billede — roboconstructor.ru
En kendt fabel siger, at da en ung mor med sit barn i armene henvendte sig til en vis mand og spurgte, hvornår hun burde begynde at opdrage sit barn, svarede den gamle mand, at hun var for sent på den med det antal år, som barnet allerede havde. Situationen med valg af fremtidigt erhverv er noget lignende. Det er svært at forvente, at et spædbarn har erkendelse af sine tilbøjeligheder og interesser, men allerede i folkeskolen begynder der forskellige specialiseringer, og på dette tidspunkt ville det være godt at vide, hvilken retning det voksende barn skal tage. Men én ting ved vi næsten helt sikkert – i løbet af de kommende årtier vil mellem 30 og 80 % af jobene blive fuldstændig automatiserede.
Robotik, cybernetik, forståelse af algoritmer – det er den række færdigheder, som sandsynligvis ikke vil bringe en person i fare for så dystre fremtidsudsigter. Selvfølgelig vil der sandsynligvis blive udviklet en koncept for ubetinget basisindkomst parallelt med erstatningen af arbejdsstyrken med robotter, men det er næppe det, du ønsker for dit barn.
Der findes mange måder at hurtigt introducere en ung og interesseret målgruppe for grundene til programmering og robotik. Alle disse metoder er billige, relativt nemme at lære, og giver allerede efter et par timer en forståelse af grundlæggende algoritmer og koncepter i cybernetiske enheder. Men i undervisningslokalerne kan man let støde på ulemperne ved disse platforme – begrænset slidstyrke (og hvad skal vi skjule – "idiotbestandighed" også) af prototyper, ikke særlig børnevenlige brugerflader i softwaren for børn på 11-12 år og en relativt lille legemæssig komponent.
Med alle disse mangler har den mest kendte producent af udviklingssæt LEGO Education i mere end tyve år arbejdet på løsninger. Det handler selvfølgelig om MINDSTORMS Education EV3-platformen. Fra de tidligt producerede Mindstorms RCX i begyndelsen af 90'erne til det mest moderne MINDSTORMS Education EV3-kompleks forbliver platformens grundlæggende princip uændret. I bunden ligger den "intelligente klods", en mikrokomputer med skærm og ind- og udgangsporte, til hvilken alle de andre komponenter tilsluttes. Ligesom i ethvert robotteknologisystem opdeles perifere enheder i sensorer og aktorer. Gennem sensorer opfatter robotten omverdenen, mens aktorerne reagerer på den i henhold til den indlagte programmering. Komponenten på platformen forbindes sammen med enkle kabler uden lodning, og de mekaniske konstruktioner er kun begrænset af styrken af plastikdelene og konstruktørernes fantasi.
kiggede vi på mulighederne for sådanne løsninger generelt, nu ønsker vi at se nærmere på LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 er gjort kompatibel med LEGO Technic-dele. Det betyder, at platformen kan bruges til at skabe de mest forskelligartede og endda utrolige konstruktioner, fra enkle "biler" og "robotarme" til komplekse transportbånd eller endda "løsere" af Rubiks terning. Faktisk kan ethvert LEGO Technic-sæt blive en kilde til dele til projekter, og der vil heller ikke være problemer med at erstatte beskadigede reservedele. Ja, de ser ikke så robuste ud som den gamle sovjetiske aluminiumskonstruktør, men i praksis viser de sig at være endnu stærkere end metalprodukter. I hvert fald er der i min samling, som startede i 1993, endnu ikke fundet nogen ødelagte dele.
I den grundlæggende uddannelsespakke MINDSTORMS Education EV3 er der 541 LEGO Technic-dele. Man kan købe både specialiserede ressourcepakker som (eller den ældre 9648, der blev produceret til NXT), samt en stor konstruktionssæt som (2800 dele) eller (næsten 4000 dele), og når man har leget nok med den primære model, kan man bruge dem til "klodser" til cybernetiske eksperimenter. Regnet pr. LEGO-del vinder dette sæt stort over andre sæt - kun 3-5 rubler per stykke.
Men hvis nogen stadig har en gammel samling, der inkluderer titusindvis af dele, er der slet ingen grund til at bekymre sig om ressourcer.
Screenshot fra tjenesten Brickset (en interaktiv database for ejere af Lego-sæt, der muliggør indsamling af forskellig statistik) af forfatteren.
