kép — roboconstructor.ru
A jól ismert példa szerint, amikor a bölcshez egy fiatal anya lépett a karjában csecsemővel, és megkérdezte, hogy milyen korban kellene elkezdenie a nevelést, az öreg azt válaszolta, hogy annyira elkésett, amennyit a gyermek már megélt. A jövőbeli pályaválasztás helyzete hasonló. Nehéz elvárni, hogy egy csecsemő tudatára ébredjen a hajlamainak és érdeklődésének, de már a középiskolában megkezdődnek a különféle specializációk, és időben tudnia kellene a fiatalnak, hogy merre szeretne haladni. De egy dolgot szinte biztosan tudunk: a következő évtizedek során a foglalkozások 30-80%-a teljesen automatizálva lesz.
A robotika, a kibernetika, az algoritmusok megértése – ezek azok a készségek, amelyekkel valószínűleg nem fenyegetik az embert homályos jövőkép. Természetesen valószínűleg a munkaerő robotokkal való helyettesítése mellett a feltétel nélküli alapjövedelem koncepciója is fejlődni fog, de valószínűleg nem ezt a jövőt szeretné a gyermekének.
Ma már számos módszer létezik arra, hogy gyorsan bemutassuk a fiatal és érdeklődő közönségnek a programozás és robotika alapjait. Ezek mind olcsók, viszonylag könnyen tanulhatók, és néhány óra alatt megértést nyújtanak az algoritmusok és kibernetikus eszközök koncepcióinak alapjairól. De az osztálytermekben könnyen szembesülhetünk ezeknek a platformoknak a hátrányaival – a prototípus alaplapok korlátozott tartósságával (és ne mentsük el magunkat – a "bolondbiztossággal" is) és a 11-12 éves gyermekek számára nem túl barátságos szoftveres felületekkel, valamint viszonylag kevés "játék" elemmel.
Mindezeket a hátrányokat már több mint húsz éve küzdik le a legismertebb fejlesztőkészlet gyártójánál, a LEGO Education-nél. A MINDSTORMS Education EV3 platformról van szó. Az 1990-es évek elején gyártott Mindstorms RCX-től a legmodernebb MINDSTORMS Education EV3-ig a platform kialakítása változatlan maradt. A kulcseleme az „intelligens téglának” nevezett mikroszámítógép, amely rendelkezik kijelzővel és bemeneti-kimeneti portokkal, és ehhez csatlakoznak az összes többi komponens. Mint minden robotikai rendszerben, a perifériás eszközök érzékelőkre és hatóelemekre oszthatók. Az érzékelők segítségével a robot érzékeli a körülötte lévő világot, míg a hatóelemek segítségével reagál arra a programozott módon. A platform komponenseit egyszerű kábelekkel lehet összekapcsolni forrasztás nélkül, a mechanikai szerkezeteket pedig kizárólag a műanyag alkatrészek szilárdsága és a tervezők fantáziája korlátozza.
általánosságban megvizsgáltuk ezeknek a megoldásoknak a lehetőségeit, most azonban szeretnénk részletesebben is bemutatni a LEGO MINDSTORMS Education EV3-et.
EV3
A LEGO MINDSTORMS Education EV3 kompatibilis a Lego Technic alkatrészekkel. Ez azt jelenti, hogy a platformot a legváltozatosabb, sőt elképesztőbb szerkezetek létrehozására is lehet használni, az egyszerű „autók” és „robotkarok” mellett akár bonyolult szállítószalagokhoz vagy akár Rubik-kockák megoldóinak elkészítéséhez is. Valójában bármely Lego Technic készlet forrássá válhat a projektekhez, és a sérült alkatrészek cseréjével sem lesz probléma. Bár nem néznek ki olyan brutálisan, mint a régi szovjet alumínium szerkezeti készletek, a gyakorlatban mégis erősebbek, mint a fémtermékek. Legalábbis az én 1993-ban kezdődött gyűjteményemben eddig még egyetlen törött alkatrész sem akadt.
