Роботи - це просто. І вони можуть все. В принципі, на цьому розповідь про конструктора LEGO Mindstorms EV3 можна було б завершити. Однак, незважаючи на те що на дворі вже друга декада XXI століття, далеко не всі люди готові прийняти на віру ці два твердження. Доведеться потурбуватися обґрунтуванням.
Перший набір LEGO Mindstorms, що з'явився в 1998 році при безпосередній участі МIT, моментально виріс в щось більше, ніж просто іграшка. Конструктор, що дозволяє за лічені хвилини збирати досить складні механічні системи і наділяти їх інтелектом без знання навіть азів програмування, став улюбленим засобом швидкого прототипування для винахідників-аматорів, студентів-технарів і навіть професіоналів-промисловців.
Конструктор покоління EV3, що надійшов у продаж з 1 вересня цього року і потрапив до нас на тест, - вже четверта генерація Mindstorms. Як і у попередніх версій, його успіх грунтується на трьох китах - конструктивних елементах серії Lego Technics, різноманітних електричних компонентах, включаючи потужні сервомотори, датчики і контролер, і унікальному програмному забезпеченні - фактично потужному мовою програмування з доброзичливим графічним інтерфейсом Drag & Drop.
Рецепт ідеального винахідницької коктейлю для дітей і дорослих залишився колишнім. А щоб розкуштувати найтонші нюанси смаку нової версії, ми вирішили вийти за рамки інструкції по збірці і запропонувати конструктору нестандартну задачу.
принцип доміно
Чи чули ви про Дні доміно? Ентузіасти вибудовують колосальні послідовності з мільйонів кісточок доміно, поставлених на ребро. Вони утворюють химерні візерунки, фантастичні ландшафти, казкові картини. Послідовність повинна бути вибудувана таким чином, щоб перша впала кісточка за принципом доміно змусила впасти всі інші. Перемагає команда, якій вдалося задіяти в принципі доміно найбільшу кількість кісточок. Поточний світовий рекорд становить 4 491 863 штуки.
Звичайно, рекордні конструкції з доміно ретельно шикуються вручну. Але ми вирішили схитрувати і побудувати робота, який зможе виставити кісточки за нас, слідуючи накресленої на підлозі лінії. Взаємодія з предметами, які не входять до складу конструктора, - ось і перша непросте завдання для набору. Ширина стандартної кісточки - 25 мм. Ширина планки LEGO Technics - 7,5 мм. У сховищі шириною в три планки кісточка не поміщається, в четирехпланочном відсіку їй занадто вільно. Проте вихід з положення знайшовся: в наборі є невелика кількість тонких деталей, яких виявилося достатньо, щоб вийти на потрібну ширину. З цього можна зробити висновок, що конструктивний набір Technics досить універсальний, щоб будувати з нього машини для самих різних завдань.
Усе найкраще - дітям
З моменту появи першого LEGO Mindstorms студентські змагання з робототехніки стали виглядати дещо передбачувано: більш не обтяжуючи себе роботою з металом, пластиком і іншими матеріалами, майбутні інженери безсоромно використовують для своїх проектів дитячий конструктор. І якщо студентам це честі не робить, то самому конструктору - навпаки.
Взявши за основу успіх LEGO в вузах, фахівці компанії представили освітній набір Mindstorms Education, призначений для університетів і шкіл. Саме такий комплект і потрапив до нас на тест. Крім розширеного набору деталей в нього входить два види програмного забезпечення - для учнів і вчителів. Учительський комплект включає методичні матеріали, електронний журнал, редактор контенту для оформлення навчальних проектів власного авторства. Учні отримують електронні зошити, відеоролики і докладні інструкції по збірці, приклади розв'язання задач з поясненнями, поради та ідеї для самостійної роботи.
Mindstorms здатний допомогти у вивченні практично будь-якого природно-наукового предмета. Адже він може служити і як просунутий вимірювальний прилад з можливістю реєстрації даних (досліди з хімії), і як програмне середовище (інформатика), і як набір для експериментів в області механіки і фізики. Навіть алгебраїчні функції набагато цікавіше вивчати на прикладі конкретних технологічних задач. Наявність в класі декількох наборів Mindstorms дозволяє учням спільно будувати складні машини з використанням декількох контролерів і безлічі моторів і датчиків.
