image — roboconstructor.ru
Une célèbre fable raconte qu'un jeune mère, tenant son enfant dans ses bras, s'est adressée à un sage pour lui demander à quel âge elle devait commencer à éduquer son offspring. Le sage répondit qu'elle avait déjà pris du retard, d'un nombre d'années égal à celui de l'enfant. La situation est assez similaire concernant le choix d'une future vocation. Il est difficile d'exiger la prise de conscience de ses inclinations et intérêts d'un nourrisson, mais dès l'école intermédiaire, diverses spécialisations commencent à émerger, et à ce moment-là, il serait bon de savoir dans quelle direction orienter le jeune enfant. Mais une chose est presque certaine : dans les prochaines décennies, entre 30 et 80 % des professions seront entièrement automatisées.
La robotique, la cybernétique, la compréhension des algorithmes — c'est l'ensemble des compétences qui, à coup sûr, n'exposeront pas l'individu à des perspectives aussi floues. Bien sûr, il est fort probable que, parallèlement au remplacement de la main-d'œuvre par des robots, le concept de revenu de base inconditionnel se développera, mais vous ne voudriez sans doute pas offrir un tel avenir à votre enfant.
Il existe maintenant de nombreuses façons de montrer rapidement les bases de la programmation et de la robotique à un jeune public intéressé. Tous sont peu coûteux, assez simples à apprendre et permettent, après quelques heures, de comprendre les bases des algorithmes et des concepts des dispositifs cybernétiques. Cependant, dans les salles de classe, on peut facilement se heurter à des inconvénients de ces plateformes : une résistance à l'usure limitée (et avouons-le, une 'résistance à l'idiotie' limitée aussi) des plaques de prototypage, ainsi que des interfaces logicielles pas très conviviales pour des enfants de 11 à 12 ans, et un élément de 'jeu' relativement petit.
Avec tous ces inconvénients, la plus célèbre entreprise fabricante de kits éducatifs LEGO Education lutte depuis plus de vingt ans. Il s'agit, bien sûr, de la plateforme MINDSTORMS Education EV3. Depuis les premiers modèles Mindstorms RCX produits au début des années 90 jusqu'au complexe moderne MINDSTORMS Education EV3, le principe de formation de la plateforme reste identique. Au cœur se trouve le « bloc intelligent », un micro-ordinateur avec un écran et des ports d'entrée-sortie, auquel tous les autres composants sont connectés. Comme dans tout système robotique, les périphériques sont divisés en capteurs et actionneurs. Grâce aux capteurs, le robot perçoit le monde qui l'entoure, et grâce aux actionneurs, il réagit en fonction du programme intégré. Les composants de la plateforme sont reliés entre eux par de simples câbles sans soudure, et les constructions mécaniques sont limitées uniquement par la résistance des pièces en plastique et l'imagination des constructeurs.
nous avons examiné les possibilités de telles solutions de manière générale, et maintenant nous souhaitons nous concentrer plus précisément sur LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 est compatible avec les pièces Lego Technic. Cela signifie que la plateforme peut être utilisée pour créer une variété de constructions, allant de simples « voitures » et « bras robotiques » à des convoyeurs sophistiqués ou même à des « résolveurs » de cube Rubik. En fait, n'importe quel ensemble Lego Technic peut servir de source de pièces pour des projets, et il n'y aura aucun problème pour remplacer les pièces de rechange endommagées. Oui, elles ne paraissent pas aussi robustes que l'ancien constructeur en aluminium soviétique, mais dans la pratique, elles s'avèrent même plus résistantes que les produits en métal. Du moins, dans ma collection, qui a commencé en 1993, aucune pièce cassée n'a encore été découverte.
Le kit de base éducatif MINDSTORMS Education EV3 contient 541 pièces Lego Technic. Il est possible d'acheter des ensembles de ressources spécialisés comme (ou plus ancien 9648, qui était encore produit pour le NXT), ainsi qu'un grand constructeur type (2800 pièces) ou (presque 4000 pièces), et après avoir joué à fond avec le modèle principal, de le démonter en « briques » pour des expériences cybernétiques. En termes de prix par pièce Lego, cela surpasse de loin les autres ensembles – seulement 3-5 roubles par pièce.
Cependant, si quelqu'un possède une ancienne collection contenant des dizaines de milliers de pièces, il n'aura vraiment pas à s'inquiéter des ressources.
