Лаборатория проектов 169

Стандарты для Arduino-роботов как возможность занять правильную нишу в образовательной робототехнике.

Сразу оговорюсь, что в данной статье отражены наши с А.Т. Григорьевым (основным автором требований к стандартам) взгляды на развитие инженерного направления образования и его робототехнического вектора в частности. Не претендуем на "истину в последней инстанции", но сам вопрос требует освещения и обсуждения в сообществе.

Совсем скоро (надеемся и держим кулаки) новая концепция развития образовательной области Технология прорастет в реалии нашего образования. И вот тут встанет вопрос о МТБ, на основе которой будут читаться курсы той же робототехники, проектирования, конструирования. Для всех.

И что-то подсказывает, что большая часть ОУ будет ориентироваться на продукты Lego. И это вполне понятно: отличный конструктив, огромное количество методических разработок, все проверено и отработано. Вот ничего не имею против Lego и мы тоже используем эти замечательные конструкторы, особенно во время прототипирования инженерных решений. Но монополизм Lego в области образовательных курсов по конструированию и робототехнике... Это неправильно.

В XXI веке отмечается "бум" развития свободных программно-аппаратных платформ, в частности это связано с появлением все той же платы Arduino в ее различных ипостасях. И это действительно породило "взрывную" волну в техническом творчестве. Посмотрите, сколько появилось магазинов, типа "Чип и Дип" и компаний (Robbo - ScratchDuino, Амперка, mgBot и сотни других), предлагающих как отдельные компоненты, так и серьезные наборы для "самоделкиных". Роботы, квадрокоптеры, 3D - принтеры, ,лазерные фрезеры и другие станки с ЧПУ - мир заполонили устройства на основе микроконтроллеров. Создается огромное количество стартапов, разработка электронных прототипов упростилась многократно.

И все это можно использовать в школе. Вместе или вместо Lego - тут как получится по финансам.

Но вот произойдет ли это???? очень опасаюсь того же эффекта, как в случае с попыткой внедрения в школы Linux систем. Денег выброшено много, а эффект... Ну какой может быть эффект без системности в подобных решениях и хоть какого-то единообразия в требованиях?

То же самое может произойти и со свободной робототехникой.
Попробуем перечислить основные проблемы внедрения свободных программно-аппаратных решений в образовательные курсы.

Итак, почему многие решения на свободной основе для школы в настоящий момент можно назвать НЕДОробототехника

• Предлагаемые наборы в большинстве случаев нельзя использовать без доработок «на коленке» (иногда нужна пайка) и докупки комплектующих (аккумуляторы и зарядники). Следствие — ребенок или неподготовленный взрослый не в состоянии использовать такой набор, а подготовленный не станет этого делать, когда нужно обеспечить наборами весь класс.

• Распространенная (общая и для проприетарных и для свободных решений) маркетинговая политика такова, что если производитель предлагает наборы расширения или возможность приобретения отдельных компонентов, то обычно функциональность и комплектность базовой версии набора урезана настолько, что ее становится почти невозможно использовать, а предлагаемые расширения стоят несоразмерно дорого.
Существует альтернативный вариант — «все включено», но практически нет возможности наращивать функциональность. А комплектность предлагаемого набора все равно вызывает сомнения.

• Используемые технические решения не подходят для жестких условий эксплуатации в ОУ и приводят к очень быстрому выходу техники из строя.
А вот ремонтопригодность оставляет желать лучшего

• В конце концов, самое основное. Мы «играем» в роботов, но играть следует максимально всерьез. Робот — сложное «интеллектуальное» устройство, способное выполнять РАБОТУ в изменяющихся условиях, выполнять возложенную на него функцию. У него должна быть возможность подключения разных исполнительных органов, соответствующих учебному «производственному» заданию. В некоторых учебных ситуациях можно обходиться без оных, но набор подобных задач ограничен и должен быть хорошо проработан методически, обеспечиваться соответствующими аппаратными решениями. В любом случае учебный робот должен быть способен меняться, трансформироваться, демонстрировать сложное разнообразное поведение в изменяющихся условиях, то есть выполнять еще и функции персонального развлекательного робота, поддерживать и развивать к себе интерес детей от занятия к занятию, что особенно важно в условиях непрофильного ОУ.
А вот таких-то наборов как раз и нет. Грустно. Именно поэтому Lego легко побеждает конкурентов, предлагая массу наращиваемых компонентов.

• «Сообразительность» учебных роботов весьма ограничена, и для поддержания интереса детей следует шире использовать игры с дистанционным управлением, где часть действий выполняется самим роботом в автоматическом режиме. Подобный подход ставит во главу угла вопрос об удобном легко организуемом и надежном дистанционном управлении для каждого робота в рамках учебного класса. Использующиеся для этого средства в современных робототехнических наборах, как правило, далеки от совершенства.