A MINDSTORMS Education EV3 alap oktatási készletéhez 541 db Lego Technic alkatrész tartozik. Akár speciális erőforrás készletet is vásárolhat, mint például (vagy a régebbi 9648, ami még az NXT-hez készült), akár egy nagyobb szerkezeti készletet, mint a (2800 db) vagy (majdnem 4000 db), és miután eleget játszottunk a főmodellel, használhatjuk „tégla” alkatrészként kibernetikai kísérletekhez. Egy Lego alkatrészre lebontva itt jelentős előnyhöz juttatja a más készletekkel szemben – mindössze 3-5 rubelt kérnek egy darabért.
Ha valakinek megvan a régi gyűjteménye, amely évtizedek óta tartalmaz ezreket, akkor nem kell aggódnia az erőforrások miatt.
Képernyőkép a Brickset szolgáltatásból (interaktív adatbázis a Lego építőelemek tulajdonosai számára, lehetővé téve a különböző statisztikák gyűjtését) szerzője.
Ez azonban csak a "passzív" elemekre vonatkozik, mint például gerendák, kerekek vagy csatlakozó rögzítők. Az érzékelők és aktuátorok természetesen sokkal drágábbak, de az alapcsomagban bőven elég van belőlük. A Mindstorms EV3 három motorral érkezik (kettő nagyobb és erősebb, egy pedig kompakt szervomotor), valamint egy pár érintésérzékelővel (ezek egyfajta "okos" gombok), ultrahangos, giroszkópos és színérzékelőkkel (ez utóbbi fényérzékelőként is működhet). Továbbá a kompatibilitás megmaradt a Lego Education előző generációs robotjainak érzékelőivel – Mindstorms NXT (közéjük tartozik például a zajszint érzékelő is).
De térjünk vissza az "okos téglához", a rendszer szívéhez. Ez valóban meglehetősen nehéz és terjedelmes "tégláról" van szó, monochrom LCD képernyővel 178x128 (ami nemcsak a menüt, hanem különböző egyedi képeket is megjelenít a működés során) és állítható háttérvilágítással. RJ-12 szabványos csatlakozóval érzékelők és aktuátorok csatlakoztathatók hozzá (maximálisan négy-eszköz típust engedélyez), van egy microSDHC foglalat és USB-port.
Az utóbbi programok betöltésére és a firmware frissítésére is használható. A mikrokontroller emellett vezeték nélküli interfészekkel is rendelkezik, így programokat Wi-Fi-n keresztül (külső modul szükséges) vagy Bluetooth-on keresztül (beépített) is lehet betölteni. Ha távirányítós robotot építünk, akkor "irányíthatjuk" azt vezeték nélküli kapcsolaton keresztül okostelefonnal vagy táblagéppel.
A „okos tégla” belsejében egy 300 megahertzes ARM processzor található, 16 megabájt állandó memória (és ez az, amire szükség lesz a kártyához) és 64 megabájt RAM. Bár ezek a számok szerénynek tűnnek, a legbonyolultabb algoritmusok futtatásához, amelyeket akár Ön, akár egy gyermek a tanulási folyamat során írhat, a teljesítmény bőven elegendő. Ha az előző generációs NXT 48 megahertzes processzorával hasonlítjuk össze, amely nemrégiben immár tíz éves, a fejlődés igazán szembetűnő. Azonban nem mondható, hogy az NXT bármennyire is lelassította volna a tipikus feladatok megoldását.
Plusz, megjelent egy negyedik port a motorok számára, ami önmagában jelentős funkcióbővítés, amely indokolja a frissítést.
Az USB port most már támogatja a host üzemmódot, ami lehetővé teszi nemcsak a Wi-Fi adapterek csatlakoztatását, hanem több EV3 blokk összekapcsolását is egy bonyolultabb robotban. Igaz viszont, hogy a feladatok szintje teljesen 'nem gyerekes' lesz.
