Scenariusz zajęć z wykorzystaniem zestawu LEGO® Education SPIKE Prime (45678) i środowiska programistycznego SPIKE

Wiek uczestników: 10-14 lat
Liczba uczestników: do 14 osób
Czas trwania zajęć: 90 min
Autor: RoboCamp
Link do strony placówki: www.robocamp.pl

INFORMACJE OGÓLNE

Cele ogólne:

• Omówienie zagadnień związanych z precyzyjnym sterowaniem silnikami na przykładzie modelu Manipulatora z zestawu LEGO® Education SPIKE Prime (45678).

Cele szczegółowe:
Uczniowie: 

• Poznają specyfikę działania, typy konstrukcji oraz obszary zastosowania manipulatorów.
• Rozwijają umiejętności motoryczne oraz komunikacjii współpracy w grupie budując w parach Manipulator z zestawu LEGO® Education SPIKE Prime (45678).
• Rozwijają kompetencje techniczne poznając budowę i działanie przekładni prostej iliniowej oraz mechanizmu chwytaka, a także wykorzystując wskazania ultradźwiękowego czujnika odległości w programowaniu.
• Zgłębiają tajniki myślenia komputacyjnego tworząc program realizujący algorytm przewidziany dla manipulatora, oraz wykorzystują w praktyce odczyty z czujnika odległości, instrukcję przerwania oraz pętlę programową.

Czego potrzebujesz:

• Zestaw LEGO® Education SPIKE Prime (45678),
• Komputer lub tablet z zainstalowanym środowiskiem programistycznym SPIKE.

PRZEBIEG ZAJĘĆ

• Zobacz (15 min):
  Wprowadzenie do tematu lekcji. Prowadzący omawia z grupą zagadnienia związane ze specyfiką budowy manipulatorów, ich rodzajami i zastosowaniami. 
  Przykładowe pytania:
  
  • Jakie rodzaje zadań mogą być wykonywane przez manipulatory?
  • W czym manipulatory są lepsze od ludzi?
  • Jaki napęd wykorzystywany jest do wprawiania w ruch manipulatorów?
  • Jak działają manipulatory kartezjańskie wykorzystywane w zautomatyzowanych magazynach lub drukarkach 3D? Jaki ruch wykonują wzdłuż prowadnic?
  • Jak działają manipulatory przegubowe wykorzystywanew fabrykach lub medycynie? Jaki ruch wykonują wokół punktów zaczepienia swoich ramion?
  • Jakie inne typy manipulatorów szeregowych wyróżniamy i czym się one charakteryzują?
  • Jak działają manipulatory równoległe?
  • Gdzie stosowane są manipulatory?
    
• Zbuduj (35-45 min): 
  Budowanie robota. Uczniowie na swoich stanowiskach pracy budują model manipulatora w oparciu o instrukcję krok po kroku.
  
  

• Zbadaj (10-15 min): 
  Prowadzący omawia z grupą działanie zbudowanych robotów.
  Przykładowe pytania do dyskusji:
  
  • Co to znaczy, że robot ma działać autonomicznie?
  • Jak manipulator wykryje ładunek na podstawce?
  • Dlaczego odpowiednie rozmieszczenie podstawek jest istotne?
  • Jaką funkcję pełnią poszczególne silniki i czujnik odległości?
  • W jaki sposób manipulator obraca się wokół własnej osi? Jaki mechanizm do tego wykorzystano?
  • W jaki sposób manipulator pochyla i podnosi szczypce? Które elementy jego konstrukcji to umożliwiają?
  • W jaki sposób działa mechanizm zamykania i otwierania szczypiec?
  • Jak działa przekładnia liniowa? Jakie rodzaje ruchu  występują w mechanizmie szczypiec?
  • Dlaczego na końcach chwytaka umieszczono gumowe klocki?

• Zaprogramuj (20-30 min):
  Programowanie robota. Prowadzący omawia z grupą, w jaki sposób zaprogramować robota w języku Scratch. Dzięki wykorzystaniu funkcji pulpitu rozszerzonego prowadzący prezentuje uczniom jak krok po kroku wykonać program dla manipulatora. Celem programu jest autonomiczna praca manipulatora polegająca na wykrywaniu ładunku, chwytaniu go i przenoszeniu na przeciwległą podstawkę. Po omówieniu każdego etapu programu, uczniowie programują roboty przy swoich stanowiskach pracy.
  Przykładowe pytania do dyskusji:
  • Który silnik odpowiada za obracanie się manipulatora wokół własnej osi?
  • Z jaką prędkością powinien pracować manipulator by jego działanie było precyzyjne?
  • W jaki sposób robot może wykryć ładunek na podstawce? Co powinno wydarzyć się po jego wykryciu?
  • Z jakich ruchów składa się sekwencja chwytania?
  • Jak zaprogramować opuszczenie i podnoszenie chwytaka?
  • Jak zaprogramować zamykanie i otwieranie szczypiec?
  • Jak sprawić, by robot mógł przenosić jeden ładunek za drugim? Czy wystarczy dodać pętlę?
    

• Zagraj  (5-10 min):
  Zabawa robotem. Uczniowie testują działanie manipulatora. Dla urozmaicenia, uczniowie mogą połączyć kilka manipulatorów w jedną linię produkcyjną łącząc w odpowiedni sposób podstawy robotów. Alternatywnie uczniowie mogą stworzyć sprawozdanie z zajęć w formie wideo bloga, w którym opiszą działanie robota i opowiedzą o najważniejszych zagadnieniach poruszanych w trakcie pracy nad projektem, takich jak: ultradźwiękowy czujnik odległości, prosta i liniowa przekładnia zębata, instrukcja przerwania, pętla programowa

DODATKOWO

Podpowiedzi:

Proces budowy robota przebiega sprawniej, jeśli dzieci korzystają z proponowanego przez producenta systemu sortowania klocków i pracują w parach.

Manipulator powinien działać bardzo precyzyjnie, ale w zależności od czujnika, może być konieczne dostosowanie wartości progowej dobieranej w trakcie programowania.

Czas rozkładania konstrukcji pod koniec zajęć warto wykorzystać na powtórzenie najważniejszych pojęć poznanych na zajęciach. Przykładowe pojęcia do powtórzenia to: ultradźwiękowy czujnik odległości, przekładnia zębata, przekładnia liniowa, instrukcja przerwania, pętla programowa.

Przykładowe rozwiązania konstrukcyjne: