b)

Poleg sestavnih delov konstrukcijske zbirke, ki sem jih izdelal sam in so nastale na podlagi mojih idej, sem za zbirko potreboval tudi vezne elemente, ki sem jih kupil v najbližji tehnični trgovini z orodjem. Tako sem za vezne sestavne člene uporabil vijake premera 3 mm in 5 mm ter dolžine 10 mm, 15 mm, 35 mm in 50 mm. V zbirki potrebujemo še šestrobne vijake M5 z desnim navojem dolžine 35 mm, vijake M5 z desnim navojem dolžine 50 mm in pripadajoče šestrobne matice ter vijake z lečasto glavo in križno zarezo M3 z desnim navojem dolžine 10 mm in 15 mm (slika 5.5).

Slika 5.5: Vijaki kot vezni elementi

(59)

49

Za izdelavo sestavljanke zapornice in mobilnega robota sem potreboval palice dolžin 90 mm, 120 mm in 150 mm.

V programu CiciCad 2.5 načrtujemo in kotiramo (priloga 5), s prostodostopnim programom Google Sketch Up pa konstrukcijske dele načrtamo v 3D-tehniki, in sicer najprej narišemo model palice, katere kvadrat je 15 x 15 mm in meri v dolžino 90 mm, 120 mm in 150 mm. Na palicah izvrtamo luknje premera 5 mm, pri čemer so središča izvrtin enakomerno porazdeljena po celotni palici v razmiku 15 mm. Na slikah 5.6, 5.7 in 5.8 so prikazani izrisi palic dolžin 90 mm, 120 mm in 150 mm v programu Google Sketch Up.

Slika 5.6: Izris konstrukcijske palice dolžine 90 mm

(60)

50

Na slikah 5.9, 5.10 in 5.11 je prikazan načrt tehnične risbe s kotiranjem v programu CiciCad 2.5.

(61)

51

Slika 5.9: Tehnična risba s kotiranjem za palico dolžine 90 mm

(62)

52

(63)

53

(64)

54

Pred izdelavo konstrukcijske zbirke narišemo načrt s pomočjo programa CiciCad 2.5, v katerem načrtujemo in kotiramo, nato v prostodostopnem programu Google Sketch Up načrtamo konstrukcijske dele v 3D-tehniki. Najprej narišemo model palice, katere kvadrat je 15 x 15 mm in meri v dolžino 225 mm. Na njej izvrtamo 15 lukenj premera 5 mm, središča izvrtin so enakomerno porazdeljena po celotni palici v razmiku 15 mm. Na sliki 5.12 je prikazan izris palice dolžine 225 mm v programu Google Sketch Up.

Na sliki 5.13 je prikazan načrt tehnične risbe s kotiranjem v programu CiciCad 2.5.

(65)

55

(66)

56

Za sestavo zbirke zapornice potrebujemo tudi posebne sestavne dele, ki bodo povezovali posamezne dele med seboj. S pomočjo programa CiciCad 2.5 sem načrtoval in kotiral, s prostodostopnim programom Google Sketch Up sem konstrukcijske dele načrtal v 3D-tehniki ter narisal in skonstruiral načrt za izdelavo posebnega dela penjenega PVC, ki bo služil kot sestavni del za pritrditev štirikrakega propelerja na palico dolžine 150 mm ali 225 mm. Ta del, ki sem ga poimenoval sercon-I (slika 5.14), je popolnoma prilagojen obliki predelanega štirikrakega propelerja in njegovim izvrtinam ter palici. Oboje sem potem pritrdil na rotor servomotorja.

Slika 5.14: Sestavni del sercon-I

(67)

57

Slika 5.15: Tehnična risba s kotiranjem za sestavni del sercon-I

(68)

58

V programu CiciCad 2.5 sem načrtoval in kotiral, s prostodostopnim programom Google Sketch Up sem konstrukcijske dele načrtal v 3D-tehniki. Narisal in skonstruiral sem načrt za izdelavo posebnega dela iz penjenega PVC, ki bo služil kot sestavni del za pritrditev servomotorja na del sestavljene konstrukcije. Ta del, ki sem ga poimenoval sercon-C (slika 5.16), je popolnoma prilagojen obliki servomotorja, predvsem njegovim izvrtinam in izvrtinam na sestavnih palicah.

