Maak een fabriekstransportsysteem

Voorbereiden
- Lees deze informatie voor jou als docent door.
- Als je denkt dat het nodig is, bereid dan een les voor met behulp van het ‘Aan de slag’-materiaal in de EV3 Labsoftware of EV3-programmeerapp. Daardoor raken je leerlingen vertrouwd met LEGO^® MINDSTORMS^® Education EV3.

Activeren (30 min.)
- Maak gebruik van de ideeën in het deel Start een gesprek hieronder om met je leerlingen een gesprek over dit project te voeren.
- Leg het project uit.
- Verdeel de klas in teams van twee leerlingen.
- Laat de leerlingen enige tijd brainstormen.

Onderzoeken (30 min.)
- Laat de leerlingen meerdere prototypes maken.
- Moedig ze aan om zowel het bouwen als het programmeren uit te proberen.
- Laat elk duo twee oplossingen bouwen en testen.

Uitleggen (60 min.)
- Vraag de leerlingen om hun oplossingen te testen en de beste te kiezen.
- Zorg ervoor dat ze hun eigen testtabellen kunnen maken.
- Geef de teams wat tijd om hun project af te ronden en om gegevens te verzamelen voor een verslag over hun werk.

Uitbreiden (60 min.)
- Geef de leerlingen wat tijd om hun definitieve verslag te maken.
- Organiseer een bespreekmoment waarin elk team zijn resultaten presenteert.

Evalueren
- Geef elke leerling feedback over zijn of haar prestaties.
- Je kunt gebruikmaken van de meegeleverde suggestie voor evaluatierubrieken om dit eenvoudiger te maken.

Via fabriekstransportsystemen worden allerlei materialen, van grondstoffen tot afgewerkte en verpakte producten, tussen verschillende locaties getransporteerd. De bekendste is de lopende band, maar er is een breed scala van transportsystemen ontwikkeld om allerlei soorten objecten efficiënt te kunnen verplaatsen.

Moedig een actief brainstormproces aan.

Vraag de leerlingen na te denken over deze vragen:

• Wat is een fabriekstransportsysteem en waar worden die gebruikt?
• Welk soort gemotoriseerd mechanisme kun je gebruiken om een bal te verplaatsen?
• Hoe kan het robotsysteem de bal voortbewegen en daar de controle over houden?
• Welke rol speelt de sensor? Hoe kun je meten hoe goed je robotsysteem werkt?

Moedig de leerlingen aan om hun eerste ideeën op te schrijven en uit te leggen waarom ze kiezen voor de oplossing die ze voor hun eerste prototype gaan gebruiken. Vraag ze om te beschrijven hoe ze hun ideeën tijdens het project gaan evalueren. Daardoor hebben ze achteraf specifieke informatie die ze kunnen gebruiken voor het evalueren van hun oplossing en om te kunnen beslissen of deze al dan niet efficiënt was.

Taaluitbreiding

Laat de leerlingen voor de ontwikkeling van hun taalvaardigheid:

Optie 1

• gebruikmaken van hun aantekeningen, schetsen, en/of foto's om hun ontwerpproces samen te vatten en een eindverslag te maken.
• een video maken, waarin hun ontwerpproces te volgen is, vanaf hun eerste ideeën tot het voltooide project.
• een presentatie maken over hun programma.
• een presentatie maken waarin zij hun project vergelijken met realistische toepassingen van soortgelijke systemen en waarin ze beschrijven welke nieuwe uitvindingen kunnen worden gedaan op basis van wat ze hebben gemaakt.

Optie 2
In deze les hebben je leerlingen ook een systeem ontwikkeld dat een bal over een pad kan bewegen en dat vergelijkbaar is met de systemen die tegenwoordig in productieprocessen worden gebruikt.