Dette gælder dog kun for "passive" elementer som bjælker, hjul eller forbindelsespins. Sensorer og aktuatorer er selvfølgelig meget dyrere, men i det grundlæggende sæt er der mere end rigeligt. Mindstorms EV3 leveres med tre motorer (to større og kraftigere og en kompakt servomotor), et par tryksensorer (en slags "smarte" knapper), ultralyd, gyroskop og farvesensorer (som også kan fungere i lysfølsomhedsmodus). Plus, der er bevaret kompatibiliteten med sensorer fra den foregående generation af Lego Education-robotter – Mindstorms NXT (som inkluderer for eksempel en støjføler).
Men lad os vende tilbage til den "smarte klods", hjertet af systemet. Det er virkelig en ret tung og stor "klods", udstyret med en monokrom LCD-skærm på 178x128 (som viser ikke kun menuen, men også forskellige tilpassede billeder under brug) med justerbar baggrundsbelysning. Sensorer og aktuatorer tilsluttes til det via kabler med standard RJ-12-stik (op til fire enheder af hver type), der er en slot til microSDHC og en USB-port.
Den sidstnævnte kan bruges både til at downloade programmer og til at opdatere firmwaren. Desuden er mikrocontrolleren heller ikke sparsom med trådløse grænseflader; hvis ønskes, kan programmer også downloades via Wi-Fi (en ekstern modul er påkrævet) eller Bluetooth (som er indbygget). Desuden, hvis vi bygger en robot med fjernstyring, kan den styres via trådløs forbindelse fra en smartphone eller tablet.
Inde i den "smarte mursten" bor en 300 MHz ARM-processor, 16 megabyte permanent hukommelse (som kortet vil være nyttigt til) og 64 megabyte RAM. Selvom disse tal kan virke beskedne, er der mere end tilstrækkelig kraft til at udføre selv de mest komplekse algoritmer, som du eller endda et barn kan skrive i løbet af læringsprocessen. Og sammenlignet med den 48 MHz processor fra den tidligere generation NXT, som for nylig fyldte ti år – er fremskridtet virkelig mærkbart. Dog kan man ikke sige, at NXT på nogen måde har været bemærkelsesværdigt langsom i forbindelse med løsning af standardopgaver.
Derudover er der kommet en fjerde port til motorerne, hvilket i sig selv er en betydelig funktionel udvidelse, der retfærdiggør opgraderingen.
USB-porten understøtter nu host-tilstand, hvilket muliggør ikke kun tilslutning af en Wi-Fi-adapter, men også at forbinde flere EV3-enheder til én kompleks robot. Dog bliver opgaven på dette niveau helt klart "ikke for børn".
Endelig har MINDSTORMS Education EV3 fået support til batteridrift. I stedet for seks AA-batterier kan man installere det medfølgende lithium-ion-batteri på over to ampere-timer. Selvfølgelig er der ikke noget til hinder for at bruge AA-batterier som eneloop, men nødvendigheden af at tage dem ud for at oplade dem gør brugervenligheden under middel. Og prisen på et par sæt eneloop med oplader er helt sammenlignelig med det originale batteri.
Ah ja, der er kommet en stor og højlydt højttaler, som nu ikke blot kan spille retro-melodier fra 8-bit æraen, men også afspille mere behagelige lyde.
Lad os nu se på aktuatorerne fra basispakken. To af dem er kraftige motorer, der ligner dem, der allerede er blevet brugt i NXT, aflange enheder der udvikler et betydeligt drejningsmoment takket være den interne gearudveksling.
For tilfælde af motorlåsning er der en mekanisk friktion, der begynder at glide, hvis friktionen overstiger det beregnede, så motoren er ret svær at overophede.
Der er en drejevinkelsensor med en opløsning på én grad (motoren rapporterer til kontrolleren, hvilken vinkel dens akse aktuelt er drejet til) og mulighed for præcist at synkronisere rotationen af alle tilsluttede motorer.
Den tredje, såkaldte M-servomotor (en motor af mellem størrelse) leverer tre gange mindre drejningsmoment, men dens hastighed er næsten dobbelt så høj.
Når det kommer til sensorer, er det faktisk slet ikke nødvendigt at begrænse sig til dem, som LEGO Education tilbyder (selvom de er mere end tilstrækkelige til ethvert uddannelsesprojekt); en række tredjepartsfirmaer producerer kompatible og til tider ret eksotiske sensorer. Kildekoden til firmware og hardware specifikationer er helt .