Slika 5.16: Sestavni del sercon-C

(69)

59

Slika 5.17: Tehnična risba s kotiranjem za sestavni del sercon-C

(70)

60

Predelati sem moral tudi štirikraki propeler, ki je v osnovi sestavni del servomotorja. Prirediti sem ga moral tako, da sem tovarniške izvrtine premera 1,5 mm (slika 5.18) povečal oziroma povrtal v izvrtine premera 3 mm (slika 5.19). Tako sem lahko nato z vijaki z lečasto glavo in križno zarezo M3 z desnim navojem, dolžine 10 mm in 15 mm, privil štirikraki nastavek (propeler) z vmesnim PVC-delom sercon-I na palico dolžine 150 mm ali 225 mm in z vmesnim delom sercon-C na valjasta lesena kolesa.

Slika 5.18: Štirikraki nastavek (propeler) za servomotor (nespremenjen)

V prostodostopnem programu Google Sketch Up sem izrisal tudi vijake in matice (slika 5.20), ki služijo kot vezni elementi. Izrisal sem tudi model servomotorja (slika 5.21), saj lahko tako učencem prikažemo čim bolj realno skico ali risbo oziroma načrt sestavljanke zapornice. Tako

(71)

61

bodo učenci s pomočjo načrta v programu Google Sketch Up hitreje razumeli, kako morajo sestaviti zapornico.

Slika 5.20: Vijaki in matice kot vezni elementi

Slika 5.21: Servomotor

(72)

62

6 TESTIRANJE

Mednarodna poletna šola robotike in elektronike 2012 (INFIRO)

V sodelovanju z društvom DRTI [6] in Zvezo za tehnično kulturo Slovenije [7] smo na Mednarodni poletni šoli robotike in elektronike v Rabcu na Hrvaškem preizkusili novo konstrukcijsko sestavljanko s krmilnikom eProDas-Rob1. Pripravili smo 14 kompletov sestavljank (slika 6.1), s katerimi lahko sestavimo zapornico ali mobilni robot. V skupini 11 udeležencev, otrok starih med 11 in 17 let, smo v prvih treh dneh tabora spoznali osnove robotike, preizkusili zmožnosti krmilnika ter sestavili konstrukcijo zapornice in mobilnega robota (slika 6.2). Udeleženci delavnice robotike so oba modela sestavili po navodilih mentorja in s pomočjo prikaza v programu Google Sketch Up.

Slika 6.1: Sestav 14 kompletov sestavljank

(73)

63

Slika 6.2: Sestavljena modela zapornice in mobilnega robota

Zadnja dva dneva delavnic so imeli otroci proste roke pri izgradnji želenih modelov (priloga 6). S pomočjo nas mentorjev so v dveh dneh sestavili dva zelo obsežna projekta. Namen oblikovanja samo dveh skupin je bil predvsem timsko povezovanje posameznikov znotraj skupine in avtonomnost izdelave posameznih sklopov modelov končnih konstrukcij. Tako je skupina štirih otrok sestavila tank z vrtljivo kupolo, ki je samostojno sledil začrtani poti (slika 6.3), druga skupina sedmih otrok pa je sestavila dva mobilna robota, ki sta sledila začrtani poti, model semaforiziranega križišča in zapornico. Vse skupaj je delovalo kot pametno križišče, saj sta se mobilna robota ustavljala pri rdeči luči in skozi križišče odpeljala pri prižgani zeleni luči. Mobilni robot je skozi zapornico lahko zapeljal le, če je na semaforiziranem križišču gorela zelena luč, kar je pomenilo, da je bila zapornica takrat odprta (slika 6.4).

