Конструирование роботов STEM: коротко о главном

Конструирование роботов STEM: коротко о главном

Несмотря на то, что первые наборы для сборки роботизированных моделей появились в продаже в начале 2000-х годов (первенец LEGO Mindstorm был представлен публике ещё в 1998 г.), робототехническое конструирование получило широкое распространение только после создания в 2005 г. массового и дешёвого контроллера Arduino. В настоящее время существует множество производителей детских игрушек, выпускающих продукцию под названием «конструкторы роботов», «роботы-конструкторы», «робототехнические конструкторы» и т.д. Однако компаний, занимающихся производством «настоящих» конструкторов для сборки роботов, чуть больше десятка. Логической классификации электромеханических роботизированных конструкторов не существует до сих пор. Условно их можно разделить на два типа:

  • сборка электромеханических моделей непрограммируемых роботов
  • конструирование программируемых роботов

      Конструкторы первого типа рассчитаны для детей от 5 лет. Среди всех робототехнических конструкторов доля непрограммируемых составляет свыше 70%. Собираемые модели представляют собой электромеханическую игрушку, которая внешне может напоминать робота, при этом таковым не являясь. Основная задача ребёнка – правильно установить блоки с моторчиками, присоединить к ним различные детали и в результате получить модель, которая может ездить, крутиться на месте, шагать, двигать «руками» или вращать «головой».


      Модели непрограммируемых роботов, собранные из конструктора LOZ

      Всё это она будет делать либо после подачи электропитания простым щелчком переключателя на батарейном блоке, либо по команде пульта дистанционного управления (ПДУ). Он может быть проводным или беспроводным (в этом случае модель должна иметь специальный модуль — радиоприёмник сигналов) и представляет собой джойстик с питанием от батареек. При этом собранная модель не способна на проявление «самостоятельной» активности — она в большей степени электромеханическая, чем роботизированная. Даже если в состав такого робота входят всевозможные датчики положения, сенсоры освещения и гироскопы, микропроцессор с «зашитой» программой способен управлять моделью только так, как это предусмотрел производитель конструктора. Никаких сторонних команд такая модель не воспринимает. Например, робот – футболист будет гоняться за мячиком, стремясь отнять его у других роботов, чтобы закатить в ворота. Однако забросить мяч в кольцо, расположенное на высоте, вы его не заставите, даже если установленный в нём контроллер в принципе «умеет играть» и в баскетбол.

      Примером конструктора псевдороботов является LOZ серии IRobot. Так, включённый Робожук будет переступать «ножками» и передвигаться по столу. Но если он упрётся в препятствие, то не сможет его обойти, чтобы продолжить движение в другом направлении, или «заметить» помеху издали, чтобы изменить курс и избежать столкновения – подобных действий программа не предусматривает. По таким же принципам созданы шагающие роботы Magformers из набора Walking Robot Set, робот Mini Bot из набора 533876 серии Robotics конструктора Fischertechnik или конструктор Artec «Робо, Набор-Б, 7 в 1» компании ЗНАТОК.


      Модели непрограммируемых роботов Magformers, Mini Bot и Artec «Робо»

      Отдельного упоминания заслуживает робот Meccanoid G15 от компании Meccano. Он программируется без помощи компьютера и не требует от ребёнка знания основ или языка программирования. Для общения с игрушкой существует три способа: LIM™ (Learned Intelligent Movement), Ragdoll Avatar и Motion Capture. Первый состоит в том, что ребёнок двигает руки робота, произнося при этом любые звуки или слова, а после завершения процесса «обучения» игрушка повторяет всё в точности. Второй способ позволяет управлять «Мекканоидом» с помощью оригинального программного обеспечения, установленного на iOS или Android смартфоне или планшете. Программирование способом «захвата движения» осуществляется с помощью того же смартфона или планшета с включённой фронтальной камерой, установленного в тело робота. Ребёнок совершает руками различные движения, а игрушка их повторяет. Робот Meccanoid G15 высотой 60 см распознаёт речь, произносит звуки, двигается и выполняет другие команды. В продаже имеется второй вариант робота, Meccanoid G15 KS высотой 120 см, состоящий из 1223 деталей, включая 10 моторов. Обе модели оснащены микропроцессором Meccabrain — контроллером с «зашитым» программным управлением, так что внести изменения в программу производителя не удастся.


      Модели конструктора Meccano — роботы серии Meccanoid G15

      Для того, чтобы робот мог совершать целесообразные действия, ему необходим «мозг» для обработки поступающей извне информации и принятия соответствующих решений – контроллер. Этот электронный компонент является основой непрограммируемых и программируемых роботов. Контроллер является миниатюрным и упрощённым аналогом материнской платы персонального компьютера, основой для подключения всех остальных электронных элементов. Он имеет встроенный программируемый микропроцессор и снабжён портами внешних устройств. Внешними являются различные датчики и сенсоры, задача которых – передавать процессору информацию об окружающем мире, и исполнительные модули, которые управляют моторами, светодиодами, динамиками, питанием по команде процессора. Чем больше портов, тем универсальней и дороже контроллер.