Végre a MINDSTORMS Education EV3 támogatást kapott az akkumulátoros táplálásra. A hat AA elem helyett egy két ampere-órás lítium-ion akkumulátor helyezhető el, ami a csomagban található. Természetesen senki sem akadályozza meg, hogy eneloop típusú ceruzaelemeket használjon, de azok töltéséhez való kiemelésük a használhatóságot alacsonyabb szintre rontja. Az ár pedig a pár eneloop készlettel és töltővel bőven versenyképes a gyári akkumulátorral.
Ó, igen, megjelent egy nagy és hangos hangszóró is, amely már nemcsak a 8 bites korszak retro dallamait képes játszani, hanem szebb hangokat is.
Most nézzük meg az alapkészlet effektorait. Kettő közülük olyan erős motor, mint amit már az NXT-ben használtak, hosszúkás készülékek, amelyek belső reduktív áttétel révén komoly nyomatékot fejlesztenek.
A motorok blokkolása esetére mechanikus súrlódásvédő készült, amely elkezd csúszni, ha a súrlódás nagyobb, mint a számított, így a motor viszonylag nehezen égethető meg.
Van egy egyfokos fordulatszög érzékelő (a motor jelzi, hogy az tengelye milyen szögben van elfordítva), valamint lehetőség a csatlakoztatott összes motor pontos szinkronizálására.
A harmadik, úgynevezett M-motor (közepes méretű motor) háromszor kisebb nyomatékot ad le, viszont a forgási sebessége majdnem kétszer gyorsabb.
A szenzorokat illetően valójában nem szükséges kizárólag a LEGO Education által kínáltakra korlátozódni (bár ezek bőven elegendőek bármely oktatási projekthez); számos harmadik fél gyárt kompatibilis és néha meglehetősen egzotikus szenzorokat. A firmware forráskódja és a hardver specifikációk teljesen .
Szoftver
Sokat beszéltünk a hardveres alapokról, de valójában nemcsak ez határozza meg a robotikai foglalkozások hatékonyságát. Az igazi különbséget az jelenti, hogy valóban intuitív szoftver áll rendelkezésre számos platformon (Mac, PC, mobil eszközök) és teszik a LEGO MINDSTORMS Education EV3-t a választott platformmá az oktatásban, különösen az alsó- és középfokú iskolai éveknél, körülbelül tíz éves gyerekek számára.
Az alkalmazás üdvözlő képernyője iPaden
A LEGO MINDSTORMS Education EV3 natív szoftverének algoritmusainak vizualizálása egyszerűen kiváló – elegendő csupán néhány perc alatt elsajátítani a logikai blokkok alapvető kölcsönhatásait (feltételes átmenet, ciklus stb.), majd fokozatosan növelni a programok bonyolultságát. Természetesen kész oktatási projektek is elérhetők számos különböző robotmodellhez, és ha tetszik, az internet közösségeiben ezrek érdekes programjához férhetünk hozzá.
Példa program az iPad alkalmazásban
A haladó felhasználók telepíthetik a LabVIEW-t vagy a RobotC-t – a LEGO MINDSTORMS Education EV3 'agya' teljesen kompatibilis ezekkel a csomagokkal. Az NXT régi projektek exportálása további konvertálás nélkül, sajnos, nem lehetséges.
Oktatási szempontból sokkal nagyobb érdeklődésre számot tart . Ez lehetővé teszi a diákok elektronikus füzetének vezetését, amely révén a tanár az alkalmazás saját verziójából értékelheti a konkrét tanuló előrehaladását. Ráadásul nemcsak a beépített szoftver tananyagai (amelyekből rengeteg van) használhatók, hanem a beépített tartalom szerkesztő segítségével saját anyagokat is létrehozhatunk.
Oktatóvideók az EV3 tartalom szerkesztő használatáról
A számítógépes verzióban található egy adatregisztráló segédprogram, amely lehetővé teszi a grafikon területeinek programozását a küszöbértékek függvényében. Tehát most a pedagógus könnyedén bemutathatja a modern technológiák működését az okos otthon keretein belül, például.
Az EV3 mikroszámítógép valós időben gyűjti az adatokat az érzékelőkből, és a hőmérséklet alapján elindítja a modell egyes programjait. Magas hőmérsékletnél a ventilátor bekapcsol, alacsonynál pedig a fűtőberendezés. A diákok rögzíthetik és elemezhetik az adatokat, finomítva a modellt.
Adatok naplózása
A "okos téglának" a firmware nyitottsága máris szerepet játszott: léteznek alternatívák, amelyek támogatják a legnépszerűbb programozási nyelvek többségét (több tucatnyit). Nagyjából az EV3 használata bármely programozással kapcsolatos oktatási projekthez "hozzáilleszthető", mivel kevés dolog örvendeztet meg annyira, mint a saját algoritmusaink működésének megfigyelése "fémből".
Sokan azt várják, hogy az ár lesz a történet akadálya. Valóban, a Bázis készletért 29 900 rubelt kell kifizetni, plusz még 2 500 az akkumulátorért. Azonban ez az összeg magában foglalja a kényelmes munkavégzéshez szükséges alkatrészeket és elektronikát két diák számára, valamint egy teljes alap szoftvert 48 kész foglalkozással (amely 2016 januárjától teljesen ingyenes, mind a magánszemélyek, mind a szervezetek számára). Természetesen a kiegészítő felszerelés és a feladatcsomagok növelhetik a költségeket, de észszerű keretek között. Így a 8 diák számára készült készlet, amely alap és erőforrás készleteket, töltőket, szoftvert és , 174 900-ba kerül. Teljesen megfelelő például egy iskolai kör számára.
Igen, ez látványosan drágább, mint az egyszerű Arduino-szerű platformok. De a lehetőségek és a bevonódás szintje is sokkal magasabb. Az EV3 alapú tantervet nyugodtan lehet tervezni az egész középiskolára és azon túl is. Ezen kívül, megfelelő használat mellett a LEGO MINDSTORMS Education EV3 egyszerű készleteket "túlél" a mechanikai tulajdonságok, a könnyű cserélhetőség és az alkatrészek hozzáférhetősége miatt (a tapasztalatom szerint csak egy RJ-12 kábel igényelt cserét a 10 éves NXT-ben).
Végül egy gyakorlatilag nyílt forráskódú projektet látunk, amelyet egy hatalmas cég támogat, minden olyan bónusszal, ami ebben a helyzetben elvárható – hosszú élettartam, könnyen elérhető alkatrészek és bővítmények, hivatalos és amatőr útmutatók, aktív közösség. A Mindstorms gyakorlatilag a nyugati iskolai robotikai oktatás standardjává vált, és igazán nagyszerű lenne látni, hogy Oroszországban is elterjedt legyen.
Útválasztás
És most a lényeghez térjünk. A WeDo 2.0 készletektől eltérően az EV3 a középiskolások számára készült, tehát olyan idősebb gyermekeknek, akik már komolyabban foglalkoznak a jövőbeli szakmájukkal.
Az EV3 használatával minden diák aktívan ki tudja bontakoztatni azokat a képességeket, amelyeket a természet, a nevelés és a tanulmányok beágyaztak belé.
A természetes matematikát kedvelő figyelemmel kíséri az érzékelők telemetriáját, azt, hogy hogyan rögzíti a robot az általa megtett távolságot, hogyan jegyzi fel az eltérítő szöget és így tovább.
A jövőbeli informatikai szakember természetesen a robot programozásába merül el, elemzi azokat az algoritmusokat, amelyek mentén az mozog. És biztosan létrehoz majd saját, a hivatalos utasításokban nem szereplő megoldásokat.
A fizikát kedvelő gyermek a robot segítségével szemléletes kísérleteket végezhet, mivel az érzékelők terén a készleteknek nincsenek problémáik, és a gyermeknek sem a fantáziájával.
Összességében, bármi is legyen a gyermek érdeklődése és kedvenc tantárgya az iskolában, a MINDSTORMS EV3 készletek használatával világosabban kiemelhetők és a jövőbeni fejlődésükre koncentrálható.
