Robootika Kodulabor

Robootika Kodulabor on mobiilne robootika õppevahendite komplekt. See on mõeldud kasutamiseks eelkõige koolides, sisaldades kõike vajalikku robootika ja mehhatroonika valdkondade õppeks nii algajatele kui ka edasijõudnutele.

Robootika Kodulabor koosneb riistvarast, tarkvarateegist, tarkvara arendusvahenditest ja õppematerjalidest. Õppematerjalid on kättesaadavad mitmekeelsest veebikeskkonnast ning sisaldavad infot nii õpilastele kui ka juhendajatele.

Robootika Kodulabori on loonud koostöös Tallinna Tehnikaülikool ja Eesti ettevõte ITT Group koos partnerülikoolidega Euroopast Leonardo da Vinci programmi toel.

Kodulabori komplektid

Kodulabori riistvara on jaotatud kahte erinevasse komplekti — baaskomplekt ning andurite ja mootorite lisakomplekt. Baaskomplekt on kõikide ülesannete lahendamisel vajalik, sest sisaldab mikrokontrollerit, mis juhib kõigi ülejäänud moodulite tööd. Lisakomplekt annab juurde võimalused eksperimenteerida andurite ja mootoritega ning samuti kommunikatsioonivahenditega nagu näiteks Zigbee ja RS-232.

Lisaks komplektidele on võimalik juurde muretseda ka lisamooduleid, mida komplektides ei sisaldu. Lisamoodulitena on saadaval näiteks RFID tehnoloogia moodul ning masinnägemise moodul.

Komplektides ei sisaldu ka kombomoodulit, mis koondab kokku andurite, mootorite ja kommunikatsiooni moodulid kompaktsemasse vormi ühel trükkplaadil. See moodul on mõeldud kasutamiseks terviklikumatel robotitel, kus elektroonika suurus on oluline.

Robootika Kodulaboril on ka terviklik, kuid tagasihoidlikumate võimalustega säästukomplekt.

Baaskomplekt

Kodulabori baaskomplekt on mõeldud esmaseks mikrokontrolleritega tutvumiseks ning lihtsamate digitaalseid sisendeid ja väljundeid kasutavate ülesannete lahendamiseks.

Baaskomplekt sisaldab järgmisi vahendeid:

• Kontrollermoodul AVR ATmega2561 mikrokontrolleriga
• Kasutajaliidese moodul
• USB kaabel
• Toiteadapter
• Multimeeter
• Tarkvara plaat
• Transpordikohver

Lisakomplekt

Kodulabori lisakomplekt annab õpilasele võimalused õppida kasutama erinevaid andureid ja täitureid. Lisakomplekt täiendab baaskomplekti ning ilma viimaseta eraldiseisvana ei tööta.

Lisakomplekt sisaldab järgmisi vahendeid:

• Mootorite moodul
  • Mootorite ajuriplaat
  • Alalisvoolumootor (reduktori ja koodriga)
  • RC servomootor
  • Samm-mootor
  • Toitejagur
• Andurite moodul
  • Analoogandurite ja madalpääsfiltritega trükkplaat
  • Ultraheli kauguseandur SRF05
  • Infrapuna kauguseandur SHARP
• Kommunikatsiooni moodul
  • Kommunikatsiooni trükkplaat RS-232 liidestega
  • Bluetooth või ZigBee juhtmevaba side moodul
• Vajalikud juhtmed
• Transpordikohver

Säästukomplekt

Eelmise põlvkonna Robootika Kodulabori moodulitest ning odavamatest komponentidest on loodud Kodulabori säästukomplekt kasutajatele, kelle majanduslikud võimalused ei luba muretseda baaskomplekti ja lisakomplekti. Säästukomplekt sisaldab järgmisi vahendeid (moodulid on eelmisest põlvkonnast):

• Kontrollermoodul AVR ATmega128 mikrokontrolleriga
• Kasutajaliidese moodul
• Mootorite ajuriplaat ja alalisvoolumootor
• Andurite trükkplaat temperatuurianduri, potentsiomeetri ja valgustugevuse anduriga
• Infrapuna kauguseandur
• Programmaator
• Toiteplokk
• Transpordikohver

Riistvara

Robootika Kodulabori riistvara koosneb erinevaid võimalusi pakkuvatest moodulitest. Kõiki teisi mooduleid juhib kontrollermoodul, millele paigaldab kasutaja oma programmi.

