Robot Design
Στο πλαίσιο του δημοφιλέστερου στον κόσμο διαγωνισμού ρομποτικής και καινοτομίας FIRST LEGO League Challenge, κάθε ομάδα θα πρέπει να κατασκευάσει και να προγραμματίσει ένα ρομπότ, το οποίο και θα προσπαθήσει να αντιμετωπίσει όσες αποστολές προλάβει μέσα σε 2,5 λεπτά.
Οι ομάδες, αν και έχουν ένα ρομπότ, μπορούν να χρησιμοποιήσουν όσους μηχανισμούς μπορούν, με σκοπό να υποστηρίξουν διαφορετικές κινήσεις και λειτουργίες. Αρκεί οι αλλαγές των μηχανισμών πρέπει να γίνονται μέσα στις επιτρεπόμενες βάσεις και εντός του χρόνου των 2,5 λεπτών. Το ρομπότ κατασκευάζεται έτσι ώστε να γίνεται εύκολα και γρήγορα η τοποθέτηση των διαφορετικών μηχανισμών, ενώ για την εφαρμογή τους κατασκευάζονται ειδικές «μάσκες».
Σε κάθε μηχανισμό η ομάδα έρχεται αντιμέτωπη με πολλές διαφορετικές προκλήσεις, όπως μεταφορά κίνησης σε διαφορετικές κατευθύνσεις, ενίσχυση ταχύτητας ή ροπής, γρήγορη εφαρμογή στο σώμα του ρομπότ, σταθερότητα, έλεγχος βάρους, αντιμετώπιση αστοχιών, τήρηση προδιαγραφών μεγέθους κλπ.
Το πρόγραμμα του ρομπότ αναπτύχθηκε με τη γλώσσα προγραμματισμού Python για τους Moving Minds και σε Scratch για τους Dream Team. Χρησιμοποιήθηκε αντικειμενοστραφής προγραμματισμός, εφαρμόστηκαν όλες οι βασικές προγραμματιστικές αρχές και αναπτύχθηκαν σύνθετοι αλγόριθμοι ελέγχου, όπως PID controllers για τους κύριους κινητήρες με αξιοποίηση διαφορετικών αισθητήρων.
Οι ομάδες, αν και έχουν ένα ρομπότ, μπορούν να χρησιμοποιήσουν όσους μηχανισμούς μπορούν, με σκοπό να υποστηρίξουν διαφορετικές κινήσεις και λειτουργίες. Αρκεί οι αλλαγές των μηχανισμών πρέπει να γίνονται μέσα στις επιτρεπόμενες βάσεις και εντός του χρόνου των 2,5 λεπτών. Το ρομπότ κατασκευάζεται έτσι ώστε να γίνεται εύκολα και γρήγορα η τοποθέτηση των διαφορετικών μηχανισμών, ενώ για την εφαρμογή τους κατασκευάζονται ειδικές «μάσκες».
Σε κάθε μηχανισμό η ομάδα έρχεται αντιμέτωπη με πολλές διαφορετικές προκλήσεις, όπως μεταφορά κίνησης σε διαφορετικές κατευθύνσεις, ενίσχυση ταχύτητας ή ροπής, γρήγορη εφαρμογή στο σώμα του ρομπότ, σταθερότητα, έλεγχος βάρους, αντιμετώπιση αστοχιών, τήρηση προδιαγραφών μεγέθους κλπ.
Το πρόγραμμα του ρομπότ αναπτύχθηκε με τη γλώσσα προγραμματισμού Python για τους Moving Minds και σε Scratch για τους Dream Team. Χρησιμοποιήθηκε αντικειμενοστραφής προγραμματισμός, εφαρμόστηκαν όλες οι βασικές προγραμματιστικές αρχές και αναπτύχθηκαν σύνθετοι αλγόριθμοι ελέγχου, όπως PID controllers για τους κύριους κινητήρες με αξιοποίηση διαφορετικών αισθητήρων.
