Roboții din școală

În povestile fantastice ale secolului trecut, elevii secolului XXI folosesc robotica la fiecare pas. Ei chiar dau lecții de robot pe lecții - și fiecare nava spațială nelocuită este un robot - în spațiu, care la prima vedere pare fantastic. Destul de ciudat, posibilitățile de robotică modernă permit școlilor nu numai să producă vehicule spațiale. dar și să folosească roboții în lecțiile de muncă, informatică și pur și simplu în viața de zi cu zi.

Un școlar cu un tovarăș Cubesat.

Dar, înainte de a începe să cumpere roboți și să le aducă pe orbită, să vedem, ce ar putea avea nevoie de roboți la școală, și ce tipuri de roboți pot fi utile în primul rând.

Deoarece nu există nici un subiect special "construcție" sau "robotică" în curriculum-ul școlar încă, principalele subiecte în care robotica sunt acum cel mai bine văzute sunt informatica și formarea forței de muncă. Într-adevăr, la intersecția lor, robotica a apărut ca o disciplină independentă: fiecare robot este format din două părți - un hardware care trebuie să fie fabricat; și software-ul, pe care trebuie să-l scrieți în anumite limbi de programare.

În acest caz, utilizarea roboticii atât în domeniul informaticii cât și al formării profesionale implică două componente. Pe de o parte, abilitățile dobândite în lecțiile de muncă și informatică vor contribui la proiectarea roboților. Și, pe de altă parte, roboții de antrenament special pot ajuta la stăpânirea ambelor discipline.

Să începem cu lecțiile de muncă.

Mașini CNC

Treizeci de ani în urmă erau mașini-unelte în sălile de clasă. Ele erau mașini de găurit, frezat și strunjit pentru prelucrarea lemnului și a produselor din metal. Întreaga prelucrare a fost făcută manual - operatorul de mașină maestru, folosind diferite mecanisme, a controlat mișcarea piesei de prelucrat și a uneltelor cu care sa efectuat prelucrarea.

Calitatea detaliilor a fost determinată de priceperea operatorului de mașină - cât de precis ar fi fost comandantul mașinii. Acestea erau mașini mecanice simple și fiabile, cu un mecanism electric, fără elementele electronice.

Mașini de frezat și frezat în camera școlară a forței de muncă.

Ideea de a folosi aparatul cu ajutorul programelor electronice a apărut cu mult timp în urmă, iar mașinile CNC - software de control numeric - au existat deja la acel moment îndepărtat. Ele erau mari, complexe și foarte scumpe. Deoarece principalele componente, complexe și costisitoare erau componentele principale necesare pentru dezvoltarea și asamblarea unei astfel de mașini: module electronice care controlează funcționarea mecanismelor și calculatoare cu care puteați programa mașinile.

Acum ambele sunt disponibile atât de mult încât vă puteți permite să vă dezvoltați propriul robot chiar și în bugetul obișnuit al familiei. Prin urmare, mașinile de uz casnic CNC sunt acum dezvoltate și vândute peste tot. Cele mai frecvente dintre acestea sunt, desigur, imprimante tridimensionale.

O imprimantă 3D desktop este un exemplu de mașină CNC.

Printre numeroasele imprimante 3D disponibile acum, merită remarcate imprimantele pe baza dezvoltării proiectului RepRap. Toate materialele distribuite în cadrul acestui proiect sunt deschise. Astfel, oricine poate, pe cont propriu, să fi citit documentația, să construiască o astfel de imprimantă din părțile disponibile.

De la imprimantele 3D moderne, cele mai populare dispozitive care imprimă stratul cu strat subțire de plastic. După cum se poate vedea în fotografie, ele constau dintr-o masă pe care se formează o parte și dintr-o unitate de tipărire care se deplasează deasupra ei, producând un fir de plastic de o anumită grosime.

Designul a fost destul de versatil: unitatea de tipărire din plastic poate fi înlocuită, de exemplu, cu un gravor de uz casnic. Sau arzătorul. Și obțineți o mașină CNC nouă, care a cheltuit resurse relativ mici la schimbarea de proiectare.

Makesmith este o mașină de frezat CNC bazată pe controlerul Arduino și un gravor de uz casnic.

Deci, vom presupune că mașina are noi. Ce vom imprima pe aceasta?

modelare

Model de transmisie planetară de pe site-ul Thingiverse, imprimat pe o imprimantă 3D.

Și când te obosesc de modelele tipărite, sau vrei să-ți schimbi un model în felul tău sau vrei să-ți faci propriul model? Va trebui să învăț să modelez.

Sunt folosite două abordări pentru a modela părțile și mecanismele mașinii. Primul este vizual, când într-un program special de calculator, cu ajutorul instrumentelor GUI puteți obține detaliile necesare din formele primitive. Pentru primitiv în acest caz sunt forme precum sfera, cilindrul și paralelipipedul, iar un detaliu complex este obținut prin transformările lor reciproce.

Modelarea vizuală a unei părți în programul FreeCAD

A doua abordare este "descriptivă", atunci când utilizați o limbă specială, asemănătoare limbajului de programare sau marcajului, puteți descrie un detaliu complex. Din nou, pe baza unui anumit set de aceleași forme primitive.

Modelarea "descriptivă" în programul OpenSCAD

Pentru a modela obiecte complexe de formă "neregulată", cum ar fi imaginile ființelor vii, există și programe speciale cu instrumente vizuale care amintesc de sculptorul.

Modelarea unei figuri de dragon în programul Blender

Apropo, modelele nu trebuie neapărat să fie imprimate pe o imprimantă tridimensională, puteți, de asemenea, pe hârtie obișnuită. Unele programe pentru modelare 3D vă permit să imprimați spații goale pentru a face modele din părțile de hârtie lipite.

Model de hârtie al cascadei Iron Man.

Este adevărat că acesta este un proces mult mai consumator de timp decât imprimarea pe o imprimantă tridimensională. Dar puteți obține modele mai mari, fără a se limita la zona de lucru a mașinii CNC.

De la roboți utilitari, care pot ajuta în lecțiile de muncă pentru a învăța cum să proiecteze și să fabricăm obiecte din lumea materială independent, să trecem la roboți de antrenament. Acestea ne vor ajuta să stăpânim ambele aspecte ale roboticii - componenta hardware constând din componente mecanice și electronice și partea de program, pentru dezvoltarea căruia veți avea nevoie de abilități de programare.

Roboți. care sunt acum cunoscute sub denumirea colectivă BEAM. Ele sunt utilizate pentru a preda robotica de bază, probabil, chiar din momentul în care a apărut conceptul de "robot".

Abrevierea engleză BEAM înseamnă «Biologie, Electronice, Estetica, Mecanica», care este, traduse în limba rusă - biologie, electronica, estetica, mecanica. Sau, mai precis - mecanisme electronice zoomorfe. Zoomorfic, din cauza tuturor organismelor biologice pe rolul prototipuri de roboți pentru deplasarea animalelor este cea mai potrivită. Și cuvântul „estetica“, și puteți sări peste, deoarece este dificil de imaginat ceva mai estetic decât organismul creat de natura.

Mânerul robot este cel mai simplu robot, realizat fără utilizarea componentelor electronice.

Principiile utilizate în dezvoltarea roboților BEAM sunt potrivite pentru sarcinile și capabilitățile secțiunilor robotice școlare:

a aplica idei, determinate de natura vie;
utilizarea materialelor improvizate;
utilizați cât mai puține componente electronice.

