obrázek — roboconstructor.ru
Známá příběh říká, že když se mladá matka obrátila na moudrého muže s dítětem v náručí a zeptala se, od kolika let by měla začít výchovu svého potomka, starý muž odpověděl, že už přišla pozdě o tolik let, kolik je jejímu dítěti. Situace s výběrem budoucího povolání je dost podobná. Je těžké očekávat, že si malé dítě bude uvědomovat své sklony a zájmy, ale už na střední škole začínají různé specializace, a do této doby by již bylo dobré vědět, jakým směrem se má vyvíjet vyrostlé dítě. Ale jedno víme téměř jistě – v průběhu příštích desetiletí bude od 30 do 80 % povolání zcela automatizováno.
Robotika, kybernetika, porozumění algoritmům – to je sada dovedností, s kterými se člověku pravděpodobně nebudou hrozit tak nejasné perspektivy. Samozřejmě, že pravděpodobně paralelně s nahrazováním pracovní síly roboty se bude vyvíjet také koncept bezpodmínečného základního příjmu, ale pochybujeme, že byste chtěli pro své dítě takovou budoucnost.
Existuje mnoho způsobů, jak rychle ukázat mladému a zainteresovanému publiku základy programování a robotiky. Všechny jsou cenově dostupné, relativně snadno naučitelné a za několik hodin poskytují pochopení základů algoritmů a konceptů kybernetických zařízení. Ale ve třídách se lze snadno setkat i s nevýhodami těchto platforem – omezenou odolností (a co si budeme povídat – i „odolností vůči idiotům“) prototypových desek, nelichotivě přátelskými uživatelskými rozhraními pro děti ve věku 11-12 let a relativně malým prvkem „hraní“.
Se všemi těmito nedostatky se už déle než dvacet let potýká nejznámější výrobce vzdělávacích sad LEGO Education. Řeč je samozřejmě o platformě MINDSTORMS Education EV3. Od vyrobených v počátcích 90. let Mindstorms RCX až po nejmodernější komplex MINDSTORMS Education EV3 zůstává princip formování platformy stejný. V základu je tu "inteligentní kostka" ("intelligent brick"), což je mikropočítač s obrazovkou a porty pro vstup a výstup, k němuž se připojují všechny ostatní komponenty. Stejně jako v jakémkoli robotickém systému se periferní zařízení dělí na senzory a efektory. Pomocí senzorů robot vnímá okolní svět a díky efektorům na něj reaguje v souladu s naprogramovanými pokyny. Komponenty platformy se spojují jednoduchými kabely bez pájení a mechanické konstrukce jsou omezeny pouze pevností plastových dílů a fantazií konstruktérů.
jsme se zabývali možnostmi takových řešení obecně, nyní bychom se chtěli podrobněji zaměřit konkrétně na LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 je kompatibilní s díly Lego Technic. To znamená, že platformu lze použít k vytvoření nejrůznějších a dokonce neuvěřitelných konstrukcí, od jednoduchých "autíček" a "robotických rukou" po složité dopravníky nebo dokonce "řešitele" Rubikovy kostky. Prakticky jakákoli sada Lego Technic může být zdrojem dílů pro projekty, rovněž nebude problém se substitucí poškozených náhradních dílů. Ano, nevypadají tak robustně jako starý sovětský hliníkový stavební set, ale v praxi se ukazují jako daleko odolnější než výrobky z kovu. V mém sběratelském kolekce, která začala v roce 1993, se zatím nenašla ani jedna zlomená část.
V základním vzdělávacím setu MINDSTORMS Education EV3 je přiloženo 541 dílů Lego Technic. Je možné dokoupit jak specializovanou zdrojovou sadu, jako je (nebo starší 9648, která byla vydaná ještě pro NXT), tak jednoduše velkou stavebnici typu (2800 dílů) nebo (téměř 4000 dílů), a potom, co si dostatečně pohrajete s hlavním modelem, je můžete využít na "kostky" pro kybernetické experimenty. Při přepočtu na jeden díl Lego zde vychází daleko lépe než jiné sady – celkem 3-5 korun za kus.
A pokud má někdo starou sbírku, která zahrnuje desítky tisíc dílků, nemusí se o zdroje vůbec obávat.
