изображение — roboconstructor.ru
Известната притча гласи, че когато мъдрецът получил питане от млада майка с дете на ръце за това от кога да започне възпитанието на детето, старецът отговорил, че тя е закъсняла с толкова години, колкото е било детето. С избора на бъдещето призвание ситуацията е доста сходна. Трудно е да се изисква осъзнаване на склонностите и интересите от бебе, но вече в средното училище започват различни специализации и към това време би било добре да знаем в каква посока да насочим порасналото дете. Но едно знаем почти със сигурност – през следващите десетилетия между 30 и 80% от професиите ще бъдат напълно автоматизирани.
Роботика, кибернетика, разбирането на алгоритми – това е набор от умения, с които на човек вероятно няма да му се налага да се сблъсква с толкова неясни перспективи. Разбира се, вероятно паралелно със замяната на работната сила с роботи ще се развива и концепцията за безусловен базов доход, но малко вероятно е да искате такова бъдеще за дете си.
Съществуват много начини бързо да се представят основите на програмирането и роботиката на млада и заинтересована аудитория. Всички те са сравнително евтини, сравнително лесни за усвояване и предлагат разбиране на основите на алгоритмите и концепциите на кибернетични устройства само след няколко часа. Но в учебните класни стаи лесно може да се сблъскате и с недостатъците на тези платформи – ограничена износоустойчивост (и да си признаваме – също и «идиотоустойчивост») на макетните платки, не особено приятелски интерфейси за деца на 11-12 години и относително малък елемент на «игра».
С всички тези недостатъци вече над двадесет години се борят в най-известната компания производител на развиващи комплекти LEGO Education. Става въпрос, разбира се, за платформата MINDSTORMS Education EV3. Започвайки от произведените в началото на 90-те Mindstorms RCX и завършвайки с най-съвременния комплекс MINDSTORMS Education EV3, принципът на формиране на платформата остава същият. В основата стои „умният тухла“ (“intelligent brick”), това е микрокомпютър с екран и входно-изходни портове, към който се свързват всички останали компоненти. Както при всяка робототехническа система, периферните устройства се подразделят на сензори и ефектори. С помощта на сензорите роботът възприема околния свят, а благодарение на ефекторите – реагира на него в съответствие с заложената програма. Компонентите на платформата се свързват заедно с прости кабели, без запояване, а механичните конструкции са ограничени само от здравината на пластмасовите части и въображението на конструкторите.
разгледахме възможностите на такива решения в общи линии, а сега искаме да обърнем внимание именно на LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 е съвместим с детайлите на 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 „решители“ на кубчето на Рубик. Всъщност, всеки комплект Lego Technic може да бъде източник на части за проекти, също така няма да има проблеми със замяната на повредените резервни части. Да, те не изглеждат толкова брутално, колкото стария съветски алуминиев конструктор, но на практика се оказват дори по-здрави от изделията от метал. Най-малкото в моята колекция, стартирала през 1993 година, все още не е открита нито една счупена част.
В комплекта с основния образователен набор MINDSTORMS Education EV3 има 541 част Lego Technic. Може да се закупи допълнително или специализиран ресурсен комплект, като (или по-стария 9648, произвеждан по време на NXT), или просто голям комплект, като (2800 части) или (почти 4000 части), и, след като сте се наиграли с основния модел, да го раз拆ете на „тухлички“ за кибернетични експерименти. При броене на една детайл Lego, тук значително печели спрямо други комплекти – едва 3-5 рубли за единица.
А ако някой все още притежава стара колекция, включваща десетки хиляди части, не е нужно да се притеснява за ресурсите.
Скриншот от Brickset (интерактивна база за собствениците на Lego конструктори, позволяваща събиране на разнообразна статистика) от автора
Въпреки това, това важи само за „пасивни“ елементи като греди, колела или свързващи щифтове. Сензорите и ефекторите, разбира се, са значително по-скъпи, но в базовия комплект ги има повече от достатъчно. Mindstorms EV3 идва с три мотора (два по-големи и по-мощни и един компактен серво мотор), двойка сензори за допир (своеобразни „умни“ бутони), ултразвуков, гироскопичен и цветен сензор (който може да работи и в режим на сензор за осветленост). Освен това е запазена съвместимостта с сензорите от предишното поколение Lego Education – Mindstorms NXT (например, сензор за ниво на шум).
Но да се върнем към „умния кирпич“, сърцето на системата. Това е наистина доста тежък и обемен „кирпич“, оборудван с монохромен LCD екран 178x128 (на който се извежда не само менюто, но и всякакви кастомизирани изображения по време на работа) с променлив цвят на подсветката. Чрез кабели със стандартен RJ-12 конектор се свързват сензори и ефектори (до четири устройства от всеки тип), има слот за microSDHC и USB порт.
Последният може да се използва както за зареждане на самите програми, така и за актуализиране на фърмуера. Въпреки това, микроконтролерът не е лишен от безжични интерфейси; при желание, програмите могат да се зареждат и чрез Wi-Fi (необходим е външен модул) или Bluetooth (вграден). Освен това, ако сглобяваме робот с дистанционно управление, можем да го управляваме с безжична връзка от смартфон или таблет.
