Modell 7: Putzroboter

Der Anti-Krümel-Robot


Klassenstufe
5-7
Zeitaufwand
2 Doppelstunden
Schwierigkeitsgrad
Modell: leicht Programmierung: mittel
Modellart
mobiler Roboter / Fahrzeug
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MODELLBESCHREIBUNG / AUFGABE

Die Schülerinnen und Schüler (SuS) planen und realisieren einen autonom fahrenden Putzroboter für eine Fläche. Zwei Sensoren an der linken und rechten Stoßstange verhindern das Verschieben von Gegenständen oder das Festfahren des Roboters. Ein Signal dieser Sensoren führt zur Rückwärtsfahrt und zur Richtungsänderung und dann wieder zur Weiterfahrt des Roboters. Zur Differenzierung kann ein RGB Gestensensor als Absturzsicherung verbaut werden. Damit kann das Gerät auch Tische reinigen, ohne selbst abzustürzen. 

ALLTAGSBEZUG

Das Thema Automatisierung von Prozessabläufen und der Einsatz von Robotersystemen spielt zunehmend eine große Rolle im Alltag von SuS. Neben bereits existierenden Rasenmäh- oder Staubsaugrobotern werden zukünftig sicherlich weitere persönliche Assistenten oder Hilfsfahrzeuge das Leben ergänzen.

Durch die zunehmende Relevanz im Alltag eignet sich das Thema für die vorberufliche Orientierung. Es weckt Neugier bei den SuS auf entsprechende Alltagstechnik und berufliche Aspekte zur Thematik des autonomen Fahrens.

Leitfragen

  • Welche Funktionen muss ein autonomer Fahrroboter sinnvollerweise erfüllen? (Kommunikation, Kollaboration)
  • Welche Probleme können im Einsatz eines autonomen Fahrzeugs auftreten? (kritisches Denken)
  • Welche Aspekte beim Design sind für einen reibungslosen Einsatz zu berücksichtigen? (Kreativität)

Fächerbezug
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Informatik
Grundlagen der Programmierung verschiedener Sensoren
Technik
Getriebelehre, Stabilität eines Fahrzeugs, Lenkungen, einen Gegenstand fertigen und optimieren, autonomes Fahren, Verkehr
Physik
Reibung und Anpressdruck

Unterrichtsverlauf
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Einführungsphase

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Verschiedene mögliche autonome Fahrzeuge aus dem Alltag der SuS sammeln. 
  • Technische Grundfunktionen eines autonomen Fahrzeugs 
    erarbeiten.
  • Vorstellung der Aufgabe.
  • Diskussion über mögliche/sinnvolle Sensoren und Festlegen der zu realisierenden Sensorlösung sowie des Winkels, der zum Umfahren des Hindernisses genutzt werden soll.
  • Diskussion über Realisierungsmöglichkeiten der Befestigung und des Andrucks der Wischeinheit

ggf. Hilfestellung

  • Sensoren, Aktoren und Bauteile aus dem Baukasten zeigen, wenn nötig Präsentationsmedien einsetzen.

Planungsphase

Unterrichtsgespräch

  • Die Vorgehensweise zum Bau des Modells und die zu erzielende Funktion werden gemeinsam erarbeitet.
  • Abfolgeschritte der App werden vorgegeben bzw. besprochen

Partner- oder Einzelarbeit (mit App)

  • Die SuS machen sich mit der App bekannt und laden die entsprechende Aufgabe.
  • Die SuS priorisieren die Funktionen des zu bauenden Systems.
  • Die SuS erstellen mittels App eine Anforderungsliste für die mechanischen Teile und die Sensoren des automatischen Tischwischers. 

Unterrichtsgespräch (ohne App)

  • Der Aufbau des Roboters wird besprochen.
  • Mögliche Materialen der Wischmedien werden besprochen und ein kurzes Erprobungsexperiment erläutert.

Partner oder Gruppenarbeit (ohne App)

  • Die SuS erproben verschiedene Wischmedien (Schwamm, Taschentuch, Stoffstück, Küchenrolle) und treffen eine Aussage über deren Sinnhaftigkeit beim Einsatz.