De aceea există o serie de evoluții metodologice care sunt destul de potrivite pentru implementare în școli. De exemplu, serverele Servo-droid din Sankt-Petersburg oferă o varietate de modele de robot gata făcute, cu instrucțiuni detaliate și recomandări metodologice. Comunitatea St. Petersburg. dedicat de casă conduce clubul interioară pentru copii de pe partea Petrograd a reuniunilor periodice, în cazul în care puteți participa la proiectarea și fabricarea, inclusiv roboți BEAM.

În mod separat, aș dori să menționez site-ul englez Shellmo. dedicat dezvoltării complet deschise a unui robot, una dintre imaginile de mai jos. Este, de asemenea, un robot zoomorphic, dar este mult mai complicat. Dacă mreană robot construit în întregime fără utilizarea dispozitivelor semiconductoare - de fapt, nu este robot de electronice și electrice - robotul Shellmo nu este doar electronic și electronic programabil.

Robotul "Shellmo", o versiune cu blană.

parte electronică Shellmo se bazează pe placa Arduino, care este baza unui număr foarte mare de dispozitive electronice programabile de casă - de la haine pentru componente luminoase ale „acasă inteligente“.

Practic, Arduino seamănă cu un computer obișnuit, foarte simplu și mic. Aceasta este o mașină care răspunde la semnale care vin prin diferite dispozitive periferice, în conformitate cu programul pus în ea. Reacția este de obicei sub formă de semnale pentru motoare, LED-uri, ecrane și alte dispozitive de calcul.

Detaliile robotului, construite pe platforma Arduino.

Dispozitivele prin care datele intră în Arduino pot fi, de asemenea, diferite - presiune, temperatură, iluminare și diverse dispozitive de intrare.

De exemplu, într-o imprimantă 3D bazată pe Arduino, datele sunt primite de la computer sub formă de comenzi de gestionare a tipăririi trimise într-o limbă specială. De asemenea, senzorii de temperatură sunt luați: de la panoul pe care se formează partea și de la elementul de încălzire care topește firul din plastic. Încă primesc semnale de la senzorii de presiune - butoane mici, care sunt presate în părțile în mișcare ale imprimantei, astfel încât să nu depășească zona de lucru.

La ieșire, respectiv, semnalele de comandă sunt generate de motoarele care deplasează unitatea de tipărire în raport cu partea creată și de semnalele de comandă pentru comutatoarele elementelor de încălzire.

Există mai multe variante de placi Arduino, de la cele mai sofisticate, vă permit să controleze mașinile sau avioane fără pilot și elicoptere, la cele mai simple, inclusiv diode emițătoare de lumină într-o anumită ordine sau termometre transmite date de pe desktop.

Diferite opțiuni pentru cartele compatibile cu Arduino.

Cifra din dreapta arată placa Arduino MEGA utilizată pentru a controla imprimantele 3D, iar în partea stângă sus se află un arcuin Lilypad rotund special, cu găuri la margine care pot fi cusute pe țesătură.

Transmite semnalele de pe hainele motociclistului, controlate de controlerul Arduino

Datorită unui design de succes, Arduino este acum unul dintre instrumentele cele mai convenabile pentru amatori, și nu numai pentru robotică. Dar principalul său avantaj este, bineînțeles, o arhitectură deschisă care permite oricui, cu o anumită dorință, nu numai să îl folosească, ci și să se schimbe în funcție de sarcinile sale.

Kumir și Umki

Din problemele aplicate de Arduino, să revenim la sarcinile de învățare ale abilităților de programare a învățării. Aici roboții pot ajuta, de asemenea.

În anii optzeci ai secolului trecut, țara noastră a dezvoltat un sistem de predare a abilităților de programare de bază în școlile secundare și superioare. Sistemul a fost numit Kumir - setul de lumi educaționale.

Diferența principală a lui KuMira față de alte metode de predare este că programatorul scrie un program care gestionează acțiunile executantului - un robot virtual care acționează în lumea virtuală. Se pare că nu este un program abstract, ci o secvență specifică de acțiuni simple și ușor de înțeles.

