Bedien een rolstoel met je ogen... Project Ooggestuurde interface InnovationLab bijscholing

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Doornemen documentatie en materiaal Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Doornemen documentatie en materiaal Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

Nood aan... “De wereldproblemen worden groter en complexer. De oplossingen moeten uit de wetenschap komen.” 06 april 2014 “We zijn niet meer de techniekaandragers van vroeger. We moeten probleemeigenaren worden van de dingen die misgaan in de maatschappij en daar oplossingen voor genereren. We moeten meer maatschappelijke verantwoordelijkheid opeisen.” Ten tweede moeten onderzoeker

Technologie voor de maatschappij milieu veiligheid gezondheid energie Infor-matica Fysica Chemie Wis-kunde

STEM affiniteit & passie! Science Technology Engineering Mathematics

ROSE studie (Relevance Of Science Education)  Maatschappij-gedreven STEM milieu veiligheid gezondheid energie Infor-matica Fysica Chemie Wis-kunde

Faculteit Ingenieurswetenschappen, KU Leuven De rol van een wetenschapper / ingenieur in de maatschappij STEM is noodzakelijk, cross-disciplinair en overal rond ons InnovationLab Dept. Materiaalkunde, Chemische Ingenieurstechnieken, Computerwetenschappen, Elektrotechniek STEM@school

Maatschappelijke uitdagingen Innovation Lab doelen Maatschappelijke uitdagingen ? ? ? ? Chemie Fysica Wis-kunde Infor-matica

Maatschappelijke uitdagingen Innovation Lab doelen Link met de leerstof S.O. Maatschappelijke uitdagingen ! Oplossingen voor morgen ! ! ! ! Chemie Fysica Wis-kunde Infor-matica

Maatschappelijke uitdagingen Innovation Lab doelen Link met de leerstof S.O. Link tussen disciplines Maatschappelijke uitdagingen Oplossingen voor morgen ! Chemie Fysica Wis-kunde Infor-matica

Maatschappelijke uitdagingen Innovation Lab doelen Link met de leerstof S.O. Link tussen disciplines Praktisch, interactief, zelf Probleemoplossend Maatschappelijke uitdagingen Oplossingen voor morgen ! Chemie Fysica Wis-kunde Infor-matica

Filmpje van onze opening in april 2014

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Doornemen documentatie, materiaal en voorbereiding Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

‘Ingenieuze’ projectdagen Ik daag je uit! Bouw mee aan de wereld van morgen! Kan je iets maken dat...

Technologie in de gezondheidszorg Betaalbare levenskwaliteit voor iedereen Zorgen voor zieke én gezonde mensen Technologie voor: Snelle kankerdetectie Afstands geneeskunde Herstellen falende functies

Ooggestuurde interface Sofie is een sociaal meisje Maar Sofie heeft ALS en kan enkel haar ogen nog bewegen... Kan je haar helpen om toch nog haar PC zelf te bedienen?

In dit project... ... maken leerlingen ZELF de hardware en software voor oog-interface ... maken leerlingen zelf een computerspelletje dat werkt op basis van de oogsturing

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Doornemen documentatie, materiaal en voorbereiding Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

Project opgebouwd uit 5 modules biopotentialen Module 1: Cryptografie (beveiliging) Module 5: Bouwen hardware Module 3: Bouwen software Module 4: analoog - digitaal Module 2: cloud

Opbouw van een projectdag op school VM of 1e Halve dag Kadering en inleidende film Module 1 Module 2 Module 3 NM of 2e Halve dag Module 4 Module 5 Afronden en afsluitende film

Opbouw van een projectdag op school Kadering en inleidende film

Inleidende film Doel: Leerlingen kadering geven (nut van STEM voor maatschappij) Leerlingen zin geven erin te vliegen

Opbouw van een projectdag op school Module 1: Biopotentialen

Module 1: Biopotentialen Wat is een biopotentiaal? (uitleg info blad) Oog is een bewegende elektrostatische dipool Voorzijde iets hogere spanning dan achterzijde door transport van ionen Spanning verschuift bij oogbeweging (plaatsen elektrodes) Rechtse elektrode positiever t.o.v. linkse  pos spanning

Module 1: Biopotentialen: Nabouwen oog Weerstanden vertegenwoordigen het pad door de huid + - Kijken en doen!

