изображение — roboconstructor.ru
Известна притча, която разказва, че когато мъдреца бил посетен от млада майка с дете на ръце, и тя го попитала от колко години трябва да започне да възпитава детето, старецът отговорил, че тя е закъсняла с толкова години, колкото е детето. С избора на бъдеща професия ситуацията е подобна. Трудно е да се изисква осъзнаване на собствените склонности и интереси от кърмаче, но в средното училище започват всевъзможни специализации, и към този момент е добре да се знае в каква посока да се развива порасналото дете. Но едно знаем почти със сигурност – през следващите десетилетия между 30 и 80% от професиите ще бъдат напълно автоматизирани.
Роботиката, кибернетиката, разбирането на алгоритми – това е набор от умения, с които малко хора ще се озоват пред мъгливи перспективи. Разбира се, вероятно успоредно със замяната на работната сила с роботи ще се развива и концепцията за безусловен базов доход, но едва ли искате подобно бъдеще за детето си.
Съществуват много начини да се покажат основите на програмирането и роботиката на млада и заинтересована аудитория. Всички те са сравнително евтини, лесни за усвояване и осигуряват разбиране на основите на алгоритмите и концепциите на кибернетичните устройства само за няколко часа. Но в учебните класни стаи лесно може да се натъкнете на недостатъците на тези платформи – ограничена устойчивост (да не говорим за „устойчивост на глупости“) на макетните платки, неособено приятелски интерфейси за деца на 11-12 години и сравнително малък елемент на „игра“.
С всички тези недостатъци вече повече от двадесет години се борят в най-известната компания-производител на развиващи комплекти LEGO Education. Става дума, разбира се, за платформата MINDSTORMS Education EV3. Започвайки с произведените в началото на 90-те Mindstorms RCX и завършвайки с най-съвременния комплект MINDSTORMS Education EV3, принципът на формироване на платформата остава непроменен. В основата стои „умният тухла“ (“intelligent brick”), това е микро-компютър с екран и входно-изходни портове, към който се свързват всички останали компоненти. Както при всяка роботизирана система, периферийните устройства се разделят на сензори и ефектори. С помощта на сензорите роботът възприема заобикалящия го свят, а благодарение на ефекторите – реагира на него в съответствие с предварително заложената програма. Компонентите на платформата се свързват помежду си с прости кабели без запояване, а механичните конструкции са ограничени само от здравината на пластмасовите части и фантазията на конструкторите.
разглеждахме възможностите на такива решения в общия смисъл, а сега искаме по-подробно да се спрем именно на LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 е съвместим с части от Lego Technic. Това означава, че платформата може да се използва за създаване на най-разнообразни и дори невероятни конструкции, от прости „колички“ и „роботизирани ръце“ до сложни конвейери или дори „решатели“ на кубчета Рубик. Всъщност, всеки комплект Lego Technic може да стане източник на части за проекти, и също така няма да има проблеми със заменянето на повредени резервни части. Да, те не изглеждат толкова грубо, колкото стария съветски алуминиев конструктор, но на практика се оказват дори по-здрави от металните изделия. Поне в моята колекция, започнала през 1993 година, все още не е открита нито една счупена част.
В комплекта с базовия образователен комплект MINDSTORMS Education EV3 има 541 част Lego Technic. Може да се закупи както специализиран ресурсен комплект като (или по-стария 9648, произвеждан за NXT), така и просто голям комплект като (2800 части) или (почти 4000 части), и, след като се поиграе с основния модел, да се използва за „тухлички“ за кибернетични опити. В преизчисление на една част Lego тук вероятността е значително по-добра в сравнение с други комплекти – всичко е 3-5 рубли за една бройка.
Ако у някого още е останала стара колекция, включваща десетки хиляди детайли, то не би трябвало да се тревожи за ресурсите.