Capture d'écran du service Brickset (base de données interactive pour les propriétaires de sets Lego, permettant de collecter diverses statistiques) de l'auteur
Cela concerne cependant uniquement les éléments « passifs » comme les poutres, les roues ou les broches de connexion. Les capteurs et les actionneurs, bien sûr, sont nettement plus coûteux, mais même dans le kit de base, il y en a plus que suffisamment. Le Mindstorms EV3 est livré avec trois moteurs (deux plus grands et plus puissants et un petit servo-moteur), une paire de capteurs tactiles (une sorte de « boutons intelligents »), ainsi que des capteurs ultrasoniques, gyroscopiques et de couleur (ce dernier peut également fonctionner en tant que capteur de lumière). De plus, la compatibilité avec les capteurs de la génération précédente de robots Lego Education – Mindstorms NXT (dont le capteur de niveau sonore par exemple) est toujours maintenue.
Mais revenons au « briquet intelligent », le cœur du système. C'est en effet un « briquet » assez lourd et volumineux, équipé d'un écran LCD monochrome de 178x128 (sur lequel s'affiche non seulement le menu, mais aussi toutes sortes d'images personnalisées pendant son fonctionnement) avec un rétroéclairage de couleur modifiable. Des capteurs et des actionneurs (jusqu'à quatre appareils de chaque type) sont connectés à lui via des câbles avec connecteurs RJ-12 standard, il dispose également d'un emplacement pour microSDHC et d'un port USB.
Ce dernier peut être utilisé à la fois pour télécharger des programmes et pour mettre à jour le firmware. Néanmoins, le microcontrôleur n'est pas dépourvu d'interfaces sans fil, et si on le souhaite, il est possible de télécharger des programmes via Wi-Fi (un module externe est nécessaire) ou Bluetooth (intégré). De plus, si nous assemblons un robot à commande à distance, il est possible de le contrôler en utilisant une connexion sans fil avec un smartphone ou une tablette.
À l'intérieur de la « brique intelligente » se trouve un processeur ARM de 300 MHz, 16 Mo de mémoire non volatile (et c'est là que la carte sera utile) et 64 Mo de RAM. Quel que soit le niveau modeste de ces chiffres, il y a largement assez de puissance pour exécuter même les algorithmes les plus complexes que vous ou même un enfant en apprentissage pourrait écrire. Et si l'on compare cela au processeur de 48 MHz de la génération précédente, le NXT, qui vient de fêter ses dix ans – le progrès est tout de même remarquable. Cependant, on ne peut pas dire que le NXT était particulièrement lent dans la résolution de tâches typiques.
En outre, un quatrième port pour moteurs a été ajouté, ce qui constitue en soi une expansion significative des fonctionnalités, justifiant ainsi la mise à niveau.
Le port USB prend désormais en charge le mode hôte, ce qui permet non seulement de connecter un adaptateur Wi-Fi, mais aussi de relier plusieurs blocs EV3 en un seul robot complexe. Cependant, le niveau des tâches devient alors totalement « non enfantin ».
Enfin, MINDSTORMS Education EV3 dispose d'une prise en charge de l'alimentation par batterie. Au lieu de six piles AA, il est maintenant possible d'installer la batterie lithium-ion fournie de deux ampères-heure. Bien sûr, rien n'empêche l'utilisation de piles AA de type eneloop, mais le fait de devoir les retirer pour les recharger rend l'utilisation moins pratique. De plus, le prix de deux ensembles d'eneloop avec un chargeur est assez comparable à celui de la batterie de marque.
Ah oui, un grand et puissant haut-parleur a fait son apparition, qui peut désormais non seulement jouer des mélodies rétro de l'ère 8 bits, mais aussi produire des sons plus agréables.
Passons maintenant aux actionneurs de l'ensemble de base. Deux d'entre eux sont des moteurs puissants, similaires à ceux déjà utilisés dans le NXT, des appareils allongés qui développent un couple conséquent grâce à leur réduction interne.
En cas de blocage du moteur, un frein mécanique est prévu, qui commence à glisser si le frottement dépasse le niveau calculé, de sorte qu'il est assez difficile d'endommager le moteur.
Il existe un capteur d'angle de rotation avec une résolution d'un degré (le moteur informe le contrôleur sur l'angle actuel de son axe) et la possibilité de synchroniser précisément la rotation de tous les moteurs connectés.
Le troisième, surnommé servomoteur M (un moteur de taille moyenne), délivre un couple trois fois moindre, mais sa vitesse de rotation est presque deux fois supérieure.
Concernant les capteurs, il n'est en réalité pas nécessaire de se limiter à ceux proposés par LEGO Education (bien qu'ils soient largement suffisants pour tout projet éducatif). De nombreuses entreprises tierces produisent des capteurs compatibles et parfois assez exotiques. Le code source du firmware et les spécifications matérielles sont entièrement .
Logiciel
Nous avons beaucoup parlé de la base matérielle, mais ce n'est pas seulement cela qui détermine l'efficacité des cours de robotique. La présence d'un logiciel réellement intuitif sur de nombreuses plateformes (Mac, PC, appareils mobiles) et fait de LEGO MINDSTORMS Education EV3 la plateforme de choix pour l'enseignement, notamment à l'entrée de l'école primaire et du collège, pour les enfants d'environ dix ans.