Optionale Partner- oder Gruppenarbeit (ohne App)

  • Optional skizzieren die SuS die mögliche Anlage.
  • Die SuS diskutieren die Ergebnisse in der Gruppe und legen sich auf ein Design fest.
Konstruktionsphase

Partner- oder Einzelarbeit

  • Die SuS nutzen die App zum Bau des Roboters. Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
Programmierphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Die SuS schreiben das Programm für den Wischroboter (zwei Taster als Sensoren für die Hinderniserkennung). Die App führt kleinschrittig durchs Programm.
  • Hilfe wird in der App angeboten.
  • Das Programm wird auf den RX Controller übertragen.
Experimentier- und Testphase

Partner- oder Gruppenarbeit

  • Der Wischroboter wird in Betrieb genommen, auf eine gerade Fläche gesetzt und getestet.
  • Mögliche Störungen im Funktionsablauf müssen gefunden und behoben werden. Hilfe wird in der App angeboten.
  • Eventuelle Optimierungen bei der Hardware (z.B. Anpressdruck Wischtuch) und der Programmierung der Fahrstrecke (Rückwärtsfahrt und Änderung des Fahrwinkels) werden vorgenommen.
Abschlussphase

Optional: Vorstellung ein Zuteilung der Differenzierungen

  • Die Möglichkeit zur Differenzierung für schnelle SuS wird in der App angeboten.
  • Die Lehrkraft spricht infrage kommende SuS an. Die weitere Vorgehensweise wird durch die App realisiert.

 

Diskussion im Plenum

  • Nachbesprechung des Projekts im Klassenverbund.
  • Ggf. werden die Ergebnisse der Differenzierung besprochen: Der Einsatz der Absturzsicherung und deren Funktion wird demonstriert.
  • Klärung, wie bei gewerblichen Putzrobotern oder autonomen Fahrzeugen entsprechenden Putzrobotern oder autonomen Fahrzeugen entsprechende Sicherheiten erreicht werden.
  • Klärung von zukünftigen Bedarfen in Alltagslösungen (Übertragung der Thematik auf den Alltag): 

 

 

Informationen und Hinweise
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Methodisch-didaktische Hinweise
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Differenzierungsmöglichkeiten

Das Modell eignet sich in besonderer Weise zum systematischen Aufbau und zum Experimentieren verschiedener Fahrmodi mittels Änderung des Korrekturwinkels beim Fahren. Durch Differenzierung kann das Fahrzeug mit wenig Aufwand um einen weiteren Sensor (RGB Gestensensor) zur Erhöhung des Autonomiegrads erweitert werden. 

Motivationale Aspekte

Der Wunsch, ein möglichst autonom steuerndes Fahrzeug durch die Verwendung mehrerer unterschiedlicher Sensoren zu bauen, ist groß. Ggf. besteht auch Interesse, die Anlage um weitere sinnvolle Komponenten zu ergänzen (z. B. Hauptschalter, rückwärtiger Schalter, Optimierung der Wischfunktion durch Integration eines Tröpfchentanks …). Im Unterrichtsgespräch kann dies aufgegriffen werden.

Zusatzmaterialien

  • Wenn vorhanden ein Staubsaugerroboter, sonst ggf. Bilder
  • Zeichenmedien (Papier, Whiteboard, Projektionsfläche)
  • verschiedene Wischmedien (Taschentuch, Küchenrolle, Schwamm, ...)

Bauanleitung

Stromlaufplan

Funktionen des Modells und deren technische Lösungen
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Funktion des Anlage

 

Technische Lösung

 

Auslösen der Putzfahrt

 

 

Drücken des Starttasters auf RX Controller

 

Frontale Putzfahrt

 

 

Aktivieren beider Motoren

 

Auftreffen auf Hindernis

 

 

Auslösen eines der Taster, Stoppen der Motoren

 

Korrektur der Fahrtrichtung durch rechts erkanntes Hindernis

 

 

Zurücksetzen des Fahrzeugs, ca.20° (4 Impulse) links drehen, Fortsetzen der Fahrt

 

 

Korrektur der Fahrtrichtung durch links erkanntes Hindernis

 

 

Zurücksetzen des Fahrzeugs, ca. 20° (4 Impulse) rechts drehen, Fortsetzen der Fahrt

 

 

Erneute frontale Putzfahrt

 

 

Aktivieren beider Motoren

 

 

Differenzierung: Auslösen der Absturzsicherung an Tischkante

 

 

Stoppen der Motoren, Rückwärtsfahren der Motoren und Zählen der Impulse, Fahrtrichtung ändern, weiterfahren

 

 

Auswechseln des Wischermediums

 

 

Klemmvorrichtung für ein Wischtuch an der Hinterseite des Fahrzeugs öffnen

 

Anpassung des Wischermediums

 

 

Gelenk der Wischerbefestigung justieren

Materialliste
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Materialliste der Grundschaltung

 

 

Sensoren

 

 

Funktion

 

2 Taster

 

 

Hinderniserkennung

 

2 Taster

 

Impulszählung der Motoren

 

 

Differenzierung: 1 RGB Gestensensor

 

 

Verhindert Absturz aus einer erhöhten Position

 




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Aktoren​

 

 

Funktion

 

2 Motoren

 

 

Jeweils für eine Achse







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