• Bedenk of de huidige productieactiviteiten worden beïnvloed door internetbeveiliging of interne gegevensbeveiliging en schrijf een beschrijvend verslag over moderne productieprocessen en het gebruik van cloudgegevens
• Beschrijf het gebruik van transportsystemen in fulfilmentcentra voor online verkoopactiviteiten
• Bespreek de voor- en nadelen van het opslaan van aankoopgegevens van consumenten in de cloud

Rekenuitbreiding

In deze les hebben je leerlingen een systeem ontwikkeld dat een bal over een pad kan bewegen en dat vergelijkbaar is met de systemen die tegenwoordig in productieprocessen worden gebruikt. In veel huidige productieprocessen is de productie en kwaliteitscontrole geautomatiseerd. Machine learning, een vorm van kunstmatige intelligentie, kan worden gebruikt om prestatiegegevens te analyseren en nieuwe procedures te genereren om de algehele prestaties en efficiëntie te verbeteren. Productietechnici doen dit door talloze datasets te verzamelen met informatie over de systeemprestaties en -efficiëntie. Deze datasets worden vervolgens geanalyseerd aan de hand van machine-learningalgoritmes zodat er beslissingen kunnen worden gemaakt waardoor de prestaties en efficiëntie verbeteren.

Laat de leerlingen voor de ontwikkeling van hun rekenvaardigheid en inzicht in productiegerelateerde onderwerpen, zoals kwaliteitscontrole en machine learning:

• hardware en software aan hun ontwerpen toevoegen om prestaties te meten en laat ze manieren bedenken om de prestaties van hun machine weer te geven aan de hand van kwantitatieve metingen

• kwantitatieve voorstellingen van ‘goed genoeg’ voor hun ontwerpen maken, waarbij ze rekening houden met het feit dat bij een kwaliteitscontrole en prestatieanalyse zowel machines als mensen moeten bepalen wat ‘goed genoeg’ is

• zo veel mogelijk variabelen noteren die in hun systemen van invloed kunnen zijn op de prestaties en efficiëntie, waarbij ze rekening houden met het feit dat machine learning ideaal is voor het analyseren van talloze datasets en het vaststellen van complexe verbanden tussen machinegegevens (zoals de stappen die zijn gevolgd) en de prestaties.

Bouwideeën
Geef de leerlingen de gelegenheid om enkele voorbeelden te bouwen die via onderstaande links te vinden zijn. Moedig ze aan om te onderzoeken hoe deze systemen werken en te brainstormen hoe deze systemen kunnen bijdragen aan een oplossing voor het ontwerpplan.

• Balsteun 1
• Greep
• Kleursensor 2
• Grijper
• Helling
• Wip
• Tracks
• Draaischijf

Tips voor het testen
Moedig de leerlingen aan om een eigen testopstelling en testprocedure te ontwerpen om de beste oplossing te kunnen selecteren. Deze tips kunnen de leerlingen helpen bij het opzetten van hun test:

• Maak testtabellen om je waarnemingen in te noteren.
• Beoordeel de precisie van het robotsysteem door de verwachte resultaten met de daadwerkelijke resultaten te vergelijken.
• Herhaal de test minstens drie keer.

Voorbeeldoplossing
Hieronder vind je een voorbeeldoplossing die voldoet aan de criteria uit het Ontwerpplan:

EV3 MicroPython Voorbeeldprogramma

#!/usr/bin/env pybricks-micropython

from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import Motor, TouchSensor, ColorSensor
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, SoundFile
from pybricks.tools import wait
from random import randint

# Configure the belt motor, which drives the conveyor belt.  Set the
# motor direction to counterclockwise, so that positive speed values
# make the conveyor move upward.
belt_motor = Motor(Port.A, Direction.COUNTERCLOCKWISE)

# Configure the "catch" motor with default settings.  This motor moves
# the ball to either cup.
catch_motor = Motor(Port.D)

# Set up the Color Sensor.  It is used in Reflected Light Intensity
# Mode to detect when the ball is placed at the bottom of the conveyor
# belt.
color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

# Set up the Touch Sensor.  It is used to detect when the ball reaches
# the catch at the end of the ramp.
touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