L'écran d'accueil de l'application sur iPad
La visualisation des algorithmes dans le logiciel natif LEGO MINDSTORMS Education EV3 est tout simplement de premier ordre - il est possible d'assimiler en quelques minutes les principaux types d'interactions entre les blocs logiques (conditions de transition, boucles, etc.) et d'augmenter progressivement la complexité des programmes. Bien entendu, il existe également des projets pédagogiques prêts à l'emploi pour des dizaines de modèles de robots, et à souhait, on peut trouver des milliers de programmes intéressants dans les communautés en ligne.
Exemple de programme dans l'application pour iPad
Les utilisateurs avancés peuvent installer LabVIEW ou RobotC - les 'cerveaux' de LEGO MINDSTORMS Education EV3 sont entièrement compatibles avec ces logiciels. Malheureusement, il n'est pas possible d'exporter d'anciens projets pour NXT sans conversion supplémentaire.
D'un point de vue éducatif, c'est la . Elle permet de tenir des journaux électroniques des élèves, grâce auxquels l'enseignant peut évaluer les progrès d'un élève spécifique depuis sa propre version de l'application et observer son avancement. En plus, il est possible d'utiliser non seulement les ressources pédagogiques intégrées (nombreuses), mais aussi, à l'aide de l'éditeur de contenu intégré, de créer ses propres documents.
Vidéos pédagogiques sur l'utilisation de l'éditeur de contenu EV3
De plus, la version desktop dispose d'un utilitaire d'enregistrement des données permettant de programmer des zones graphiques en fonction des seuils. Cela signifie qu'un enseignant peut maintenant facilement démontrer le fonctionnement des technologies modernes dans le cadre d'une maison intelligente, par exemple.
L'ordinateur micro EV3 collectera des données à partir des capteurs en temps réel et lancera un programme du modèle en fonction de la température ambiante. À haute température, le ventilateur s'active, et à basse température, le radiateur. Les élèves pourront enregistrer et analyser les données, modifiant ainsi le modèle.
Journalisation des données
L'ouverture du firmware du « brique intelligente » a déjà montré son importance : il existe des alternatives prenant en charge la plupart des langages de programmation populaires (des dizaines). En fin de compte, l'utilisation d'EV3 peut être intégrée à n'importe quel projet éducatif lié à la programmation, car peu de choses sont aussi gratifiantes que de voir le fonctionnement de ses propres algorithmes « en dur ».
Beaucoup s'attendent à ce que le prix soit un obstacle dans cette histoire. Effectivement, le kit de base coûte 29 900 roubles, et il faut également dépenser 2 500 roubles pour le chargeur. Cependant, ce montant inclut les pièces et l'électronique nécessaires au bon fonctionnement de deux élèves, ainsi qu'un logiciel de base complet avec 48 leçons prêtes à l'emploi (qui est entièrement gratuit depuis janvier 2016, tant pour les particuliers que pour les organisations). Bien sûr, l'équipement supplémentaire et les ensembles de tâches peuvent faire augmenter le coût, mais cela reste raisonnable. Par exemple, le kit pour 8 élèves, incluant les ensembles de base et de ressources LME EV3, les chargeurs, le logiciel et , coûtera 174 900 roubles. C'est tout à fait acceptable pour équiper, par exemple, un club scolaire.
Oui, c'est significativement plus cher que les plateformes de type Arduino. Mais les possibilités et le niveau d'engagement sont également bien plus élevés. Le programme éducatif basé sur l'EV3 peut tranquillement être planifié pour l'ensemble du collège et au-delà. De plus, avec une utilisation adéquate, LEGO MINDSTORMS Education EV3 « survivra » simplement plusieurs ensembles de base grâce à ses qualités mécaniques, sa facilité de remplacement et la disponibilité des pièces (dans ma pratique, seul un câble RJ-12 a nécessité un remplacement dans un NXT vieux de 10 ans).
Au final, nous voyons pratiquement un projet open source soutenu par une entreprise géante avec tous les avantages associés à une telle situation : un long cycle de vie, la disponibilité de pièces de rechange et d'extensions, des guides officiels et amateurs, ainsi qu'une communauté développée. Mindstorms est devenu pratiquement la norme dans les classes occidentales d'éducation à la robotique pour les enfants, et il serait vraiment formidable de le voir se développer largement en Russie.
Choix du chemin
Et maintenant, passons à l'essentiel. Contrairement aux ensembles WeDo 2.0, l'EV3 est destiné au collège, et donc aux enfants plus âgés, pour lesquels la question du choix de leur future profession est déjà plus sérieuse.
