3. Εκπαιδευτική Ρομποτική

Σύμφωνα με το Βιβλίο Μαθητή Γ' Γυμνασίου (ΙΕΠ) και το επίσημο Ψηφιακό Αποθετήριο Υλικού του ΙΕΠ, το αντικείμενο αυτό συνδυάζει την Πληροφορική, τη Μηχανική και τα Μαθηματικά (STEM). Στόχος είναι οι μαθητές να κατανοήσουν πώς ο κώδικας αλληλεπιδρά με τον φυσικό κόσμο, μετατρέποντας τις αφηρημένες εντολές σε κίνηση, φως και μέτρηση μεγεθών.

Οι δραστηριότητες μπορούν να υλοποιηθούν με τα διαθέσιμα κιτ του εργαστηρίου (π.χ. Arduino, BBC micro:bit, LEGO Spike/Mindstorms) ή μέσω εξομοιωτών (π.χ. Tinkercad, Open Roberta).

—

Ένα ρομπότ είναι μια προγραμματιζόμενη συσκευή που μπορεί να αντιλαμβάνεται το περιβάλλον του, να επεξεργάζεται τις πληροφορίες και να ενεργεί πάνω σε αυτό. Κάθε ρομποτική διάταξη βασίζεται στο τριμερές μοντέλο: Είσοδος (Αισθητήρες) –> Επεξεργασία (Μικροελεγκτής) –> Έξοδος (Ενεργοποιητές)

• Μικροελεγκτής (Microcontroller): Είναι ο “εγκέφαλος” του ρομπότ (π.χ. η πλακέτα Arduino ή micro:bit). Εκτελεί τον κώδικα που γράφουμε και ελέγχει τα υπόλοιπα εξαρτήματα.
• Αισθητήρες (Sensors): Είναι οι “αισθήσεις” του ρομπότ. Συλλέγουν δεδομένα από το περιβάλλον (π.χ. αισθητήρας φωτός, υπερήχων για απόσταση, θερμοκρασίας, κίνησης).
• Ενεργοποιητές / Έξοδοι (Actuators): Είναι τα εξαρτήματα με τα οποία το ρομπότ δρα στον κόσμο (π.χ. κινητήρες για να κινηθεί, LED για να φωτίσει, βομβητές-buzzers για να βγάλει ήχο).

Για τη σωστή σύνδεση και τον προγραμματισμό των εξαρτημάτων, διακρίνουμε δύο είδη σημάτων:

• Ψηφιακό Σήμα (Digital): Παίρνει μόνο δύο τιμές: 0 ή 1 (OFF ή ON / False ή True). Παράδειγμα: Ένα απλό LED (ανάβει/σβήνει) ή ένα κουμπί (πατημένο/όχι).
• Αναλογικό Σήμα (Analog): Παίρνει ένα συνεχές εύρος τιμών. Παράδειγμα: Η ένταση του φωτός στο δωμάτιο (από το απόλυτο σκοτάδι μέχρι το λαμπερό φως) ή η ακριβής απόσταση από έναν τοίχο σε εκατοστά.

—

Κατατάξτε τα παρακάτω εξαρτήματα ενός ρομπότ στην κατάλληλη κατηγορία (Είσοδος ή Έξοδος):

• Ηλεκτρικός Κινητήρας (Motor)
• Αισθητήρας Υπερήχων (Ultrasonic Sensor)
• Φωτοαντίσταση (LDR / Αισθητήρας Φωτός)
• Ηχείο / Βομβητής (Buzzer)
• Οθόνη LCD

Χαρακτηρίστε τις παρακάτω μετρήσεις ή καταστάσεις ως Ψηφιακές (D) ή Αναλογικές (A):

• Η κατάσταση ενός διακόπτη τοίχου (Ανοιχτός / Κλειστός).
• Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος σε βαθμούς Κελσίου.
• Το αν ένα ρομπότ βρήκε εμπόδιο (Ναι / Όχι).
• Η ταχύτητα περιστροφής ενός τροχού.

Ποιος είναι ο ρόλος του μικροελεγκτή σε μια ρομποτική κατασκευή και τι διαφορά έχει από έναν κοινό επιτραπέζιο υπολογιστή (PC);

Αναφέρετε δύο (2) παραδείγματα ρομποτικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται στην καθημερινή ζωή ή στη βιομηχανία και περιγράψτε σύντομα τη χρησιμότητά τους.

Θέλουμε να κατασκευάσουμε ένα έξυπνο σύστημα που ανάβει τα φώτα της αυλής αυτόματα μόλις νυχτώσει. Ποιον αισθητήρα πρέπει οπωσδήποτε να συμπεριλάβουμε στην κατασκευή μας;

—

Γράψτε σε απλά ελληνικά (ψευδοκώδικα) τον αλγόριθμο για ένα ρομπότ-αυτοκινητάκι που κινείται συνεχώς μπροστά, αλλά αν ο αισθητήρας απόστασης ανιχνεύσει εμπόδιο σε απόσταση μικρότερη από 20 εκατοστά, πρέπει να σταματήσει και να στρίψει δεξιά.

Στον προγραμματισμό ρομπότ χρησιμοποιούμε σχεδόν πάντα μια δομή ατέρμονης επανάληψης (π.χ. while True: στην Python). Γιατί είναι απαραίτητο αυτό; Τι θα συνέβαινε αν δεν τη βάζαμε;

Ένα ρομπότ διαθέτει δύο κινητήρες (Δεξί και Αριστερό) για να κινείται. Περιγράψτε πώς πρέπει να δουλέψουν οι κινητήρες (μπροστά, πίσω ή σταματημένοι) ώστε το ρομπότ:

1. Να στρίψει επιτόπου προς τα αριστερά.
2. Να κινηθεί προς τα πίσω.