Module 1: Biopotentialen: Opmeten oog V VV Zelf meten

Module 1: Biopotentialen: Opmeten oog Zelf meten

Module 1: Biopotentialen: Veelgemaakte fouten Contacten draden en weerstandjes Goed aandraaien! Gebruik van multi-meter Extra uitleg in leerkrachtenhandleiding Defecte multi-meters Test in leerkrachtenhandleiding De twee oogjes elektrisch fout verbonden (- kant moet met - kant verbonden zijn)

Module 1: Biopotentialen: Extra vragen Om groepen op elkaar af te stemmen! Optioneel (niet verplicht)

Module 1: Biopotentialen: Besluit Plaatsen van elektrodes aan de zijkant van de ogen: Meten van spanning bij oogbewegingen Werkelijke waarden zijn vele malen kleiner dan wat leerlingen gemeten hebben Computer kan ons helpen Module 2: analoog signaal omzetten naar digitaal signaal

Opbouw van een projectdag op school Module 2: Analoog naar digitaal

Module 2: Analoog naar digitaal Hoe dit signaal in de PC krijgen? Info: spanning is een analoog signaal, PC werkt digitaal? Experiment: Experimenteren dmv. geluid

Module 2: Analoog naar digitaal: Info analoog - digitaal Analoog = continu en alle mogelijke waarden blauwe golfvorm Digitaal = discreet en beperkte set van mogelijke waarden Rode curve

Module 2: Analoog naar digitaal: Info analoog - digitaal Aantal digitale bits per data-punt, bepaalt het aantal mogelijke digitale waardes = resolutie van de omzetter N bits  2N mogelijke digitale waarden 2 bits  4 mogelijke niveaus (digitale waarden) om het analoge signaal weer te geven

Module 2: Analoog naar digitaal: Info analoog - digitaal 3 bits  8 mogelijke niveaus (digitale waarden) om het analoge signaal weer te geven Bij 3 bits  rode curve benadert blauwe curve al beter!

Experiment 1 Uitleg EOG scope (volgen op PC) Open in de folder EOG_project de subfolder EOG-software - Dubbel klik op eog - Klik op eogScope Uitleg EOG scope (volgen op PC)

Experiment 1 Golf mode: Vooraf opgenomen analoog signaal (geluid) digitaliseren: Invloed van aantal bits? instructies lezen en uitproberen: aan de slag! Men ziet dat: Naarmate het aantal bits stijgt, benadert het rode digitale signaal steeds beter het blauwe analoge signaal. Naarmate het aantal bits stijgt, kan je op kanaal 1 en kanaal 2 een geluid horen dat steeds beter lijkt op het oorspronkelijke analoge geluid.

Conclusie : 7 – 8 bits nodig om analoge signaal goed te digitaliseren Experiment 2 Audio mode: geluid opnemen Experimentblad: instructies lezen en uitproberen: aan de slag! Conclusie : 7 – 8 bits nodig om analoge signaal goed te digitaliseren

Experiment 3 Audio mode: geluid opnemen (hard en zacht) Experimentblad: instructies lezen en uitproberen: aan de slag!