Snímek obrazovky ze služby Brickset (interaktivní databáze pro majitele Lego stavebnic, která umožňuje shromažďovat různé statistiky) autora
Nicméně, to platí pouze pro „pasivní“ prvky, jako jsou trámy, kola nebo spojovací kolíky. Senzory a efektory jsou samozřejmě mnohem dražší, ale v základním balení jich je více než dost. Mindstorms EV3 obsahuje tři motory (dva větší a silnější a jeden kompaktní servomotor), pár dotykových senzorů (jakési „inteligentní“ tlačítka), ultrazvukový, gyroskopický a barevný senzor (ten může také fungovat v režimu světelného senzoru). Kromě toho je zachována kompatibilita se senzory z předchozí generace robotů Lego Education – Mindstorms NXT (mezi nimi je například senzor hladiny hluku).
Ale vraťme se k „chytrému bloku“, srdci systému. Je to skutečně poněkud těžký a objemný „blok“, vybavený monochromatickým LCD displejem 178x128 (na něm se zobrazuje nejen menu, ale i různé vlastní obrázky během provozu) s nastavitelným barevným podsvícením. Pomocí kabelů se standardním konektorem RJ-12 k němu připojují sensory a efektory (až čtyři zařízení každého typu), je zde slot pro microSDHC a USB port.
Poslední se dá využít jak pro nahrání vlastních programů, tak pro aktualizaci firmwaru. Mikrokontroler také není ochuzen o bezdrátové rozhraní, při přání lze programy nahrávat přes Wi-Fi (je potřeba externí modul) nebo Bluetooth (vestavěný). Také, pokud sestavujeme robota s dálkovým ovládáním, můžeme s ním „řídit“ pomocí bezdrátového připojení ze smartphonu nebo tabletu.
Uvnitř „chytré cihly“ žije 300megahertzový ARM procesor, 16 megabajtů paměti ROM (a ku čemu bude karta) a 64 megabajtů RAM. Ačkoliv se tyto cifry mohou zdát skromné, pro provádění i těch nejrozsáhlejších algoritmů, které můžete napsat vy nebo dokonce dítě během výuky, je výkon více než dostačující. A pokud to srovnáme se 48megahertzovým procesorem předchozí generace NXT, jemuž nedávno bylo deset let – pokrok je skutečně patrný. Nicméně nelze říci, že by NXT nějak viditelně brzdil při řešení běžných úloh.
Navíc se objevil čtvrtý port pro motory, což samo o sobě představuje významné rozšíření funkcionality, které ospravedlňuje aktualizaci.
USB port nyní podporuje hostitelský režim, což umožňuje nejen připojení Wi-Fi adaptéru, ale také spojení několika bloků EV3 do jednoho složitého robota. Pravda, úroveň úloh se tím stává zcela „ne dětskou“.
Nakonec MINDSTORMS Education EV3 získal podporu pro akumulátorové napájení. Místo šesti AA baterií můžete nainstalovat dodávanou lithium-iontovou baterii se dvěma a půl ampérhodinami. Samozřejmě, nikdo nezakazuje používat článkové baterie typu eneloop, ale nutnost je vyjímat pro nabíjení snižuje použitelnost pod průměr. A co se týče ceny, pár sad eneloop s nabíječkou je zcela srovnatelné s originální baterií.
Ach ano, objevil se velký a hlasitý reproduktor, který nyní může nejen hrát retro melodie z 8-bitové éry, ale také přehrávat příjemnější zvuky.
Teď se podívejme na efekty z základní soupravy. Dva z nich jsou výkonné motory, podobné těm, které již byly použity v NXT, podlouhlá zařízení, která díky vnitřnímu redukčnímu převodu dosahují značného kroutícího momentu.
Pro případ zablokování motoru je zde mechanická spojka, která začne klouzat, pokud je tření větší než výpočtové, takže motor je celkem obtížné spálit.
Je zde senzor úhlu otočení s rozlišením jednoho stupně (motor informuje řídicí jednotku, pod jakým úhlem je jeho osa právě otočena) a možnost přesně synchronizovat otáčení všech připojených motorů.
Třetí, takzvaný M-servomotor (střední motor) poskytuje třikrát menší kroutící moment, ale jeho otáčivá rychlost je téměř dvakrát vyšší.
Pokud jde o senzory, ve skutečnosti není nutné se omezovat pouze na ty, které nabízí LEGO Education (i těch je nadbytek pro jakýkoli vzdělávací projekt); řada třetích stran vyrábí kompatibilní a místy dost exotické senzory. Původní kód firmwaru a technické specifikace jsou zcela .
