LEGO MINDSTORMS Education EV3 u profesionalnoj orijentaciji

slika — roboconstructor.ru

Znana pripovedka pravi, da ko se je modrecu obrnila mlada mati z majhnim otrokom v naročju in ga vprašala, od katerega leta naj bi začela z vzgojo, je starček odgovoril, da je že zamudila toliko let, kolikor je otrok star. Situacija pri izbiri prihodnje poklicne poti je obdobja podobna. Težko je zahtevati zavedanje svojih nagnjenj in interesov od dojenčka, a že v srednji šoli se začnejo razne specializacije in do takrat bi bilo lepo vedeti, v katero smer se naj bi otrok razvil. A eno vemo skoraj zagotovo – v naslednjih desetletjih bo med 30 in 80 % poklicev popolnoma avtomatiziranih.

Robotika, kibernetika, razumevanje algoritmov – to je tisti sklop veščin, s katerim ljudem verjetno ne bodo grozile tako megleno prihodnost. Seveda bo verjetno skupaj z zamenjavo delovne sile z roboti razvijala tudi koncept brezpogojnega osnovnega dohodka, toda težko si želite takšne prihodnosti za svojega otroka.

Obstaja veliko načinov, kako hitro pokazati mladim in zainteresiranim občinstvom osnove programiranja in robotike. Vse so cenovno dostopne, dovolj preproste za učenje in že po nekaj urah ponujajo razumevanje osnov algoritmov in konceptov kibernetskih naprav. Vendar se lahko v učnih razredih preprosto srečate z pomanjkljivostmi teh platform – omejeno odpornostjo na obrabo (in ne gre pozabiti – tudi "idiotno odpornostjo"), prototipnimi ploščami, ter relativno neprijaznimi vmesniki za otroke, stare 11-12 let, ter razmeroma majhnim elementom "igre".

Vse slike te pomanjkljivosti se že več kot dve desetletji spopadajo v najbolj znanem podjetju, ki proizvaja razvojne komplete LEGO Education. Govorimo seveda o platformi MINDSTORMS Education EV3. Od prvih modelov Mindstorms RCX iz začetka 90-ih let pa do najsodobnejšega kompleta MINDSTORMS Education EV3 ostaja načelo oblikovanja platforme nespremenjeno. V središču je 'pameten blok' ('intelligent brick'), kar je mikroračunalnik z zaslonom in vhodi/izhodi, na katerega so priključene vse druge komponente. Kot v vsakem robotskem sistemu se periferni napravi delijo na senzorje in efekte. S senzorji robot zaznava okolico, medtem ko mu efekti omogočajo odzivanje na okolje v skladu s programom. Komponente platforme se povezujejo skupaj s preprostimi kabli brez spajanja, mehanične konstrukcije pa so omejene le z močjo plastičnih delov in domišljijo graditeljev.

V prejšnjem prispevku smo obravnavali možnosti takšnih rešitev na splošno, sedaj pa se želimo podrobneje osredotočiti prav na LEGO MINDSTORMS Education EV3.

EV3

LEGO MINDSTORMS Education EV3 je združljiv z deli Lego Technic. To pomeni, da lahko platformo uporabljate za ustvarjanje najrazličnejših in celo neverjetnih konstrukcij, od preprostih 'avtomobilov' in 'robotrok' do zapletenih transportnih sistemov ali celo 'reševalcev' Rubikove kocke. V bistvu lahko vsak komplet Lego Technic postane vir delov za projekte, prav tako ne bo težav z zamenjavo poškodovanih rezervnih delov. Da, ne izgledajo tako robustno kot stari sovjetski aluminijasti kompleti, toda v praksi se izkažejo za še tršega od kovinskih izdelkov. Vsaj v moji zbirki, ki se je začela leta 1993, še ni bilo nobene pokvarjene komponente.

V kompletu z osnovnim izobraževalnim kompletom MINDSTORMS Education EV3 je 541 del Lego Technic. Lahko dokupite specializiran vir komponent, kot je 45560 (ali starejši 9648, ki je bil še za NXT), prav tako pa tudi velik komplet tipa 42043 (2800 delov) ali 42055 (skoraj 4000 delov), in potem, ko se dobro igrate z osnovnim modelom, ga lahko uporabite za 'kocke' za kibernetske eksperimente. Kar se tiče stroškov na eno Lego komponento, je to veliko bolj ugodno kot pri drugih kompletih - le 3-5 rubljev za kos.

Če pa ima kdo staro zbirko, ki vključuje desetine tisoč delov, ni treba skrbeti za vire.