Experiment 3 Conclusie: Een klein analoog signaal omzetten naar een digitaal signaal levert een kwalitatief minder goed digitaal signaal op dan een groot analoog signaal Spanningen rond het oog zijn heel klein We moeten dit kleine signaal versterken (module 3)

Conclusie: Kleiner analoog signaal: meer bits nodig! Experiment 4 EOG dongle: De knoppen van de black box? Experimentblad: instructies lezen en uitproberen: aan de slag! Conclusie: Kleiner analoog signaal: meer bits nodig! spanningen rond oog zijn zeer klein Onze ADC is beperkt Signaal moet versterkt worden

Module 2: Analoog naar digitaal: Veelvoorkomende fouten Zoom en schuif Kanaal 1 vs. kanaal 2 Instellingen microfoon (niet oversturen) Bij black box: altijd te samen aan beide knoppen draaien (onvoldoende geduld hebben om de verandering te zien plaats grijpen)

Opbouw van een projectdag op school Module 3: Electro-oculografie

Module 3: Electro-oculografie Zelf hardware met versterker bouwen! Stappenplan: Uitleg versterker Tekenen elektrisch schema Bouwen Elektrodes aansluiten en zelf eigen oogbewegingen testen

Module 3: Electro-oculografie Informatie versterker Waarom versterking? Werking versterker

Module 3: Electro-oculografie Informatie versterker Aansluitingen?

Module 3: Electro-oculografie Informatie versterker Grond (0V) Voeding (5V) Referentie (2.5V)

Module 3: Electro-oculografie Informatie versterker Weerstand hiertussen bepaalt versterking Rg = 1,0 kΩ * G Versterkingsfactor G ? weerstand berekenen en zoeken/plaatsen

Module 3: Electro-oculografie Experiment versterker Instructies lezen en uitproberen: aan de slag! Eerst verbindingen uittekenen Versterker links!

Module 3: Electro-oculografie Experiment versterker: oplossing

Module 3: Electro-oculografie Experiment versterker Dan G en RG berekenen G = 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑢𝑖𝑡𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑎𝑙 (𝑉) 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑖𝑛𝑔𝑎𝑛𝑔𝑠𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑎𝑙 (𝑉) = …………..   We kunnen nu de weerstandswaarde Rg berekenen die nodig is om de versterking te verkrijgen. Rg = 1,0 kΩ * G = …………

Module 3: Electro-oculografie Experiment versterker Dan schakeling bouwen Veelvoorkomende fouten: Draadjes fout gestoken Foute waarde van RG gebruikt (nameten met multi-meter!) Foute versterking G berekend (verschil tussen amplitude en totale uitwijking)

Module 3: Electro-oculografie Experiment versterker Dan verbinden met PC en uitproberen op ogen Veelvoorkomende fouten: Elektrodes niet geleidend genoeg (wassen, gebruik gel!) Elektrodes niet mooi symmetrisch EOG USB niet geconnecteerd (onderaan staat EOG dongle in rood) -> start EOG Scope opnieuw op

Module 3: Electro-oculografie Extraatje Snelle leerlingen: meet ook ECG!

Opbouw van een projectdag op school Module 4

Opbouw van een projectdag op school Module 5

Module 5: cryptografie Module 5.1 Achtergrond Installeren van de omgeving Spelopdracht 1 & 2 Module 5.2 Informatie Spelopdracht 3 in het kort

Module 5: achtergrond Eva : afluisteren Alice Bob

Module 5: achtergrond Eva : vervalsen Alice Bob

Module 5: achtergrond Hallo, Ik ben Alice Eva : impersoneren Bob

Module 5: achtergrond gegevens identiteit geheim geheimschrift anonimiteit correct integriteit identificatie

Module 5: achtergrond Identificatie wordt gebruikt in o.a.:

Module 5: cryptografie Identificatie kan gebeuren op verschillende manieren: Wat je WEET (paswoorden, PIN) Wat je HEBT (chipkaart, USB sleutel) WAAR je bent (dial back, GPS) HOE je bent (biometrie)

Module 5.1: identificatie Server software Start een PC op van de server USB (wit) Server krijgt een IP-adres via DHCP Dit IP-adres moet in de clientsoftware ingegeven worden Voor het gemak : schrijf dit IP-adres op het bord Er is een dashboardinterface voor troubleshooting, diagnose en het resetten van individuele spellen Client software Opstarten via EOGstarter (1x) IP-adres van de server ingeven

Module 5.1: identificatie Wat we willen simuleren: vermijden dat draadloze communicatie kan gehackt worden Hacker Oogbewegingen Wolk Rolstoel

