Oddaljeni laboratorij za poučevanje mehatronike

Oddaljeni laboratorij za poučevanje mehatronike

Pri izobraževanju na področju tehnike je treba učečim se zraven pridobivanja teoretičnih znanj omogočiti tudi pridobivanje praktičnih znanj in spretnosti pri delu z napravami. Praktični del izobraževanja zahteva prisotnost uporabnika v laboratoriju, kar je izvedljivo pri klasičnem poučevanju, ne pa tudi pri vedno bolj uveljavljenem učenju na daljavo. Zato se zmeraj pogosteje uporabljajo virtualni in oddaljeni laboratoriji.

Virtualni laboratoriji so simulacijska okolja, ki uporabniku omogočajo simulacijo različnih naprav in interaktivno izvajanje eksperimentov v tem okolju. Kljub temu da so virtualni laboratoriji zasnovani tako, da ponujajo kar najboljši posnetek dejanskih naprav in okolja (na primer simulatorji letenja), pa v nobenem primeru ne morejo verodostojno zajeti vseh vidikov resničnih naprav oziroma vseh fi zikalnih pojavov. Zato so veliko boljša izbira oddaljeni laboratoriji, ki po spletu omogočajo delo na resničnih napravah. Taki laboratoriji so še razmeroma redki, saj sta njihova postavitev in vzdrževanje tako s tehničnega kot tudi pedagoškega vidika zelo zahtevna.

V okviru MeRLab, dela evropskega projekta Leonardo da Vinci, je bil na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru vzpostavljen inovativen oddaljeni laboratorij za mehatroniko. Gre za prvi oddaljeni laboratorij na področju tehnike v Sloveniji, ki uporabniku ponuja celovit pristop pri oddaljenemu poučevanju mehatronike z več različnimi tečaji, deluje pa v urejenem, uporabniku prijaznem okolju. Laboratorij je dostopen na spletni strani http://remotelab.ro.feri. uni-mb.si (Slika 1), uporablja se zlasti v rednem učnem procesu, na razpolago pa bo tudi uporabnikom, ki se bodo v okviru projekta MeRLab udeležili usposabljanja na področju mehatronike.

Organizacija oddaljenega laboratorija

Oddaljeni laboratorij je izgrajen v okolju Moodle, ki je svetovno znano okolje za spletno podajanje učnih vsebin, saj je uporabljeno že na več kot 45.000 spletnih straneh (http://moodle.org/stats/). Tudi pri nas se število uporabnikov hitro veča, tako da trenutno zajema posamezne institucije že v celotni verigi izobraževanja, od osnovnih šol do fakultet. Glavne prednosti okolja Moodle so, da omogoča podajanje učnih vsebin v sodobni obliki, torej z vključitvijo multimedijskih gradiv, preizkusov znanj, forumov in ostalih pripomočkov, ki so nujno potrebni pri učenju na daljavo, zelo dobrodošli pa so tudi pri klasičnem poučevanju. Prav tako omogoča enostavno upravljanje z uporabniki. Moodle je odprtokodni program, zato ga lahko uporabniki prilagodijo svojim potrebam in nadgradijo s svojimi aplikacijami. V primeru oddaljenega laboratorija je bila potrebna nadgradnja z rezervacijskim sistemom, ki omogoča, da si uporabnik vnaprej rezervira čas za izvajanje oddaljenega eksperimenta.

Na začetni spletni strani laboratorija so osnovne informacije o laboratoriju, splošni napotki za njegovo uporabo, programskaoprema, ki omogoča izvajanje oddaljenih eksperimentov in si jo uporabniki lahko naložijo, ter nekaj bolj tehničnih informacij o delovanju laboratorija. Prav tako je na voljo povezava do navodil za kreiranje uporabniškega imena, ki omogoča prav vsem obiskovalcem dostop do laboratorija.