Posnetek zaslona iz storitve Brickset (interaktivna baza za lastnike Lego gradnikov, ki omogoča zbiranje različnih statistik) avtorja

Vendar to velja le za 'pasivne' elemente, kot so nosilci, kolesa ali povezovalne zatiče. Senzorji in aktuatorji so seveda precej dražji, vendar jih je v osnovnem kompletu več kot dovolj. Mindstorms EV3 prihaja s tremi motorji (dvema večjima in močnejšima ter enim kompaktni servomotorjem), dvema dotikovima senzorjema (nekakšne 'pametne' tipke), ultrazvokom, žiroskopskimi in barvnimi senzorji (ki lahko deluje tudi v načinu svetlobnega senzorja). Poleg tega je ohranjena združljivost s senzorji iz prejšnje generacije Lego Education robotov – Mindstorms NXT (med njimi je tudi senzor nivoja hrupa).

A se vrnimo k 'pametnemu opeku', srcu sistema. To je res precej težka in obsežna 'opeka', opremljena z monokromatskim LCD zaslonom 178x128 (na njem se prikaže ne le meni, temveč tudi različne prilagojene slike med delom) z nastavljivo barvo osvetlitve. S pomočjo kablov s standardnim priključkom RJ-12 se k njemu priključijo senzorji in aktuatorji (do štirih naprav vsakega tipa), na voljo je režo za microSDHC in USB-vtičnica.

Nazadnje se lahko uporablja tako za nalaganje programov kot za posodobitev programske opreme. Vendar mikrokontroler ne primanjkuje niti brezžičnih vmesnikov, tako da je mogoče naložiti programe preko Wi-Fi (potreben je zunanji modul) ali Bluetooth (vgrajen). Prav tako, če sestavljamo robota z daljinskim upravljanjem, lahko njim 'manipuliramo' z uporabo brezžične povezave s pametnim telefonom ali tabličnim računalnikom.

Znotraj "pametne opeke" živi 300 MHz ARM procesor, 16 megabajtov trajne pomnilnika (in tu pride prav pravzlika) in 64 megabajtov delovnega pomnilnika. Kakorkoli skromni so ti števili, je moč več kot dovolj za izvajanje celo najbolj zapletenih algoritmov, ki jih lahko napišete vi ali, še posebej, otrok v procesu učenja. In če primerjamo s 48 MHz procesorjem prejšnje generacije NXT, ki je nedavno praznoval deseti rojstni dan, je napredek prav očiten. Vendar pa ne moremo reči, da je NXT kjerkoli opazno oviral reševanje tipičnih nalog.

Poleg tega se je pojavil četrti priključek za motorje, kar samo po sebi predstavlja pomembno širitev funkcionalnosti, ki upravičuje nadgradnjo.

USB priključek zdaj podpira način gostitelja, kar omogoča ne le povezavo Wi-Fi adapterja, temveč tudi povezovanje več EV3 blokov v en kompleksni robot. Vendar pa naloge postanejo povsem "odrasle".

Končno je MINDSTORMS Education EV3 pridobil podporo za baterijsko napajanje. Namesto šestih AA baterij lahko namestite litij-ionsko baterijo s kapaciteto več kot dva amper-ura, ki je priložena v kompletu. Seveda, nihče ne prepoveduje uporabe AA baterij tipa eneloop, a potreba po njihovem odstranjevanju za polnjenje zmanjšuje uporabnost. Cena dveh kompletov eneloop z polnilcem je prav tako primerljiva s ceno originalne baterije.

Ah ja, pridobili smo tudi velik in glasen zvočnik, ki zdaj ne le igra retro melodije iz obdobja 8-bitne dobe, temveč lahko predvaja tudi prijetnejše zvoke.

Sedaj si poglejmo efektorje iz osnovnega kompleta. Dva od njih sta močna motorja, podobna že uporabljenim v NXT, podolgovate naprave, ki omogočajo resen navor zahvaljujoč notranjemu redukcijskemu mehanizmu.

Za primer blokiranja motorja je zagotovljen mehanski zdrs, ki začne drseti, če je trenje večje od izračunanega, tako da je motor dokaj težko pregreti.
Na voljo je senzor kota vrtenja z ločljivostjo enega stopinje (motor sporoča krmilniku, pod kakšnim kotom je trenutno njegova os) in možnost natančne sinhronizacije vrtenja vseh povezanih motorjev.

Tretji, tako imenovani M-servomotor (srednje velikosti motor) daje tri krat manjši navor, vendar pa je njegova hitrost vrtenja skoraj dvakrat višja.

Kar se tiče senzorjev, ni nujno omejiti se le na tiste, ki jih ponuja LEGO Education (čeprav jih je povsem dovolj za vsak izobraževalni projekt), mnoge zunanje družbe proizvajajo združljive in včasih precej eksotične senzorje. Izvorna koda vdelane programske opreme in tehnične specifikacije so popolnoma otvorene.

