Sensoren und Aktoren verstehen - Robotik - Informatik und Medienbildung
Sensoren und Aktoren verstehen - Robotik - Informatik und Medienbildung
Sensoren und Aktoren verstehen - Robotik - Informatik und Medienbildung
Einleitung
Ein Roboter kann seine Umgebung wahrnehmen und etwas tun. Dafür braucht er Sensoren und Aktoren.
Sensoren sammeln Informationen. Aktoren führen eine Aktion aus.
Das lernst Du
- Sensor: Du erkennst verschiedene Sensoren.
- Aktor: Du erkennst verschiedene Aktoren.
- EVA-Prinzip: Du verstehst den Weg von der Eingabe zur Ausgabe.
- Programmierung: Du kannst einfache Regeln für einen Roboter planen.
Der Roboter als Team
Ein Roboter arbeitet mit mehreren Teilen:
- Sensoren sind wie Augen, Ohren oder Haut.
- Das Programm entscheidet.
- Aktoren sind wie Muskeln.
Merksatz: Der Sensor misst. Das Programm entscheidet. Der Aktor handelt.
Sensoren: Der Roboter nimmt etwas wahr
Ein Sensor misst etwas aus der Umgebung.
- Ein Tastsensor merkt einen Druck.
- Ein Farbsensor erkennt Farben oder Helligkeit.
- Ein Ultraschallsensor misst einen Abstand.
- Ein Mikrofon nimmt Schall wahr.
- 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.
Aktoren: Der Roboter tut etwas
Ein Aktor setzt einen Befehl in eine Wirkung um.
- Ein Elektromotor bewegt Räder oder Arme.
- Eine Leuchtdiode erzeugt Licht.
- Ein Lautsprecher erzeugt Töne.
- Ein Greifer hält einen Gegenstand fest.
- Ein Display zeigt Zeichen oder Bilder.
Motor: Er erzeugt Bewegung.
Servomotor: Er kann sich gezielt in eine bestimmte Stellung drehen.
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
- Der Abstandssensor misst den Abstand.
- Das Programm vergleicht den Wert mit einer Grenze.
- Ist die Wand nah, stoppen die Motoren.
- Danach dreht der Roboter ab.
Das ist eine einfache Wenn-dann-Regel:
Wenn der Abstand klein ist, dann stoppe und drehe.
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:
- Ein Staubsaugerroboter erkennt Hindernisse und bewegt seine Räder.
- Eine automatische Tür erkennt Menschen und öffnet sich.
- Ein Roboterarm erkennt Teile und bewegt einen Greifer.
- Eine Ampelsteuerung kann einen Taster lesen und Lampen schalten.
Sicher arbeiten
- Berühre keine beweglichen Teile.
- Starte Motoren zuerst langsam.
- Lege lange Haare und lose Kleidung nicht an den Roboter.
- Frage vor Aufnahmen mit Kamera oder Mikrofon nach Erlaubnis.
- 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? |
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Lückentext
Offene Aufgaben
Leicht
- Sensorensuche: Suche im Klassenraum fünf Geräte mit Sensoren. Notiere, was sie wahrnehmen.
- Aktoren-Pantomime: Stelle einen Motor, eine Lampe und einen Lautsprecher ohne Worte dar.
- Roboterzeichnung: Zeichne einen Roboter. Markiere zwei Sensoren und zwei Aktoren.
- Wenn-dann-Regel: Schreibe drei einfache Regeln für einen Roboter.
Standard
- Roboter-Modell: Baue aus Papier oder Bausteinen einen Roboter. Beschrifte Sensoren und Aktoren.
- EVA-Plakat: Erstelle ein Plakat mit Eingabe, Verarbeitung und Ausgabe.
- Reaktionstest: Plane einen Roboter, der bei Dunkelheit ein Licht einschaltet.
- Erklärvideo: Drehe ein kurzes Video. Erkläre darin den Unterschied zwischen Sensor und Aktor.
Schwer
- Hindernisroboter: Plane ein Programm, das ein Hindernis erkennt, stoppt und abdreht.
- Roboter-Challenge: Baue oder simuliere einen Roboter mit mindestens zwei Sensoren und zwei Aktoren.
- Fehlersuche: Erfinde drei Fehler in einem Robotersystem und erkläre passende Lösungen.
- Datenschutz in der Robotik: Untersuche, welche Daten Kamera und Mikrofon sammeln können. Formuliere vier Schutzregeln.
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Lernkontrolle
- Transfer: Automatische Tür: Erkläre die Kette von Sensor, Programm und Aktor bei einer automatischen Tür.
- Planung: Nachtlicht: Plane ein Nachtlicht, das nur im Dunkeln leuchtet. Nenne Eingabe, Regel und Ausgabe.
- Vergleich: Mensch und Roboter: Vergleiche Auge, Gehirn und Muskel mit Sensor, Programm und Aktor.
- Fehleranalyse: Roboter stoppt nicht: Nenne drei mögliche Ursachen und beschreibe, wie Du sie prüfst.
- Entscheidung: Passender Sensor: Wähle für einen Linienroboter einen passenden Sensor. Begründe Deine Wahl.
- Sicherheit: Roboterarm: Entwickle Regeln für einen sicheren Test mit einem beweglichen Roboterarm.
Lernnachweis
Für Deinen Lernnachweis solltest Du:
- den Unterschied zwischen Sensor und Aktor erklären,
- mindestens drei Sensoren und drei Aktoren richtig zuordnen,
- das EVA-Prinzip an einem Beispiel zeigen,
- eine passende Wenn-dann-Regel schreiben,
- ein einfaches Robotersystem planen,
- Sicherheits- und Datenschutzregeln beachten.
OERs zum Thema
Wikipedia: Robotik
Wikipedia: Sensor
Wikipedia: Aktor
Links
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