Po prijavi ima uporabnik na razpolago uvodni del in štiri tečaje z oddaljenimi eksperimenti. Za vsak tečaj je na voljo dokumentacija v slovenskem in angleškem jeziku. Dokumentacija zajema osnovne informacije, kot so opis tečaja, ciljne skupine, priporočeno predznanje in učni cilji. Nato so podane celotne učne vsebine z vprašanji za preverjanje znanja, dopolnjene z računskimi in eksperimentalnimi nalogami. Na strani so tudi simulacijski modeli, ki jih lahko izvajamo s programom MATLAB/ Simulink in si jih uporabnik prenese na svoj računalnik. Prav tako je na razpolago dokumentacija z navodili za izvajanje oddaljenih eksperimentov.

Tečaji obravnavajo različne teme s področja mehatronike in se nadgrajujejo tako po vsebini kot tudi po zahtevnostni stopnji. Časovna zahtevnost posameznih tečajev je različna, od nekaj ur za uvodni del do približno 40 ur za zadnji, najzahtevnejši tečaj.

Vsebina tečajev

V uvodnem delu z naslovom Uvod v mehatroniko je na kratko predstavljeno področje mehatronike. Opisan je razvoj od mehanskih sistemov do najnovejših mehatronskih naprav. Prikazana je struktura mehatronskih naprav, na kratko pa opisana tudi vloga posameznih elementov, ki običajno sestavljajo tako napravo.

Tečaj Servomotor v mehatroniki obravnava pogone v mehatronskih napravah. Opisu načina delovanja in konstrukcije enosmernega motorja sledi razlaga statičnih karakteristik motorja. Na konkretnem primeru so obravnavani podatki o motorjih, kot jih podajajo proizvajalci in na podlagi katerih načrtovalec naprave izbere primeren pogon za specifi čno aplikacijo. Sledita razlaga problema regulacije in opis nekaj najpogosteje uporabljanih regulatorjev pogonov v mehatroniki. Ker tečaj daje tudi razlago pojma regulacija in podaja osnove regulacijske tehnike, učeči se ne potrebuje predhodnega znanja s tega področja. Nato sta obravnavana krmiljenje enosmernega motorja ter hitrostno in položajno reguliran enosmerni motor oziroma servopogon. V teoriji obravnavan primer je podprt z oddaljenimi eksperimenti.

Tečaj Elektronska vezja obravnava osnovne elektronske elemente in elektronska vezja v mehatroniki ter orodja za njihovo analizo. Poudarek je na analognih fi ltrih, na kratko pa je razloženo tudi delovanje digitalnih fi ltrov. Razložen je pojem frekvenčna karakteristika in prikazano, kako se le-ta izračuna in uporablja. Praktično delo, ki poteka na oddaljenih eksperimentih, se izvaja na integriranih aktivnih analognih fi ltrih, ki delujejo po načelu preklapljajočih se kondenzatorjev.

Tečaj Mehatronske naprave obravnava kompleksnejše mehatronske naprave, torej naprave, v katerih so združeni vsi v prejšnjih tečajih obravnavani elementi, od pogonov do mehanskih in elektronskih elementov. Najprej so obravnavani mehanski elementi, kot so translacijski in rotacijski sklepi, ter elementi za prenos, kot so gonila in jermeni. Sledi obravnava izbire primernega pogona za posamezen mehanski sklop in delovno nalogo. Primer naprave je robot z dvema členkoma in konfi guracijo SCARA (Slika 2). Na tem primeru so razloženi pojmi, kot so konfi guracija, kinematika in dinamika mehanizma. Na robotu se izvajajo tudi oddaljeni eksperimenti.

Tečaj Vodenje nelinearnega mehanizma je zasnovan za zahtevnejše uporabnike, predvsem pa za študente mehatronike in avtomatike zadnjih letnikov, saj zahteva višjo raven predznanja kot ostali tečaji. Obravnavane teme so modeliranje dinamike, simulacije in položajna regulacija mehanizmov z nelinearno dinamiko, vključno z roboti. Kot primer je obravnavan mehanizem z vzmetjo (Slika 3), na katerem se izvajajo tudi oddaljeni eksperimenti. Ta tečaj se lahko izvede kot nadgradnja ostalih treh tečajev.