НЕДОсвободная робототехника

• Почти каждый разработчик пытается создать собственную, несовместимую с конкурентами и даже с собственными продуктами старых версий конфигурацию, между тем как существует весьма ограниченное количество логичных вариантов. Пример: для Arduino Uno из числа распространенных используемых схем управления моторами существует единственная, минимально ограничивающая возможности дальнейшего апгрейда — D5-D4, D6-D7. Давным-давно пора принять ее в качестве стандарта.

• Разработчики ПО вносят искусственные ограничения, препятствующие работе с чужими или самодельными робототехническими наборами.
Альтернатива — свободная робототехника, ориентирующаяся на создание действительно качественного продукта, совместимого и интегрирующего достоинства разных решений. Положительные примеры существуют — это почти во всех аспектах MakeBlock, частично Амперка, iArduino, MGBot.

А вот теперь попробуем сформулировать требования к разработчикам робототехнических конструкторов, которые хотели бы занять образовательную нишу в школах (поверьте, это очень заманчиво финансово))

Требования таковы:

• Логичная схема управления моторами, неиспользование портов с уникальными возможностями для выполнения задач, которые можно возложить на «обычные» порты. Это даст, как следствие, вариабельность в наращивании возможностей, каждый продукт может быть с легкостью доработан под конкретные задачи. (Пример: порт D3 может потребоваться использовать для управления дополнительным мотором, либо для обработки прерывания, возникающего при изменении состояния порта). Двухмоторную схему с использованием D5-D4, D6-D7 - можно принять за единый стандарт.
• Линейка продуктов от начальной школы до бесконечности, в едином стиле используемых компонентов (роботы разных видов, станки - манипуляторы, принтеры, фрезеры, квадрокоптеры и т.д.)

• Сборка без пайки, доступная ребенку.

• Ориентация на использование готовых электронных модулей с легким удобным подключением.
• Стандартный распространенный интерфейс для подключения модулей (например, RJ-25) с отсутствием возможности неправильного подключения.

• Широкий ассортимент готовых модулей
• Свобода изготавливать подобные модули самостоятельно любым желающим вплоть до организации компании по их производству, выкладывание в открытый доступ соответствующих схем и инструкций.

• Возможность использования дешевой распространенной элементной базы для периферийных устройств с легким подключением без пайки, либо с минимальной пайкой (пример — гироскоп MPU-6050, датчики линии и препятствия, Bluetooth модули HC-05)
• Сохранение возможности для опытных пользователей дорабатывать готовую элементную базу при помощи пайки (включая доработку самого робототехнического контроллера для решения каких-то специфических задач)

• Низкий порог вхождения в самых разных аспектах. В первую очередь наличие возможности использовать визуальные языки программирования и для работы в интерактивном режиме (подобно Scratch4Arduino, mBlock, Snap, и для создания программ автономной работы (подобно ArduBlock). Единственная среда разработки в настоящий момент, позволяющая использовать оба эти режима в практике работы с детьми — mBlock. Поэтому аппаратная конфигурация робототехнического набора должна такой, чтобы можно было с легкостью использовать его в этой программной среде. Помимо этого, в среде mBlock существует возможность разработки специфических расширений для альтернативных аппаратных компонентов и обеспечение поддержки собственных робототехнических контроллеров.

• Комплект включает в себя полный набор всего необходимого, включая отвертку для сборки (также должен быть решен вопрос с аккумуляторными батареями и зарядным устройством)
• Надежный, прочный, а также красивый конструктив, удобный для сборки самими детьми, вызывающий у них интерес.

• Возможность трансформации конструкции для оптимизации при разном использовании (скорость, высокая проходимость и устойчивость, баланс и т. д.)
• Широкая конструкторская база для дальнейшего расширения возможностей.
• Относительно компактные размеры, что важно при хранении. Наличие в наборе удобной коробки для долговременного хранения эксплуатируемого набора. Коробки должны легко штабелироваться и переносится для занятий.

• Возможность установки навесного оборудования готового, либо собранного из конструктора.
• Возможность подключения достаточного количества внешних двигателей (2-4 и более, включая сервомоторы).

• Возможность использовать простую и сложную систему управления перемещением (на базе информации энкодеров).

• Возможность менять расположение и ориентацию различных датчиков в широких пределах
• Защищенность датчиков и электронных схем (наличие корпуса)
• Эргономика использования (выключатель питания, кнопочное управление, светодиодная индикация, и пр.)

• Наличие удобных в использовании отказоустойчивых решений по беспроводному управлению робоплатформой с компьютера, планшета или дополнительного Arduino устройства в рамках учебного класса. беспроводное соединение для учебных роботов должно быть организовано так, чтобы его настройка не отнимала время от занятия.
• Набор, позволяющий пройти полный курс обучения в нескольких вариантах даже в базовой комплектации (легкая оправданная избыточность комплекта без его перегрузки ненужными деталями, оптимальный набор электронных модулей). В состав стартовой конфигурации в настоящий момент есть смысл включать гироскоп и поворотную голову на сервомоторе с ультразвуковым или инфракрасным дальномером. Данные компоненты значительно расширяют возможности мобильной робоплатформы и позволяют стимулировать интерес детей за счет ее большей персонификации, а также взаимосвязанного набора учебных игровых заданий.

Некоторые выводы

• Современной школе нужны качественные образовательные робототехнические наборы, и они существуют, но пока - в очень разнокалиберном варианте. Нужны минимальные требования к стандартам построения схемы устройства, чтобы пользователи по одним и тем же учебным пособиям могли работать с любыми образовательными комплектами. Больше - пожалуйста, но база должна обеспечить стандартные задания. Существующий в настоящее время разнобой в конфигурации аппаратных платформ приводит к невозможности создания универсальных учебно-методических материалов. Подумайте, какие материалы первыми войдут в учебники по новой технологии? Конечно, про Lego. Потому что он и в Африке Lego

• С учетом вышесказанного положение на рынке меняется. Те разработчики, которые не будут ориентироваться на лидеров, а продолжат грести каждый сам под себя, рискуют убедиться, что их продукция никому не нужна.

• При выборе программно-аппаратной платформы для разработки новых учебных курсов по мобильной робототехнике на базе Arduino в начальной и основной школе следует ориентироваться на наборы MakeBlock и программное обеспечение mBlock, как наиболее отвечающие современным требованиям к качеству, возможностям и применимости в занятиях с детьми, а также на совместимые варианты.

***

Небольшое послесловие. мы не являемся дистрибьюторами Мейкблок и проповедниками их программного продукта mBlock. Если бы это была российская, а не китайская компания - мы гордились бы такой продуманностью наших продуктов. Но пока реальность такова, что из всего, что мы могли "потрогать" и поприменять в школе, линейка продукции Мейкблок ближе всего подошла к тому, что бы мы хотели видеть в школе (хотя и они не идеальны, для школьного использования надо защищать датчики, вносить сервопак в состав базового набора для удобства закупки и т.д.)
И многому надо бы поучиться и нашим компаниям. Например - верности идеалам "свободы" платформы. Все, что делает MakeBlock отлично документировано и можно повторить самому. Программный продукт mBlock, созданный на основе scratch 2.0 имеет версии для Windows, Mac и Linux, поддерживает большинство плат Arduino (а не только собственные контроллеры компании), различные типы соединения, а также имеет механизм написания расширений любыми пользователями(!!!!), что позволяет адаптировать для управления в этой среде огромное количество электронных компонентов. На текущий момент mBlock единственная Scratch-подобная среда, позволяющая удобно (для детей) работать с микроконтроллерами и в интерактивном и в автономном режиме. Это тоже стоит взять на вооружение нашим разработчикам ПО.
Для соединения электронных компонентов используются удобные разъемы RJ, что делает сборку такой же удобной, как в Lego, но при этом это обычные разъемы, которые легко обжимать самим.
А если говорить про линейку продуктов....

Представьте себе линейку, в которой есть: наборы с простыми роботами (mBot), наборы с мощным роботом (три варианта стандартной сборки) ranger, большущий набор с кучей компонентов Ultimate (собирается 10 стандартных вариантов роботов + простор для творчества), наборы роботов - художников (рука, рисующий робот на колесах, станок для круглых предметов), наборы для сборки плоттеров (в том числе и лазерных) и двух типов 3D принтеров, модульные октакоптеры, расширенные наборы с датчиками ... И все это в единой стилистике, фрезерованный аллюминий в основе конструктива...
Реально, с этим хочется работать. И очень хочется, чтобы российские компании выпустили набор "не хуже", а уж если сделают лучше... Вот тогда Lego потеснится, потому что, когда рядом стоят роботы Мейкблок и Lego даже необученный ребенок задумается над выбором. Ибо - "красивенько"! А обученный увидит преимущества контроллера в прозрачной защитной коробке, в котором уже "на борту" 12 RGB светодиодов, пара световых датчиков, буззер, датчики звука и температуры, гироскоп, пара кнопок. И мощных моторов с энкодерами... И удобных модулей для создания своих датчиков... И среды управления, так похожей на привычный scratch, но дающей возможность управлять всей этой электроникой.