Скриншот от услугата Brickset (интерактивна база за собственици на конструктори Lego, която позволява събиране на разнообразна статистика) автор
Въпреки това, това се отнася само за "пассивни" елементи като греди, колела или свързващи щифтове. Сензорите и актуаторите, разбира се, са значително по-скъпи, но в базовия комплект ги има повече от достатъчно. Mindstorms EV3 идва с три мотора (двата по-големи и мощни и един компактен серво двигател), с два сензора за допир (нещо като "умни" бутони), ултразвуков, жироскопичен и цветен сензор (който също може да работи в режим на сензор за осветеност). Плюс е запазена съвместимостта с сензорите от предишното поколение роботи Lego Education – Mindstorms NXT (включително сензор за ниво на шум).
Но да се върнем към "умния блок", сърцето на системата. Това наистина е доста тежък и обемен "блок", оборудван с монохромен LCD екран 178x128 (на който се показва не само менюто, но и различни кастомизирани изображения в процеса на работа) с променящ се цветен подсвет. Чрез стандартни RJ-12 кабели към него се свързват сензори и актуатори (до четири устройства от всеки тип), има слот за microSDHC и USB порт.
Последният може да се използва както за зареждане на програми, така и за обновяване на фърмуера. Въпреки това, микроконтролерът не е лишен и от безжични интерфейси, при желание програмите могат да се зареждат чрез Wi-Fi (нужен е външен модул) или Bluetooth (вграден). Освен това, ако сглобяваме робот с дистанционно управление, можем да го управляваме чрез безжична връзка със смартфон или таблет.
В «умния тухла» се крие 300-мегахерцов ARM процесор, 16 мегабайта постоянна памет (и ето на какво ще послужи картата) и 64 мегабайта оперативна. Каквото и да изглеждат тези числа скромни, за изпълнение на дори най-сложните алгоритми, които вие или дори дете в процеса на обучение може да напише, мощността е повече от достатъчна. А ако сравним с 48-мегахерцовия процесор от предишното поколение NXT, който наскоро навърши десет години, напредъкът е забележим. Впрочем, не може да се каже, че и NXT по някакъв начин е забавял процеса на решаване на стандартни задачи.
Освен това, добавен е четвърти порт за мотори, което само по себе си е значително разширение на функционалността, което оправдава ъпгрейда.
USB портът вече поддържа хост режим, което позволява не само свързване на Wi-Fi адаптер, но и свързване на няколко блока EV3 в един сложен робот. Въпреки това, нивото на задачите става напълно „не детско“.
Накрая, MINDSTORMS Education EV3 е получил поддръжка за акумулаторно захранване. Вместо шест AA батерии може да се инсталира включеният литий-йонен акумулатор с капацитет два с малко ампер-часа. Разбира се, никой не забранява да се ползват батерии като eneloop, но необходимостта да ги извадите за зареждане намалява удобството. Цената на два комплекта eneloop с зарядно е напълно сравнима с фирмения акумулатор.
Ах да, появи се голям и силен високоговорител, който сега може не само да свири ретро-мелодии от 8-битовата ера, но и да възпроизвежда по приятни звуци.
Сега да погледнем аксесоарите от основния комплект. Два от тях – мощни мотори, подобни на вече използваните в NXT, са продълговати устройства, които развиват значителен въртящ момент благодарение на вътрешната редукторна предавка.
Има механично триене за случай на блокиране на мотора, което започва да се приплъзва, ако триенето е повече от предвиденото, така че е доста трудно да се прегрее моторът.
Съществува сензор за ъгъл на въртене с разрешение от един градус (моторът съобщава на контролера под какъв ъгъл в момента е завъртяната му ос) и възможност за точно синхронизиране на въртенето на всички свързани motors.
Третият, т. нар. M-сервопривод (среден по размер мотор) генерира с три пъти по-малък въртящ момент, но затова пък скоростта на въртене е почти два пъти по-висока.
Що се отнася до сензорите, презумпция е, че не е необходимо да се ограничавате само до тези, предлагани от LEGO Education (въпреки че и тях има в изобилие за всеки образователен проект). Няколко други компании произвеждат съвместими и понякога доста екзотични сензори. Изходният код на фърмуера и спецификациите на хардуера са изцяло .
