Programmierbarer Roboter

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In der Industrie werden häufig Roboter eingesetzt, die zuvor programmierte Arbeitsschritte selbstständig und wiederholt ausführen. Ein solcher virtueller Roboter soll hier programmiert werden.

Die Animation zeigt ein mögliches Ergebnis:

Das Projekt besteht aus acht Sprites. Es werden verschiedene Programmierkonzepte, wie Listen sowie das Aufrufen von Blöcken anderer Sprites verwendet. Im Folgenden wird das Grundkonzept skizziert.

Der Roboter

Der eigentliche Roboter besteht aus fünf Sprites: Dem Fuß, dem unteren Arm, dem oberen Arm und dem Magneten. Wir erstellen zunächst den Fuß als Sprite mit rechteckigem schwarzen Kostüm.

Für den unteren Arm benötigen wir ein Sprite, das als Kostüm ein senkrechtes Rechteck besitzt. Wichtig ist, dass sich der Drehpunkt dabei am unteren Ende des Rechtecks befindet. Diesen kannst du beim Zeichnen mit dem Fadenkreuzwerkzeug festlegen.

Wir erstellen eine Variable , die den Drehwinkel des Arms speichert. Dabei zeigt der Arm bei einem Winkel von 0° nach links und bei 180° nach rechts.

Beim Starten des Programms wird die Variable auf 90 und die Richtung des Arms auf diesen Winkel gesetzt. Der Arm zeigt dann also senkrecht nach oben.

Beim Drücken der Pfeiltasten nach links und rechts wird die Variable um +1 bzw. -1 verändert und die Richtung des Arms wieder auf diesen Winkel gesetzt.

Der obere Arm ist ebenfalls ein Sprite mit einem Kostüm, das aus einem waagrechten Rechteck besteht. Der Drehpunkt muss sich am rechten Ende befinden.

Damit ergeben sich folgende Drehwinkel:

Erstelle das Sprite, sorge dafür, dass zu Beginn einen Winkel von 270° einnimmt und platziere es an die richtige Stelle des unteren Arms.

Das besondere ist nun, dass sich dieser Arm zusammen mit dem unteren Arm bewegen soll. Dies erreicht man, indem man das Sprite des zweiten Arms an das Sprite des ersten Arms anhängt. Die folgende Animation zeigt, wie man dazu vorgeht:

Bei der Übersicht aller Sprites erscheint beim zweiten Arm nun ein grauer Kreis. Achte darauf, dass dieser einen waagrechten Pfeil darstellt. Dies bedeutet, dass sich das angehängte Sprite nicht mit dem Arm1 dreht.

Auch für den zweiten Arm erstellen wir eine Variable für den momentanen Drehwinkel und Skripte zum Drehen mit den Pfeiltasten nach unten bzw. nach oben.

Jetzt fehlt noch der Magnet, ein Sprite mit einem kleinen grünen Kostüm, das wir am zweiten Arm befestigen. Anders als beim zweiten Arm, soll sich das Sprite mitdrehen.

Der Magnet soll durch Drücken der Leertaste ein- bzw. ausgeschaltet werden können. Er soll also sichtbar oder unsichtbar sein. Den Zustand des Magnets speichern wir als Wahrheitswert in einer Variablen .
Abhängig von diesem Wert wird beim Drücken der Leertaste das Sprite versteckt bzw. angezeigt und der Wert der Variablen umgekehrt.

Damit ist die Tastensteuerung des Roboters vollständig.

Als nächstes erstellen wir ein Sprite mit dem Namen Ablagen, das als Kostüm den Ablagebereich und den Boden darstellt. Zeichne dazu waagrechte Linien und Rechtecke und ziehe die Grafik an die richtige Position im Grafikfenster.

Als Kugel, die vom Roboter bewegt wird, erstellen wir ein weiteres Sprite mit einem kreisförmigen Kostüm.

Das Skript der Kugel soll dafür sorgen, dass diese sich solange nach unten bewegt, bis sie auf die Ablage trifft. Gleichzeitig soll die Kugel aber überprüfen, ob sie den (eingeschalteten) Magneten berührt. In diesem Fall nimmt die Kugel die x- und y-Position des Magneten an. Dazu 'fragt' die Kugel den Magneten nach seiner Position und setzt seine eigenen Koordinaten auf diese. Das folgende Skript für die Kugel zeigt das gewünschte Verhalten.

Damit kann der Roboter die Kugel also auf beliebige Ablagestellen bewegen.

Jetzt kommt der interessante Teil des Projekts. Der Roboter soll gelernte Bewegungen selbstständig wiedergeben.
Die Idee dazu ist ähnlich wie beim Projekt zum Attention-Tracking. Wir speichern einfach in einer Liste die verschiedenen Zustände (Drehwinkel der beiden Arme, Aktivität des Magneten).
Für die zugehörigen Skripte erstellen wir ein neues Sprite mit dem Namen Steuerung, dessen Grafik nur ein winzigen, kaum sichtbarer Punkt ist. Wir nutzen die Grafik nur, um damit Sprechblasen darzustellen.
Beim Drücken der Taste d (Delete), wird die Variable auf eine leere Liste gesetzt.

Beim Drücken der Taste s (Save oder Speichern) wird der momentane Drehwinkel des unteren und oberen Arms sowie der Zustand des Magneten der Liste (als dreielementige Liste) hinzugefügt.

Nun fehlt nur noch das automatische Abspielen der gespeicherten Positionen, der schwierigste Teil des Projekts. Wir implemementieren zunächst eine einfache Variante. Beim Drücken der Taste p (Play) werden alle Elemente der Liste durchlaufen. Ein Element dieser Liste ist ja wieder ein dreielementige Liste (Winkel Arm 1, Winkel Arm 2, Zustand Magnet). Wir müssen nun dafür sorgen, dass sich der Roboter in die gespeicherte Position bewegt. Dazu drehen wir zunächst den Arm 1. Wir holen uns aus dem aktuellen Element der Positionsliste das erste Element (gespeicherter Winkel des des unteren Arms) und speichern ihn in einer Skriptvariablen.
Anschließend wird die Variable des unteren Arms solange um 1 vergrößert bzw. verkleinert, bis er dem gewünschten Winkel entspricht. Dabei ist eine Fallunterscheidung möglich, je nachdem der Sollwinkel größer oder kleiner als der momentane Winkel ist. Nach jeder Veränderung sagen wir dem Arm 1, dass er seine Richtung auf den neuen Winkel setzen soll:

In gleicher Weise gehen für den zweiten Arm vor. Dazu speichern wir zunächst in einer Skriptvariablen den Sollwinkel für den oberen Arm .

Zuletzt wird der Magnet je nach Listeneintrag ein- oder augeschaltet, also sichtbar bzw. unsichtbar gemacht.

Damit ist der programmierbare Roboter einsatzbereit.

Um mehrer Kugeln gleichzeitig verwenden zu können, nutzen wir ein Technik von Snap!, die es ähnlich auch in anderen Programmiersprachen gibt. Wir erzeugen von einem Sprite eine Kopie, einen sogenannten Klon.

Einen neuen Klon eines Objekts erzeugt man mit dem Block . Dabei kann man auswählen, ob das Objekt selbst oder ein anderes Objekt geklont werden soll. Ein Klon besitzt alle Eigenschaften des ursprünglichen Objekts und reagiert auch auf dessen Skripte. Es ist möglich, beim Erzeugen eines Klons ein besonderes Skript zu starten. Das nutzen wir hier:

Die Animation zeigt die Wirkung beim Klonen der roten Kugel:

Wir bauen zum Abschluss noch einen automatischen Kugelerzeugen. Die Idee dazu ist recht einfach:
Wir erstellen ein quadratisches Sprite, das immer dann an seiner Position einen Kugelklon erzeugt, wenn er gerade keine Kugel berührt. Das heißt, wenn eine erzeugte Kugel aus seinem Bereich entfernt wird, wird nach kurzer Zeit wieder eine neue Kugel erstellt. Dazu muss man die Anfangsposition der Kugel an so wählen, dass der Klon an der Stelle des Kugelerzeugers erscheint. Die eigentliche Kugel verstecken wir. Beim Erzeugen eines Klons wird dieser dann sichtbar geschaltet.
Hier das Skript des Kugelerzeugers und eine Animation dazu:

Für den Roboter sind viele Erweiterungen und Verbeserungen möglich. Hier einige Ideen:

Es wäre auch schön, wenn die beiden Arme sich beim Abspielen gleichzeitig bewegen würden und nicht erst der Arm 1 seine Zielposition einnimmt und anschließend der Arm 2. Außerdem sollte auch noch wählbar sein, wie lange der Vorgang dauert. Dazu könnte man z. B. einen Block erstellen, bei dem man als Parameter die gewünschten Winkel, einen Wahrheitswert für den Magneten und die Anzahl der Einzelschritte für diesen Vorgang wählt. Innerhalb des Blocks müsste zunächst berechnet werden, wie groß die Winkeländerung für die beiden Arme sein muss, um ausgehend von der momentanen Position den Sollwinkel in der vorgegebenen Anzahl von Schritten zu erreichen. Anschließend könnte in einer Wiederholung die Drehwinkel der beiden Arme gleichzeitig verändert werden. Die Animation zeigt, wie eine Bewegung dann aussehen könnte.