Вътре в „умния тухла“ живее 300-мегахерцов ARM процесор, 16 мегабайта постоянна памет (и ето за какво ще е полезна картата) и 64 мегабайта оперативна. Каквито и да са скромните тези цифри, за изпълнението на дори най-разширените алгоритми, които вие или, още повече, дете, може да напише по време на обучението, мощността е повече от достатъчна. А ако сравним с 48-мегахерцовия процесор от предишното поколение NXT, който наскоро навърши десет години – прогресът е наистина забележим. Въпреки това, не може да се каже, че NXT е забавял в процеса на решаване на стандартни задачи.
Плюс това, появи се четвърти порт за мотори, самото по себе си е значително разширение на функционалността, което оправдава ъпгрейда.
USB портът сега поддържа режим на хост, 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 в този случай става напълно „дори не детско“.
Накрая, MINDSTORMS Education EV3 получи поддръжка за акумулаторно захранване. Вместо шест AA батерии може да се инсталира литиево-йонна батерия с капацитет от два с малко ампер-часа, която идва в комплекта. Разбира се, никой не забранява да се използват батерии от типа eneloop, но необходимостта от изваждане за зареждане намалява удобството. И цената на два комплекта eneloop с зарядно е напълно сравнима с оригиналната батерия.
Ах да, появи се голям и силен високоговорител, който сега не само може да издава звуци от ретро мелодии от 8-битовата ера, но и може да възпроизвежда по-приятни звуци.
Сега нека погледнем на ефекторите от основния комплект. Два от тях са мощни мотори, аналогични на вече използваните в NXT, удължени устройства, развиващи сериозен въртящ момент благодарение на вътрешната редукция.
В случай на блокиране на мотора, е предвиден механичен фрикцион, който започва да проскальза, ако триенето е по-голямо от предвиденото, така че мотора трудно може да се повреди.
Съществува сензор за ъгъл на завъртане с разрешение от един градус (моторът съобщава на контролера на какъв ъгъл е завъртяна неговата ос) и възможност за точно синхронизиране на въртенето на всички свързани мотори.
Третият, т.нар. M-сервопривод (среден по размер мотор) предоставя три пъти по-малък въртящ момент, но пък скоростта му на въртене е почти два пъти по-висока.
Що се отнася до сензорите, всъщност не е необходимо да се ограничавате само до тези, които предлага LEGO Education (въпреки че те са над достатъчни за всеки образователен проект), редица трети компании произвеждат съвместими и понякога доста екзотични сензори. Изходният код на фърмуера и хардуерните спецификации са напълно .
Програмно осигуряване
Много говорихме за хардуерната основа, но наистина не само тя определя ефективността на занятията по роботика. Именно наличието на интуитивно софтуерно решение на множество 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.
Начален екран на приложението на iPad
Визуализацията на алгоритмите в родното софтуерно решение LEGO MINDSTORMS Education EV3 е наистина на високо ниво – достатъчно е буквално за няколко минути да усвоите основните взаимодействия на логическите блокове (условия за преминаване, цикъл и т.н.) и след това постепенно да увеличавате сложността на програмите. Разбира се, има и готови обучителни проекти за десетки разнообразни модели роботи, а при желание в интернет общностите можете да намерите 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 експортирате стари проекти за NXT без допълнителна конверсия.
От образователна гледна точка, много по-голям интерес представлява . Тя позволява воденето на електронни тетрадки на учениците, благодарение на които преподавателят може от своята версия на приложението да оценява успехите на конкретен ученик и да наблюдава напредъка му. Освен това, може да се използва не само наличното софтуерно учебно съдържание (което е в изобилие), но и с помощта на вградения редактор за съдържание да създавате свои собствени.
Обучителни видеа за работа с редактора за съдържание EV3
В десктоп версията има утилита за регистрация на данни с възможност за програмиране на области на графика в зависимост от прагова стойности. Тоест, сега учителят може лесно да демонстрира работата на съвременните технологии в концепцията на интелигентен дом, например.
Микрокомпютърът EV3 ще събира данни от сензорите в реално време и в зависимост от температурата ще стартира определена програма на модела. При висока температура се включва вентилатор, а при ниска — нагревател. Учениците ще могат да фиксират и анализират данните, доразвивайки модела.
Логиране на данни
Отвореността на фърмуера на „умния тухла“ вече изиграва своята роля: съществуват алтернативни варианти, които поддържат повечето популярни езици за програмиране (десетки на брой). По същество, използването на EV3 може да се «прикрепи» към всеки образователен проект, свързан с програмиране, защото малко неща радват толкова, колкото възможността да се види работата на собствените алгоритми в «железо».