(74)

64

Slika 6.3: Mobilni tank s kupolo

Slika 6.4: Pametno križišče z zapornico in mobilnima robotoma

(75)

65

7 ZAKLJUČEK

Pri izbirnem predmetu robotika v tehniki lahko učitelj tretjino ur nameni projektu, ki ga učenci samostojno izberejo glede na svoj nivo znanja in interese. Obe predstavljeni komercialni zbirki omogočata izdelavo zelo dovršenih in zapletenih konstrukcij oziroma projektov. Razvita konstrukcijska sestavljanka daje tako učitelju kot učencem nove možnosti pri snovanju želenih projektov. Nova konstrukcijska sestavljanka je prav tako primerna za izpeljavo prvih dveh tretjin izbirnega predmeta robotika v tehniki, saj lahko s konstrukcijo zapornice in mobilnega robota ter z nekaj dodatnimi gradniki zadostimo večini učnih ciljev.

Vsaka zbirka ponuja svojo programsko opremo in podporo, vendar so ta programska okolja tako specifična, da njihova uporaba učencu ne nudi realnega vpogleda v svet elektronike in konstruktorstva. Podobno je s pripadajočimi gradniki, saj se spajajo na klik, kar nima veliko skupnega s spajanjem raznih elementov v realnem konstruktorstvu. Sestavne elemente in gradnike v novi konstrukcijski sestavljanki spajamo s standardiziranimi vijaki in pripadajočimi maticami ter natičnimi ključi in vijači. To je pomembno predvsem za učence, ki se tako spoznajo z uporabo desnosučnega vijaka, ki ga zelo pogosto uporabljamo pri gradnji robotov in v konstruktorstvu.

Učenci lahko pri izdelavi želenega projekta konstrukcijo popolnoma prilagodijo svojim potrebam in željam, saj lahko lesene in PVC-gradnike z osnovnimi obdelovalnimi postopki preprosto obdelajo in preoblikujejo. V pomoč so jim priložene izvorne datoteke konstrukcijskih načrtov (priloga 5).

Z diplomskim delom sem slovenskemu šolstvu ponudil možnost uporabe alternativne nekomercialne konstrukcijske sestavljanke, ki je popolnoma združljiva z uporabo vmesnika eProDas-Rob1, ki so ga že pred leti na Pedagoški fakulteti Univerze v Ljubljani izdelali kot odprti sistem za krmiljenje (modelov) robotskih sistemov in ga lahko uporabljamo v stalni povezavi z računalnikom ali samostojno. Sestavljanko lahko dograjujejo in dopolnjujejo tako učitelji kot tudi učenci. Učenci lahko s pomočjo 3D-modelov, izrisanih v računalniškem programu Google Sketch Up, brez težav samostojno sestavijo konstrukcijo zapornice in mobilnega robota.

(76)

66

Sestavljanko smo preizkusili tudi na Mednarodni poletni šoli robotike in elektronike, kjer smo dobili zelo spodbudne povratne informacije glede uporabnosti in vzdržljivosti. Gradniki in sestavni deli sestavljanke se pri uporabi na poletni šoli INFIRO niso poškodovali, s čimer smo dokazali, da je sestavljanka primerna za večkratno uporabo, saj jo lahko vedno znova sestavimo in razstavimo. To je ključnega pomena za didaktično sestavljanko, ki mora biti vzdržljiva in uporabna več let.

(77)

67

8 VIRI IN LITERATURA

[1] Kocijančič, S. in drugi. Učni načrt za izbirni predmet Robotika v tehniki.

Ljubljana: Ministrstvo za šolstvo, znanost in šport, 2002.

[2] Lego Mindstorms. http://mindstorms.lego.com/en-

us/default.aspx?icmp=COUSFR31MINDSTORMS (15. 8. 2012).

[3] Fischertechnik. http://www.fischertechnik.de/home.aspx (15. 8. 2012).

[4] Projekt ComLab-2. http://e-prolab.com/si/index.html (15. 8. 2012).

[5] Download Bascom. http://www.mcselec.com/ (10. 8. 2012).

[6] Društvo za razvoj tehniškega izobraževanja. http://www.drti.si/ (22. 6. 2012).

[7] Zveza za tehnično kulturo Slovenije. http://www.zotks.si/www/portal/sl/ (22. 6. 2012).