Kontrollermoodul

Kodulabori keskseks mooduliks on mikrontrollerit ATmega2561 sisaldav arendusplaat. Komplektil käivitatava programmi laeb kasutaja arendusvahendite abil üle USB liidese mikrokontrolleri programmimällu (välkmälu), kust kontroller seda käivitada oskab. Seejärel juhitakse vastavalt programmile mikrokontrolleri väljaviikude olekuid ning seeläbi nende külge ühendatud teisi Kodulabori mooduleid või kontrollermoodulil paiknevad vahendeid.

Kontrollermooduli komponendid:

• ATmega2561-16AU mikrokontroller
• Integreeritud JTAG programmaator USB liidesega
• Ethernet moodul RJ-45 pesaga
• SD mälukaardi pesa
• Programmeeritav olekut näitav valgusdiood
• Toite olemasolu näitav valgusdiood
• Programmeeritav mittefikseeruv lüliti
• Taaskäivituse lüliti
• Grupeeritud mikrokontrolleri väljaviigud teiste moodulite ühendamiseks
• 2,1 mm toitepistiku pesa
• Pingestabilisaator

Kontrollermooduli vana versioon on ilma Ethernet liidese ja mälukaardi pesata, samuti puudub trükkplaadilt USB liidese kaudu mikrokontrolleri programmeerimise võimalus ja selle asemel peab kasutama eraldi JTAG ICE programmaatorit. See versioon kasutab ATMega128 mikrokontrollerit ning on väiksema jõudlusega.

Kasutajaliidese moodul

Kasutajaliidese moodul võimaldab lihtsamaid ülesandeid mikrokontrolleri digitaalsete sisend-/väljundviikudega, kasutades valgusdioode ja lüliteid. Samuti on moodulil ka keerulisema info (numbrite, teksti) kuvamise võimalused ning helisignaali generaator.

Kasutajaliidese mooduli komponendid:

• Roheline, kollane ja punane valgusdiood
• Kolm mittefikseeruvat lülitit
• 7-segmendiline numbriindikaator
• Graafiline LCD ekraan
• Pieso-heligeneraator

Kasutajaliidese moodulit saab kasutada programmide töö juhtimiseks või programmidest tagasiside saamiseks. Seetõttu on seda mugav kasutada koos teiste moodulitega, juhtides nende tööd nuppudega või saades anduritelt ekraanile arvandmeid. Kogu andmevahetus ja programmi töö juhtimine toimub läbi kontrollermooduli.

Andurite moodul

Andurite moodul võimaldab saada Kodulabori moodulitest ehitatud seadmel oma väliskeskkonnast infot. Andurite moodul koosneb järgmistest komponentidest:

• Mikrofon
• Valgustugevuse andur
• Temperatuuri andur
• Potentsiomeeter
• Ultraheli kauguseandur
• Infrapuna kauguseandur
• Väliste andurite ühendamise võimalus
• I2C liides

Trükkplaadil asutavate analoogandurite (nimekirjas esimesed kolm) ja väliste analoogandurite vahel saab mikrokontroller ümber lülitada multiplekseri abil. Sama tüüpi väliseid digitaalseid andureid saab ühendada aga nihkeregistri abil.

Mootorite moodul

Mootorite moodulil asub erinevat tüüpi mootorite juhtelektroonika ning võimalus lugeda koodritelt impulsse, kui palju näiteks mootor edasi liikunud on. Trükkplaadiga on võimalik ühendada järgnevad mootorid:

• 4 alalisvoolumootorit
• 2 unipolaarset samm-mootorit
• bipolaarne samm-mootor
• 2 servomootorit

Luues kodulabori elektroonika ja mootorite kõrvale ise ka mehhaanikalahenduse, on võimalik ehitada väga erinevaid robootika- ja mehhatroonikaseadmeid.

Kommunikatsioonimoodul

Kommunikatsioonimoodul pakub juhtmega ja juhtmevaba side lahendusi.

Trükkplaadil on kaks UART jadaporti, mida võib kasutada kas RS-232 liideste tarbeks või lülitada üks neist ümber kasutamiseks raadiosidemoodulitega ja teine kasutamiseks mõne välise UART-liidesega seadmega.

