imagem — roboconstructor.ru
Uma conhecida fábula diz que, quando uma jovem mãe se aproximou de um sábio com seu filho nos braços e perguntou a partir de qual idade deveria começar a educá-lo, o ancião respondeu que ela estava atrasada tantos anos quantos o menino já tinha. A situação com a escolha de uma futura profissão é bastante semelhante. É difícil exigir que um bebê tenha consciência de suas inclinações e interesses, mas já no ensino médio começam as várias especializações, e nesse momento seria bom saber em que direção guiar a criança que está crescendo. Mas uma coisa já sabemos quase com certeza — nas próximas décadas, entre 30% e 80% das profissões serão totalmente automatizadas.
Robótica, cibernética, entendimento de algoritmos — esse é o conjunto de habilidades que, provavelmente, não oferecerá perspectivas tão nebulosas para o indivíduo. Claro, é provável que paralelamente à substituição da força de trabalho por robôs, o conceito de renda básica incondicional também se desenvolva, mas duvido que você deseje um futuro assim para seu filho.
Existem muitas maneiras de ensinar rapidamente a jovens e interessadas audiências os fundamentos da programação e da robótica atualmente. Todos eles são relativamente baratos, bastante fáceis de aprender e oferecem, em poucas horas, uma compreensão dos princípios básicos de algoritmos e conceitos de dispositivos cibernéticos. Mas nas salas de aula, pode-se facilmente deparar com as desvantagens dessas plataformas — resistência ao desgaste limitada (e, para ser honesto, a "resistência à idiotice" também) das placas de protótipo, interfaces de software que não são muito amigáveis para crianças de 11 a 12 anos, e um elemento de "jogo" relativamente pequeno.
Com todos esses problemas, a empresa mais famosa na produção de kits educacionais LEGO Education tem lutado há mais de vinte anos. Estamos falando, é claro, da plataforma MINDSTORMS Education EV3. Desde os primeiros Mindstorms RCX produzidos no início dos anos 90 até o mais moderno conjunto MINDSTORMS Education EV3, o princípio de formação da plataforma permanece o mesmo. No centro está o 'bloco inteligente' (“intelligent brick”), que é um microcomputador com tela e portas de entrada e saída, ao qual todos os outros componentes se conectam. Assim como em qualquer sistema robótico, os dispositivos periféricos são divididos em sensores e atuadores. Com a ajuda dos sensores, o robô percebe o mundo ao seu redor, enquanto os atuadores reagem a ele de acordo com o programa embutido. Os componentes da plataforma se conectam entre si com cabos simples, sem necessidade de soldagem, e as construções mecânicas são limitadas apenas pela resistência das peças plásticas e pela imaginação dos construtores.
analisamos as possibilidades dessas soluções em geral, agora queremos nos concentrar mais detalhadamente especificamente no LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
O LEGO MINDSTORMS Education EV3 é compatível com as peças do Lego Technic. Isso significa que a plataforma pode ser usada para criar uma ampla variedade de construções, desde simples 'carros' e 'braços robóticos' até complexas esteiras ou até mesmo 'resolutores' de cubos mágicos. Na verdade, qualquer conjunto Lego Technic pode se tornar uma fonte de peças para projetos, e não haverá problemas em substituir peças danificadas. Sim, elas podem não parecer tão robustas quanto o velho construtor de alumínio soviético, mas, na prática, acabam sendo até mais resistentes que produtos de metal. Pelo menos na minha coleção, que começou em 1993, ainda não encontrei nenhuma peça quebrada.
O kit básico de educação MINDSTORMS Education EV3 vem com 541 peças Lego Technic. Você pode adquirir tanto um conjunto de recursos especializado como (ou um mais antigo, 9648, que foi produzido ainda para o NXT), quanto um grande conjunto como (2800 peças) ou (quase 4000 peças), e, depois de se divertir bastante com o modelo principal, usar essas peças para experiências cibernéticas. Em termos de custo por peça, o Lego aqui realmente ganha de outros conjuntos – apenas 3-5 rublos por peça.
Mas se alguém ainda tiver uma coleção antiga, que inclua dezenas de milhares de peças, não precisa se preocupar com os recursos.
Captura de tela do serviço Brickset (um banco de dados interativo para proprietários de conjuntos Lego, que permite coletar várias estatísticas) do autor
No entanto, isso se aplica apenas a elementos "passivos", como vigas, rodas ou pinos de conexão. Sensores e atuadores, naturalmente, são significativamente mais caros, mas no conjunto básico há mais do que o suficiente. O Mindstorms EV3 vem com três motores (dois maiores e mais potentes e um servo motor compacto), um par de sensores de toque (uma espécie de "botões inteligentes"), sensores ultrassônicos, giroscópicos e de cor (que também pode funcionar como um sensor de iluminação). Além disso, a compatibilidade com sensores da geração anterior de robôs Lego Education – Mindstorms NXT (que inclui, por exemplo, um sensor de nível de ruído) foi mantida.
Mas voltemos ao "tijolo inteligente", o coração do sistema. É realmente um "tijolo" bastante pesado e volumoso, equipado com uma tela LCD monocromática de 178x128 (nela é exibido não apenas o menu, mas também várias imagens personalizadas durante a operação) com cor de fundo ajustável. Sensores e atuadores (até quatro dispositivos de cada tipo) são conectados a ele por cabos com conectores padrão RJ-12, e há um slot para microSDHC e uma porta USB.
A última pode ser usada tanto para carregar programas quanto para atualizar o firmware. No entanto, o microcontrolador também é dotado de interfaces sem fio; se desejado, os programas podem ser carregados via Wi-Fi (é necessário um módulo externo) ou Bluetooth (embutido). Além disso, ao montarmos um robô com controle remoto, é possível "dirigi-lo" usando conexão sem fio com um smartphone ou tablet.
Dentro do "tijolo inteligente" reside um processador ARM de 300 MHz, 16 megabytes de memória permanente (e é para isso que o cartão é útil) e 64 megabytes de RAM. Embora esses números possam parecer modestos, eles são mais que suficientes para executar até os algoritmos mais elaborados que você ou até mesmo uma criança em processo de aprendizado podem criar. E se compararmos com o processador de 48 MHz da geração anterior, o NXT, que recentemente completou dez anos – o progresso é realmente notável. No entanto, não pode ser dito que o NXT tenha apresentado algum atraso no processo de resolução de tarefas típicas.
Além disso, um quarto porto para motores foi adicionado, o que por si só representa uma expansão significativa da funcionalidade que justifica o upgrade.
A porta USB agora suporta o modo host, permitindo não apenas conectar um adaptador Wi-Fi, mas também conectar vários blocos EV3 em um único robô complexo. No entanto, o nível de tarefas se torna completamente "não infantil".
Finalmente, o MINDSTORMS Education EV3 ganhou suporte para alimentação por bateria. Em vez de seis pilhas AA, é possível instalar uma bateria de íon de lítio de dois ampere-horas que vem incluída. Claro, ninguém proíbe o uso de pilhas do tipo eneloop, mas a necessidade de removê-las para carregamento torna a usabilidade abaixo da média. E, além disso, o custo de um par de conjuntos eneloop com carregador é bastante comparável ao da bateria original.
Ah sim, agora há um grande e alto alto-falante, que pode não apenas tocar melodias retrô da era de 8 bits, mas também reproduzir sons mais agradáveis.
Agora vamos olhar para os atuadores do conjunto básico. Dois deles são motores potentes, semelhantes aos já usados no NXT, dispositivos alongados que geram um torque significativo graças à transmissão rebaixada interna.
Em caso de bloqueio do motor, há um atrito mecânico previsto que começa a escorregar se o atrito for maior do que o calculado, tornando difícil queimar o motor.
Há um sensor de ângulo de rotação com resolução de um grau (o motor informa ao controlador qual ângulo seu eixo está agora posicionado) e a possibilidade de sincronizar precisamente a rotação de todos os motores conectados.
O terceiro, chamado de servo motor M (motor de tamanho médio), gera um torque três vezes menor, mas sua velocidade de rotação é quase duas vezes maior.
Quanto aos sensores, na verdade, não é necessário se limitar apenas aos oferecidos pela LEGO Education (embora haja muitos deles para qualquer projeto educacional), várias empresas de terceiros lançam sensores compatíveis e às vezes até bastante exóticos. O código-fonte do firmware e as especificações de hardware são totalmente .
Software
Falamos muito sobre a base de hardware, mas na verdade não é só ela que define a eficácia das aulas de robótica. É justamente a presença de um software realmente intuitivo em várias plataformas (Mac, PC, dispositivos móveis) que faz da plataforma LEGO MINDSTORMS Education EV3 a escolha ideal para o ensino, especialmente no final do ensino fundamental e início do ensino médio, para crianças de cerca de dez anos.
Tela de início do aplicativo no iPad
A visualização de algoritmos no software nativo da LEGO MINDSTORMS Education EV3 é excepcional – é possível aprender as principais interações dos blocos lógicos (condições de transição, ciclos etc.) em apenas alguns minutos e, a partir daí, aumentar gradualmente a complexidade da programação. Claro, existem projetos educacionais prontos para dezenas de modelos de robôs, e se desejar, você pode encontrar milhares de programas interessantes nas comunidades online.
Exemplo de programa no aplicativo para iPad
Usuários mais avançados podem instalar o LabVIEW ou o RobotC – a "inteligência" do LEGO MINDSTORMS Education EV3 é completamente compatível com esses pacotes. Infelizmente, não será possível exportar projetos antigos para o NXT sem conversão adicional.
Sob o ponto de vista educacional, é muito mais interessante . Ela permite manter cadernos eletrônicos dos alunos, através dos quais o professor pode, a partir de sua versão do aplicativo, avaliar o progresso de alunos específicos e acompanhar seu desenvolvimento. Além disso, é possível utilizar não apenas os materiais de ensino disponíveis (que são muitos), mas também criar seus próprios através do editor de conteúdo integrado.
Vídeos educativos sobre como trabalhar com o editor de conteúdo EV3
Além disso, na versão desktop, há uma ferramenta de registro de dados com a possibilidade de programar áreas do gráfico com base em valores de limite. Ou seja, agora o educador pode facilmente demonstrar o funcionamento das tecnologias modernas no contexto de uma casa inteligente, por exemplo.
O microcomputador EV3 coletará dados dos sensores em tempo real e, dependendo do ambiente térmico, iniciará um ou outro programa do modelo. Em alta temperatura, o ventilador é ligado; em baixa, o aquecedor. Os alunos poderão registrar e analisar os dados, aprimorando o modelo.
Registro de dados
A abertura do firmware do "tijolo inteligente" já desempenhou seu papel: existem alternativas que suportam a maioria das linguagens de programação populares (dezena delas). Em essência, o uso do EV3 pode ser "adaptado" para qualquer projeto educacional relacionado à programação, pois não há nada tão gratificante quanto ver o funcionamento de seus próprios algoritmos "em hardware".
Muitos esperam que o preço possa ser um obstáculo nesta história. De fato, o Conjunto Básico custa 29.900 rublos, e ainda há 2.500 rublos para o carregador. No entanto, essa quantia inclui peças e eletrônica para o trabalho confortável de dois alunos, além de um software básico completo com 48 aulas prontas (que é gratuito desde janeiro de 2016, tanto para indivíduos quanto para organizações). Claro, equipamentos adicionais e conjuntos de tarefas podem aumentar o custo, mas dentro do razoável. Assim, um conjunto para 8 alunos, incluindo conjuntos básicos e de recursos LME EV3, carregadores, software e , custará 174.900. Bastante aceitável para equipar, por exemplo, um clube escolar.
Sim, isso é significativamente mais caro do que plataformas simples parecidas com Arduino. Mas as possibilidades, assim como o nível de envolvimento, são muito superiores. O currículo baseado no EV3 pode ser facilmente planejado para todo o ensino médio e além. Além disso, com uso adequado, o LEGO MINDSTORMS Education EV3 provavelmente "sobreviverá" a vários conjuntos simples devido às suas qualidades mecânicas, facilidade de substituição e disponibilidade de peças (na minha experiência, apenas um cabo RJ-12 precisou ser trocado em um NXT de 10 anos).
No final, vemos praticamente um projeto de código aberto, apoiado por uma empresa gigante, com todos os bônus esperados nessa situação – um longo ciclo de vida, disponibilidade de peças e extensões, guias oficiais e amadores, e uma comunidade ativa. Mindstorms tornou-se praticamente um padrão nas salas de aula ocidentais de robótica educacional para crianças, e seria realmente ótimo vê-lo se espalhar amplamente também na Rússia.
Escolha do caminho
Agora vamos ao principal. Ao contrário dos conjuntos WeDo 2.0, o EV3 é voltado para o ensino médio, ou seja, para crianças mais velhas, para quem a questão da escolha da futura profissão é mais séria.