Software
Vi har talt meget om hardware, men det er faktisk ikke kun den, der bestemmer effektiviteten af robotikundervisningen. Det er det faktum, at der findes virkelig intuitiv software på en række platforme (Mac, pc, mobile enheder) og gør LEGO MINDSTORMS Education EV3 til den foretrukne platform til undervisning, især på grænsen mellem folkeskolen og ungdomsskolen, for børn omkring ti år.
Velkomstskærmen i appen på iPad
Visualiseringen af algoritmer i den indfødte software LEGO MINDSTORMS Education EV3 ligger simpelthen på et højt niveau – det er nok at lære de grundlæggende typer samspil mellem logiske blokke (betingelser, løkker osv.) på bare få minutter og gradvist opbygge kompleksiteten i programmerne. Selvfølgelig er der også færdige undervisningsprojekter til mange forskellige robotmodeller, og hvis man ønsker det, kan man finde tusindvis af interessante programmer i internetsamfundene.
Et eksempel på programmet i appen til iPad
Avancerede brugere kan installere LabVIEW eller RobotC – 'hjernen' i LEGO MINDSTORMS Education EV3 er fuldt kompatibel med disse pakker. Desværre vil det ikke lykkes at eksportere gamle projekter til NXT uden yderligere konvertering.
Fra et uddannelsesmæssigt synspunkt er der langt større interesse for . Den gør det muligt at føre elektroniske notater for eleverne, så læreren kan vurdere en specifik elevs præstationer og overvåge deres fremskridt fra sin version af appen. Derudover kan man ikke kun bruge de eksisterende undervisningsmaterialer i softwaren (som er mange), men også med den indbyggede indholdredigerer skabe sit eget.
Uddannelsesvideoer om brugen af indholdsredigereren EV3
Der er også et dataregistreringsværktøj i desktopversionen, der giver mulighed for at programmere grafområderne baseret på tærskelværdier. Det betyder, at læreren nemt kan demonstrere moderne teknologi i rammerne af et smart hjem, for eksempel.
Mikrocomputeren EV3 vil indsamle data fra sensorer i realtid og afhængig af temperaturforholdene aktivere et bestemt program i modellen. Ved høj temperatur tændes blæseren, og ved lav temperatur tændes varmeapparatet. Eleverne kan registrere og analysere data og forbedre modellen.
Datajournalisering
Åbenheden af ‘smart brick’ firmware har allerede spillet sin rolle: der findes alternative muligheder, der understøtter de fleste populære programmeringssprog (dusinvis af dem). I realiteten kan brugen af EV3 ‘klipses’ til ethvert uddannelsesprojekt relateret til programmering, da der ikke er meget, der er så tilfredsstillende, som at se sine egne algoritmer ‘i hardware’.
Mange forventer, at en potentiel hindring i denne historie kan være prisen. Det er rigtigt, at man skal betale 29.900 rubler for den Basispakke, plus 2.500 rubler for opladeren. Men i denne pris er der inkluderet dele og elektronik til en behagelig arbejde for to elever samt et komplet grundlæggende software med 48 færdige lektioner (som fra januar 2016 er helt gratis, både for private og organisationer). Selvfølgelig kan ekstra udstyr og opgavesæt øge omkostningerne, men inden for rimelige grænser. Så et sæt til 8 elever, der inkluderer basis- og ressourcepakkerne LME EV3, opladere, software og , koster 174.900 rubler. Det er helt acceptabelt til at udstyre for eksempel en klub i skolen.
Ja, det er mærkbart dyrere end enkle Arduino-lignende platforme. Men mulighederne og graden af involvering er også langt højere. Læreplanen baseret på EV3 kan trygt planlægges til hele højskolen og videre. Desuden vil LEGO MINDSTORMS Education EV3 ved rimelig brug simpelthen ‘overleve’ flere enkle sæt takket være mekaniske kvaliteter, nem udskiftelighed og tilgængelighed af dele (i min erfaring krævede kun én RJ-12-kabeludskiftning i en 10-årig NXT).
Som resultat ser vi et stort set open source-projekt, understøttet af en kæmpe virksomhed med alle de tilknyttede fordele – en lang livscyklus, tilgængelighed af reservedele og udvidelser, officielle og amatørguider samt et veludviklet fællesskab. Mindstorms er blevet nærmest et standard værktøj i vestlige undervisningsklasser for robotteknologi til børn, og det ville virkelig være fantastisk at se en bredere udbredelse af det i Rusland.
Valg af vej
Og nu til det vigtigste. I modsætning til WeDo 2.0-sættene er EV3 rettet mod folkeskoleelever, altså større børn, for hvem spørgsmålet om valg af fremtidigt erhverv allerede er mere seriøst.