Много хора очакват, че камъкът на спотыкания в тази история може да се окаже цената. Наистина, за Основния комплект ще трябва да се плати 29 900 рубли, плюс още 2 500 за зарядното устройство. Въпреки това, в тази сума са включени части и електроника за комфортната работа на двама ученици, а също и пълноценен базов софтуер с 48 готови занимания (който от януари 2016 е напълно безплатен, както за физически лица, така и за организации). Разбира се, допълнителното оборудване и комплекти задачи могат да увеличат цената, но в разумни граници. Така комплект за 8 ученици, включващ 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 Arduino-подобни платформи. Но и възможностите, както и нивото на ангажираност, са много по-високи. Учебната програма на базата на EV3 може спокойно да се планира за целия среден курс и по-нататък. Освен това, при адекватно използване, LEGO MINDSTORMS Education EV3 просто ще «преживее» няколко основни комплекта благодарение на механичните си качества, лесната смяна и наличността на части (в моята практика само един кабел RJ-12 е изисквал смяна през 10-годишния NXT).
В крайна сметка наблюдаваме практически проект с отворен код, подкрепен от гигантска компания с всички положени за такава ситуация бонуси – дълъг жизнен цикъл, наличност на резервни части и разширения, официални и любителски ръководства, развита общност. Mindstorms стана практически стандарт за западните образователни класове по роботика за деца, и ще бъде наистина прекрасно да видим неговото широко разпространение и в България.
Избор на път
А сега към същността. За разлика от комплектите WeDo 2.0, EV3 е ориентиран към средните училища, съответно към по-големи деца, за които въпросът за избора на бъдеща професия вече е по-сериозен.
Използвайки EV3, всеки от учениците ще може активно да разкрие тези способности, които са вложени в него от природата, възпитанието и учебния процес.
Природно надареният математик ще следи внимателно телеметрията на сензорите, как точно се фиксира изминатото разстояние от робота, как се записва ъгълът, под който той се отклонява и така нататък.
Бъдещият IT специалист, разбира се, ще се потопи в програмирането на робота, разглеждайки алгоритмите, по които той се движи. И несъмнено ще създава свои, не предвидени в стандартната инструкция.
Запалено дете по физика ще може с помощта на робота да провежда нагледни експерименти, благодарение на сензорите, които нямат проблеми, както и детето – с въображението.
Общо взето, каквито и интереси и любими предмети да има детето в училище, обучението с наборите MINDSTORMS EV3 ще позволи да се изяснят и съсредоточат върху тяхното развитие 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 редица от тях през тази година писаха медиите.
Учениците от Астрахан, Руслан Казимов и Михаил Гладышев, разработиха робот-тренажор за рехабилитация на ставите на ръцете на базата на регионалния технопарк.
снимка — rg.ru
За разработка на симулатората учениците от осми клас потратиха малко по-малко от два месеца. Те представиха проекта си на регионалния етап на IX Всеросийски конкурс за научно-иновационни проекти в ЮФО, където заеха второ място. В бъдеще планират да създадат промишлен образец - засега разработчиците предлагат само прототип, изработен от образователния роботехнически комплект LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Устройството дублира движенията, извършвани от лекаря - ставите започват да работят, възстановявайки подвижността не само на тях, но и на групи мускули. В момента устройствата са свързани чрез Bluetooth, а в бъдеще ще могат да взаимодействат чрез интернет или Wi-Fi.
Аналози на такова устройство има на пазара, обаче астраханският прибор може да работи едновременно с раменния, китковия и лакътния сустави. Освен това, той е преносим и работи с акумулатор. Също така има възможност за дистанционно управление, т.е. пациентът може да тренира, без да напуска дома си.
На Световната олимпиада по роботика 2015 година (WRO 2015) руският отбор DRL от Санкт Петербург бе награден със специална награда за креативност от компанията LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Руският отбор DRL представи проекта CaveBot. Момчетата от Санкт Петербург под ръководството на треньора Сергей Филипов създадоха уникален робот-изследовател за откриване на неизследвани области в пещерите. Разработката обхваща различни научни области, тъй като уникалният робот позволява изпълнението на разнообразни по сложност задачи.
Отборът построи робот-катерач, оборудван с различни сензори, за откритие на предмети с цел последващо изследване. Получените данни могат да бъдат преобразувани в 3D-модели на компютър.
А 13-годишният Шубхам Бенерджи създаде на Брайл от части на LEGO в рамките на училищен научен проект. По-късно, с участието на семейството си, бе създаден стартъп за стартиране на изобретението, който получи финансова подкрепа от техническата корпорация Intel.
(Снимка: Марсио Хосе Санчес, AP)
Идеята за създаване на принтера дойде на Шубхам след изследване на Брайл в интернет. Разбирайки, че принтерите за печат за слепи струват от 2,000$ и нагоре, ученикът реши да направи по-евтина версия.
Скоро след изобретението слепите деца и техните родители започнаха да се свързват с Шубхам с единствената молба — да направи евтина Брайлова машина за печат, обещавайки да я "купят направо от рафта".
Както виждате, използването на MINDSTORMS Education EV3 в учебния процес позволява на учениците да проявят максимално въображение, създавайки все нови и нови механизми, които не само помагат за реализиране на идеи или визуално провеждане на експерименти, но и да започнат да се определят със своята бъдеща професия.
Ако имате въпроси относно използването на тези решения в образователния процес (или относно самите продукти) — задавайте ги в коментарите.
Източник: habr.com
