LEGO MINDSTORMS Education EV3 + MicroPython: 성인 언어로 어린이 건설 세트 프로그래밍

안녕, 하브르! 우리는 이미 말한 LEGO MINDSTORMS Education EV3 플랫폼에 대하여. 이 플랫폼의 주요 목표는 실제 사례를 통해 학습하고, STEAM 기술을 개발하며, 공학적 사고를 형성하는 것입니다. 역학과 동역학을 연구하는 실험실 작업에 사용할 수 있습니다. 레고 블록으로 만든 실험실 스탠드와 데이터 기록 및 처리용 유틸리티는 실험을 더욱 흥미롭고 시각적으로 만들어 주며, 아이들이 물리학을 더 잘 이해하는 데 도움이 됩니다. 예를 들어, 학생들은 녹는점 데이터를 수집하고 앱을 사용하여 이를 정리하여 그래프로 표현할 수 있습니다. 하지만 이것은 시작에 불과합니다. 오늘은 이 키트를 MicroPython 프로그래밍 환경으로 확장하여 로봇공학을 가르치는 방법을 보여드리겠습니다.

EV3로 프로그래밍을 배우세요

현대의 학생들은 다채로운 결과를 보고 싶어합니다. 그렇습니다. 프로그램이 콘솔에 숫자를 출력하면 지루해하고, 다채로운 그래프와 차트를 보고, 명령을 따르고 움직이는 실제 로봇을 만들고 싶어합니다. 일반적인 코드는 어린이에게는 너무 복잡해 보이므로, 좀 더 쉬운 것부터 배우는 게 좋습니다.

EV3 기본 프로그래밍 환경은 LabVIEW 그래픽 언어에 기반하며, 로봇의 알고리즘을 시각적으로 설정할 수 있습니다. 명령은 끌어서 연결할 수 있는 블록으로 표시됩니다.

이 방법은 알고리즘이 어떻게 구축되는지 보여줄 때 효과적이지만, 많은 수의 블록으로 구성된 프로그램에는 적합하지 않습니다. 시나리오가 더 복잡해질수록 코드를 사용한 프로그래밍으로 전환할 필요가 있는데, 이 단계는 어린이에게는 어렵습니다. 

여기에는 몇 가지 요령이 있는데, 그 중 하나는 코드가 블록과 동일한 작업을 수행한다는 것을 보여주는 것입니다. EV3 환경은 MicroPython과의 통합 덕분에 이러한 작업이 가능합니다. 어린이들은 기본 블록 기반 프로그래밍 환경과 Microsoft Visual Studio Code의 Python에서 동일한 프로그램을 만들 수 있습니다. 그들은 두 가지 방법 모두 같은 방식으로 작동하지만, 복잡한 문제를 해결하는 데는 코드가 더 편리하다는 것을 알고 있습니다.

MicroPython으로 전환

EV3 환경은 ARM9 프로세서 기반으로 구축되었으며, 개발자들은 의도적으로 아키텍처를 개방형으로 남겨 두었습니다. 이 솔루션을 통해 대체 펌웨어를 출시할 수 있었는데, 그 중 하나가 MicroPython에서 사용하기 위한 이미지였습니다. Python을 사용하여 EV3를 프로그래밍할 수 있으므로 키트를 사용하는 작업이 실제 작업에 더욱 가까워집니다. 

작업을 시작하려면 다운로드해야 합니다. EV3 MicroPython 이미지 모든 microSD 카드에 EV3 브릭을 설치하고 전원을 켭니다. 그 다음에는 설치가 필요합니다. 무료 확장 Visual Studio용. 그리고 일을 시작할 수 있습니다. 

MycroPython으로 첫 번째 로봇 프로그래밍하기

우리에 온라인으로 로봇공학의 기본 개념을 익히기 위한 몇 가지 수업이 있습니다. EV3 모델은 어린이에게 자율주행 자동차, 공장 조립 로봇, CNC 기계에 사용되는 기본 사항을 소개합니다. 

패턴과 기하학적 모양을 그리도록 가르칠 수 있는 그림 그리는 기계를 예로 들어보겠습니다. 이 케이스는 성인용 로봇 용접기나 밀링 머신의 단순화된 버전이며, EV3를 MicroPython과 함께 사용하여 학생들에게 가르치는 방법을 보여줍니다. 그리고 그림 그리는 기계는 아빠를 위해 인쇄 회로 기판에 구멍을 표시할 수도 있지만, 그것은 수학적 계산이 필요한 또 다른 수준입니다.

일을 위해서는 다음이 필요합니다.

• LEGO MINDSTORMS Education EV3 기본 세트; 
• 큰 정사각형 종이 한 장;
• 색깔있는 마커. 

로봇 자체의 조립은 다음과 같습니다. 명령, 프로그래밍 예제를 살펴보겠습니다.

먼저, EV3 Brick Library를 초기화해 보겠습니다.