Software
Mluvili jsme hodně o hardwarové základně, ale ve skutečnosti nejen ta určuje efektivitu výuky robotiky. Právě přítomnost opravdu intuitivního softwaru na mnoha platformách (Mac, PC, mobilní zařízení) a dělá LEGO MINDSTORMS Education EV3 platformou volby pro výuku, obzvlášť na přechodu mezi základní a střední školou, pro děti kolem deseti let.
Úvodní obrazovka aplikace na iPad
Vizualizace algoritmů v nativním softwaru LEGO MINDSTORMS Education EV3 je na vynikající úrovni – stačí doslova za několik minut pochopit hlavní typy interakcí logických bloků (přechodové podmínky, smyčky atd.) a následně postupně zvyšovat složitost programů. Samozřejmě existují i hotové výukové projekty pro desítky různorodých modelů robotů, a pokud máte zájem, můžete v internetových komunitách najít tisíce zajímavých programů.
Příklad programu v aplikaci pro iPad
Pokročilí uživatelé mohou nainstalovat LabVIEW nebo RobotC – 'mozky' LEGO MINDSTORMS Education EV3 jsou plně kompatibilní s těmito balíčky. Staré projekty pro NXT bohužel nelze exportovat bez dodatečné konverze.
Z pohledu vzdělávání má mnohem větší zájem . Ta umožňuje vést elektronické sešity žáků, díky nimž může učitel z vlastní verze aplikace hodnotit úspěchy konkrétního žáka a sledovat jeho pokrok. Navíc lze využívat nejen existující učební materiály v rámci softwaru (kterých je spousta), ale pomocí integrovaného editoru obsahu vytvářet vlastní.
Vzdělávací videa o práci s editorem obsahu EV3
V desktopové verzi je také nástroj pro registraci dat s možností programování oblastí grafu podle prahových hodnot. To znamená, že pedagog může snadno demonstrovat fungování moderních technologií v rámci chytré domácnosti, například.
Mikropočítač EV3 bude shromažďovat data ze senzorů v reálném čase a v závislosti na teplotních podmínkách spouštět určité programy modelu. Při vysoké teplotě se zapne ventilátor, při nízké – topení. A žáci si budou moci zaznamenávat a analyzovat data, při čemž upraví model.
Žurnálování dat
Otevřenost firmwaru „chytrého cihly“ už hrála svoji roli: existují alternativní varianty s podporou většiny populárních programovacích jazyků (desítky z nich). V podstatě lze použití EV3 „připojit“ k jakémukoli vzdělávacímu projektu souvisejícímu s programováním, protože málo co potěší víc, než vidět fungování vlastních algoritmů „v železe“.
Mnoho lidí očekává, že překážkou v tomto příběhu může být cena. Opravdu, za Základní sadu bude nutné zaplatit 29 900 rublů, plus ještě 2 500 za nabíječku. Nicméně tato částka zahrnuje díly a elektroniku pro pohodlnou práci dvou studentů, stejně jako plně funkční základní software s 48 připravenými lekcemi (který od ledna 2016 je zcela zdarma jak pro jednotlivce, tak pro organizace). Samozřejmě, že další vybavení a soupravy úloh mohou zvýšit náklady, ale v rozumných mezích. Takže sada pro 8 studentů, zahrnující základní a zdrojové sady LME EV3, nabíječky, software a , bude stát 174 900. Pro vybavení, například, kroužku ve škole, je to zcela přijatelné.
Ano, to je výrazně dražší než jednoduché platformy podobné Arduino. Ale možnosti a úroveň zapojení jsou mnohem vyšší. Vzdělávací program založený na EV3 lze klidně plánovat na celé střední škole a dál. Navíc, při adekvátním použití LEGO MINDSTORMS Education EV3 jednoduše „přežije“ několik jednoduchých sad díky mechanickým vlastnostem, snadné zaměnitelnosti a dostupnosti dílů (v mé praxi si pouze jeden kabel RJ-12 vyžádal výměnu v 10letém NXT).
Nakonec vidíme téměř open-source projekt, podporovaný obrovskou společností se všemi odpovídajícími výhodami – dlouhou životností, dostupností náhradních dílů a rozšíření, oficiálními i amatérskými průvodci a rozvinutou komunitou. Mindstorms se stal téměř standardem západních vzdělávacích tříd zaměřených na robotiiku pro děti a bylo by skvělé vidět jeho širší rozšíření i v Rusku.
Výběr cesty
A teď k hlavnímu. Na rozdíl od sad WeDo 2.0, je EV3 zaměřen na střední školy, což znamená, že je určen pro starší děti, pro které je volba budoucího povolání již vážnější otázkou.