Софтуерът
Говорихме много за хардуерната основа, но всъщност тя не е единственото, което определя ефективността на заниманията по роботика. Наличието на наистина интуитивен софтуер на многобройни платформи (Mac, PC, мобилни устройства) и прави LEGO MINDSTORMS Education EV3 предпочитаната платформа за обучение, особено на границата между началното и средното училище, за деца на около десет години.
Началният екран на приложението на iPad
Визуализацията на алгоритмите в родния софтуер на LEGO MINDSTORMS Education EV3 е наистина на високо ниво – достатъчно е буквално за няколко минути да се усвоят основните видове взаимодействия на логическите блокове (условие за преминаване, цикъл и т.н.), след което постепенно да се увеличава сложността на програмите. Разбира се, има и готови учебни проекти за десетки разнообразни модели роботи, а при желание в интернет общностите могат да бъдат намерени хиляди интересни програми.
Примерна програма в приложението за iPad
По-напредналите потребители могат да инсталират LabVIEW или RobotC – „мозъците“ на LEGO MINDSTORMS Education EV3 са напълно съвместими с тези пакети. За съжаление, не е възможно да се експортират стари проекти за NXT без допълнителна конверсия.
От образователна гледна точка, много по-голям интерес представлява . Тя позволява да се водят електронни тетрадки на учениците, благодарение на които преподавателят може от своята версия на приложението да оцени успехите на конкретен ученик и да наблюдава напредъка му. Освен това може да се използват не само наличните в софтуера учебни материали (които са множество), но и с помощта на вградения редактор на съдържание да се създават собствени.
Учебни видеа за работа с редактора на съдържание EV3
В десктоп версията също има инструмент за регистриране на данни с възможност за програмиране на графични области в зависимост от праговите стойности. Тоест, сега учителят лесно може да демонстрира работата на съвременните технологии в рамките на умния дом, например.
Микрокомпютърът EV3 ще събира данни от сензорите в реално време и в зависимост от температурата ще стартира съответната програма на модела. При висока температура се включва вентилатор, а при ниска – отоплител. Учениците ще могат да записват и анализират данни, доразвивайки модела.
Регистрация на данни
Отвореността на фърмуера на „умния тухла“ вече изигра своята роля: съществуват алтернативни варианти с поддръжка на повечето популярни програмни езици (десетки от тях). По принцип, използването на EV3 може да се прикачи към всякакъв образователен проект, свързан с програмирането, тъй като малко неща радват така, както възможността да видиш работата на собствените си алгоритми „в желязото“.
Много хора очакват, че цената ще бъде камъкът, който ще спъне цялата история. Наистина, за основния комплект ще се наложи да платиш 29 900 рубли, плюс още 2 500 за зарядно. Въпреки това, тази сума включва части и електроника за комфортна работа на двама ученици, както и пълноценен базов софтуер с 48 готови занятия (който от януари 2016 е напълно безплатен, както за физически лица, така и за организации). Разбира се, допълнителното оборудване и комплектите с задания могат да увеличат цената, но в разумни граници. Например, комплект за 8 ученици, който включва основни и ресурсни комплекти LME EV3, зарядни устройства, софтуер и , ще струва 174 900. Напълно приемливо за оборудване, например, на клуб в училище.
Да, това е значително по-скъпо от простите платформи, подобни на Arduino. Но и възможностите, както и нивото на ангажираност, са много по-високи. Учебната програма на база EV3 може спокойно да се планира за цялата средно училище и след това. Освен това, при разумно използване, LEGO MINDSTORMS Education EV3 просто „ще преживее“ няколко прости комплекта заради механичните качества, леснатa заменяемост и наличието на части (в моята практика само един кабел RJ-12 е изисквал замяна за 10-годишния NXT).
В крайна сметка виждаме практически отворен проект, подкрепен от гигантска компания с всички необходими за такава ситуация бонуси – дълъг живот, наличност на резервни части и разширения, официални и любителски ръководства, развита общност. Mindstorms стана практически стандарт в западните образователни класове по роботика за деца, и наистина би било чудесно да видим неговото широко разпространение и в България.