Moving Minds
Innovation Project-Solar Water Energy Generator
Στο πλαίσιο της κατηγορίας “Innovation Project” στον διαγωνισμό FLL, η ομάδα Moving Minds αποφάσισε να αντιμετωπίσει το ενεργειακό πρόβλημα, προτείνοντας μία καινοτόμα συσκευή, τη “ Solar Water Energy Generator”, που αξιοποιεί το καυτό νερό του ηλιακού θερμοσίφωνα, για να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα που θα υποστηρίζει έναν σταθμό φόρτισης φορητών συσκευών. Το Project κέρδισε το 2ο βραβείο στον εθνικό τελικό του FLL και φυσικά παρουσιάστηκε από τους μαθητές στην παγκόσμια διοργάνωση Open FLL στο Μαρόκο, όπου και προκρίθηκε η ομάδα. Επίσης, η επιχείρηση ECONOUS κατασκεύασε ένα πραγματικό πρωτότυπο, προκειμένου να γίνουν δοκιμές σε κανονικές συνθήκες.
Οι μαθητές αρχικά πειραματίστηκαν με το βασικό ηλεκτρονικό εξάρτημα που υποστηρίζει το φαινόμενο Peltier-Seebeck, τις μονάδες TEC (Thermoelectric Cooler). Μέσα από επαναληπτικούς σχεδιαστικούς κύκλους, καταιγισμό ιδεών (brainstorming) και σύγχρονα εκπαιδευτικά σχεδιαστικά εργαλεία, υλοποίησε τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, σχεδίασε και εκτύπωσε στους 3d printers του εργαστηρίου τα απαραίτητα εξαρτήματα, έκανε δοκιμές – διορθώσεις και τελικά εντυπωσίασε τους επισκέπτες και τους διοργανωτές, παρουσιάζοντας ένα πλήρως λειτουργικό πρωτότυπο.
Για τον έλεγχο λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγτής Micro:bit, οποίος και «τρέχει» πρόγραμμα που ανέπτυξε η ομάδα με τη γλώσσα προγραμματισμού Python. Το πρόγραμμα ελέγχει τις εισόδους του συστήματος (θερμοκρασία νερού, παραγόμενη τάση κλπ) και μέσω ενός απλού μενού που ελέγχεται με κουμπάκια, προβάλει χρήσιμες πληροφορίες σε μία μικρή οθόνη LCD.
Οι μαθητές αρχικά πειραματίστηκαν με το βασικό ηλεκτρονικό εξάρτημα που υποστηρίζει το φαινόμενο Peltier-Seebeck, τις μονάδες TEC (Thermoelectric Cooler). Μέσα από επαναληπτικούς σχεδιαστικούς κύκλους, καταιγισμό ιδεών (brainstorming) και σύγχρονα εκπαιδευτικά σχεδιαστικά εργαλεία, υλοποίησε τα ηλεκτρονικά κυκλώματα, σχεδίασε και εκτύπωσε στους 3d printers του εργαστηρίου τα απαραίτητα εξαρτήματα, έκανε δοκιμές – διορθώσεις και τελικά εντυπωσίασε τους επισκέπτες και τους διοργανωτές, παρουσιάζοντας ένα πλήρως λειτουργικό πρωτότυπο.
Για τον έλεγχο λειτουργίας του συστήματος χρησιμοποιήθηκε ο μικροελεγτής Micro:bit, οποίος και «τρέχει» πρόγραμμα που ανέπτυξε η ομάδα με τη γλώσσα προγραμματισμού Python. Το πρόγραμμα ελέγχει τις εισόδους του συστήματος (θερμοκρασία νερού, παραγόμενη τάση κλπ) και μέσω ενός απλού μενού που ελέγχεται με κουμπάκια, προβάλει χρήσιμες πληροφορίες σε μία μικρή οθόνη LCD.
