зображення - roboconstructor.ru
Відома притча говорить, що, коли до мудреця звернулася молода мати з дитиною на руках і запитала, з якого віку їй слід починати виховання сина, старець відповів, що вона запізнилася стільки років, скільки вже було дитині. З вибором майбутнього покликання ситуація досить схожа. Складно вимагати усвідомлення своїх схильностей та інтересів від немовляти, але вже в середній школі починаються всілякі спеціалізації, і до цього часу непогано вже знати, в який бік рухатися чаду, що підріс. Але одне ми знаємо майже напевно – протягом найближчих десятиліть від 30 до 80% професій будуть повністю автоматизовані.
Робототехніка, кібернетика, розуміння алгоритмів - той набір навичок, з яким, швидше за все, людині не загрожуватиме настільки туманні перспективи. Звичайно, швидше за все паралельно із заміною робочої сили на роботі розвиватиметься і концепція безумовного базового доходу, ось тільки навряд чи ви хочете для своєї дитини подібного майбутнього.
Способів швидко показати молодій та зацікавленій аудиторії основи програмування та робототехніки зараз існує багато. Всі вони коштують недорого, досить прості в освоєнні, дають уже за кілька годин розуміння основ алгоритмів та концепцій кібернетичних пристроїв. Але в навчальних класах легко зіткнутися і з недоліками цих платформ – обмеженою зносостійкістю (та й чого гріха таїти – «ідіостійкістю» теж) макетних плат, не дуже доброзичливими для дітей 11-12 років інтерфейсами, відносно невеликим елементом «гри».
З усіма цими недоліками вже більше двадцяти років борються у найвідомішій компанії-виробнику розвиваючих наборів LEGO Education. Йдеться, зрозуміло, про платформу MINDSTORMS Education EV3. Починаючи з вироблених на початку 90-х Mindstorms RCX і закінчуючи найсучаснішим комплексом MINDSTORMS Education EV3, принцип формування платформи залишається незмінним. В основі лежить "розумна цегла" ("intelligent brick"), це мікрокомп'ютер з екраном і портами вводу-виводу, до якого підключаються всі інші компоненти. Як і в будь-якій робототехнічній системі периферійні пристрої поділяються на сенсори та ефектори. За допомогою сенсорів робот сприймає навколишній світ, а завдяки ефекторам – реагує на нього відповідно до закладеної програми. Сполучаються компоненти платформи разом простими кабелями без паяння, а механічні конструкції обмежені лише міцністю пластикових деталей та фантазією конструкторів.
ми розглядали можливості таких рішень загалом та загалом, зараз же хочемо докладніше зупинитися саме на LEGO MINDSTORMS Education EV3.
EV3
LEGO MINDSTORMS Education EV3 зроблений сумісним із деталями Lego Technic. Це означає, що платформу можна використовувати для створення найрізноманітніших і навіть неймовірних конструкцій, від простих "машинок" і "роборук" до складних конвеєрів або навіть "вирішувачів" кубика Рубіка. Фактично, будь-який набір Lego Technic може стати джерелом деталей для проектів, також ніяких проблем не буде із заміною постраждалих запасних частин. Так, виглядають вони не так брутально, як старий радянський алюмінієвий конструктор, але на практиці виявляються навіть міцнішими за вироби з металу. Принаймні у моїй колекції, що стартувала 1993 року, ще не виявилося жодної зламаної деталі.
У комплекті з базовим навчальним набором MINDSTORMS Education EV3 є 541 деталь Lego Technic. Можна докупити як спеціалізований ресурсний набір. (або старіший 9648, що випускався ще для NXT), так і просто великий конструктор типу (2800 деталей) або (майже 4000 деталей), і, вдосталь награвшись з основною моделлю, пустити його на цеглинки для кібернетичних дослідів. У перерахунку на одну деталь Lego тут дуже виграє в інших наборів - всього 3-5 рублів за одну штуку.
Ну а якщо в когось збереглася стара колекція, що включає десятки тисяч деталей, то турбуватися про ресурси взагалі не доведеться.
Скріншот із сервісу Brickset (інтерактивна база для власників конструкторів Lego, що дозволяє збирати різноманітну статистику) автора
Втім, це стосується лише «пасивних» елементів на кшталт балок, коліс чи сполучних пінів. Сенсори та ефектори, зрозуміло, значно дорожчі, але й у базовому комплекті їх більш ніж достатньо. Mindstorms EV3 поставляється в комплекті з трьома моторами (два більше і потужніший і один компактний сервопривід), парою сенсорів торкання (своєрідні «розумні» кнопки), ультразвуковим, гіроскопічним і колірним сенсорами (він може працювати в режимі сенсора освітленості). Плюс збережена сумісність з датчиками від попереднього покоління роботів Lego Education – Mindstorms NXT (до них входить, наприклад, датчик рівня шуму).
Але повернемося до «розумної цеглини», серця системи. Це дійсно досить важка і об'ємна «цеглинка», оснащена монохромним РК-екраном 178х128 (на нього виводиться не тільки меню, але і всілякі кастомні картинки в процесі роботи) зі змінним кольором підсвічування. За допомогою дротів зі стандартним роз'ємом RJ-12 до нього підключаються сенсори та ефектори (до чотирьох пристроїв кожного типу), є слот для microSDHC та USB-порт.
Останній можна використовувати як для завантаження програм, так і для оновлення прошивки. Однак не обділений мікроконтролер і бездротовими інтерфейсами, за бажання завантажувати програми можна через Wi-Fi (потрібний зовнішній модуль) або Bluetooth (вбудований). Також, якщо ми збираємо робота з дистанційним керуванням, «керувати» ним можна за допомогою бездротового зв'язку зі смартфона або планшета.
Усередині «розумної цегли» живе 300-мегагерцовий ARM-процесор, 16 мегабайт постійної пам'яті (і ось навіщо знадобиться картка) та 64 мегабайти оперативної. Якими б скромними не здавалися ці цифри, для виконання навіть найрозгалуженіших алгоритмів, які ви або тим більше дитина в процесі навчання може написати, потужності більш ніж достатньо. А якщо порівняти з 48-мегагерцовым процесором попереднього покоління NXT, якому нещодавно стукнуло десять років – то прогрес і зовсім помітний. Втім, не можна сказати, щоб і NXT скільки-небудь помітно гальмував у процесі вирішення типових завдань.
Плюс з'явився четвертий порт для моторів, саме це значне розширення функціоналу, яке виправдовує апгрейд.
USB-порт тепер підтримує режим хоста, це дозволяє не тільки підключати Wi-Fi-адаптер, а й з'єднувати кілька блоків EV3 до одного складного робота. Щоправда, і рівень завдань стає зовсім «не дитячим».
Нарешті, MINDSTORMS Education EV3 отримав підтримку акумуляторного живлення. Замість шести АА-батарейок можна встановити літієво-іонний акумулятор, що йде в комплекті, на два з хвостиком ампер-години. Звичайно, ніхто не забороняє користуватися пальчиковими акумуляторами типу eneloop, але необхідність їх виймати для заряджання робить юзабіліті нижчим за середній. Та й за ціною пара комплектів eneloop c зарядником цілком можна порівняти з фірмовим акумулятором.
Ах так, з'явився великий і гучний динамік, який зараз може не просто їсти ретро-мелодії з 8-бітної ери, а й програвати приємніші звуки.
Тепер подивімося на ефектори з базового набору. Два з них - потужні мотори, аналогічні вже використовуваним в NXT, довгасті пристрої, що розвивають завдяки внутрішній понижувальній передачі серйозний момент, що крутить.
На випадок блокування двигуна передбачений механічний фрикціон, який починає прослизати, якщо тертя більше розрахункового, так що двигун досить складно спалити.
Є датчик кута повороту з роздільною здатністю в один градус (мотор повідомляє контролеру, на який кут зараз повернута його вісь) і можливість точно синхронізувати обертання всіх підключених моторів.
Третій, так званий М-сервопривід (середній за розміром мотор) видає втричі менший крутний момент, зате його швидкість обертання вище майже вдвічі.
Що стосується сенсорів, то насправді зовсім не обов'язково обмежуватися тими, що пропонує LEGO Education (хоча і їх вище даху для будь-якого освітнього проекту), низка сторонніх компаній випускає сумісні і часом досить екзотичні сенсори. Вихідний код прошивки та апаратні специфікації повністю .
Програмне забезпечення
Ми багато говорили про апаратну базу, але насправді не тільки вона визначає ефективність занять з робототехніки. Саме наявність дійсно інтуїтивно зрозумілого ПЗ на безлічі платформ (Мак, ПК, мобільні пристрої) та робить LEGO MINDSTORMS Education EV3 платформою вибору при навчанні, і особливо на рубежі початкової та середньої школи для дітей років десяти.
Вітальний екран програми на iPad
Візуалізація алгоритмів у рідному ПО LEGO MINDSTORMS Education EV3 знаходиться просто на найвищому рівні – досить буквально за кілька хвилин засвоїти основні види взаємодії логічних блоків (умови переходу, цикл тощо) та надалі поступово нарощувати складність програм. Зрозуміло, є й готові навчальні проекти для десятків різноманітних моделей роботів, а за бажання в інтернет-спільнотах можна знайти тисячі цікавих програм.
Приклад програми в програмі для iPad
Просунуті користувачі можуть встановити LabVIEW або RobotC – «мозки» LEGO MINDSTORMS Education EV3 повністю сумісні з цими пакетами. Ось експортувати старі проекти для NXT без додаткової конвертації, на жаль, не вийде.
З освітньої точки зору набагато більший інтерес представляє . Воно дозволяє вести електронні зошити учнів, завдяки яким викладач може зі своєї версії програми оцінювати успіхи конкретного учня та спостерігати за його прогресом. Плюс до всього можна використовувати не тільки наявні на борту ПЗ навчальні матеріали (яких безліч), але й за допомогою вбудованого редактора контенту створювати свої власні.
Навчальні відео по роботі з редактором контенту EV3
А ще у десктоп-версії є утиліта реєстрації даних із можливістю програмування областей графіка залежно від порогових значень. Тобто тепер педагог може легко продемонструвати роботу сучасних технологій у рамках розумного будинку, наприклад.
Мікрокомп'ютер EV3 збиратиме дані з датчиків у реальному режимі часу та в залежності від температурного фону запускати ту чи іншу програму моделі. При високій температурі включається вентилятор, при низькій - обігрівач. А учні зможуть фіксувати та аналізувати дані, доопрацьовуючи модель.
Журналування даних
Відкритість прошивки «розумної цеглини» вже зіграла свою роль: існують альтернативні варіанти з підтримкою більшості популярних мов програмування (десятки їх). За великим рахунком використання EV3 можна «прикрутити» до будь-якого освітнього проекту, пов'язаного з програмуванням, оскільки мало так радує, як можливість побачити роботу власних алгоритмів «в залізі».
Багато хто чекає, що каменем спотикання в цій історії може бути ціна. Справді, за Базовий набір доведеться викласти 29 рублів, плюс ще 900 віддати за зарядку. Однак у цю суму включені деталі та електроніка для комфортної роботи двох учнів, а також повноцінне базове ПЗ з 2 готовими заняттями (яке з січня 500 року повністю безкоштовно, як для приватних осіб, так і для організацій). Звичайно, додаткове обладнання та комплекти завдань можуть збільшити вартість, але в межах розумного. Так комплект для 48 учнів, що включає базові та ресурсні набори LME EV2016, зарядні пристрої, ПЗ та , обійдеться в 174 900. Цілком прийнятно для оснащення, наприклад, гуртка в школі.
Так, це помітно дорожче за прості Arduino-подібні платформи. Але й можливості, а також рівень залучення набагато вищий. Навчальну програму на базі EV3 можна планувати на всю середню школу і далі. Крім того, при адекватному використанні LEGO MINDSTORMS Education EV3 банально «переживе» кілька простих комплектів за рахунок механічних якостей, легкої замінності та доступності деталей (на моїй практиці лише один шлейф RJ-12 зажадав заміни у 10-річному NXT).
У результаті ми бачимо практично оупенсорсний проект, який підтримує гігантська компанія з усіма покладеними в такій ситуації бонусами – великим життєвим циклом, доступністю запчастин та розширень, офіційними та аматорськими гайдами, розвиненою спільнотою. Mindstorms став практично стандартом західних освітніх класів з робототехніки для дітей, і було б по-справжньому добре побачити його широке поширення і в Росії.
Вибір шляху
А тепер до головного. На відміну від наборів WeDo 2.0, EV3 орієнтований на середню школу, відповідно, на дітей старшого віку, для яких питання вибору майбутньої професії стоїть вже серйозніше.
Використовуючи EV3, кожен із учнів зможе активніше розкрити ті здібності, які були в ньому закладені природою, вихованням та навчальним процесом.
Природжений математик пильно стежитиме за телеметрією датчиків, за тим, як саме фіксується пройдена роботом відстань, як записується кут, на який він відхиляється, та інше.
Майбутній айтішник, само собою, порине в програмування робота, розбираючи алгоритми, якими той рухається. І неодмінно створюватиме свої, не передбачені штатною інструкцією.
Захоплена фізикою дитина зможе за допомогою робота проводити наочні експерименти, благо з датчиками у наборів проблем немає, так само як і у дитини з фантазією.
Загалом, які б у дитини не були інтереси та улюблені предмети у школі, навчання з використанням наборів MINDSTORMS EV3 дозволить чіткіше їх виділити та сконцентруватися на їхньому розвитку в майбутньому.
В житті
На даний момент рішення компанії вже використовуються учнями для створення цікавих проектів як у рамках різних конкурсів, так і для загального розвитку. Про низку з них цього року писали ЗМІ.
Астраханські школярі Руслан Казимов та Михайло Гладишев на базі регіонального технопарку розробили робот-тренажер для реабілітації суглобів рук.
фото - rg.ru
На розробку тренажера восьмикласники витратили трохи менше двох місяців. Вони представили свій проект на регіональному етапі IX Всеросійського конкурсу науково-інноваційних проектів у ПФО, де посіли друге місце. Надалі вони планують створити промисловий зразок – поки що розробники пропонують лише прототип, виготовлений з освітнього робототехнічного набору LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Пристрій дублює рухи, які виконує лікар - суглоби починають працювати, тим самим відновлюється рухливість не тільки їх, але і груп м'язів. Поки пристрої пов'язані через Bluetooth, у майбутньому взаємодіятимуть за допомогою інтернету або Wi-Fi.
Аналоги такого пристрою є на ринку, проте астраханський прилад може працювати одночасно з плечовим, променево-зап'ястковим і ліктьовим суглобами. Крім того, він переносний та працює від акумулятора. Також є можливість дистанційного керування, тобто пацієнт може тренуватися, не виходячи з дому.
На Світовій Олімпіаді з робототехніки 2015 року (WRO 2015) російська команда DRL із Санкт-Петербурга була нагороджена спеціальним призом за креативність від компанії LEGO Education (LEGO EDUCATION CREATIVITY AWARD).
Російська команда DRL презентувала проект CaveBot. Діти з Санкт-Петербурга під керівництвом тренера Сергія Філіппова створили унікального робота-дослідника для виявлення незвіданих областей у печерах. Розробка зачіпає різні наукові галузі, оскільки унікальний робот уможливлює виконання різноманітних за складністю завдань.
Команда побудувала робота-скелелаза, оснащеного різними датчиками для виявлення предметів з метою їх подальшого дослідження. Отримані дані можуть бути перетворені на 3D-моделі на комп'ютері.
А 13-річний Шубхем Бенерджі створив Брайля із частин LEGO у рамках шкільного наукового проекту. Пізніше за участю його сім'ї було створено стартап із запуску винаходу, який отримав фінансову підтримку від технічної корпорації Intel.
(Photo: Marcio Jose Sanchez, AP)
Ідея створити принтер прийшла до Шубхем після дослідження Брайля в мережі Інтернет. Зрозумівши, що принтери для сліпого друку коштують від 2,000 $ і вище, школяр вирішив зробити дешевшу версію.
Незабаром після винаходу незрячі діти та їхні батьки почали зв'язуватися з Шубхемом з єдиним проханням зробити недорогий принтер Брайля, обіцяючи «купити його прямо з полиці».
Як бачите, використання MINDSTORMS Education EV3 у процесі навчання дозволяє учням по-максимуму включати фантазію, створюючи все нові та нові механізми, які не лише допомагають реалізувати ідеї чи наочно провести будь-які експерименти, а й почати визначатися зі своєю майбутньою професією.
Якщо у вас є питання щодо використання цих рішень в освітньому процесі (або самих продуктів) — пишіть їх у коментарях.
Джерело: habr.com