Module 5.1: identificatie Server spel 1 Client spel 2 Dashboard spel 3 …

Module 5.1: identificatie Start client Open Scratch Laad spel in Voer de gegevens in : spelnaam, spelersnaam, paswoord Klik op de groene startvlag bovenaan rechts

Module 5.1: identificatie Server laat meerdere spelers door zelfde doolhof lopen Rolstoelen en Wolken (= hackers) 1 “game” = 1 doolhof Zorg voor een even aantal groepjes Verdeel de voorafgedrukte kaartjes per spel Een groepje krijgt het rolstoeldeel van het spel Een ander groepje krijgt het wolkdeel van het spel Communicatie via sensors van Scratch 1.4 Boodschappen worden verstuurd als “lijsten” met een strikt te volgen formaat en volgorde (zie uitleg Spel 2 en Spel 3)

Module 5.1: identificatie Game: beperkte keuze (zie handleiding) Player: willekeurig, maar geen 2 dezelfde in 1 game/doolhof Type: rolstoel of wolk Invoer voor het script Invoer voor de tovenaarshoed Invoer voor het script

Module 5.1: identificatie Spelopdracht 1: Start de juiste programma’s Vul game en player in (zie ‘identificatie spelopdracht 1’-kaartjes voor rolstoel en wolk) Kies een paswoord van drie of vier cijfers en vul het in Spelen maar!

Module 5.1: identificatie Structuur van een commando (lijst): “left”, paswoord “right”, paswoord “up”, paswoord “down”, paswoord

Module 5.1: identificatie Spelopdracht 2: paswoord raden door enumeratie Breid het volgende programma uit:

Module 5.1: identificatie Structuur van het hack-commando: “h”, naam spel, naam speler, gok voor het paswoord Indien de gok juist is, dan zal de server het paswoord herhalen in zijn antwoord (in elk volgend antwoord) Indien de gok fout is, dan zal de server “n” antwoorden, of in het begin soms “0.0” Dit is zo gedaan om robuust te zijn tegen vertragingen op het netwerk

Module 5.1: identificatie Oplossing (*) (*) oplossingen staan ook op de USB

Module 5.1: identificatie Eens paswoord gevonden: Neem de wolk/rolstoel van de tegenspeler over door zijn waarden in te vullen voor speler en paswoord in de besturingscommando’s Zorg ervoor dat je de gegevens van je tegenspeler invult! Anders vind je je eigen paswoord 

Module 5.1: identificatie

Module 5.1: identificatie Afsluitende denkopdracht: Enkele berekeningen die aantonen hoe lang een paswoord moet zijn om niet (moeilijk) geraden te kunnen worden

Server dashboard http://192.168.0.128:5000/innovationlab

Server dashboard

Module 5.2: veilige paswoorden Vertrekpunt: zelfs het beste paswoord kan misbruikt worden als de toepassing vereist dat het paswoord doorgestuurd wordt via een onbeveiligd kanaal Omdat een hacker het kanaal kan afluisteren en zo het paswoord te weten komt In deze module bekijken we een systeem met paswoorden, waarbij het paswoord niet elke keer overgestuurd moet worden (*) deze module kan eventueel weggelaten worden (**) de oplossingen staan op USB

Module 5.2: veilige paswoorden Hill methode voor vercijfering Paswoord = n x n matrix (hier: n = 3) Vercijfering: cijfertekst = paswoord x boodschap Vb: LEPELS -> [11 4 15], [4 11 18] (rekenen modulo 26) [12 16 1], [2 7 18] -> MQCBHS

Module 5.2: veilige paswoorden Denkopdracht: ontcijfer nu een gegeven cijfertekst, die gemaakt werd met het volgende paswoord: Moeilijkheid: oplossen van vergelijking zoals 3z = 13 Oplossing: tel bij rechterlid gehele veelvouden van 26 op, totdat je een gehele oplossing krijgt voor z Opdracht kan eventueel overgeslagen worden