[8] Splošno o krmilniku eProDas-Rob1 z opremo. http://www.pef.uni- lj.si/narteh/robteh/splosno_o_opremi.html (18. 6. 2012).

[9] Technical datasheet ATmega16.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/atmel/2466S.pdf (19. 6. 2012).

[10] Programiranje vmesnika eProDas-Rob1 v programskem okolju BASCOM.

http://www.pef.uni-lj.si/narteh/robteh/Vmesnik-BASCOM/Bascom_course.html (20. 6.

2012).

[11] Predelava servo-motorja v pogonski motor, krmiljen s servo-impulzi . www.pef.uni- lj.si/narteh/robteh/Projekti/Servos/Predelava%20servo-motorja-2.doc (7. 7. 2012).

[12] ELEKTROTEHNIKA, študijsko gradivo za študente PeF UL. http://www.pef.uni- lj.si/slavkok/studgrad/ElTeh-2010.pdf (17. 7. 2012).

[13] ELEKTRONIKA 1, študijsko gradivo za študente PeF UL. http://www.pef.uni- lj.si/slavkok/studgrad/Elektronika1_2010.pdf (17. 7. 2012).

[14] ELEKTRONIKA 2, študijsko gradivo za študente PeF UL. http://www.pef.uni- lj.si/slavkok/studgrad/Elektronika2.pdf (18. 7. 2012).

[15] Gostota lesa. http://les.bf.uni-lj.si/uploads/media/02_Gostota_in_poroznost_03.pdf (20. 3. 2012).

[16] Zbirka Fischertechnik Profi E-Tec. http://www.fischertechnik.de/en/Home.aspx (23. 5.

2012).

[17] Zbirka Lego in Mindstorms NXT. http://www.lego.com/en-us/default.aspx (24. 5. 2012).

[18] Željko Gorišek, Mirko Geršak, Vinko Velušček, Tomislav Čop in Ciril Mrak. Sušenje lesa. Ljubljana: Lesarska založba, 1994.

(78)

68

[19] Rihtaršič, David, Kušar, Tomaž. Doseganje učnih ciljev pri predmetu robotika v tehniki.

V: Bačnik, Andreja (ur.). Mednarodna multikonferenca Splet izobraževanja in raziskovanja z IKT - SIRIKT 2012, Kranjska Gora, 21.–24. marec 2012. [Zbornik]. Ljubljana: Arnes, 2012, str. 1187–1193.

[20] Rihtaršič, David, Kocijančič, Slavko. First steps into robotics based on eProDas hardware. V: Kocijančič, Slavko (ur.), Kušar, Tomaž (ur.), Rihtaršič, David (ur.).

Computerised laboratory in science and technology education : proceedings. Ljubljana:

Pedagoška fakulteta, 2007, str. 5.

[21] Kocijančič, Slavko, Rihtaršič, David. Poletna šola robotike, integriran pristop k uporabi IKT v tehniškem izobraževanju. V: Orel, Mojca (ur.). Nova vizija tehnologij prihodnosti : [zbornik celotnih prispevkov]. Ljubljana: Evropska hiša, 2009, str. 290–298.

http://www2.arnes.si/~morel/zivljenje/Zbornik%20celotnih%20prispevkov%20mednarodne%

20konference%20InfoKomTeh%202009%201.pdf (15. 12. 2012).

[22] 3D-modelirni program. http://www.sketchup.com/intl/en/index.html (7. 2. 2012).

(79)

I

9 PRILOGE

Na priloženem DVD najdete mape:

priloga 1: Promocijski material komercialnih zbirk Fischertechnik [FISCHERTECHNIK], priloga 2: Promocijski material komercialnih zbirk Lego [LEGO],

priloga 3: Izrisan model mobilnega robota in zapornice v programu Google Sketch Up [SKETCH UP],

priloga 4: Programa zapisana v programskem okolju Bascom [BASCOM], priloga 5: Načrt tehnične risbe v programu CiciCad [CICICAD],

priloga 6: Slike z Mednarodne poletne šole robotike in elektronike 2012 INFIRO [INFIRO], priloga 7: Razne slike in videoposnetki [SLIKE IN VIDEO].