#!/usr/bin/env pybricks-micropython
from pybricks import ev3brick as brick
from pybricks.ev3devices import (Motor, TouchSensor, ColorSensor, GyroSensor)
from pybricks.parameters import Port, Stop, Direction, Color, ImageFile
from pybricks.tools import wait

핸들을 회전시키는 플랫폼을 포트 B에 모터로 ​​설치했습니다. 20단 기어 전달 장치의 기어비를 각각 이빨 수 12-28-XNUMX로 설정했습니다.

turntable_motor = Motor(Port.B, Direction.CLOCKWISE, [20, 12, 28])

우리는 포트 C의 모터로 핸들의 리프팅 메커니즘을 설정했습니다:

seesaw_motor = Motor(Port.C)

포트 2에 스틱의 기울기 각도를 측정하는 자이로스코프를 설정합니다.

gyro_sensor = GyroSensor(Port.S2)

포트 3에 컬러 센서를 설치했습니다. 센서는 도면 기계 아래에 있는 흰색 종이를 감지하는 데 사용됩니다.

color_sensor = ColorSensor(Port.S3)

포트 4에 터치 센서를 설치했습니다. 센서를 누르면 로봇이 그림을 그리기 시작합니다.

touch_sensor = TouchSensor(Port.S4)

핸들을 올리고 내리는 함수를 정의합니다.

def pen_holder_raise():
  seesaw_motor.run_target(50, 25, Stop.HOLD)
  wait(1000)

def pen_holder_lower():
  seesaw_motor.run_target(50, 0, Stop.HOLD)
  wait(1000)

우리는 핸들을 주어진 각도 또는 특정 각도로 회전시키는 함수를 정의합니다:

def pen_holder_turn_to(target_angle):
  if target_angle > gyro_sensor.angle():

목표 각도가 현재 자이로 센서 각도보다 큰 경우, 양의 속도로 시계 방향으로 계속 이동합니다.

    turntable_motor.run(70)
	
while gyro_sensor.angle() < target_angle:
  	
pass
  elif target_angle < gyro_sensor.angle():

목표 각도가 현재 자이로 센서 각도보다 작으면 시계 반대 방향으로 이동합니다.

    turntable_motor.run(-70)
	
while gyro_sensor.angle() > target_angle:
  	
pass

목표 각도에 도달하면 회전 플랫폼을 멈춥니다.

  turntable_motor.stop(Stop.BRAKE)

핸들의 초기 위치를 위쪽으로 설정합니다.

pen_holder_raise()

이제 프로그램의 핵심 부분인 무한 루프가 시작됩니다. 먼저, EV3는 컬러 센서가 흰색 종이 또는 파란색 시작 사각형을 감지하고 터치 센서가 눌릴 때까지 기다립니다. 그런 다음 그는 패턴을 그린 다음 시작 위치로 돌아와 모든 것을 다시 반복합니다.

장치가 준비되지 않은 경우 컨트롤러의 LED가 빨간색으로 바뀌고 LCD 화면에 "엄지손가락 아래로" 아이콘이 표시됩니다.

while True:
  brick.light(Color.RED)
  brick.display.image(ImageFile.THUMBS_DOWN)

색상 센서가 파란색 또는 흰색을 읽을 때까지 기다렸다가 LED 색상을 녹색으로 설정하고 LCD 화면에 "엄지손가락 위로" 이미지를 표시하고 장치가 작동할 준비가 되었다고 보고합니다.

  while color_sensor.color() not in (Color.BLUE, Color.WHITE):
	
wait(10)
  brick.light(Color.GREEN)
  brick.display.image(ImageFile.THUMBS_UP)

터치 센서가 눌릴 때까지 기다렸다가 자이로스코프 센서에 각도 값 0을 할당하고 그리기를 시작합니다.

  while not touch_sensor.pressed():
	
wait(10)
  gyro_sensor.reset_angle(0)
  pen_holder_turn_to(15)
  pen_holder_lower()
  pen_holder_turn_to(30)
  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(45)
  pen_holder_lower()
  pen_holder_turn_to(60)

펜 홀더를 들어 올려 원래 위치로 돌려놓습니다.

  pen_holder_raise()
  pen_holder_turn_to(0)</i>

우리가 얻은 간단한 프로그램은 다음과 같습니다. 이제 우리는 그것을 발사하여 로봇 설계자가 실제로 활동하는 모습을 살펴보겠습니다. 

이런 예들은 무엇을 보여주나요?

EV3는 STEM 분야 진로 상담 도구이자 엔지니어링 분야 진입점입니다. 실제적인 문제를 해결할 수 있기 때문에 어린이는 기술 개발과 산업용 로봇 제작에 대한 경험을 얻고, 실제 상황을 모델링하고, 프로그램을 이해하고 알고리즘을 분석하는 법을 배우며, 기본 프로그래밍 구조를 숙달합니다.

MicroPython 지원으로 EV3 플랫폼은 고등학교 교육에 적합합니다. 학생들은 가장 인기 있는 현대 언어 중 하나를 사용해 프로그래머가 되어 보고, 프로그래밍 및 엔지니어링 설계와 관련된 직업에 대해 알아볼 수 있습니다. EV3 키트는 코딩이 무섭지 않다는 것을 보여주고, 어린이들이 심각한 엔지니어링 과제에 대비하도록 돕고, 기술 전문 분야를 습득하기 위한 첫 걸음을 내딛는 데 도움이 됩니다. 그리고 학교에서 일하고 교육과 관련된 사람들을 위해 우리는 준비했습니다. 수업 프로그램 및 교육 자료. 그들은 특정 작업을 수행할 때 어떤 기술이 개발되는지, 습득한 기술이 학습 기준과 어떻게 관련이 있는지 자세히 설명합니다.

출처 : habr.com