Software

Veliko smo govorili o strojni osnovi, vendar pa ne določa samo ta učinkovitosti poučevanja robotike. Ključnega pomena je dejansko imeti resnično intuitivno programsko opremo na številnih platformah (Mac, PC, mobilne naprave) in pripravljenih učnih načrtov naredi LEGO MINDSTORMS Education EV3 platformo izbire pri izobraževanju, še posebej na prehodu v osnovno in srednjo šolo, za otroke okoli desetih let.

Začetni zaslon aplikacije na iPadu

Vizualizacija algoritmov v domači programski opremi LEGO MINDSTORMS Education EV3 je preprosto na vrhunski ravni – dovolj je, da se v le nekaj minutah osvojite osnovne vrste interakcij logičnih blokov (pogoji prehoda, zanka itd.) in nato postopoma povečevati kompleksnost programov. Seveda so na voljo tudi pripravljeni učni projekti za na desetine različnih modelov robotov, poleg tega pa lahko v internetnih skupnostih najdete tisoče zanimivih programov.

Primer programa v aplikaciji za iPad

Napredni uporabniki lahko namestijo LabVIEW ali RobotC – 'možgani' LEGO MINDSTORMS Education EV3 so popolnoma združljivi s temi paketmi. Nažalost ni mogoče izvoziti starih projektov za NXT brez dodatne konverzije.

Z izobraževalnega vidika pa je precej več zanimanja za različico programske opreme za namizne računalnike. Omogoča vodenje elektronskih zvezkov učencev, s čimer lahko učitelj iz svoje različice aplikacije ocenjuje uspehe posameznih učencev in spremlja njihov napredek. Poleg tega lahko uporabljate ne le obstoječe učne materiale (katerih je več kot dovolj), temveč tudi z vgrajenim urejevalnikom vsebine ustvarite svoje lastne.

Učbeniški videi o delu z urejevalnikom vsebine EV3

In addition, the desktop version includes a data registration utility with the ability to program the chart areas based on threshold values. This means that educators can easily demonstrate the workings of modern technologies within a smart home framework, for example.

The EV3 microcomputer will collect data from sensors in real time and launch specific model programs depending on the temperature backdrop. A fan turns on at high temperatures, while a heater activates at lower temperatures. Students will be able to record and analyze data, enhancing their model.

Data Logging

The openness of the 'smart brick' firmware has already played its part: there are alternative options supporting most popular programming languages (dozens of them). Essentially, the use of EV3 can be attached to any educational project related to programming since few things are as satisfying as seeing one's algorithms 'in hardware'.

Many anticipate that the price may become a stumbling block in this story. Indeed, the Basic set will cost 29,900 rubles, plus an additional 2,500 for the charger. However, this amount includes parts and electronics for the comfortable work of two students, as well as complete basic software with 48 ready-made lessons (which has been entirely free since January 2016, both for individuals and organizations). Of course, additional equipment and task sets can increase costs, but within reason. For instance, a set for 8 students, including basic and resource kits LME EV3, chargers, software, and additional task set 'Engineering Projects' will cost 174,900. Quite reasonable for equipping, for example, a school club. additional task set 'Engineering Projects', will amount to 174,900. Quite acceptable for equipping, for example, a school club.

Yes, it is noticeably more expensive than simple Arduino-like platforms. However, the capabilities and level of engagement are much higher. The curriculum based on EV3 can be comfortably planned for the entire high school and beyond. Furthermore, with proper use, LEGO MINDSTORMS Education EV3 will simply 'outlast' several basic kits due to its mechanical qualities, ease of replacement, and availability of parts (in my experience, only one RJ-12 ribbon cable required replacement in a 10-year-old NXT).

Na koncu vidimo praktično odprtokodni projekt, ki ga podpira ogromen podjetje z vsemi pripadajočimi bonusi v takšnih situacijah – dolgo življenjsko dobo, dostopnost rezervnih delov in razširitev, uradne in ljubiteljske vodiče, razvito skupnost. Mindstorms je postal praktično standard zahodnih izobraževalnih razredov za robotiko za otroke, in bilo bi res odlično videti njegovo široko razširjenost tudi v Rusiji.

Izbira poti

Zdaj pa k bistvu. V nasprotju s kompleti WeDo 2.0, je EV3 usmerjen na srednje šole, kar pomeni, da je namenjen starejšim otrokom, pri katerih je vprašanje izbire prihodnje poklicne poti že resnejše.

Z uporabo EV3 bo vsak učenec lahko aktivneje razkril tiste sposobnosti, ki so mu jih položili narava, vzgoja in učni proces.