Način delovanja oddaljenega laboratorija

Oddaljeni laboratorij je postavljen na spletni strežnik, povezan z laboratorijskim računalnikom, na katerega sta za vsak eksperiment posebej priključena pripadajoča spletna kamera in regulacijski sistem DSP-2 z ustrezno eksperimentalno napravo (Slika 4).

Za izvajanje oddaljenih eksperimentov zadoščata osebni računalnik in povezava z internetom. Najprej si mora uporabnik na svoj računalnik namestiti dva programska paketa, ki ju lahko prenese s spletne strani oddaljenega laboratorija. Nato je treba v rezervacijski tabeli na spletni strani laboratorija rezervirati termin za izvajanje eksperimentov za vsak tečaj posebej (Slika 5).

Uporabnik lahko vnaprej rezervira samo en termin, rezervacija naslednjega pa je možna šele po izteku že rezerviranega termina. Ko je rezervacija veljavna, se s klikom na rezerviran termin v spletnem brskalniku na uporabnikovem računalniku odpre uporabniški vmesnik (Slika 6), s katerim je vzpostavljen nadzor nad napravo. Uporabniški vmesniki se za različne naprave nekoliko razlikujejo, vsi pa omogočajo preklapljanje med različnimi možnostmi, na primer uporaba različnih regulatorjev, meritev karakteristike različnih fi ltrov in med delovanjem obeh ali posamičnih osi robota. Za vsako izbrano možnost lahko uporabnik nastavlja parametre v nekih vnaprej določenih mejah, ki še zagotavljajo varno delovanje naprave. Odziv naprave je mogoče opazovati s signali, ki so v uporabniškem vmesniku prikazani v grafi čni ali numerični obliki. Vmesniki za vse oddaljene eksperimente so na voljo v slovenskem in angleškem jeziku. Zraven opazovanja odziva v uporabniškem vmesniku lahko uporabnik nadzira delovanje naprave tudi z videoprenosom v živo s spletno kamero.

Delo v oddaljenem laboratoriju

Oddaljeni laboratorij je že vključen kot učni pripomoček v redno delo na fakulteti. Študenti so laboratorij, zlasti oddaljene eksperimente, zelo dobro sprejeli, čeprav so ob tem omenili, da še zmeraj raje izvajajo vaje v laboratoriju, kjer je ves čas na voljo pomoč asistenta. Prav tako se laboratorij uspešno uporablja pri poučevanju tujih študentov, ki gostujejo na fakulteti v okviru programov izmenjave študentov.

Kmalu bomo laboratorij uporabili pri izvedbi tečaja v okviru projekta MeRLab http://www.merlab.eu/, kjer bo usposabljanje iz mehatronike, namenjeno strokovnjakom iz industrije. Projekt v celoti fi nancira EU, tako da je tečaj brezplačen. Morebitni udeleženci poskusnega tečaja se lahko do zapolnitve prostih mest prijavijo na tečaj, tako da pišejo na elektronski naslov info@ merlab.eu. Nekajurni uvodni del v tečaj bo v sodobnem multimedijskem laboratoriju Inštituta za robotiko Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko v Mariboru februarja 2009, ostali del pa se bo izvajal kot tečaj na daljavo.

V prihodnje bo oddaljeni laboratorij dopolnjen še z nekaj novimi eksperimenti s področja avtomatike in mehatronike. Načrtujemo tudi povezavo z mrežo oddaljenih laboratorijev dvanajstih evropskih univerz, kar bo uporabnikom omogočalo dostop do veliko več tečajev z oddaljenimi eksperimenti, kot jih lahko zagotovi samo ena institucija.

Dr. Andreja Rojko in Darko Herzog, Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Univerza v Mariboru

Oddaljeni laboratorij za poučevanje mehatronike