У фантастичних оповіданнях минулого століття школярі XXI століття застосовують робототехніку на кожному кроці. Вони навіть запускають на уроках роботів - а кожен безлюдний космічний апарат і є робот - в космос, що на перший погляд досі здається фантастичним. Як не дивно, можливості сучасної робототехніки дозволяють школам не тільки виготовляти космічні апарати. але і використовувати роботів на уроках праці, інформатики, а також просто в повсякденному житті.
Школяр із супутником Cubesat.
Але перш ніж почати купувати роботів і виводити їх на орбіту, давайте розберемося, для чого саме можуть знадобитися роботи в школі, і які саме види роботів можуть стати в нагоді в першу чергу.
Так як спеціального предмета «конструювання» або «робототехніка» в шкільній програмі поки немає, основні предмети, де застосування робототехніки зараз проглядається найкраще, це інформатика і трудове навчання. Дійсно, саме на їх стику робототехніка і з'явилася як самостійна дисципліна: кожен робот складається з двох частин - апаратної, яку потрібно змайструвати; і програмної, яку потрібно написати на якомусь мові програмування.
При цьому застосування робототехніки і в інформатиці та в трудовому навчанні передбачає дві складові. З одного боку - навички, отримані на уроках праці та інформатики допоможуть в конструюванні роботів. А з іншого боку - спеціальні навчальні роботи можуть допомогти в освоєнні обох дисциплін.
Почнемо з уроків праці.
Верстати з ЧПУ
Тридцять років тому в шкільних кабінетах праці стояли верстати. Це були свердлильні, фрезерні та токарні верстати для обробки виробів з дерева і металу. Вся обробка проводилася вручну - майстер-верстатник за допомогою різних механізмів керував рухом оброблюваної деталі і інструментів, за допомогою яких здійснювалася обробка.
Якість деталі визначалося майстерністю верстатника - тим, наскільки точно майстер міг керувати верстатом. Це були прості і надійні механічні верстати з електричним приводом, ніякої електроніки в них не було.
Токарні і фрезерні верстати в шкільному кабінеті праці.
Ідея управляти верстатом за допомогою програмованої електроніки з'явилася давно, і верстати з ЧПУ - числовим програмним управлінням - існували вже в той далекий час. Вони були великими, складними і дуже дорогими. Тому що великими, складними і дорогими були основні компоненти, необхідні для розробки і збірки такого верстата: електронні модулі, що керують роботою механізмів, і комп'ютери, за допомогою яких можна було б програмувати верстати.
Зараз і те й інше є настільки, що дозволити собі розробку власного робота можна навіть в рамках звичайного сімейного бюджету. Тому побутові верстати з ЧПУ зараз розробляються і продаються повсюдно. І найпоширеніші з них - це, звичайно, тривимірні принтери.
Настільний тривимірний принтер - приклад верстата з ЧПУ.
Серед безлічі доступних зараз 3D-принтерів варто відзначити принтери на базі розробок проекту RepRap. Всі матеріали, поширювані в рамках цього проекту, є відкритими. Таким чином, будь-який бажаючий може своїми силами, прочитавши документацію, побудувати такий принтер з доступних деталей.
Із сучасних 3D-принтерів найбільш популярні пристрої, які друкують пошарово тонкої пластикової ниткою. Як видно на фотографії, вони складаються з столу, на якому формується деталь, і переміщається над ним друкувального блоку, яка провадить пластикову нитку заданої товщини.
Конструкція виявилася досить універсальною: друкує пластиком блок можна замінити, наприклад, на побутовому гравер. Або на вижигатель. І отримати новий верстат з ЧПУ, витративши відносно невеликі ресурси на зміну конструкції.
Makesmith - фрезерний верстат з ЧПУ на базі контролера Arduino і побутового гравера.
Отже, будемо вважати, що верстат у нас є. Що ж ми будемо на ньому друкувати?
моделювання
Модель планетарної передачі з сайту Thingiverse, роздрукована на 3D-принтері.
А коли набридне друкувати готові моделі, або захочеться якусь модель переробити по-своєму, або захочеться зробити свою? Доведеться вчитися моделювати.
Для моделювання деталей машин і механізмів зараз застосовується два підходи. Перший - візуальний, коли в спеціальній комп'ютерній програмі за допомогою інструментів графічного інтерфейсу користувача можна з примітивних форм отримати потрібну деталь. До примітивним в даному випадку відносяться такі форми як сфера, циліндр і паралелепіпед, а складна деталь виходить шляхом їх взаємних перетворень.
Візуальне моделювання деталі в програмі FreeCAD
Другий підхід - «описовий», коли за допомогою спеціальної мови, схожого на мову програмування або розмітки, можна описати складну деталь. Знову ж таки, на основі певного набору таких же примітивних форм.