Naravni matematik bo pozorno spremljal telemetrijo senzorjev, kako natančno se beleži razdalja, ki jo robot prehodi, kako se zabeleži kot, pod katerim se nagiba, itd.

Prihodnji IT-ju bo seveda poglobljen v programiranje robota, razčlenjujoč algoritme, po katerih deluje. In zagotovo bo ustvarjal svoje, ki niso predvideni v standardnem priročniku.

Otroka, ki ga zanima fizika, bo lahko z robotom izvajal nazorne eksperimente, saj s senzorji pri kompletih ni težav, prav tako pa tudi ne pri otroku – s fantazijo.

Na splošno, karkoli že so otrokove interese in najljubši predmeti v šoli, bo učenje z uporabo kompletov MINDSTORMS EV3 omogočilo, da jih bolj jasno izpostavi in se osredotoči na njihov razvoj v prihodnosti.

V življenju

Trenutno rešitve podjetja že uporabljajo učenci za ustvarjanje zanimivih projektov, tako v okviru različnih tekmovanj kot tudi za splošni razvoj. O nekaterih od njih so letos pisali mediji.

Astrakhanška šolarja Ruslan Kazimov in Mihail Gladyšev sta v regionalnem tehnološkem parku razvila robota-trenerja za rehabilitacijo sklepov rok.

foto — rg.ru

Za razvoj simulatorja so osmošolci porabili malo manj kot dva meseca. Svoj projekt so predstavili na regionalnem nivoju IX. Vseruskega tekmovanja znanstveno-inovativnih projektov v JUFO, kjer so zasedli drugo mesto. V nadaljevanju nameravajo izdelati industrijski vzorec – zaenkrat razvijalci ponujajo le prototip, izdelan iz izobraževalnega robotskega kompleta LEGO MINDSTORMS Education EV3.

Oprema podvaja gibe, ki jih izvaja zdravnik – sklepi začnejo delovati, s čimer se obnovi gibljivost ne samo njih, temveč tudi skupin mišic. Zaenkrat so naprave povezane prek Bluetootha, v prihodnosti pa bodo sodelovale prek interneta ali Wi-Fi.

Na trgu so analogi te naprave, a astrakhanški instrument lahko deluje hkrati s ramenskim, zapestnim in komolčnim sklepom. Poleg tega je prenosljiv in deluje na baterije. Prav tako obstaja možnost daljinskega upravljanja, kar pomeni, da lahko pacient trenira, ne da bi se odpočel iz hiše.

Na Svetovni olimpijadi robotike 2015 (WRO 2015) je ruska ekipa DRL iz Sankt Peterburga prejela posebno nagrado za ustvarjalnost podjetja LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).

Ruska ekipa DRL je predstavila projekt CaveBot. Fanti iz Sankt Peterburga pod vodstvom trenerja Sergeja Filipova so ustvarili edinstvenega raziskovalnega robota za odkrivanje neodkritih območij v jama. Razvoj se dotika različnih znanstvenih področij, saj edinstveni robot omogoča izvajanje raznovrstnih nalog po zapletenosti.

Ekipa je zgradila robota plezalca, opremljenega z različnimi senzorji, za odkrivanje predmetov z namenom njihovih nadaljnjih raziskav. Pridobljeni podatki se lahko spremenijo v 3D modele na računalniku.

In 13-letni Shubham Banerjee je ustvaril tiskalnik brajice iz delov LEGO v okviru šolskega znanstvenega projekta. Kasneje, s sodelovanjem njegove družine, je bilo ustanovljeno podjetje za lansiranje izuma, ki je prejelo finančno podporo tehnične korporacije Intel.

(Fotografija: Marcio Jose Sanchez, AP)

Ideja za ustvarjanje tiskalnika se je Shubhamu porodila po raziskovanju brajice na internetu. Ko je spoznal, da tiskalniki za slepe stanejo od 2000 $ naprej, se je šolar odločil izdelati cenejšo različico.

Kmalu po izumu so slepi otroci in njihovi starši začeli stikati s Shubhamom z eno samo prošnjo — naj naredi poceni Braillov tiskalnik, obljubljajoč, da ga bodo "kupili kar s police".

Kot vidite, uporaba MINDSTORMS Education EV3 v učnem procesu omogoča učencem, da v največji meri uporabijo svojo domišljijo, ustvarjajoč vedno nove mehanizme, ki ne le da pomagajo uresničiti ideje ali vizualno izvesti neke eksperimente, temveč tudi pomagajo pri usmerjanju v njihovo prihodnjo poklicno pot.

Če imate vprašanja glede uporabe teh rešitev v izobraževalnem procesu (ali o samih izdelkih) — jih zapišite v komentarje.

Izvor: habr.com