Єдина необхідна умова для повноцінного використання цього конструктора в школі - нескінченний ентузіазм, захопленість і натхнення вчителя. Адже для того щоб осягнути всі можливості Mindstorms і навчитися використовувати його творчо, навіть фахівцеві знадобиться не один місяць.
Принцип дії робота добре зрозумілий з фотографій: машина волочить по поверхні батарею кісточок, відпускаючи їх по одній. Важільний механізм захоплення для крайньої кісточки - відмінний приклад точності механіки LEGO. У ньому використана черв'ячна передача, два види шестерень, шатуни і тяги. Для створення складних кінематичних схем в набір Mindstorms входить безліч зубчастих коліс, кутові передачі, поворотні столи, різноманітні важелі і осі, гусениці, які можна використовувати в якості ланцюгового приводу. Крім того, конструктор повністю сумісний з будь-якими наборами LEGO серії Technics. Набір містить дуже багато різних деталей, і це скоріше мінус, ніж плюс. Замість універсальних модулів, що роблять честь будь-якому конструктору, для кожного завдання потрібно шукати якийсь унікальний куточок, перехідник, з'єднувальний елемент. Щоб відчути логіку конструювання, потрібно обов'язково присвятити кілька годин збірці моделей за інструкцією. Крім того, деталі легко з'єднуються між собою, але роз'єднуються з великими труднощами. Хоча, мабуть, це розплата за міцність збірних конструкцій. Існують аналоги, наприклад німецький Fischertechnik, які дозволяють збирати більш універсальні і жорсткі конструкції з меншої кількості елементів. Однак саме LEGO залишається чемпіоном за гнучкості рухомих механічних схем. А електронний модуль EV3 і зовсім робить новий Mindstorms унікальним.
розумний цегла
Контролер з промовистою назвою LEGO Intelligent Brick ( «розумний цеглинка») - ось що робить EV3 дійсно всемогутнім. Це мініатюрний комп'ютер на базі Linux з 80 МБ пам'яті на борту і слотом для 32-гігабайтної SD-карти для зберігання програм. До настільного ПК він може підключатися і за допомогою USB-кабелю, і по Bluetooth, і за допомогою опціонального Wi-Fi-модуля.
Важливе нововведення EV3 - простий редактор програм прямо на борту «розумного цеглинки». Навіть не маючи під рукою комп'ютера, можна програмувати робота, управляти моторами, контролювати показники датчиків і навіть вести журнал значень. Причому і програми, і журнали згодом можуть бути перенесені на ПК для редагування і аналізу. У наш комплект входило два великих і два середніх сервомотора. Кожен з них розвиває достатню потужність, щоб робот міг без праці підняти власну вагу або волочити по поверхні стандартний набір з 28 кісточок доміно, зроблених зі штучного каменю.
У базовий комплект входять датчики дотику, датчик кута нахилу, датчик кольору, ультразвукової далекомір. Додатково для EV3 доступні інфрачервоний датчик і маячок, датчик температури. Багато компонентів можуть виконувати кілька різних функцій. Наприклад, датчик кольору здатний також вимірювати загальний рівень освітленості, а сервомотор - служити датчиком кута повороту.
У базовому наборі LEGO Mindstorms EV3 знайшлося все необхідне, щоб спорудити потужний механізм захоплення крайней кісточки доміно. Йдеться про черв'ячної передачі, шатунах, тягах і навіть чіпких гумових лапках. Механізм настільки точний, що дозволяє утримувати повний комплект доміно (28 кісточок), і надійно спрацьовує все 28 разів поспіль.
Інтерфейс програмування LEGO Mindstorms - дивовижна річ. З одного боку, він гранично простий і доброзичливий. Буває, програмісти спершу малюють блок-схеми алгоритмів для майбутніх програм, а потім пишуть по ним код. Графічний інтерфейс дозволяє обійтися без другої стадії і супутніх їй труднощів: вивчення команд і операторів, пошуку помилок, оптимізації коду. Програма Mindstorms - це алгоритм в чистому вигляді. Потрібно лише брати кубики з панелі інструментів і вибудовувати їх один за одним.