Roboții Kumir se pot deplasa în lumea virtuală, pot desena, desena și pot efectua alte acțiuni.

Sistemul Kumir. Textul programului în limba Kumir și fereastra artistului.

Mai târziu, pentru școala primară și copiii preșcolari, PictoMir a fost dezvoltat - un sistem de predare a programelor de bază cu ajutorul mijloacelor vizuale.

Ideea programării cu caractere non-alfabetice nu este nouă, însă PictoMir diferă de alte implementări prin faptul că un programator nu controlează doar un robot, ci scrie un program pe KuMire! Adică trecerea de la PictoMir la Qumir la momentul potrivit nu va fi dificilă.

Piktomir. În stânga, interpretul îndeplinește sarcinile, în dreapta studentul scrie programul.

Elevii program de roboți UMI la expoziția robotică.

Acum, în KuMir puteți programa nu numai roboți virtuali, ci și mașini și elicoptere complet controlate de radio. În acest caz, controlul este efectuat de la un calculator convențional, la care este conectat modulul radio, în mărime și în formă asemănătoare cu o unitate flash normală.

Robot-executor, stație de control și un set de materiale de instruire UIKI.

Roboți software

Să vorbim acum despre un alt tip de roboți care sunt foarte asemănători cu executorii virtuali ai lui Kumir, dar diferă de ei prin faptul că nu trăiesc într-o lume virtuală, ci formează mai degrabă. Acestea sunt agenți de software - programe de calculator care rulează independent, fără implicarea operatorului. Desigur, ele pot fi controlate, dar, ca și alte tipuri de roboți, au un anumit grad de autonomie.

Agenții gestionează mișcarea datelor în rețelele de calculatoare, monitorizează starea rețelelor, serviciile lor și sistemele informatice individuale, îndeplinește alte sarcini. Unul dintre acești agenți, de exemplu, a transferat pe computer pagina pe care o citiți în prezent.

În mod tradițional, în majoritatea sistemelor de operare, agenții de software rulează în fundal fără a interacționa cu operatorul. Prin urmare, imaginea cu imaginea agentului este dificil de găsit. Dar, deoarece în revizuirea noastră ar trebui să existe o mulțime de poze, va trebui să ieșim cumva din situație.

Procesele care rulează în fundal, fără implicarea operatorului, se numesc daemoni în sistemele de operare asemănătoare UNIX. Există o imagine tradițională a daemonului UNIX. Aici este.

Una dintre emblemele sistemului de operare deschis OpenBSD.

Fără agenți de software, acum este imposibil să ne imaginăm un dispozitiv electronic mai mult sau mai puțin complex, care rulează sub controlul unui computer. Prin urmare, înțelegerea modului în care funcționează agenții software și modul în care funcționează este o abilitate importantă pentru cei care intenționează să învețe cum să proiecteze, inclusiv roboți.

concluzie

Prin urmare, în al doilea rând, roboții din școală trebuie să-i învețe pe ei înșiși cum să programeze, să proiecteze și să gestioneze roboții. În studiul de robotică va ajuta platformele tehnologice deschise Arduino, RepRap, MeArm și altele. În studiul de programare - KuMir, PictoMirror, UML și sisteme de operare asemănătoare UNIX. pe baza cărora puteți să vă construiți gata și să vă dezvoltați propriile soluții software și hardware, inclusiv cele automatizate.

Totuși, este necesar de observat că robotica este încă o ramură complexă a cunoașterii, astfel încât ea poate fi studiată fructuos independent. Este mult mai util să ne unim și să lucrăm într-o echipă de oameni cu aceeași minte. Datorită abilității de a distribui sarcini, această abordare permite obținerea unor rezultate bune într-un interval de timp mai scurt - până când interesul pentru robotică nu a murit de la citirea documentației, de exemplu.

Articole similare

Pagina anterioară

Pagina următoare