Dream Team
Innovation Project-Power Generating Pavement Slabs
Περιγραφή: στο πλαίσιο της κατηγορίας “Innovation Project” στον διαγωνισμό FLL, η ομάδα Dream Team εντυπωσίασε με την πανέμορφη μακέτα της, προτείνοντας ένα επιδαπέδιο σύστημα παραγωγής ενέργειας. Η ιδέα αφορά στην αξιοποίηση της κίνησης των πεζών σε εμπορικούς δρόμους, μουσεία ή έξω από καταστήματα με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρισμού για την φωταγώγηση αυτών των περιοχών. Για να το πετύχουν αυτό οι μαθητές κατασκεύασαν πλακάκια που παράγουν ηλεκτρισμό! Οι πλάκες αυτές είναι εξοπλισμένες με μηχανισμό που μετατρέπει τη μηχανική πίεση που προκύπτει όταν το πατά ο πεζός σε ηλεκτρική τάση.
Κατασκευές: Η κατασκευή των πλακιδίων χωρίζεται σε τρία μέρη, με σκοπό την ευκολότερη διαχείριση της. Πρώτη αποστολή, ήταν η δημιουργία του αρχείου για το 3d printed τμήμα του πλακιδίου. Το δεύτερο στάδιο της κατασκευής, ήταν η ηλεκτρονική συνδεσμολογία, δηλαδή η σύνδεση των αισθητήρων μεταξύ τους, η προσθήκη γέφυρας ανόρθωσης για την παραγωγή συνεχούς ρεύματος και η προσθήκη οθόνης, κουμπιών και ενός μικρο-ελεγκτή που διαχειρίζεται τις εισόδους και τις εξόδους του συστήματος. Στην τελευταία φάση της κατασκευής, το μόνο που έμενε ήταν η τελική συναρμολόγηση. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες κολλήθηκαν στις εσοχές τους, η πλακέτα με τα ηλεκτρονικά τοποθετήθηκε στην θέση της και τοποθετήθηκαν στο πάνω μέρους του πλακιδίου μικρά ελαστικά κομμάτια σιλικόνης που ασκούν πίεση όταν το πλακάκι πατιέται.
Μηχανικές Προκλήσεις: ο σχεδιασμός των τρισδιάστατων μοντέλων των πλακιδίων στο Tinkercad χρειάστηκε αρκετές δοκιμές και βελτιώσεις μέχρι το τελικό αποτέλεσμα, καθώς δεν υπήρχε έτοιμο υλικό. Επίσης, μία πρόκληση ήταν η διαχείριση του ρεύματος, καθώς η ακανόνιστη παραγωγή τάσης, δεν ήταν εύκολο να τη διαχειριστούν οι μαθητές. Τέλος, πολύ σημαντική ήταν και η προσπάθεια των μαθητών για την διαμόρφωση της συνδεσμολογίας και της κατασκευής, έτσι ώστε τα συνδεδεμένα μεταξύ τους πλακάκια, να δημιουργούν ένα δίκτυο, για να αξιοποιείται το παραγόμενο ρεύμα με τον πιο αποδοτικό τρόπο.
Προγραμματισμός/Λογισμικό: Το πρωτότυπο είναι προγραμματισμένο με στοιχεία οπτικού προγραμματισμού (τύπου Scrach), στην εφαρμογή της Microsoft MicroBit Μakecode. Έχουν αναπτυχθεί απλές ρουτίνες, που ελέγχουν την παραγόμενη τάση, την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του διακόπτη για τον φωτισμό, τις τιμές των αισθητήρων (αισθητήρας περιβάλλοντος φωτισμού, μετρητής τάσης, κουμπιά). Επίσης, με το ίδιο πρόγραμμα υποστηρίζεται το μενού μέσω του οποίο εμφανίζονται χρήσιμες πληροφορίες στην LCD οθόνη και ανοίγουν/κλείνουν τα φώτα της μακέτας, είτε αυτόματα εάν είναι νύχτα/μέρα, είτε με κουμπιά από τον χειριστή.