Але в міру виникнення все більш складних завдань раптом з'ясовується, що «дитячий» програмний інтерфейс таїть в собі дорослі можливості. Хочете виконувати математичні операції, працювати з масивами даних? До ваших послуг відповідні «кубики». Хочете оперувати змінними? Замість класичних X і Y їх роботу більш наочно виконають стрілки з тієї ж блок-схеми, проведені від одних параметрів до інших.
У нашому прикладі робот слід уздовж прокресленою по поверхні лінії, точніше уздовж її краю. Для цього використовується датчик освітленості: якщо лінія йде вліво, в поле зору датчика потрапляє більше світлої поверхні, якщо ж вправо - домінує чорний колір лінії. Числове значення освітленості трансформується в поправку значення потужності правого або лівого колісного двигуна. Причому поправка вводиться не дискретно, а постійно, плавно, пропорційно рівню освітленості, забезпечуючи точне і безперервне проходження заданої траєкторії.
мертва хватка
Викладання кісточок на поверхні - навпаки, процес дискретний. Зафіксувавши крайню кісточку, робот проходить 2,5 см - це відстань оптимально для того, щоб принцип доміно працював надійно і виглядав ефектно. Потім, відпустивши кісточку, робот проходить рівно 10 мм (ширина кісточки), щоб схопити наступну. Цей процес вимагає серйозної точності рухів, і конструктор LEGO готовий її запропонувати.
«Одружаться» в одній програмі безперервний процес спостереження за траєкторією і дискретне викладання доміно - цілком серйозна задача для починаючого програміста. Вона вимагає уваги, творчого мислення та відповідних можливостей програмного інструментарію.
Страшно потужна іграшка
Чесно кажучи, робот, який виписує візерунки з доміно, - сущі дрібниці для LEGO Mindstorms EV3. Пам'ятайте сюжет «Термінатора»? В один прекрасний момент машини всієї планети об'єдналися під командуванням військового комп'ютера «Скайнет» і поневолили людство. Як думаєте, який з нині існуючих комп'ютерів на це здатний? Ви будете сміятися, але у EV3 на руках всі карти.
Новий контролер EV3 володіє достатнім швидкодією, щоб управляти одноосьовим колісним роботом (типу одноколісного велосипеда або Segway). Кумедний «чоловічок» міцно стоїть на своїх двох, орієнтуючись на показання датчика кута нахилу, і стійко переносить легкі поштовхи вперед або назад. Зрозуміло, він здатний самостійно пересуватися вперед або назад, виконувати повороти і розвертатися.
Загинайте пальці. До «цеглинці» EV3 можна підключити лише чотири сервомотора і чотири датчика (якщо не використовувати спеціальні хаби, які теж доступні). Але за допомогою USB-кабелів можна об'єднати чотири модуля під керівництвом однієї програми, довівши кількість і моторів, і датчиків до 16.
Модулі EV3 можуть управляти один одним на відстані. Передусім у посібнику є інструкція по збірці пульта управління на основі EV3 для рухомих моделей, зібраних також на основі EV3. Фактично «цеглинки» можна об'єднати в розподілену обчислювальну мережу. Професіонали цілком можуть це перевірити: адже крім графічного інтерфейсу EV3 розуміє безліч «дорослих» мов програмування.
EV3 здатний працювати як вбудована система, тобто служити посередником між повноцінним ПК і сервомоторами або датчиками. Так що при бажанні підступні «цеглинки» можуть залучити на свою сторону більш потужних побратимів.
Нарешті, в керівництві ви знайдете інструкції по збірці моделей виробничих ліній для виготовлення конструкцій з деталей LEGO. Тобто машини, зібрані з Mindstorms EV3, здатні будувати інші машини і відтворювати самі себе.
Сподіваємося, наш похмурий потік свідомості не стане причиною ваших нічних кошмарів. Адже поки що все, що за останні 15 років зробили роботи LEGO Mindstorms, - це безцінний досвід, натхнення і віра у власні сили для цілої армії юних винахідників, програмістів та інженерів.
Стаття «Урок всемогутності» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №10, Грудень 2013 ).
Хочете виконувати математичні операції, працювати з масивами даних?Хочете оперувати змінними?
3. Пам'ятайте сюжет «Термінатора»?
Як думаєте, який з нині існуючих комп'ютерів на це здатний?