Ένας μαθητής έγραψε τον εξής αλγόριθμο για ένα έξυπνο φανάρι:

Αν το κουμπί πεζών πατηθεί:
    Άναψε το πράσινο φανάρι πεζών
Σβήσε το πράσινο φανάρι πεζών

Γιατί το φανάρι δεν θα λειτουργήσει σωστά για τους πεζούς; Τι ξέχασε να βάλει ο μαθητής;

Μια φωτοαντίσταση επιστρέφει τιμές από 0 (απόλυτο σκοτάδι) έως 1023 (έντονο φως). Θέλουμε να ορίσουμε μια τιμή-κατώφλι (threshold) για να καταλάβει το ρομπότ ότι “νύχτωσε”. Ποια τιμή από τις παρακάτω είναι η πιο λογική και γιατί; (100, 500, 950).

—

Περιγράψτε πώς μπορείτε να συνδυάσετε έναν αισθητήρα κίνησης (PIR) και έναν βομβητή (Buzzer) για να φτιάξετε έναν απλό σχολικό συναγερμό. Ποια θα είναι η συνθήκη if στον κώδικά σας;

Σχεδιάζουμε έναν υαλοκαθαριστήρα αυτοκινήτου που ενεργοποιείται μόνος του.

• Ποιον αισθητήρα χρειάζεται;
• Ποιο εξάρτημα εξόδου θα κινήσει τον υαλοκαθαριστήρα;

Σε έναν κώδικα που αναβοσβήνει ένα LED, γράφουμε: Άναψε LED, Καθυστέρηση 1 δευτερόλεπτο, Σβήσε LED, Καθυστέρηση 1 δευτερόλεπτο. Αν αφαιρέσουμε εντελώς τις εντολές καθυστέρησης, τι θα βλέπει το ανθρώπινο μάτι και γιατί;

Στο εργαστήριο, το ρομπότ σας ενώ κινείται, “τρακάρει” πάνω σε έναν διαφανή γυάλινο τοίχο, παρόλο που διαθέτει αισθητήρα υπερήχων για την απόσταση. Γιατί ο αισθητήρας απέτυχε να δει το εμπόδιο; (Σκεφτείτε πώς λειτουργεί το κύμα του ήχου).

Θέλουμε να αυτοματοποιήσουμε ένα μικρό θερμοκήπιο. Διαθέτουμε αισθητήρα υγρασίας εδάφους και μια μικρή αντλία νερού (κινητήρας). Περιγράψτε τη λογική του προγράμματος που θα αποφασίζει πότε πρέπει να ποτίζεται το φυτό.

—

Τα ρομπότ που ακολουθούν μια μαύρη γραμμή στο πάτωμα χρησιμοποιούν αισθητήρες υπερύθρων (IR) στραμμένους προς τα κάτω. Πώς καταλαβαίνει ο αισθητήρας τη διαφορά ανάμεσα στο άσπρο δάπεδο και τη μαύρη γραμμή;

Σχεδιάστε (ονομαστικά) έναν κάδο απορριμμάτων που ανοίγει το καπάκι του αυτόματα μόλις πλησιάσει το χέρι μας και βγάζει έναν προειδοποιητικό ήχο αν γεμίσει. Ποιους αισθητήρες και ποιους ενεργοποιητές θα χρησιμοποιήσετε;

Το ρομπότ σας σταματάει να λειτουργεί σωστά ή κάνει συνεχώς επανεκκινήσεις (resets) μόλις παίρνουν μπρος οι κινητήρες του, παρόλο που ο κώδικας είναι 100% σωστός. Τι είδους πρόβλημα υποδηλώνει αυτό;

Τι σημαίνει ο όρος “βαθμονόμηση” (calibration) ενός αισθητήρα στη ρομποτική και γιατί πρέπει να την κάνουμε όταν αλλάζουν οι συνθήκες του περιβάλλοντος (π.χ. μεταφορά του ρομπότ από ένα σκοτεινό σε ένα πολύ φωτεινό δωμάτιο);

Σας ανατίθεται να σχεδιάσετε ένα σύστημα για μια διάβαση πεζών που θα βοηθά άτομα με προβλήματα όρασης. Το σύστημα πρέπει να καταλαβαίνει πότε πλησιάζει πεζός και να παράγει διαφορετικούς ήχους (γρήγορους/αργούς) ανάλογα με το αν το φανάρι είναι πράσινο ή κόκκινο. Περιγράψτε τη ροή λειτουργίας και τα εξαρτήματα που θα επιλέγατε.

—

Η φιλοσοφία των 3 Ρόλων: Όταν οι μαθητές εργάζονται σε ομάδες για τη ρομποτική, χωρίστε τους ρόλους αυστηρά:
1. Ο Μηχανικός: Συναρμολογεί και ελέγχει τις καλωδιώσεις.
2. Ο Προγραμματιστής: Γράφει τον κώδικα και κάνει το upload.
3. Ο Αναλυτής/Δοκιμαστής: Κρατάει σημειώσεις, ελέγχει τις μετρήσεις και κάνει το debugging.
Εναλλάσσετε τους ρόλους σε κάθε εργαστήριο ώστε όλοι οι μαθητές να περάσουν από όλα τα στάδια!

—

🧭 Διαχειριστής Υποδομής: Μακρυπόδης Διονύσιος, Καθηγητής Πληροφορικής & Διευθυντής 2ου Γυμνασίου Ναυπλίου