      Некоторые производители робототехнических конструкторов используют контроллеры собственной разработки. Примерами служат Modular Robotics серий MOSS и Cubelets, LEGO серий Mindstorm и WeDo, Fischertechnik серии Robotics или отечественный Амперка со своим контроллером Iskra. Другие компании при разработке робототехнических конструкторов применяют универсальные контроллеры, созданные сторонними разработчиками – Arduino, его аналоги либо Raspberry Pi.


      Роботы конструктора Multiplo выглядят мрачновато

      Примером конструкторов роботов, созданных на открытой программной платформе, является продукция корейской компании HUNA или аргентинский конструктор Multiplo, производство которого налажено в Китае.


      Роботы конструктора Huna изготовлены из ярких деталей

      Контроллер Arduino, вернее, целую платформу для робототехники, придумали в 2005 году молодые итальянцы во главе с Массимо Банци. Своё изобретение автор назвал в честь короля Ардуина, правившего городом Ивреа в 1002 году. Стоимость этой электронной платы составляет около 30$, она легко и просто программируется, все схемы и исходные коды находятся в открытом доступе. Устройство соединяется с персональным компьютером или ноутбуком обычным USB кабелем. На сегодня платформа «Ардуино» представлена целым семейством плат: самый простой контроллер Arduino Uno, мощный Arduino Mega, самый маленький Arduino Nano, водонепроницаемый LilyPad Arduino, плата с возможностью подключения интернета Arduino Ethernet, Arduino Due, оборудованный 32-х разрядным процессором Cortex-M3 ARM. Производство организовано на таком качественном уровне, что доля отказа контроллеров не превышает 1%.


      Образцы контроллеров семейства Arduino

      В 2011 году был создан контроллер Raspberry Pi – платформа, объединяющая в себе мощный процессор для вычислений и широкие возможности для макетирования. Она позволяет подключение множества сложных периферийных устройств, оборудована видео и аудио выходами, стандартными портами USB, комплексным портом GPIO на 17 выводов, модулем Ethernet и собственной оперативной памятью. Операционная система (Raspbian, RISC OS, ArchLinux) загружается в контроллер с SD карты памяти. Для расширения возможностей к нему можно подключить любую плату Arduino. Поскольку Raspberry Pi является полноценным микрокомпьютером, он в 2 раза дороже «Ардуино». Существует множество других контроллеров, созданных на базе процессоров ARM Cortex, например, Maple или Mbed, но они менее популярны среди производителей робототехнических конструкторов.


      Контроллеры семейства Raspberry Pi

      Модели программируемых роботов обычно создаются на платформе, состоящей из механических узлов, периферийной электроники в виде датчиков и сенсоров, контроллера в качестве управляющего модуля, и программного обеспечения. Как и контроллеры, платформы бывают открытыми по типу open source («Ардуино», «Мультипло», «Хуна МРТ») и закрытыми («Лего», «Фишертехник»). Особенностью последних является несовместимость с компонентами других производителей, хотя энтузиасты робототехники постоянно стараются хоть как-то расширить функционал того же LEGO Mindstorm. Закрытые платформы создаются с одной целью – привязать как можно больше пользователей к продукту конкретного производителя и не допустить конкуренции, которая вынудила бы снизить цены на свою продукцию. Контроллер LEGO EV3, являющийся основой конструкторов Mindstorm последнего поколения, имеет всего 8 разъёмов и устроен так, что не позволяет «подцепить» к себе ничего, кроме фирменных проводов. Датчики или приводы сторонних производителей работать с ним не будут.


      Контроллер LEGO EV3 отдельно и с периферийными устройствами

      В отличие от закрытого EV3, открытая российская платформа на базе контроллера Iskra JS совместима с платами Arduino и любыми электронными модулями других производителей. Здесь есть 26 управляющих контактов, 4 порта и 5 шин для подключения дисплеев, сенсоров, гироскопов и т.д. Важнейшим преимуществом открытых платформ является возможность собственноручного написания программы, по которой будет действовать робот. В закрытом варианте можно лишь комбинировать скрипты, созданные производителем.

      Контроллер Iskra JS российской компании Амперка

      Программирование контроллеров производится на разных языках. Например, Raspberry Pi использует Python, Arduino понимает С/С++, а Iskra JS имеет встроенный интерпретатор популярного языка Java Script. Чтобы сборка роботов не представляла трудностей даже для маленьких детей, разработан интуитивно понятный графический интерфейс языков программирования.

Товары: