Physical Computing-thema/Submodule 1

Inleiding

Via een reeks opdrachten maak je kennis met allerlei toepassingen van physical computing.

Opdrachten

We geven je allerlei voorbeelden van physical computing. Je moet in staat zijn om te herkennen welke sensoren en/of actuatoren daarbij worden gebruikt. Je kunt ook het algoritme beschrijven dat wordt gebruikt.

Opdracht mobiele telefoons

Je mobiele telefoon heeft allerlei sensoren. Hieronder zie je een lijstje van mogelijke sensoren. Deze sensoren nemen iets waar in de fysieke wereld. Bijvoorbeeld, een microfoon neemt geluidsgolven waar. Je kunt sensoren vergelijken met zintuigen, een microfoon is als je oren.

• microfoon
• kompas
• camera
• gyroscoop
• touchscreen
• GPS-antenne

Lees ook hoofdstuk 2.1 t/m 2.3 uit NLT-module Leven met Robots

a) Geef bij elk van de sensoren aan welk fysiek verschijnsel wordt waargenomen.

b) Geef voor de volgende sensoren aan met welke nauwkeurigheid deze sensoren werken. Neem je eigen telefoon als uitgangspunt:

• camera
• GPS-antenne
• kompas

c) Bekijk het volgende voorbeeld van Pokemon Go. Geef aan welke sensoren door deze app worden gebruikt en waarvoor. https://www.gamereactor.nl/artikelen/513603/Pokemon+Go+krijgt+Raids/

Uitwerking

Nog toe te voegen

Opdracht sporthorloge

Er zijn diverse sporthorloges op de markt verkrijgbaar. Je hebt er zelf misschien ook wel eentje.

a) Welke sensoren zitten in de meeste sporthorloges?

b) Tomtom, een Nederlands bedrijf, verkoopt dergelijke sporthorloges. Sommige van deze horloges hebben een ingebouwde hartslag meter, zoals de Tomtom Spark 3 Cardio. Hoe meet het horloge de hartslag?

c) Noem naast deze methode nog een tweede methode om de hartslag te meten met behulp van een automatisch systeem.

d) Vergelijk de twee methodes (uit b en c) met elkaar. Bepaal eerst op welke aspecten je de methodes wilt vergelijken.

Uitwerking

a) Kijkend naar de functies zal een sporthorloge de volgende sensoren moeten bevatten:

• een GPS-sensor om de locatie te bepalen
• een hartslag-sensor om de hartslag te bepalen
• een bewegingssensor om de armbeweging te kunnen detecteren, in het geval er ook een activity tracker is geïntegreerd

Daarnaast bevat een horloge 1 of meerdere antenne's om te kunnen communiceren met bijvoorbeeld een computer. Het gaat dan meestal om een Bluetooth- of Wifi-zender.

b) Deze horloges werken met een LED-lampje die infraroodlicht uitzenden. Een lichtsensor neemt dit waar en vertaalt dit naar de frequentie van je hartslag.

c) Elke hartslag brengt een wijziging van elektrische spanning met zich mee, deze spanning kun je meten. Dat kan bijvoorbeeld met een band om de borst die is gekoppeld aan een sporthorloge. Met speciale elektroden is het mogelijk om dit veel nauwkeuriger te bepalen, zoals dat bijvoorbeeld in het ziekenhuis gebeurt. Het is zelfs mogelijk om de hartslag te meten met behulp van video-beelden van iemands gezicht .

d) Het is de vraag waar je op vergelijkt. Nauwkeurigheid is een belangrijk aspect. Die nauwkeurigheid hangt af van de kwaliteit van de sensoren die je gebruikt, als ook de omstandigheden: ligt iemand stil of is iemand aan het hardlopen bijvoorbeeld. Een meting met hoogwaardige electroden in het ziekenhuis, terwijl je stil ligt, is een stuk nauwkeuriger. Uitgaan van sporthorloges blijkt dat de meting met een borstband, waarbij de verandering in elektrische spanning op je huid wordt gemeten nauwkeuriger is dan het meten met behulp van infraroodlicht. Andere relevante aspecten bij sporthorloges zijn kosten, energieverbruik en betrouwbaarheid (in hoeverre werkt het in alle omstandigheden). Daarover zou je de specifieke eigenschappen van de horloges moeten onderzoeken.

Opdracht stofzuigerrobot

Een stofzuigerrobot maakt je kamer schoon terwijl je zelf op school zit of aan het werk bent. Er zijn diverse stofzuigerrobots verkrijgbaar. In het volgende filmpje zie je een korte review van de iRobot Roomba 880.

https://www.cnet.com/products/irobot-roomba-980/

Deze stofzuigerrobot is in staat te bepalen of er een object in de weg staat. Als de stofzuiger naar beneden dreigt te vallen, bijvoorbeeld van de trap, draait ie zich om. Hij laat zichzelf op bij het basisstation. Beschrijf de sensoren en actuatoren van deze stofzuigerrobot.

a) Welke sensoren zijn hierbij betrokken?

b) Welke actuatoren zijn hierbij betrokken?

c) Beschrijf de mogelijke functies van de robot, zoveel mogelijk opgedeeld. Vul het lijstje hieronder daarvoor aan:

• beweeg de robot vooruit
• detecteer obstakel
• ect

Uitwerking

a) In ieder geval:

• Objectsensor om te bepalen of er een object of muur voor de robot is.
• Afstandssensor om de afstand tot de grond te bepalen, zodat een 'afgrond' kan worden gedetecteerd
• Batterijstatussensor, om te bepalen of de stofzuiger moet worden opgeladen.
• Start-stop-knop, voor de gebruiker om de stofzuiger te starten of uit te schakelen.
• Sensor om te bepalen of het stofreservoir vol zit

Hier niet genoemd is het vermogen van de stofzuiger om te bepalen of er meer of minder stof ligt. Het is niet helemaal duidelijk hoe dat werkt. Verder is het goed mogelijk dat de stofzuiger meet welke afstand steeds wordt afgelegd (bijvoorbeeld door het aantal omwentelingen van de wielen te meten). Sommige stofzuigersrobots kunnen ook meten wat de afstand tot de muur is om een inschatting te maken van de grootte van de ruimte.

Op How Stuff Works staan foto's van de boven- en onderkant van een (verouderde) Roomba. Daar zie je onder meer een bumber die detecteert als de robot ergens tegen aan rijdt.

b) In ieder geval:

• Twee motors, één voor elk van de wielen
• Een motor voor de stofzuiger
• Eén of twee motors voor de borstels aan de onderkant

c) De functies van de stofzuigrobot kunnen als volgt worden opgedeeld:

• beweeg de robot vooruit
• detecteer obstakel
• detecteer een afgrond
• detecteer de start-stop-knop
• bepaal een nieuwe richting
• draai in nieuwe richting
• detecteer het batterijniveau
• rij naar basisstation
• zuig het stof op
• bepaal de mate van stof
• detecteer de hoeveelheid stof in het reservoir

Bestand:FSD-stofzuigerrobot.jpg

Opdracht zelfrijdende auto's

Bekijk de filmpjes uit de volgende twee bronnen over zelfrijdende auto’s:

• De grote datarace: een rijbewijs voor de robotauto, https://www.nrc.nl/nieuws/2017/09/01/waardoor-de-zelfrijdende-auto-zakt-voor-zijn-rijexamen-12777304-a1571900?utm_source=NRC&utm_medium=related&utm_campaign=related2
• Nederland loopt voorop bij ontwikkeling zelfrijdende auto's, https://nos.nl/artikel/2192878-nederland-loopt-voorop-bij-ontwikkeling-zelfrijdende-auto-s.html

a) Vergelijk mensen en computers/robots met elkaar als het gaat om het besturen van auto's in het verkeer. Waar zijn mensen op dit moment beter in en waar zijn zelfrijdende auto's beter in?

b) In de artikelen wordt beweerd dat het niet lang meer duurt voordat zelfrijdende auto's door de stad rijden. Welke hobbels moeten nog worden genomen in de ontwikkeling van de zelfrijdende auto's?

c) In de artikelen staat dat de zelfrijdende auto's de volgende soorten sensoren gebruiken: lidar, radar, camera's en parkeersensoren. Zoek op welke informatie deze sensoren opleveren en wat de beperkingen zijn van elk van de sensoren.

d) Cobots zijn robots die samenwerking met de mens. Mens en machine versterken elkaar. In de figuur in het volgende artikel zie je allerlei voorbeelden van toekomstige beroepen waarbij de mens zich laat versterken door de computer: https://www.nrc.nl/nieuws/2017/10/23/maak-kennis-met-de-cobot-13636147-a1578325. Als je de zelfrijdende auto zoals die nu is ook als cobot ziet. De zelfrijdende auto hoeft dan niet helemaal autonoom te rijden, maar vult de mens zo veel mogelijk aan. Hoe zou dat er uit kunnen zien?

Opdracht chirurgie

Bekijk de video's in het volgende artikel over robot chirurgie: https://www.1limburg.nl/opereren-met-robots-gaat-grote-vlucht-nemen

https://www.1limburg.nl/sites/default/files/public/styles/gallery_detail/public/istock-512056672.jpg

a) Vergelijk mensen en computers/robots met elkaar als het gaat om het chirurgie. Waar zijn mensen op dit moment beter in en waar zijn robots/computers beter in?

b) Cobots zijn robots die samenwerking met de mens. Mens en machine versterken elkaar. In de figuur in het volgende artikel zie je allerlei voorbeelden van toekomstige beroepen waarbij de mens zich laat versterken door de computer: https://www.nrc.nl/nieuws/2017/10/23/maak-kennis-met-de-cobot-13636147-a1578325. Op welke van de genoemde toekomstige beroepen lijkt de chirurg uit het eerdere filmpje het meest vind je? Leg in 1 of 2 zinnen uit waarom.

c) Welke sensoren en actuatoren heeft de robot die in het filmpje wordt gebruikt?

d) Wat zijn de uitdagingen in de verdere ontwikkeling van deze chirurgie-robots?