Module 5.2: veilige paswoorden Methode van vraag-en-antwoord Ik ben Alice toevals- generator Vercijfer eens 1234? pasw 1234 pasw 1234 Hill Hill 8351 Het antwoord is 8351 8351 8351=8351

Module 5.2: veilige paswoorden Vraag-en-antwoord zonder vraag Vraag-en-antwoord vereist 3 boodschappen ipv 1 Vervang toevalsgenerator door een voorspelbare generator Alice kan de vraag voorspellen, en meteen het antwoord berekenen Aantal boodschappen wordt verminderd tot 1

Module 5.2: veilige paswoorden Link met praktijk: Internet bankieren gebruikt Vraag-en-antwoord: systemen met “challenge” en “signature” Vraag-en-antwoord zonder vraag: systemen met toestelletjes die paswoorden genereren Het is belangrijk dat de leerlingen het infoblad lezen! Volledig!

Module 5.2: veilige paswoorden Spelopdracht 3: implementeer vraag-en-antwoord zonder vraag Begrijp de structuur van de commando’s Implementeer een teller die de vragen genereert Implementeer Hillvercijfering

Module 5.2: veilige paswoorden Structuur van de commando’s: “hillpassword”, commando, c1, c2, t0, t1, t2 Commando: “up”, “down”, “left”, of “right” c1, c2: afgeleid uit teller t0, t1, t2: “antwoord” = resultaat van Hillvercijfering

Module 5.2: veilige paswoorden c1, c2: afgeleid uit teller c1 = quotiënt van de gehele deling “teller gedeeld door 4” c2 = rest van de gehele deling “teller gedeeld door 4”

Module 5.2: veilige paswoorden pw0, …, pw8: 9 cijfers van de paswoordlijst cmd: getal bepaald door commando down = 2, left = 4, right = 6, up = 8 Bijvraagje: waarom cmd betrekken in de berekening?

Opbouw van een projectdag op school Afronden en afsluitende film

Afronden en afsluitende film Stop op tijd, om geen anti-climax te hebben Neem tijd voor: Opruimen Nabespreking Afsluit-film

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Voormiddag: 1, 2, 3 Namiddag: 4, 5 Doornemen documentatie, materiaal en voorbereiding Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

InnovationLab documentatie Voor de leerlingen: Info- en experiment-blaadjes per module Filmpjes Voor de leerkrachten: Uitgebreide leerkrachtenhandleiding met Extra achtergrond informatie Antwoorden op vragen Suggesties bij veelgemaakte fouten Allemaal op website https://eng.kuleuven.be/innovationlab/documenten

InnovationLab koffers Leerlingen werken per 2, aan 1 PC Leerlingenbakje per groep (13 groepen of 26 lln) Leerkrachten bakje (+ USB stick!) Niet voorzien: Multimeters!

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Voormiddag: 1, 2, 3 Namiddag: 4, 5 Doornemen documentatie, materiaal en voorbereiding Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

Deelnemen met jouw school: praktisch Projectdag of enkele halve dagen voor Tussen de 10 en de 250 leerlingen Van de 3e graad ASO of TSO (min 4 uur wiskunde) Reserveren InnovationLab koffers voor een bepaalde week Vandaag Of via email:  reservatie.innovationlab@kuleuven.be Afhalen / terugbrengen koffer in Heverlee / Kortrijk Contractje

InnovationLab voorbereidingen Reserveren PC klas (met projectiemogelijkheid) Kopieren documentatie + loginkaartjes Software-bestanden op PC zetten Contact met systeembeheerders – check zie leerkrachtenhandleiding pg 8 ! Uittesten server (module 5) Testen multi-meters Leerkracht is begeleider…..

Opbouw van deze bijscholingsdag Kadering InnovationLab Kadering project Ooggestuurde interface Doorlopen van de projectdag en de modules Voormiddag: 1, 2, 3 Namiddag: 4, 5 Doornemen documentatie, materiaal en voorbereiding Deelnemen met jouw school Afsluiter en evaluatie

Vragen