Sensoren und Aktoren verstehen - Robotik - Informatik und Medienbildung

Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 5-6, G-Niveau

Einleitung

Ein Roboter kann seine Umgebung wahrnehmen und etwas tun. Dafür braucht er Sensoren und Aktoren.

Sensoren sammeln Informationen. Aktoren führen eine Aktion aus.

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Das lernst Du

1. Sensor: Du erkennst verschiedene Sensoren.
2. Aktor: Du erkennst verschiedene Aktoren.
3. EVA-Prinzip: Du verstehst den Weg von der Eingabe zur Ausgabe.
4. Programmierung: Du kannst einfache Regeln für einen Roboter planen.

Der Roboter als Team

Ein Roboter arbeitet mit mehreren Teilen:

1. Sensoren sind wie Augen, Ohren oder Haut.
2. Das Programm entscheidet.
3. Aktoren sind wie Muskeln.

Merksatz: Der Sensor misst. Das Programm entscheidet. Der Aktor handelt.

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Sensoren: Der Roboter nimmt etwas wahr

Ein Sensor misst etwas aus der Umgebung.

1. Ein Tastsensor merkt einen Druck.
2. Ein Farbsensor erkennt Farben oder Helligkeit.
3. Ein Ultraschallsensor misst einen Abstand.
4. Ein Mikrofon nimmt Schall wahr.
5. Eine Kamera nimmt Bilder auf.

Tastsensor: Er merkt, ob er gedrückt wird.

Farbsensor: Er erkennt Farben und Helligkeit.

Ultraschallsensor: Er kann den Abstand zu einem Hindernis messen.

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Aktoren: Der Roboter tut etwas

Ein Aktor setzt einen Befehl in eine Wirkung um.

1. Ein Elektromotor bewegt Räder oder Arme.
2. Eine Leuchtdiode erzeugt Licht.
3. Ein Lautsprecher erzeugt Töne.
4. Ein Greifer hält einen Gegenstand fest.
5. Ein Display zeigt Zeichen oder Bilder.

Motor: Er erzeugt Bewegung.

Servomotor: Er kann sich gezielt in eine bestimmte Stellung drehen.

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Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe

Viele Roboter arbeiten nach dem EVA-Prinzip:

Schritt	Teil	Beispiel
Eingabe	Sensor	Ein Abstandssensor erkennt eine Wand.
Verarbeitung	Programm	Das Programm prüft: Ist die Wand zu nah?
Ausgabe	Aktor	Die Motoren stoppen und drehen den Roboter.

Kurzform: Umgebung → Sensor → Programm → Aktor → Wirkung

Beispiel: Ein Roboter fährt zur Wand

1. Der Abstandssensor misst den Abstand.
2. Das Programm vergleicht den Wert mit einer Grenze.
3. Ist die Wand nah, stoppen die Motoren.
4. Danach dreht der Roboter ab.

Das ist eine einfache Wenn-dann-Regel:

Wenn der Abstand klein ist, dann stoppe und drehe.

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Sensor oder Aktor?

Bauteil	Sensor oder Aktor?	Aufgabe
Taster	Sensor	Er erkennt Druck.
Farbsensor	Sensor	Er erkennt Farbe oder Licht.
Abstandssensor	Sensor	Er misst einen Abstand.
Motor	Aktor	Er bewegt etwas.
Lampe	Aktor	Sie leuchtet.
Lautsprecher	Aktor	Er erzeugt einen Ton.

Roboter im Alltag

Sensoren und Aktoren findest Du an vielen Orten:

1. Ein Staubsaugerroboter erkennt Hindernisse und bewegt seine Räder.
2. Eine automatische Tür erkennt Menschen und öffnet sich.
3. Ein Roboterarm erkennt Teile und bewegt einen Greifer.
4. Eine Ampelsteuerung kann einen Taster lesen und Lampen schalten.

Sicher arbeiten

1. Berühre keine beweglichen Teile.
2. Starte Motoren zuerst langsam.
3. Lege lange Haare und lose Kleidung nicht an den Roboter.
4. Frage vor Aufnahmen mit Kamera oder Mikrofon nach Erlaubnis.
5. Stoppe das Programm, wenn etwas nicht richtig funktioniert.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Was macht ein Sensor? (Er sammelt Informationen aus der Umgebung.) (!Er bewegt immer ein Rad.) (!Er schreibt ein Programm.) (!Er lädt den Akku.)

Was macht ein Aktor? (Er führt eine Aktion aus.) (!Er misst nur die Temperatur.) (!Er speichert nur Bilder.) (!Er schreibt selbstständig Regeln.)

Welches Bauteil ist ein Sensor? (Taster) (!Motor) (!Lampe) (!Lautsprecher)

Welches Bauteil ist ein Aktor? (Motor) (!Farbsensor) (!Abstandssensor) (!Mikrofon)

Was kann ein Farbsensor erkennen? (Farben und Helligkeit) (!Nur Töne) (!Nur Bewegungen des Motors) (!Nur die Akkuladung)

Was misst ein Abstandssensor? (Den Abstand zu einem Gegenstand) (!Die Farbe eines Gegenstands) (!Die Lautstärke eines Motors) (!Die Länge des Programms)

Was kommt beim EVA-Prinzip zuerst? (Eingabe) (!Ausgabe) (!Motorbewegung) (!Lautsprecherklang)

Was entscheidet bei einem einfachen Roboter über die Aktion? (Das Programm) (!Das Rad) (!Das Gehäuse) (!Das Kabel allein)

Welche Regel passt zu einem Hindernisroboter? (Wenn die Wand nah ist, dann stoppe.) (!Wenn die Wand nah ist, dann fahre schneller.) (!Wenn der Motor dreht, dann lösche das Programm.) (!Wenn das Licht hell ist, dann trenne alle Kabel.)