# Initialize the conveyor belt.  This is done by slowly running the
# motor backward until it stalls.  This means that it cannot move any
# further.  Then it resets the angle to "0."  This means that when it
# rotates backward to "0" later on, it returns to this starting
# position.
belt_motor.run_until_stalled(-300, Stop.BRAKE, 30)
belt_motor.reset_angle(0)

# This is the main part of the program.  It is a loop that repeats
# endlessly.
#
# First, it waits until the ball is placed on the conveyor belt.
# Second, the ball is moved upward until it reaches the ramp where it
# rolls down to the catch.
# Finally, the ball is moved to the left or the right cup, or an error
# sound is made, chosen at random.
#
# Then the process starts over.  The ball can be placed at the
# beginning of the conveyor belt again.
while True:

    # Wait until the ball is placed in front of the Color Sensor.
    while color_sensor.reflection() < 5:
        wait(10)
    wait(500)
    
    # Move the ball up on the conveyor belt.
    belt_motor.run_target(250, 450, Stop.COAST, False)

    # Wait until the ball hits the Touch Sensor at the catch at the end
    # of the ramp.
    while not touch_sensor.pressed():
        wait(10)
    
    # Generate a random integer between "-1" and "1" to determine what
    # to do with the ball.
    catch_command = randint(-1, 1)

    # If it generates a "1," change the light to green and move the
    # ball to the right cup.
    if catch_command == 1:
        brick.light(Color.GREEN)
        catch_motor.run_target(400, -20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # If it generates a "0," change the light to orange and move the
    # ball to the left cup.
    elif catch_command == 0:
        brick.light(Color.ORANGE)
        catch_motor.run_target(400, 20)
        wait(1000)
        catch_motor.run_target(400, 0, Stop.HOLD)
    # Otherwise, change the light to red and play an error sound.
    else:
        brick.light(Color.RED)
        brick.sound.file(SoundFile.RATCHET)
        wait(1000)
    
    # Return the conveyor belt to its starting position.
    belt_motor.run_target(250, 0)

Leerlingen die deze les leuk vonden, zijn misschien geïnteresseerd in een van de studierichtingen:

• Productie en techniek (machinetechnologie)
• Wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (techniek en technologie)

Observatiechecklist docent
Maak naar eigen inzicht een schaalverdeling, bijvoorbeeld:

1. Gedeeltelijk uitgevoerd
2. Volledig uitgevoerd
3. Boven verwachting uitgevoerd

Gebruik de volgende criteria om de voortgang van je leerlingen te beoordelen:

• Leerlingen kunnen verschillende ontwerpoplossingen beoordelen aan de hand van welke criteria het zwaarst moeten wegen en welke voor- en nadelen ze bieden.
• Leerlingen kunnen zelfstandig een werkende en creatieve oplossing ontwikkelen.
• Leerlingen kunnen hun ideeën duidelijk communiceren.

Zelfevaluatie
Geef de leerlingen de tijd om over hun oplossingen na te denken als ze eenmaal een aantal gegevens over de prestaties van hun oplossingen hebben verzameld. Help ze daarbij door vragen te stellen als:

• Voldoet jullie oplossing aan de criteria uit het Ontwerpplan?
• Is het mogelijk het robotsysteem nauwkeuriger te laten bewegen?
• Welke oplossingen hebben anderen gebruikt?

Vraag de leerlingen om te brainstormen en twee manieren op te schrijven waarmee ze hun oplossingen zouden kunnen verbeteren.

Feedback van elkaar
Laat leerlingen elkaars werk evalueren en maak elk team verantwoordelijk voor de evaluatie van zowel hun eigen project als het project van anderen. Dit evaluatieproces kan de leerlingen helpen bij het ontwikkelen van vaardigheden voor het geven van opbouwende kritiek en bij het verbeteren van hun analysevaardigheden en het gebruik van objectieve gegevens ter ondersteuning van een argument.