Содержание

Моделирование и робототехника – основы для всестороннего развития ребенка / Статьи / Мир Роботов


Моделирование и робототехника являются мощным инструментом познания законов физики, различных процессов, других наук. Реальные объекты и процессы сложны настолько, что оптимальным способом их изучения является построение модели.

Построение компьютеризированных предметов происходит в несколько этапов: постановка задачи, определение объекта, разработка концепции, выявление главных элементов, создание алгоритма, написание программы и проведение эксперимента. Моделирование и робототехника активно изучаются в рамках дисциплин дополнительного образования. Они позволяют развивать способности детей, реализовывать их творческие идеи через применение современных компьютерных технологий.

Моделирование и робототехника позволяют освоить технологии будущего
Моделирование и робототехника позволяют освоить технологии будущего

Применение на практике теоретических знаний приводит к более глубокому пониманию общеобразовательных предметов, закрепляет полученные навыки. Игры, связанные с созданием моделей роботов, позволяют узнать основные принципы расчетов простых механических систем.

Освоение основ в школах моделизма и робототехники


Школа моделизма и робототехники учит детей с дошкольного возраста создавать и программировать простейшие объекты. В таких центрах изучают три основных направления:

— Моделизм. Дает возможность понять строение техники на примере радиоуправляемых прототипов. Дети учатся понимать строение по схемам, видеть неисправности. Такие знания пригодятся и во взрослой жизни. Ребята получают информацию о различных радиоэлементах, занимаются пайкой, навесным монтажом.
— Робототехника. Занятия для любознательных и творческих личностей. Это возможность реализовать конструкторские, изобретательские наклонности. Происходит и развитие социальных навыков. Доказано, что умение сотрудничать является очень важным для дальнейшего обучения в школе, институте. На занятиях сочетаются практические игровые техники и групповые занятия.

— 3D-моделирование. На занятиях дети учатся создавать различные пространственные объекты, учатся самостоятельному труду с использованием специальной техники.

Школы моделизма и робототехники предполагают живое обучение с возможностью общения как между собой, так и с педагогом. Для реализации поставленных задач применяются инструменты, которые уже доказали свою надежность.

Есть и другие образовательные центры, независимо от своего названия, в них главной целью является воспитание творческой, технически грамотной личности. Происходит «закладка» основы информационной компетентности. Школа моделирования и робототехники готова принять детей с 4-5 лет. К этому времени большинство ребят уже получили первые навыки создания моделей. Немаловажную роль в этом играют занятия, проводимые дома и в детских садах.

Однако для освоения дисциплин недостаточно простых конструкторов. Требуются специально созданные условия:

— программируемый конструктор;
— грамотный педагог;
— сама программа.

В школе моделирования и робототехники дошколята, школьники создают собственных роботов, учатся ими управлять. У учителя появляется возможность донести до ученика такие сложные понятия, как энергия, тяга, радиоуправление, сенсор и другие. В подобных учебных заведениях успешно проходят обучение как мальчики, так и девочки.

Некоторые родители считают, что освоение дисциплин может происходить и в домашних условиях. На практике оказывается:

— обучающий конструктор стоит намного дороже игрового;
— в комплекте есть инструкции, по которым можно собрать только 10 разновидностей;
— необходимо выделить ребенку достаточно много времени на разъяснения.

В процессе обучения происходит подготовка к конкурсам и соревнованиям


В процессе обучения происходит подготовка к конкурсам и соревнованиям

Особенности робототехники и 3D-моделирования


Робототехника и 3D-моделирование предполагает внедрение новых образовательных стандартов. Второе направление предполагает использование специальных принтеров и работу со специальными конструкциями готовых моделей. Благодаря сочетанию двух дисциплин дети получают навык работы сразу с современным ПО, оборудованием. Они позволяют ускорить процесс подготовки к различным соревнованиям и конкурсам.

Дисциплины дают возможность не только создавать определенные модели, но и программировать их. В их рамках изучается составление алгоритмов и программ для контроллеров, различных датчиков. Робототехника и 3D-моделирование в совокупности имеют несколько преимуществ:

— высокая степень убедительности и наглядности;
— возможность детям поэкспериментировать и приобрести собственный опыт;
— шанс увидеть конечный результат проекта роботостроения еще до начала процесса создания.

Трехмерные изображения и роботизированные машины сегодня применяются практически во всех сферах жизнедеятельности человека. Поэтому полученные знания важны как и для возможности добиваться высоких результатов в будущем.