«Описове» моделювання в програмі OpenSCAD
Для моделювання складних об'єктів «неправильної» форми, типу зображень живих істот, також існують спеціальні програми з візуальними інструментами, що нагадують інструменти скульптора.
Моделювання фігурки дракона в програмі Blender
До речі, моделі не обов'язково друкувати на тривимірному принтері, можна і на звичайному, паперовому. Деякі програми для тривимірного моделювання дозволяють роздруковувати заготовки для виготовлення моделей з склеєних паперових деталей.
Паперова модель шолома Залізної Людини.
Правда, це набагато більш трудомісткий процес, ніж друк на тривимірному принтері. Зате можна отримати більші моделі, не обмежені робочою зоною верстата з ЧПУ.
Від утилітарних роботів, які можуть допомогти на уроках праці навчитися самостійно проектувати і виготовляти об'єкти матеріального світу, перейдемо до навчальних роботам. Вони допоможуть нам освоювати обидва аспекти робототехніки - апаратну частину, що складається з механічних та електронних компонентів, і програмну частину, для освоєння якої знадобляться навички програмування.
Роботи. які зараз відомі під збірною назвою BEAM. використовуються для навчання основам робототехніки, напевно, з тих самих пір, коли з'явилося поняття «робот».
Англомовна абревіатура BEAM означає «Biology, Electronics, Aesthetics, Mechanics», тобто, в перекладі на російську - біологія, електроніка, естетика, механіка. Або ще точніше - зооморфні електронні механізми. Зооморфні, тому що з усіх біологічних організмів на роль прототипів для рухомих роботів найбільше підходять саме тварини. А слово «естетика» можна і пропустити, адже складно уявити собі щось більш естетичне, ніж створений природою організм.
Робот-вусань - найпростіший робот, зроблений без використання електронних компонентів.
Принципи, які використовуються при розробці роботів BEAM, добре відповідають завданням і можливостям шкільних робототехнічних секцій:
- застосовувати ідеї, підказані живою природою;
- використовувати підручні матеріали;
- використовувати якомога менше число електронних компонентів.
Саме тому існує ряд методичних розробок, цілком придатних для впровадження в школах. Наприклад, пітерський сайт Servo-droid пропонує безліч готових моделей роботів, забезпечених докладними інструкціями і методичними рекомендаціями. Пітерське ж співтовариство. присвячене саморобкам, проводить в приміщенні дитячого клубу на Петроградської стороні регулярні зустрічі, на яких можна взяти участь в розробці і виготовленні в тому числі і роботів BEAM.
Окремо хотілося б відзначити англомовний сайт Shellmo. присвячений повністю відкритій розробці робота, одне із зображень якого наведено нижче. Це також зооморфний робот, але вже більш складний. Якщо робот-вусань побудований зовсім без застосування напівпровідникових приладів - по суті, це не електронний, а електричний робот - то Shellmo робот вже не просто електронний, а електронний програмований.
Робот «Shellmo», хутряної варіант.
Електронна частина Shellmo побудована на базі плати Arduino, яка є основою величезної кількості саморобних програмованих електронних приладів - від світиться одягу до компонентів «розумного будинку».
Принципово Arduino нагадує звичайний комп'ютер, тільки дуже простий і маленький. Це машина, яка реагує на сигнали, що надходять через різні периферійні пристрої, відповідно до закладеної в неї програмою. Реакція зазвичай буває у вигляді подачі сигналів на мотори, світлодіоди, екрани і на інші обчислювальні пристрої.
Деталі робота, побудованого на платформі Arduino.
Пристрої, через які дані надходять в Arduino, теж можуть бути різними - це датчики тиску, температури, освітленості, різні пристрої введення інформації.
Наприклад, в тривимірному принтері, побудованому на базі Arduino, дані приймаються з комп'ютера у вигляді команд управління печаткою, переданих на спеціальній мові. Також, приймаються показники датчиків температури: з панелі, на якій формується деталь, і з нагрівального елементу, який плавить пластикову нитку. Ще приймаються сигнали від датчиків тиску - маленьких кнопок, на які натискають рухомі частини принтера, щоб не вийти за межі робочої зони.
На виході, відповідно, формуються сигнали управління моторами, що переміщають друкує блок щодо створюваної деталі, і сигнали управління вимикачами нагрівальних елементів.
Існує безліч варіантів плат Arduino, від найскладніших, що дозволяють управляти верстатами або безпілотними літаками і вертольотами, до найпростіших, що включають світлодіоди в певному порядку або передають дані з термометрів на настільний комп'ютер.