Warum soll ein Roboter zuerst langsam getestet werden? (Damit Fehler weniger gefährlich sind.) (!Damit Sensoren verschwinden.) (!Damit das Programm länger wird.) (!Damit keine Daten gemessen werden.)

Memory

Sensor	nimmt Informationen auf
Aktor	führt eine Aktion aus
Taster	erkennt Druck
Farbsensor	erkennt Farben
Abstandssensor	misst Entfernung
Motor	erzeugt Bewegung
Lautsprecher	erzeugt einen Ton

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Aufgabe
Tastsensor	erkennt einen Druck
Farbsensor	erkennt eine Farbe
Abstandssensor	misst eine Entfernung
Motor	bewegt ein Rad
Lautsprecher	erzeugt einen Ton

Kreuzworträtsel

Sensor	Welches Bauteil nimmt Informationen aus der Umgebung auf?
Aktor	Welches Bauteil führt eine Aktion aus?
Motor	Welcher Aktor erzeugt eine Bewegung?
Taster	Welcher Sensor erkennt einen Druck?
Kamera	Welcher Sensor nimmt Bilder auf?
Programm	Was entscheidet über die Reaktion des Roboters?

Lückentext

Vervollständige den Text.

Ein Roboter nimmt seine Umgebung mit einem wahr. Ein Taster erkennt einen . Ein Farbsensor kann Farben und erkennen. Ein Abstandssensor misst die zu einem Gegenstand. Ein führt eine Aktion aus. Ein Motor erzeugt eine . Das entscheidet über die Reaktion. Beim EVA-Prinzip folgt auf die Verarbeitung die .

Offene Aufgaben

Leicht

1. Sensorensuche: Suche im Klassenraum fünf Geräte mit Sensoren. Notiere, was sie wahrnehmen.
2. Aktoren-Pantomime: Stelle einen Motor, eine Lampe und einen Lautsprecher ohne Worte dar.
3. Roboterzeichnung: Zeichne einen Roboter. Markiere zwei Sensoren und zwei Aktoren.
4. Wenn-dann-Regel: Schreibe drei einfache Regeln für einen Roboter.

Standard

1. Roboter-Modell: Baue aus Papier oder Bausteinen einen Roboter. Beschrifte Sensoren und Aktoren.
2. EVA-Plakat: Erstelle ein Plakat mit Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
3. Reaktionstest: Plane einen Roboter, der bei Dunkelheit ein Licht einschaltet.
4. Erklärvideo: Drehe ein kurzes Video. Erkläre darin den Unterschied zwischen Sensor und Aktor.

Schwer

1. Hindernisroboter: Plane ein Programm, das ein Hindernis erkennt, stoppt und abdreht.
2. Roboter-Challenge: Baue oder simuliere einen Roboter mit mindestens zwei Sensoren und zwei Aktoren.
3. Fehlersuche: Erfinde drei Fehler in einem Robotersystem und erkläre passende Lösungen.
4. Datenschutz in der Robotik: Untersuche, welche Daten Kamera und Mikrofon sammeln können. Formuliere vier Schutzregeln.

Lernkontrolle

1. Transfer: Automatische Tür: Erkläre die Kette von Sensor, Programm und Aktor bei einer automatischen Tür.
2. Planung: Nachtlicht: Plane ein Nachtlicht, das nur im Dunkeln leuchtet. Nenne Eingabe, Regel und Ausgabe.
3. Vergleich: Mensch und Roboter: Vergleiche Auge, Gehirn und Muskel mit Sensor, Programm und Aktor.
4. Fehleranalyse: Roboter stoppt nicht: Nenne drei mögliche Ursachen und beschreibe, wie Du sie prüfst.
5. Entscheidung: Passender Sensor: Wähle für einen Linienroboter einen passenden Sensor. Begründe Deine Wahl.
6. Sicherheit: Roboterarm: Entwickle Regeln für einen sicheren Test mit einem beweglichen Roboterarm.

Lernnachweis

Für Deinen Lernnachweis solltest Du:

1. den Unterschied zwischen Sensor und Aktor erklären,
2. mindestens drei Sensoren und drei Aktoren richtig zuordnen,
3. das EVA-Prinzip an einem Beispiel zeigen,
4. eine passende Wenn-dann-Regel schreiben,
5. ein einfaches Robotersystem planen,
6. Sicherheits- und Datenschutzregeln beachten.

OERs zum Thema

Wikipedia: Robotik

Wikipedia: Sensor

Wikipedia: Aktor

Links

Sensoren und Aktoren verstehen - Robotik - Informatik und Medienbildung Robotik Sensor Aktor EVA-Prinzip Programmierung Tastsensor Farbsensor Ultraschallsensor Elektromotor Leuchtdiode Datenschutz