Toepassingen die je zelf kunt maken

Hieronder vind je enkele voorbeelden van physical computing die je zelf kunt maken, mede met dank aan Rolf Hut. Kies twee voorbeelden die jou aanspreken en benoem welke sensoren en actuatoren worden gebruikt.

• Spierspanning-meter-T-shirt-lampjes-ding

Een t-shirt dat reageert op je eigen spierspanning, zie het filmpje: Rolf Hut: Spierspanning-meter-T-shirt-lampjes-ding

• Een monster-robot

Zie: Milk Carton Robot

• Plant-water-geef-systeem

Een systeem dat meet hoe vochtig de aarde in de pot is en de plant automatisch water geeft als de aarde te droog wordt. Zie het volgende filmpje: Plant watergeef systeem

• Kapstok-waarschuwt-regen-kou-ding

Een kapstok die waarschuwt als het buiten koud is en je dus je jas aan moet doen. Zie: Rolf Hut met een slimme kapstok

• Vind-je-fiets-ding

Zie [1] en Rolf Hut: Vind je fiets terug.

• Een prototype van een spoorwegovergang

Zie: Prototype van een spoorwegovergang

• Een dweil-robot

Zie het filmpje: Dweilrobot

• Sudoku-robot

Een robot die Sudoku's kan oplossen, zie: Sudoku-robot

• Een piano van bananen

Zie het filmpje Bananenpiano

• Website Rolf Hut

Snuffel ook eens rond op de website van Rolf Hut, daar vind je allerlei voorbeelden van physical computing die je ook zelf zou kunnen maken: http://rolfhut.nl/rolfsmaakbarewereld/

Opdracht fantasie apparaat

Werk in groepen van drie en bedenk een fantasie physieke computer.

• Kies eerst gezamenlijk een domein: zorg, beveiliging/veiligheid, vervoer/transport, duurzaamheid, domotica, sport, of een ander domein. (2 minuten)
• Bedenk vervolgens minstens vijf mogelijke apparaten. Het apparaat hoeft niet realiseerbaar te zijn, gebruik je fantasie. (5 minuten)
• Kies gezamenlijk één idee uit (1 minuut)
• Teken/beschrijf wat voor soort sensoren en actuatoren het apparaat zou moeten hebben.
• Teken/beschrijf wat de werking is van het apparaat .

Open Vragen

1. Wat is het verschil tussen physical computing en robotica?
2. Wat is het verschil tussen een automaat en een robot?
3. Geef het verschil tussen een sensor en een actuator.
4. Noem 5 sensoren.
5. Noem 2 actuatoren.
6. Welke sensor(en) zou je kunnen gebruiken om te voorkomen dat een apparaat/robot tegen een muur rijdt?
7. Heeft een robot altijd een of meerdere sensors nodig? Leg uit waarom wel of niet.
8. Welk type sensor zit er in een oprolbaar toetsenbord?
9. Hoe worden de toetsaanslagen herkend bij een projectie-toetsenbord?
10. Welke typen beeldsensoren kunnen worden toegepast bij camera’s?
11. Geef hiervan de verschillen aan.
12. Sommige merken inktjetprinters gebruiken piëzo-technologie. Welk merk bijvoorbeeld? Leg uit hoe de techniek werkt.
13. Touchscreens kunnen gebruik maken van verschillende technieken. Noem de twee meest bekende.
14. Leg het verschil uit tussen deze en benoem de voor- en nadelen.
15. Wat is realtime besturing?
16. Waar en waarvoor worden cobots gebruikt?
17. Waarin verschilt een cobot van een 'traditionele' robot?

Meerkeuze-vragen

   
1. Een braille-regel heeft 40 of 80 braille-cellen. Een braille-cel bevat onder andere . . .
   a. sensoren.
   b. actuatoren.
   c. een combinatie van sensoren en actuatoren.
   d. embedded software, maar geen sensoren of actuatoren.

2. Welk van onderstaande sensoren is toepasbaar als parkeersensor in een auto?
   a. Bewegingssensor
   b. Infraroodsensor 
   c. Touch-sensor 
   d. Ultrasoon-sensor
   e. Alle vier zijn ze toepasbaar.

3. Een real-time uitvoering van een taak is . . .
   a. een snelle reactietijd van die taak.
   b. een snelle uitvoertijd van die taak.
   c. zowel een snelle reactie-, als een snelle uitvoertijd van die taak.
   d. een reactie- en uitvoertijd die korter is dan de maximaal toegestane tijd.

Voorbeelden van sensoren

• Afstandssensor
• Bewegingssensor
• Beeldsensor (camera)
• Temperatuursensor
• Touch-sensor (vb. toetsenbord, touchscreen, drukschakelaar)
• Detectielus (bijvoorbeeld in het wegdek)
• Lichtsensor (kleurensensor, infraroodsensor)
• Gyroscoop
• Rotatiesensor
• Geluidssensor
• Versnellingsopnemer
• Luchtdruksensor