Різні варіанти плат, сумісних з Arduino.
На малюнку праворуч показана плата Arduino MEGA, яка використовується для управління 3D-принтерами, а зліва вгорі - спеціальна кругла плата Arduino Lilypad з отворами по краю, яку зручно нашивати на тканину.
Покажчики повороту на одязі велосипедистів, керовані контролером Arduino
Завдяки вдалій конструкції, Arduino зараз один з найбільш зручних інструментів в аматорському, і не тільки, роботобудуванні. Але головна його перевага - це, звичайно, відкрита архітектура, що дозволяє будь-якому при відомому бажанні не тільки використовувати її, але і змінювати відповідно до своїх завдань.
Кумири і Умки
Від прикладних задач Arduino давайте повернемося до навчальним завданням освоєння навичок програмування. Тут роботи теж можуть допомогти.
У вісімдесятих роках минулого століття в нашій країні була розроблена система для навчання основним навичкам програмування в середній та вищій школі. Систему назвали кумиром - Комплект Навчальних Міров.
Основна відмінність кумирів від інших методик навчання полягає в тому, що програміст пише програму, що управляє діями виконавця - віртуального робота, чинного в віртуальному світі. Виходить не абстрактна програма, а конкретна послідовність простих і зрозумілих дій.
Роботи кумира можуть переміщатися в віртуальному світі, малювати, креслити, і виконувати деякі інші дії.
Система кумира. Текст програми на мові кумирів і вікно виконавця.
Пізніше для початкової школи і дошкільнят був розроблений ПіктоМір - система навчання основам програмування за допомогою візуальних засобів.
Ідея програмувати за допомогою небуквених символів не нова, але ПіктоМір відрізняється від інших реалізацій тим, що програміст не просто керує роботом, а пише при цьому програму на кумира! Тобто, перейти від ПіктоМіра до кумира в потрібний час не складе труднощів.
Піктомір. Зліва виконавець виконує завдання, праворуч учень пише програму.
Школярі програмують роботів Умки на робототехнической виставці.
Тепер на кумира можна програмувати не тільки віртуальних роботів, але і абсолютно реальних - радіокеровані машинки і вертольоти. При цьому управління здійснюється зі звичайного комп'ютера, до якого підключається радіомодуль, розмірами і формою нагадує звичайний flash-накопичувач.
Робот-виконавець, станція управління і комплект навчальних матеріалів Умки.
програмні роботи
Поговоримо тепер ще про один вид роботів, які дуже схожі на віртуальних виконавців кумира, але відрізняються від них тим, що не живуть у віртуальному світі, а, скоріше, формують його. Це програмні агенти - комп'ютерні програми, що виконуються самостійно, без участі оператора. Звичайно, ними теж можна управляти, але, як і інші види роботів, вони мають певним ступенем автономності.
Агенти керують рухом даних в комп'ютерних мережах, стежать за станом мереж, їх служб і окремих комп'ютерних систем, виконують інші завдання. Один з таких агентів, наприклад передав на ваш комп'ютер сторінку, яку ви зараз читаєте.
Традиційно в більшості операційних систем програмні агенти працюють у фоновому режимі, не взаємодіючи з оператором. Тому картинку із зображенням агента придумати досить складно. Але, так як в нашому огляді має бути багато картинок, доведеться якось виходити з ситуації.
Процеси, які працюють у фоновому режимі без участі оператора, в UNIX-подібних операційних системах називаються демонами. Існує традиційне зображення демона UNIX. Ось воно.
Одна з емблем відкритої операційної системи OpenBSD.
Без програмних агентів зараз неможливо уявити собі жодне більш-менш складний електронний пристрій, що працює під управлінням комп'ютера. Тому розуміння того, як влаштовані і як працюють програмні агенти - важливий навик для тих, хто планує навчитися конструювати, в тому числі і роботів.
висновок
Тому, по-друге, роботи в школі потрібні для навчання самих школярів програмування, конструювання та управління роботами. У вивченні робототехніки допоможуть відкриті технологічні платформи Arduino, RepRap, MeArm і інші. У вивченні програмування - кумир, ПіктоМір, Умки і відкриті UNIX-подібні операційні системи. на основі яких можна будувати готові і розробляти власні програмно-технічні рішення, в тому числі автоматизовані.
Ще, не можна не відзначити, що робототехніка все ще залишається досить складною галуззю знань, щоб плідно вивчати її самостійно. Набагато корисніше об'єднуватися і працювати в колективі однодумців. Завдяки можливості розподіляти завдання, такий підхід дозволяє домогтися гарних результатів у більш короткі терміни - поки інтерес до робототехніці не згас від читання документації, наприклад.