Usando o EV3, cada aluno poderá explorar ativamente as habilidades que foram naturalmente desenvolvidas nele através da educação e do processo de aprendizado.
Um matemático nato irá observar atentamente a telemetria dos sensores, como exatamente é registrado a distância percorrida pelo robô, como é gravado o ângulo que ele se desvia, e assim por diante.
Um futuro especialista em TI, naturalmente, mergulhará na programação do robô, analisando os algoritmos pelos quais ele se move. E, sem dúvida, criará seus próprios algoritmos, não previstos no manual padrão.
Uma criança interessada em física poderá usar o robô para realizar experimentos visuais, especialmente considerando que os conjuntos não têm problemas com sensores, assim como a criança não tem problemas com a imaginação.
De modo geral, quaisquer que sejam os interesses e disciplinas favoritas da criança na escola, o aprendizado com os conjuntos MINDSTORMS EV3 permitirá que se destaquem mais claramente e foquem em seu desenvolvimento no futuro.
Na vida
Atualmente, as soluções da empresa já estão sendo utilizadas por alunos para criar projetos interessantes, tanto em vários concursos quanto para desenvolvimento geral. Sobre alguns deles, a mídia informou neste ano.
Os estudantes de Astrakhan, Ruslan Kazimov e Mikhail Gladyshev, desenvolveram um robô-treinador para reabilitação das articulações das mãos na base do parque tecnológico regional.
foto — rg.ru
Os alunos do oitavo ano gastaram pouco menos de dois meses no desenvolvimento do simulador. Eles apresentaram seu projeto na fase regional do IX Concurso Nacional de Projetos Científico-Inovadores no Sul do país, onde conquistaram o segundo lugar. No futuro, eles planejam criar um modelo industrial – por enquanto, os desenvolvedores oferecem apenas um protótipo feito de um kit educacional de robótica LEGO MINDSTORMS Education EV3.
O dispositivo duplica os movimentos realizados pelo médico – as articulações começam a funcionar, recuperando assim a mobilidade não apenas delas, mas também de grupos musculares. Atualmente, os dispositivos estão conectados via Bluetooth, e no futuro, irão interagir por meio da Internet ou Wi-Fi.
Existem análogos desse dispositivo no mercado, mas o instrumento de Astrakhan pode funcionar simultaneamente com as articulações do ombro, punho e cotovelo. Além disso, é portátil e funciona com bateria. Também há a possibilidade de controle remoto, ou seja, o paciente pode treinar sem sair de casa.
Na Olimpíada Mundial de Robótica de 2015 (WRO 2015), a equipe russa DRL de São Petersburgo foi premiada com um prêmio especial por criatividade da empresa LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
A equipe russa DRL apresentou o projeto CaveBot. Os jovens de São Petersburgo, sob a orientação do treinador Sergey Filippov, criaram um robô explorador único para detectar áreas desconhecidas em cavernas. O desenvolvimento abrange várias áreas científicas, uma vez que o robô exclusivo permite a execução de diversas tarefas de complexidade variada.
A equipe construiu um robô escalador, equipado com vários sensores, para detectar objetos com o objetivo de investigá-los posteriormente. Os dados obtidos podem ser transformados em modelos 3D no computador.
E o jovem Shubham Banerjee, de 13 anos, criou Braille a partir de peças de LEGO como parte de um projeto científico escolar. Posteriormente, com a ajuda de sua família, foi criado um startup para lançar a invenção, que recebeu apoio financeiro da corporação técnica Intel.
(Foto: Marcio Jose Sanchez, AP)
A ideia de criar a impressora veio a Shubham após pesquisar sobre o Braille na Internet. Percebendo que impressoras para impressão em braille custam a partir de 2.000 dólares e mais, o estudante decidiu fazer uma versão mais barata.
Logo após a invenção, crianças cegas e seus pais começaram a entrar em contato com Shubham com um único pedido — criar uma impressora Braille acessível, prometendo "comprá-la diretamente da prateleira".
Como podem ver, o uso do MINDSTORMS Education EV3 no processo de aprendizagem permite que os alunos utilizem ao máximo sua criatividade, criando mecanismos cada vez mais novos que não apenas ajudam a realizar ideias ou demonstrar experimentos, mas também a começarem a se decidir sobre sua futura profissão.
Se você tiver perguntas sobre o uso dessas soluções no processo educacional (ou sobre os próprios produtos) — escreva-as nos comentários.
Fonte: habr.com
