Печать

Робототехника (от робот и техника; англ. robotics)  прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. В настоящее время образовании применяют различные робототехнические комплексы, например, Mechatronics Control Kit, Festo Didactic, LEGO Mindstorms и другие. Рассмотрим наиболее распространенные нашей стране:

LEGO Education
ПервоРобот NXT - русскоязычная версия LEGO® MINDSTORMS® Education NXT Программное обеспечение для настольного компьютера ПервоРобот NXT − является адаптированной версией NI LabVIEW.  «Мозгом» модели является ЛЕГО-микрокомпьютер (ранее RCX, сейчас его сменил NXT). К портам этого микрокомпьютера подсоединяются датчики и исполнительные механизмы. Поведение робота задается программой, которую можно создавать как при помощи кнопок самого микрокомпьютера, так и при помощи специального программного обеспечения на персональном компьютере. Это образная среда программирования, в которой вместо имен команд, операторов и процедур используются картинки.
 
Конструкторы fischertechnik.
Fischertechnik развивающий конструктор для детей, подростков и студентов, изобретенный профессором Артуром Фишером в 1964 году
В перечень поставляемой продукции входят конструкционные блоки, элементы электро- и пневмопривода, различные датчики, программируемые контроллеры и программное обеспечение. Основным элементом конструктора является блок с пазами и выступом типа «ласточкин хвост». Такая форма дает возможность соединять элементы практически в любых комбинациях. Также в комплекты конструкторов входят программируемые контроллеры, двигатели, различные датчики и блоки питания, что позволяет приводить механические конструкции в движение, создавать роботов и программировать их с помощью компьютера.
Наборы для конструирования fischertechnik выпускает фирма fischertechnik GmbH, которая находится в Германии.

ScratchBoard
Очень интересна среда программирования Scratch, где программа составляется из отдельных команд-«кирпичиков», позволяя стоить достаточно сложные конструкции.  Плата  PicoBoard, разработанная   специально для   использования   со  Scratch и  имеющая   в  нем  встроенную поддержку   со  стороны   блоков   программирования   позволяет считывать данные из окружающей среды и передавать эти данные в среду Scratch. Но подобное оборудование найти в свободной продаже весьма проблематично. 

Arduino
Проект Arduino  позволит войти в этот мир c минимальными затратами. Единственное «но» – программы для   используемых   в   Arduino   микропроцессоров   пишутся   на   ассемблере   или с   использованием   специальных   трансляторов с других языков. Это уровень студентов вуза.   Среда   Arduino  IDE  требует знания языков уровня C или Java. Однако последние разработки проекта  Arduino, позволяют осуществлять управление платформой из сред используемых для обучения программированию младших школьников:  Кумир, S4A, Snap4Arduino, что позволяет дополнить комплект оборудования «Цифровой лаборатории УМКИ» контроллерами  Arduino различных версий.  А возможность осуществлять управление  Arduino с помощью  модулей Xbee, реализованное программистами   ИПЛИТ РАН, делает проект Цифровой лаборатории УМКИ практически уникальным в сфере образовательной робототехники России. 

Какие же основные проблемы внедрения и использования вышеперечисленных робототхнических конструкторов в образовании?
 
Во-первых, все вышеперечисленные примеры являются зарубежными разработками, например, плату ScratchBoard, вообще необходимо заказывать за рубежом. В отличие, от большинства используемых в образовании конструкторов, УМКИ, являются продуктом российских производителей.

Второе, зарубежное производство конструкторов, обуславливает высокую цену одной единицы конструктора, соответственно отдельные модули конструктора УМКИ, оборудованные разработанными в ИПЛИТ РАН платами модулей Xbee S2 существенно выигрывают в цене, относительно прочих образовательных робототехнических конструкторов.

Третье, управление собранными роботами, осуществляется с компьютера с помощью, как правило, USB- соединения, либо компьютер, как в Lego, вообще является встроенным. SmatrCar’ы УМКИ работают на основе беспроводных распределенной сенсорной сети, что определяет отсутствие необходимости использования кабелей для электропитания и передачи данных для управления. Пакеты данных для управления передаются по радиоканалу на частоте 2,4 ГГц, каждый модуль снабждается автономным источником питания - как правило стандартными батарейками АА.

Четвертое, распределенные сенсорные сети строятся из узлов, называемых моты (mote) – небольших автономных устройств. Специальное программное обеспечение позволяет мотам самоорганизовываться в распределенные сети, связываться друг с другом, опрашивать и обмениваться данными с ближайшими узлами. Именно возможность постройки распределенных сетей и определяет предлагаемый курс не просто как программирование работы отдельных «машинок», но и организация различных «миссий», когда, получив некоторую информацию, отдельный SmartCar, передает ее, вызывая для продолжения миссии другие модули.

Пятое, распределенная сеть, характеризуется надежностью и отказоустойчивостью всей системы в целом при выходе из строя отдельных узлов или компонентов, остальные узлы сети продолжают функционировать нормально.
Шестое, при реализации функционирования сети имеется возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования, т.е. миссии являются открытыми, при необходимости владелец может сам добавить функции, или вообще создать новую.

Шестое, при реализации функционирования сети имеется возможность внедрения и модификации сети на любом объекте без вмешательства в процесс функционирования, т.е. миссии являются открытыми, при необходимости владелец может сам добавить функции, или вообще создать новую.
 
Седьмое, в качестве основного модуля «умной машинки» SmartCar, пользователь может выбрать не только рекомендованный конструктор Лидер, но и выбрать на свое усмотрение более бюджетный вариант. Основные требования: шасси робота оборудованное разработанной в ИПЛИТ РАН платой с модулем Xbee s2 должен обладать редуктором, двигателем и автономным источником энергии, чтобы выполнять предписанные функции SmartCar.

И последнееодной из главных проблем – является недостаток методических материалов по использованию робототехнических комплексов в учебном процессе и внеучебной деятельности. В составе учебно-методического комплекса Управляемый Машинный Конструктор Инженерный (УМКИ) предлагается:
1. Программа курса.
2. Руководство пользователя. Подробное описание набора Конструктора.
3. Методическое сопровождение для учителя, с примерными разработками занятий.
4. Материалы для ученика, включающие:  Описание языка программирования, упражнения для обучения управлением SmartCar, задания направленные на реализацию миссий.
5. Поддержка работы группы детей под руководством тьютора (учителя, руководителя кружка, родителя) сопровождается материалами дистанционных курсов «Цифровая лаборатория УМКИ», когда возможна работа с детьми как в очном режиме, так и с использованием дистанционных технологий.
2. Руководство пользователя. Подробное описание набора Лаборатория УМКИ.
3. Методическое сопровождение для учителя, с почасовыми планированиями и примерными разработками занятий.
4. Материалы для ученика, включающие:
  • описание языка программирования,
  • задания для обучения управлением SmartCar, 
  • творческие задания,
  • задания направленные на реализацию миссий.