Toetatud raadiosidemoodulite hulka kuuluvad järgmised standardid:

• ZigBee
• Bluetooth
• WiFi
• GPS

Kombomoodul

Kombomoodul on mõeldud kompaktse asendusena andurite, mootorite ja kommunikatsiooni moodulitele ning sisaldab enamikke nende võimalusi. Kombomoodulil puudub RS-232 liides, samuti saab sellega ühendada vaid ühe samm-mootori.

Tarkvara

Robootika Kodulaboriga koos on välja arendatud teek moodulite mugavamaks kasutamiseks ja kergemaks mõistmiseks ning arendusvahendid programmide kirjutamiseks, kompileerimiseks ja kontrollermoodulile laadimiseks.

Kodulabori teek

Kodulabori teek on kirjutatud programmeerimiskeeles C ning sisaldab lihtsustatud funktsioone Kodulabori moodulite kasutamiseks. Sellise teegi loomise põhjus on mikrokontrollerite programmeerimise üldhariduskoolide õpilastele lihtsamaks tegemine, sest otse mikrokontrollerile koodi kirjutamine on algajale programmeerijale üsna keeruline.

Kodulabori arendusvahendid

Kodulabori komplektile programmide kirjutamiseks on koostatud Eclipse arendusprogrammil baseeruv tarkvara, mille abil teisendada lähtekood mikrokontrollerile sobivaks programmiks ning seejärel programm sellele laadida.

Õppematerjalid

Robootika Kodulabori keskseks õppematerjaliks on nende wiki-l baseeruv keskkond, kust on leitavad materjalid nii õpilastele kui ka juhendajatele. Õpilastele suunatud materjalide hulgas on teoreetilist taustinfot, õppematerjalid iga mooduli kohta, teegi dokumentatsioon ja ülesanded. Õpetajad näevad lisaks sellele ka ülesannete lahendusi ja juhendeid, mida valikuliselt õpilastega jagada.

Esimese Robootika Kodulabori komplektiga tuli kaasa õpik "Mikrokontrollerid ja praktiline robootika".

Kodulabori autorid on koostanud õpilastele kasutamiseks õpiobjekte, mis sisaldavad endas teoreetilist materjali, õppevideosid ja enesekontrolliks veebipõhiseid teste. Õpibojektid on kättesaadavad HITSA e-õppe portaali repositooriumist.

Robootika gümnaasiumi valikainena

TeaMe programmi raames tellis Eesti Teadusagentuur mitmetele loodus- ja täppisteaduste ning tehnoloogia valdkonna valikkursustele õppematerjalid. Materjalid koostati ka "Mehhatroonika ja robootika" gümnaasiumi valikkursuse tarbeks ning need on tasuta kättesaadavad kõigile huvilistele Koolielu haridusportaalist.

Koolitused õpetajatele

Robootika Kodulabori vahendite tutvustamiseks õpetajatele on alates aastast 2009 korraldatud õpetajakoolitusi. Praegusel ajal toimuvad need Tallinna Tehnikaülikooli juures.

Koolitustel on tegeletud didaktika, C-keeles programmeerimisega, robootika valdkonna üldisema tutvustamisega ning Kodulabori vahenditel praktiliste ülesannete läbi tegemisega.

Konkursid ja võistlused

Kodulaborit arendavad Tallinna Tehnikaülikool ja ITT group on korraldanud aastatel 2010-2013 robootika teaduskonkurssi, kus üheks nõudeks ehitatavatel seadmetel on olnud Kodulabori kasutamine.

2010. aasta konkursi teemaks oli patareisorteerija ehitamine., 2011. aastal euromüntide sorteerimine. 2012. aastal Kuressaares toimunud võistlusel oli ülesandeks targa ostukäru loomine. ja 2013. aastal loodi õpilaste poolt digitaalseid tehaseid

Kodulaborit on kasutatud ka võistlusel Robotex osalemisel, näiteks Kuressaare Gümnaasiumi poolt.

Välislingid

• Robootika Kodulabori tutvustus ja õppematerjalid
• Robootika Kodulabori õpiobjektid
• Robootika Kodulaboriga seotud võistlused
• Robootika gümnaasiumi valikkursuse materjalid
• Õpiobjektid e-õppe portaali repositooriumis (otsida "robootika Kodulabor")