Az életben
Jelenleg a cég megoldásait diákok már használják érdekes projektek létrehozására, különböző versenyek keretein belül és az általános fejlődés érdekében. Néhányukról idén a média is beszámolt.
Az asztraháni iskolások, Ruszlán Kazimov és Mihail Gladishev, a regionális technológiai parkban egy kar rehabilitációs robotot fejlesztettek ki.
fotó — rg.ru
A nyolcadikosok körülbelül két hónapot töltöttek a szimulátor fejlesztésével. A projektjüket bemutatták a IX. Orosz Tudományos-innovációs Projektek Versenyének regionális szakaszán a Dél-oroszországban, ahol második helyezést értek el. A jövőben ipari mintát terveznek létrehozni – egyelőre a fejlesztők csak egy prototípust kínálnak, amelyet a LEGO MINDSTORMS Education EV3 oktatási robotikai készletből készítettek.
Az eszköz megismétli az orvos által végzett mozgásokat – az ízületek elkezdenek működni, ezzel helyreállítva a mozgékonyságot nemcsak az ízületekben, hanem az izomcsoportokban is. Jelenleg az eszközök Bluetooth-on keresztül kapcsolódnak, a jövőben pedig internettel vagy Wi-Fi-vel fognak működni.
Ilyen eszközök analógjai már megtalálhatók a piacon, azonban az asztraháni készülék egyidejűleg tud működni a váll, csukló és könyök ízületekkel. Ezenkívül hordozható és akkumulátorról működik. Továbbá lehetőség van távoli vezérlésre, azaz a páciens otthonról tud edzeni.
A 2015-ös Robotikai Világolimpián (WRO 2015) a Szentpétervári DRL orosz csapat külön elismerésben részesült a LEGO Education cégtől a kreativitásért (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
A DRL orosz csapat a CaveBot projektet mutatta be. A Szentpéterváron élő fiatalok, Sergey Filippov edző irányításával, egyedülálló kutatórobotot készítettek az ismeretlen területek felfedezésére barlangokban. A fejlesztés különböző tudományos területekre is kiterjed, hiszen a különleges robot lehetővé teszi a változatos nehézségű feladatok elvégzését.
A csapat egy sziklamászó robotot épített, amely különböző érzékelőkkel van felszerelve, hogy tárgyakat találjon meg azok későbbi vizsgálata céljából. Az így nyert adatokat 3D-modellekké lehet alakítani a számítógépen.
És a 13 éves Shubham Banerjee létrehozta LEGO alkatrészekből egy iskolai tudományos projekt keretein belül. Később, családja közreműködésével, startupot alapítanak a találmány bevezetésére, amely pénzügyi támogatást kapott a technikai cégtől, az Intel-től.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
A nyomtató ötlete Shubham számára azután merült fel, hogy az interneten kutatott a Braille-ről. Miután rájött, hogy a vakok nyomtatására szolgáló nyomtatók ára 2000 dollártól indul, a diák úgy döntött, hogy olcsóbb verziót készít.
Nem sokkal azután, hogy feltalálták, a látássérült gyermekek és szüleik kapcsolatba léptek Shubham-mal azzal a kéréssel, hogy készítsen egy olcsó Braille-nyomtatót, ígérve, hogy "azonnal megvásárolják a boltban".
Ahogy látja, a MINDSTORMS Education EV3 használata az oktatási folyamatban lehetővé teszi a diákok számára, hogy maximálisan használják a képzeletüket, újabb és újabb mechanizmusokat létrehozva, amelyek nemcsak segítenek megvalósítani ötleteket vagy kísérleteket, hanem a jövőbeli szakmájuk meghatározásában is segítenek.
Ha kérdése van ezeknek a megoldásoknak az oktatási folyamatban való használatával (vagy magukkal a termékekkel) kapcsolatban — írja meg őket a megjegyzésekben.
Forrás: habr.com