Избор на път
А сега към основното. За разлика от комплектите WeDo 2.0, EV3 е насочен към гимназисти, съответно, към по-големи деца, за които изборът на бъдеща професия вече е по-сериозен.
Използвайки EV3, всеки един от учениците ще може активно да развие онези способности, които са му заложени от природата, възпитанието и учебния процес.
Природният математик ще следи внимателно телеметрията на сензорите, как точно се регистрира разстоянието, което роботът е изминал, как се записва ъгълът, на който той отклонява и др.
Бъдещият IT специалист, разбира се, ще се потопи в програмирането на робота, разбирайки алгоритмите, по които той се движи. И непременно ще създава свои, които не са предвидени от стандартната инструкция.
Увлеченият в физиката дете ще може да провежда визуални експерименти с помощта на робота, тъй като комплектите имат сензори, а и детето не страда от липса на въображение.
Общо взето, каквито и интереси и любими предмети да има детето в училище, обучението с комплектите MINDSTORMS EV3 ще позволи да ги изясни по-ясно и да се фокусира върху развитието им в бъдеще.
В живота
В момента решенията на компанията вече се използват от ученици за създаване на интересни проекти, както в рамките на различни конкурси, така и за общо развитие. За някои от тях медиите писаха тази година.
Ученикът от Астрахан Руслан Казимов и Михаил Гладышев разработиха робот-тренажор за рехабилитация на ставите на ръцете на базата на регионалния технопарк.
снимка — rg.ru
Участниците в разработката на тренажора, осмокласниците, вложиха малко под два месеца. Те представиха проекта си на регионалния етап на IX-ия Всеруски конкурс за научно-иновационни проекти в ЮФО, където спечелиха второ място. В бъдеще планират да създадат промишлен образец – засега разработчиците предлагат само прототип, изработен от образователния набор за роботика LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Устройството дублира движенията, извършвани от лекаря – ставите започват да работят, като по този начин се възстановява подвижността не само на тях, но и на групи от мускули. В момента устройствата са свързани чрез Bluetooth, в бъдеще ще взаимодействат посредством интернет или Wi-Fi.
На пазара има аналози на такова устройство, но астраханският апарат може да работи едновременно с раменният, китковият и лакътния стави. Освен това той е преносим и работи с акумулатор. Също така има възможност за дистанционно управление, така пациентът може да тренира, без да напуска дома.
На Световната олимпиада по роботехника през 2015 година (WRO 2015) руският отбор DRL от Санкт-Петербург получи специална награда за креативност от компанията LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Руският отбор DRL представи проекта CaveBot. Младежите от Санкт-Петербург под ръководството на треньора Сергей Филипов създадоха уникален робот-изследовател за откриване на неизследвани области в пещери. Разработката обхваща различни научни области, тъй като уникалният робот позволява изпълнението на разнообразни по сложност задачи.
Отборът построи робота-скалолаз, оборудван с различни сензори, за откриване на предмети с цел последващо изследване. Получените данни могат да бъдат превърнати в 3D модели на компютър.
А 13-годишният Шубхъм Бенерджи създаде на Брайля от части LEGO в рамките на училищния научен проект. По-късно, с помощта на семейството си, той създаде стартъп за пускането на изобретението, който получи финансова подкрепа от технологичната корпорация Intel.
(Снимка: Marcio Jose Sanchez, AP)
Идеята да създаде принтер дойде при Шубхъм след изследване на Брайля в интернет. Разбрал, че принтерите за слепите печати струват от 2,000 $ и нагоре, ученикът решава да направи по-евтина версия.
Скоро след изобретението невиждащите деца и техните родители започнаха да се свързват с Шубхэм с единствена молба — да направи евтин принтер на Брайль, обещавайки "да го купят веднага от рафта".
Както виждате, използването на MINDSTORMS Education EV3 в учебния процес позволява на учениците да развиват фантазията си, създавайки все нови механизми, които не само помагат за реализиране на идеи или демонстриране на експерименти, но и да започнат да определят бъдещата си професия.
Ако имате въпроси относно използването на тези решения в образователния процес (или за самите продукти) — пишете ги в коментарите.
Източник: habr.com