Конструирование, моделирование и робототехника на разных этапах развития ребенка


Конструирование, моделирование и робототехника – науки, которые изучаются в три этапа. Начальный подходит для детей дошкольного возраста и младших школьников. На нем происходит вовлечение в инженерную деятельность, развитие навыков технического мышления. Позволяет получить базовые знания в области алгоритмизации вычислений, развитие навыков создания собственных алгоритмов. Если начальный этап преподается в 10-13 лет, то сразу же затрагиваются законы электротехники, чтению и сборке схем.

Базовый уровень предполагает более глубокое изучение конструирования, моделирования и робототехники. Он ориентирован на детей от10 лет. На практических и теоретических занятиях дети отрабатывают навыки алгоритмизации, изучают программирование на более сложных языках. Важным этапом является знакомство с электронными устройствами, программируемыми и непрограммируемыми платформами.

В продвинутый уровень входит знакомство с системой геометрических объектов. После 14-15 лет дети, продолжившие обучение, осваивают трехмерную графику, создают собственные объекты применяют различные инструменты для настроек и трансформаций.

Лего-конструирование и моделирование в робототехнике применяются таким способом, чтобы освоение новых дисциплин происходило в непринужденной форме. Во многих учебных заведениях в качестве основного материала для работы используется конструктор Лего. Он дает возможность всесторонне подойди к работе. Производитель выпускает комплекты, которые отличаются своей многофункциональностью и практичностью. Разрабатываются они по классам и уровням сложности. Благодаря чему Лего-конструирование, моделирование и робототехника стали доступными с раннего детского возраста.

Робототехника для образования | Блог Top3DShop

Содержание

Современное образование невозможно представить без использования высоких технологий и роботизации. Школы повсеместно оснащаются электронными досками, в университетах появляются роботизированные системы для изучения программирования и инженерного дела. Об образовательном применении разных образцов робототехники мы рассказываем в этой статье.

Этот рынок постоянно развивается: появляется множество интересных разработок от стартапов и крупных компаний. Процесс охватил все развитые страны: производством занимаются не только в США и западной Европе. В лидеры вырывается Китай, свои разработчики появляются и в России.

В форме игры роботы помогают детям социализироваться и развивают полезные навыки. Фото robo-hunter.com

Направление в обучении, основанное на использовании роботов, называется STEM (от англ. “science, technology, engineering and mathematics — наука, технологии, инженерия и математика”).

Производители роботов

На рынке автоматизированных систем для обучения нет недостатка в производителях. Многие крупные компании, специализирующиеся на разработке роботов или обучающих систем, пошли в этом направлении. О некоторых из них читайте далее.

Начальное образование

В начальном образовании применяются в основном игровые системы, которые в интересной форме позволяют детям освоить азы высоких технологий.

LEGO

Фото: Образовательное решение Lego Mindstorms.

Одним из крупнейших производителей является знаменитая компания LEGO. Они выпускают обучающие конструкторы, собирая которые дети познают основы инженерного дела. А с помощью набора WeDo 2.0 учащиеся могут получить ещё и начальные навыки программирования, проектирования и научной деятельности.

Фото: Набор LEGO WeDo 2.0 для конструирования механизмов, amazon.com

Амперка

Фото: Амперка МАТРЁШКА Y.

Российская компания Амперка выпускает наборы для обучения инженерному делу. В них входят микросхемы, резисторы, провода и другие детали для создания механизмов. Продукция различается по сложности, поэтому может использоваться не только в начальной школе, но и в старших классах.

Makeblock

Фото: Конструктор makeblock mBot Ranger Robot Kit.

Makeblock — китайский производитель роботов, прославился разработкой mBot. Это устройство для детей обучит их логическому мышлению, даст начальные инженерные навыки. В игровой форме ребёнок освоит азы программирования, научится анализировать и решать поставленные задачи.

Robotis

Фото: Робот ROBOTIS DARwIn-MINI.

А фирма Robotis предлагает игровые наборы в виде роботов, обучающих детей программированию. В игрушки встроены микросхемы, которые можно перепрограммировать, чтобы устройство выполняло определенные действия.

Среднее образование

Устройства для средней и старшей школы уже более серьёзные. Они позволяют решать конкретные задачи, при этом обучаясь робототехнике и программированию.

uFactory

Фото: uArm можно “научить” поднимать предметы и перекладывать их в нужное место.

Китайская компания uFactory, знаменитая своими обучающими технологиями, представила механизм uArm. Это роботизированная рука, которую можно “научить” выполнять различные действия.

Ученики познают основы робототехники, программируя устройство на выполнение каких-то задач. Учащийся сможет создать собственный конвейер с полной автоматизацией процесса.

Hanwha

Фото: Коллаборативный робот Hanwha HCR-3.

