Robootika Kodulabor

Robootika Kodulabor on AVR mikrokontrolleril põhinev omavahel seotud moodulite komplekt, mis on mahutatud väiksesse kaasaskantavasse kohvrisse. Komplekt võimaldab teha erinevaid mehhatroonika- ja robootikaalaseid eksperimente, ehitada roboteid ning teostada harjutusi igal tasemel. Eelkõige on komplekt mõeldud koolidele, sisaldades lisaks riistvarale ka metoodilist materjali ja harjutusülesandeid koos näidete ja lahendustega. Õppematerjal on integreeritud oma veebikeskkonnaga, mis on suunatud õpilasele ja õpetajale ning võimaldab kasutajate omavahelist suhtlust.

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 liiki komplektidesse – baaskomplekti ning andurite ja mootorite lisakomplekti. Baaskomplekt on kõikide ülesannete lahendamisel vajalik, sest sisaldab kontrollerimoodulit, mis juhib kõigi ülejäänud moodulite tööd. Lisakomplekt annab juurde võimalused eksperimenteerida andurite ja mootoritega ning ka selliste sidevahenditega nagu näiteks Zigbee ja Bluetooth.

I põlvkond

Esimese generatsiooni Kodulabori Riistvara. Baseerub AVR ATmega128 mikrokontrolleril.

II põlvkond

Kodulabori riistvara teine generatsioon. Baseerub AVR ATmega2561 mikrokontrolleril, millel on otse plaadil SD-kaardi ja Etherneti pesa.

III põlvkond

Kõige värskem ja võimekam Robootika Kodulabori riistvara. Baseerub AVR X-seeria mikrokontrolleril ATxmega128A1U, mis töötab 32 MHz kellaga ja sisaldab ohtralt perifeeriat.

Baaskomplekt

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

Baaskomplekt sisaldab järgmisi vahendeid:

• kontrollermoodul
• kasutajaliidese moodul
• kombomoodul
• USB-kaabel
• mikro-SD-kaart koos adapteriga
• toiteplokk
• multimeeter
• kiirjuhend
• kaasaskantav kohver

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:

• mootorid
  • 2 × alalisvoolumootor (reduktori, ratta ja koodriga)
  • RC-servomootor
  • samm-mootor (unipolaarne)
• andurid
  • ultrahelikaugusandur koos kaabliga
  • infrapunakaugusandur koos kaabliga
  • joonejälgimismoodul
  • passiivne infrapunaandur
  • niiskus- ja temperatuuriandur
  • jõuandur
  • kiirendusandur
• laiendusmoodulid
  • Etherneti moodul
  • reaalaja kella (RTC) moodul
• prototüüpimise vahendid
  • protoplaat
  • 20 × ühenduskaabel
• vajalikud juhtmed
• kaasaskantav kohver

Riistvara

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

Kontrollermoodul

Kodulabori keskseks mooduliks on mikrontrollerit ATxmega128A1U sisaldav arendusplaat. Komplektil käivitatava programmi laadib kasutaja USB-liidese kaudu mikrokontrolleri programmimällu (välkmälu), kust kontroller seda käivitada oskab. Seejärel juhitakse vastavalt programmile mikrokontrolleri väljaviikude olekuid ning seeläbi nende külge ühendatud teisi Kodulabori mooduleid või kontrollermoodulis paiknevaid vahendeid.

Kontrollermooduli komponendid:

• AVR ATxmega128A1U mikrokontroller
• mikro-SD-mälukaardi pesa
• programmeeritav olekut näitav valgusdiood
• toite olemasolu näitav valgusdiood
• programmeeritav mittefikseeruv lüliti
• taaskäivituslüliti
• grupeeritud mikrokontrolleri väljaviigud teiste moodulite ühendamiseks
• 2,1 mm toitepistiku pesa
• pingestabilisaator

Kasutajaliidese moodul

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

Kasutajaliidese mooduli komponendid:

• 3 × LED (roheline, kollane ja punane)
• 3 × mikrolüliti
• 7-segmendiline numberindikaator
• graafiline LCD (128×160 px, 24-bit RGB)
• kõlar
• potentsiomeeter
• fototakisti
• termistor
• mikrofon

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.

Kombomoodul

Kombomoodul on mõeldud väliste seadmete ühendamiseks Robootika Kodulabori komplektiga. Ühendatavad välised seadmed on tinglikult jaotatud kolme gruppi: andurid, mootorid ja kommunikatsiooniliidesed. Igal seadmegrupil on oma ühenduspistikute komplekt, mis on moodulis üksteisest eraldatud.

• mootorite draiverid
  • 4 × alalisvoolumootor
  • 1 × unipolaarne samm-mootor
  • 4 × servomootor
• andurite ühendused
  • 11 × analoog
  • 8 × digitaal
  • 4 × kooder
• juhtmevabade moodulite ühendus koos Bluetoothi-mooduliga
  • UART (3,3 V toitel)
  • Bluetooth / ZigBee / RFID / WiFi / GPS juhtmevaba side moodul

Standardlahendusena on Kombomoodulile paigaldatud Bluetooth BTBee Pro juhtmevaba side moodul.

Tarkvara

Robootika Kodulaboriga koos on välja töötatud 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 arendusprogrammil Eclipse 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 teoreetilist materjali, õppevideoid ja enesekontrolliks veebipõhiseid teste.

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. Praegu 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 lõid õpilased digitaalseid tehaseid.

Kodulaborit on kasutanud nt Kuressaare Gümnaasium võistlusel Robotex.

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")