Používáním EV3 každý z žáků může aktivně odhalit ty schopnosti, které byly v něm zakódovány přírodou, výchovou a vzdělávacím procesem.
Přirozený matematik bude pozorně sledovat telemetrii senzorů, jak přesně je zaznamenávána vzdálenost, kterou robot urazil, jak se zaznamenává úhel, pod kterým se odchyluje, a další.
Budoucí IT specialista se samozřejmě ponoří do programování robota, analyzujíc algoritmy, podle kterých se pohybuje. A určitě bude vytvářet své vlastní, které nejsou zahrnuty v oficiálních pokynech.
Dítě fascinované fyzikou bude moci provádět názorné experimenty pomocí robota, protože s senzory nejsou žádné problémy, stejně jako s fantazií dítěte.
Celkově, bez ohledu na zájmy a oblíbené předměty dítěte ve škole, vzdělávání s využitím sad MINDSTORMS EV3 umožní jasněji je identifikovat a soustředit se na jejich rozvoj v budoucnu.
V životě
V současné době jsou řešení společnosti již používána studenty k vytváření zajímavých projektů, a to jak v rámci různých soutěží, tak pro obecný rozvoj. O některých z nich informovala média tento rok.
Žáci z Astrachánu, Ruslan Kazimov a Michail Gladyshev, vyvinuli v rámci regionálního technoparku robotického trenéra pro rehabilitaci kloubů rukou.
foto — rg.ru
Na vývoj simulátoru deváťáci strávili necelé dva měsíce. Své projekt představili na regionálním kole IX. celostátní soutěže vědecko-inovativních projektů v JZH, kde obsadili druhé místo. V budoucnu plánují vytvořit průmyslový vzorek – zatím vývojáři nabízejí pouze prototyp vyrobený z edukativní robotické sady LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Zařízení duplikuje pohyby prováděné lékařem – klouby začínají fungovat, čímž se obnovuje pohyblivost nejen jich, ale i svalových skupin. Zatím jsou zařízení propojena přes Bluetooth, v budoucnu budou komunikovat prostřednictvím internetu nebo Wi-Fi.
Na trhu jsou dostupné analogy tohoto zařízení, avšak astrakhanský přístroj může současně pracovat s ramenním, zápěstním a loketním kloubem. Kromě toho je přenosný a pracuje na baterii. Také existuje možnost dálkového ovládání, tedy pacient může trénovat, aniž by vyšel z domu.
Na Světové olympiádě v robotice 2015 (WRO 2015) byl ruský tým DRL ze St. Petěrburgu oceněn zvláštní cenou za kreativitu od společnosti LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Ruský tým DRL představil projekt CaveBot. Chlapci ze St. Petěrburgu pod vedením trenéra Sergeje Filippova vytvořili unikátní robota-vyšetřovatele pro odhalování neprozkoumaných oblastí v jeskyních. Vývoj zasahuje do různých vědeckých oblastí, protože unikátní robot umožňuje plnění různorodých úkolů.
Tým postavil robota-lezce, vybaveného různými senzory, pro objevování předmětů s cílem jejich následného zkoumání. Získaná data mohou být převedena do 3D modelů na počítači.
A 13letý Šubham Banerji vytvořil Braille z částí LEGO v rámci školního vědeckého projektu. Později, se zapojením své rodiny, byl založen startup na uvedení vynálezu, který získal finanční podporu od technologické korporace Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
Nápad vytvořit tiskárnu přišel Šubhamovi po výzkumu Brailla na internetu. Když pochopil, že tiskárny pro slepou tisk stojí od 2,000 $ a více, rozhodl se vyrobit levnější verzi.
Krátce po vynálezu se začali nevidomí děti a jejich rodiče spojovat se Šubhémem s jedinou žádostí - vytvořit cenově dostupnou braillskou tiskárnu, slibujíce, že si ji "koupí přímo z regálu".
Jak vidíte, použití MINDSTORMS Education EV3 v procesu vzdělávání umožňuje studentům naplno zapojit fantazii, vytvářejíc stále nové a nové mechanismy, které nejen pomáhají realizovat myšlenky či názorně provádět různé experimenty, ale také začít se vymezovat ve své budoucí profesi.
Pokud máte dotazy ohledně používání těchto řešení ve vzdělávacím procesu (nebo ohledně samotných produktů) - pište je do komentářů.
Zdroj: habr.com