Εκπαιδευτικοί Στόχοι: έρευνα, σχεδιασμός – ανάπτυξη συστήματος, business plan, ηλεκτρονική, προγραμματισμός, σχεδιασμός 3d μοντέλων, τεκμηρίωση προϊόντος, προώθηση προϊόντος, design thinking
Κατασκευές: Η κατασκευή των πλακιδίων χωρίζεται σε τρία μέρη, με σκοπό την ευκολότερη διαχείριση της. Πρώτη αποστολή, ήταν η δημιουργία του αρχείου για το 3d printed τμήμα του πλακιδίου. Το δεύτερο στάδιο της κατασκευής, ήταν η ηλεκτρονική συνδεσμολογία, δηλαδή η σύνδεση των αισθητήρων μεταξύ τους, η προσθήκη γέφυρας ανόρθωσης για την παραγωγή συνεχούς ρεύματος και η προσθήκη οθόνης, κουμπιών και ενός μικρο-ελεγκτή που διαχειρίζεται τις εισόδους και τις εξόδους του συστήματος. Στην τελευταία φάση της κατασκευής, το μόνο που έμενε ήταν η τελική συναρμολόγηση. Οι πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες κολλήθηκαν στις εσοχές τους, η πλακέτα με τα ηλεκτρονικά τοποθετήθηκε στην θέση της και τοποθετήθηκαν στο πάνω μέρους του πλακιδίου μικρά ελαστικά κομμάτια σιλικόνης που ασκούν πίεση όταν το πλακάκι πατιέται.
Μηχανικές Προκλήσεις: ο σχεδιασμός των τρισδιάστατων μοντέλων των πλακιδίων στο Tinkercad χρειάστηκε αρκετές δοκιμές και βελτιώσεις μέχρι το τελικό αποτέλεσμα, καθώς δεν υπήρχε έτοιμο υλικό. Επίσης, μία πρόκληση ήταν η διαχείριση του ρεύματος, καθώς η ακανόνιστη παραγωγή τάσης, δεν ήταν εύκολο να τη διαχειριστούν οι μαθητές. Τέλος, πολύ σημαντική ήταν και η προσπάθεια των μαθητών για την διαμόρφωση της συνδεσμολογίας και της κατασκευής, έτσι ώστε τα συνδεδεμένα μεταξύ τους πλακάκια, να δημιουργούν ένα δίκτυο, για να αξιοποιείται το παραγόμενο ρεύμα με τον πιο αποδοτικό τρόπο.
Προγραμματισμός/Λογισμικό: Το πρωτότυπο είναι προγραμματισμένο με στοιχεία οπτικού προγραμματισμού (τύπου Scrach), στην εφαρμογή της Microsoft MicroBit Μakecode. Έχουν αναπτυχθεί απλές ρουτίνες, που ελέγχουν την παραγόμενη τάση, την ενεργοποίηση/απενεργοποίηση του διακόπτη για τον φωτισμό, τις τιμές των αισθητήρων (αισθητήρας περιβάλλοντος φωτισμού, μετρητής τάσης, κουμπιά). Επίσης, με το ίδιο πρόγραμμα υποστηρίζεται το μενού μέσω του οποίο εμφανίζονται χρήσιμες πληροφορίες στην LCD οθόνη και ανοίγουν/κλείνουν τα φώτα της μακέτας, είτε αυτόματα εάν είναι νύχτα/μέρα, είτε με κουμπιά από τον χειριστή.
Εκπαιδευτικοί Στόχοι: έρευνα, σχεδιασμός – ανάπτυξη συστήματος, business plan, ηλεκτρονική, προγραμματισμός, σχεδιασμός 3d μοντέλων, τεκμηρίωση προϊόντος, προώθηση προϊόντος, design thinking