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.

Viited

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")

Robootika
Eesti teadus