Ved at bruge EV3 vil hver elev kunne aktivt afdække de talenter, som naturen, opdragelsen og undervisningsprocessen har givet dem.
En født matematiker vil nøje følge telemetri fra sensorerne, hvordan robotten opgiver tilbagelagt afstand, hvordan den registrerer vinklen, den afviger med, og så videre.
En kommende IT-specialist vil naturligvis dykke ned i programmeringen af robotten og analysere de algoritmer, som den bevæger sig efter. Og han vil uden tvivl skabe sine egne algoritmer, som ikke er dækket af den officielle instruks.
Et fysikinteresseret barn kan med robotten udføre illustrative eksperimenter, heldigvis er der ingen problemer med sensorerne i sættene, ligesom der ikke er problemer med barnets fantasi.
Alt i alt, uanset hvilke interesser og yndlingsfag et barn måtte have i skolen, vil læring ved brug af MINDSTORMS EV3-sæt gøre det muligt at fremhæve dem mere tydeligt og fokusere på deres videre udvikling.
I livet
I øjeblikket anvendes virksomhedens løsninger af elever til at skabe interessante projekter, både i forbindelse med forskellige konkurrencer og til generel udvikling. Et antal af dem blev omtalt i medierne i år.
Skoleeleverne Ruslan Kazimov og Mikhail Gladysev fra Astrakhan har udviklet en robot-træner til rehabilitering af håndled i det regionale teknologipark.
foto — rg.ru
På udviklingen af simulatoren brugte de ottende klasses elever lidt mindre end to måneder. De præsenterede deres projekt ved den regionale fase af IX den All-Russiske konkurrence for videnskabelige og innovative projekter i Syd Rusland, hvor de opnåede en andenplads. I fremtiden planlægger de at skabe en industriel prototype – indtil videre tilbyder udviklerne kun en prototyp lavet af LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Enheden duplikerer de bevægelser, som lægen udfører – leddene begynder at arbejde, hvilket genopretter bevægeligheden, ikke kun i dem, men også i muskelgrupperne. Indtil videre er enhederne forbundet via Bluetooth, men i fremtiden vil de interagere gennem internettet eller Wi-Fi.
Der findes ligende enheder på markedet, men den astrakhanske enhed kan arbejde samtidigt med skulder-, håndleds- og albueled. Derudover er den bærbar og drives af et batteri. Der er også mulighed for fjernstyring, hvilket betyder, at patienten kan træne uden at forlade hjemmet.
Ved Verdensmesterskabet i Robotik 2015 (WRO 2015) blev det russiske hold DRL fra Sankt Petersborg tildelt en særlig pris for kreativitet fra LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Det russiske hold DRL præsenterede projektet CaveBot. Drenge fra Sankt Petersborg, under ledelse af træner Sergey Filippov, skabte en unik forskningsrobot til at opdage uudforskede områder i huler. Udviklingen berører forskellige videnskabelige felter, da den unikke robot muliggør udførelsen af opgaver af varierende kompleksitet.
Holdet har bygget en klatrende robot udstyret med forskellige sensorer til at opdage genstande med henblik på efterfølgende undersøgelse. De indsamlede data kan omdannes til 3D-modeller på en computer.
Og den 13-årige Shubham Banerjee skabte af LEGO-dele som en del af et skolevidenskabsprojekt. Senere, med hjælp fra sin familie, blev der skabt et startup til lancering af opfindelsen, som fik økonomisk støtte fra teknologivirksomheden Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
Ideen om at skabe en printer kom til Shubham efter at have undersøgt Braille på internettet. Da han indså, at printere til blindeskrivning koster fra 2000$ og op, besluttede han at lave en billigere version.
Kort tid efter opfindelsen begyndte blinde børn og deres forældre at kontakte Shubham med den eneste anmodning — at lave en billig Braille-printer, og de lovede at "købe den direkte fra hylden".
Som du kan se, gør brugen af MINDSTORMS Education EV3 i undervisningsprocessen det muligt for eleverne at udnytte deres fantasi maksimeret ved at skabe nye og innovative mekanismer, der ikke kun hjælper med at realisere ideer eller udføre eksperimenter visuelt, men også til at begynde at finde deres fremtidige erhverv.
Hvis du har spørgsmål vedrørende brugen af disse løsninger i undervisningsprocessen (eller om selve produkterne) — skriv dem i kommentarerne.
Kilde: habr.com