En utilisant l'EV3, chacun des élèves pourra dévoiler plus activement les capacités qu'il possède, qu'elles soient innées, issues de l'éducation ou du processus d'apprentissage.
Un mathématicien né suivra de près la télémétrie des capteurs, en observant comment la distance parcourue par le robot est enregistrée, comment l'angle auquel il se dévie est consignés, etc.
Un futur informaticien, bien sûr, s'immergera dans la programmation du robot, en examinant les algorithmes selon lesquels il se déplace. Et il sera sûr de créer les siens, qui ne sont pas prévus dans le manuel officiel.
Un enfant passionné de physique pourra réaliser des expériences concrètes grâce au robot, d'autant plus qu'il n'y a pas de problèmes avec les capteurs dans les ensembles, tout comme pour l'enfant — avec l'imagination.
En somme, quels que soient les intérêts et les matières préférées de l'enfant à l'école, l'apprentissage avec les ensembles MINDSTORMS EV3 permettra de les mettre en évidence et de se concentrer sur leur développement futur.
Dans la vie
Actuellement, les solutions de l'entreprise sont déjà utilisées par des élèves pour créer des projets intéressants, tant dans le cadre de divers concours que pour le développement général. Certains d'entre eux ont été couverts par les médias cette année.
Les élèves d'Astrakhan, Ruslan Kazimov et Mikhaïl Gladyshev, ont développé, au sein du technopôle régional, un robot d'entraînement pour la réhabilitation des articulations des mains.
photo — rg.ru
Les élèves de la classe de huitième ont consacré un peu moins de deux mois à développer le simulateur. Ils ont présenté leur projet à l'étape régionale du IXe Concours scientifique et d'innovation en Russie du Sud, où ils ont obtenu la deuxième place. Par la suite, ils prévoient de créer un modèle industriel – pour l'instant, les développeurs proposent uniquement un prototype fabriqué à partir du kit éducatif de robotique LEGO MINDSTORMS Education EV3.
L'appareil reproduit les mouvements effectués par le médecin – les articulations commencent à fonctionner, rétablissant ainsi la mobilité non seulement d'elles, mais aussi de groupes musculaires. Pour l'instant, les appareils sont connectés via Bluetooth, mais à l'avenir, ils interagiront par Internet ou Wi-Fi.
Des analogues de cet appareil existent sur le marché, cependant, l'appareil d'Astrakhan peut fonctionner simultanément avec les articulations de l'épaule, du poignet et du coude. De plus, il est portable et fonctionne sur batterie. Il existe également la possibilité de contrôle à distance, c'est-à-dire que le patient peut s'entraîner sans quitter la maison.
Lors de la Coupe mondiale de robotique 2015 (WRO 2015), l'équipe russe DRL de Saint-Pétersbourg a reçu un prix spécial pour sa créativité de la part de LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
L'équipe russe DRL a présenté le projet CaveBot. Les jeunes de Saint-Pétersbourg, sous la direction de l'entraîneur Sergei Philippov, ont créé un robot explorateur unique pour détecter des zones inexplorées dans des grottes. Le développement touche à divers domaines scientifiques, car le robot unique permet d'accomplir une variété de tâches de complexité différente.
L'équipe a construit un robot grimpeur équipé de divers capteurs pour détecter des objets en vue de leur étude ultérieure. Les données obtenues peuvent être converties en modèles 3D sur ordinateur.
Et le jeune Shubham Banerjee, âgé de 13 ans, a créé Braille à partir de pièces LEGO dans le cadre d'un projet scientifique scolaire. Plus tard, avec l'aide de sa famille, une start-up a été créée pour commercialiser l'invention, qui a reçu un soutien financier de la part de la société technologique Intel.
(Photo : Marcio Jose Sanchez, AP)
L'idée de créer une imprimante est venue à Shubham après avoir étudié le Braille sur Internet. Réalisant que les imprimantes pour l'impression en Braille coûtent à partir de 2 000 $ et plus, l'élève a décidé de réaliser une version moins coûteuse.
Peu après l'invention, les enfants aveugles et leurs parents ont commencé à contacter Shubham avec une seule demande : créer une imprimante Braille abordable, promettant de l'« acheter directement en magasin ».
Comme vous pouvez le voir, l'utilisation de MINDSTORMS Education EV3 dans le processus d'apprentissage permet aux élèves d'exercer leur imagination au maximum, en créant sans cesse de nouveaux mécanismes qui non seulement aident à réaliser des idées ou à mener des expériences visuelles, mais également à commencer à se projeter dans leur future profession.
Si vous avez des questions sur l'utilisation de ces solutions dans le processus éducatif (ou sur les produits eux-mêmes) — n'hésitez pas à les poser dans les commentaires.
Source : habr.com