Компания Hanwha специализируется на разработке коллаборативных роботов. Они позволяют применять в учебных целях системы реального производства, программировать “руку” на выполнение необходимых действий и обрабатывать материалы.

Высшее образование

Роботы для вузов — это уже профессиональное оборудование, которое поможет в научной и инженерной деятельности, в реализации проектов и научных работ.

Крупнейшими производителями таких устройств являются Fanuc и Kuka.

Kuka

Фото: Роботизированная ячейка управляется удалённо, с помощью пульта.

Kuka предлагает для учащихся специализированную ячейку ready2_educate. Роборука способна выполнять любые действия: перемещение, захват и т.д. Через командный блок осуществляется программирование — устройству можно задать разнообразные задачи.

Fanuc

Фото: LR Mate 200iD — профессиональное устройство, которое используется и в производстве, и в обучении.

Робот Fanuc LR Mate 200iD позволяет выполнять производственные задачи. Это небольшая автоматическая рука с разнообразными насадками. Она пригодится инженерам для выполнения операций по обработке материалов.

Примеры использования роботов в обучении

Russel помогает больным детям

Робот Russel помогает детям с аутизмом социализироваться. Фото fastcompany.com

Роботизированные технологии помогают упростить процесс обучения детей с заболеваниями. Например, робот Russel разработан специально для работы с учащимися болеющими аутизмом.

VGo для удаленного обучения

VGo оснащён монитором, динамиками и камерой, чтобы создать эффект присутствия в школе. Фото nytimes.com

Если у ребёнка нет возможности присутствовать на занятиях, то поможет устройство VGo. Робот управляется с домашнего компьютера, перемещается между классами, передает и принимает изображение. А благодаря динамикам ученик сможет контактировать с окружающими.

Engkey — дистанционный учитель

Необычный внешний вид робота позволяет заинтересовать детей и сделать обучение ещё увлекательнее. Фото www.sfgate.com

В Южной Корее получил распространение робот Engkey. Это устройство транслирует голос учителя в аудиторию. Таким образом студенты и школьники учат английский язык с помощью удаленного преподавателя.

Китайский стартап Makeblock поможет студентам освоить программирование роботов

Китайский стартап Makeblock стремится помочь студентам создавать роботов и учиться писать компьютерные программы в увлекательной игровой форме, поскольку тенденция внедрения робототехники в образование становится глобальной.

Фото: mBot V1.1-Pink

Компания из Шэньчжэня создала платформу с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям легко собирать различные механические детали и электронные модули. В настоящее время технология используется в более 300 школ по всему Китаю. Электронные наборы позволяют ученикам собирать простых роботов, управлять ими и писать простые программы.

Фото: Makeblock mBot v1.1-Blue (Bluetooth Version) — робот-конструктор, которым можно управлять по Bluetooth.

В то время как другие образовательные роботизированные наборы, например, Lego Mindstorm, стоят больше 300 долларов, продукты Makeblock отпускаются от 95 долларов. Одним из самых популярных продуктов является набор mBot, который привлек более 285 000 долларов в рамках краудфандинговой кампании на Kickstarter.

mBot — это не просто готовый робот. Его ещё надо собрать и запрограммировать.

Роботизированные комплекты работают с mBlock, программой, которая позволяет пользователям легко контролировать движения роботов, комбинируя команды.

Компания впервые начала создавать детали для роботов ещё в 2013 году, но затем переключилась на образовательные наборы в области науки, техники, инженерии и математики (STEM).

Несколько начальных школ в Чжэнчжоу, городе в провинции Хэнань, и в провинции Цзянсу, заключили соглашение с Makeblock, которая создаёт на их базе инновационные центры и лаборатории робототехники.

Ученики программируют робота. Фото asia.nikkei.com

Makeblock Education прост в использовании, так как пользователям не нужно устанавливать программы. Они могут написать код прямо в браузере и поделиться им с другими членами сообщества.

Системы Wisenet от Hanwha в Бейкентском университете

Практическое занятие с помощью камер Hanwha. Фото www.hanwha-security.com

Бейкентский университет в Стамбуле был основан как некоммерческая организация фондом Адема Челик-Бейкента в 1997 году. С тех пор он расширился до пяти кампусов с 29 000 студентов. В институте готовят по 72 базовым направлениям, 69 специальностям бакалавриата и более 50 программам последипломного образования.

Студенты-медики в Бейкентском университете должны выполнять лабораторные занятия, включая аудиометрию и углубленное моделирование. Однако в аудиометрической лаборатории только 3 из 20 учеников в классе могут находиться в “тихом” кабинете, где проводится проверка слуха.

Около 450 камер Hanwha Techwin были установлены в нескольких кампусах университета с октября 2015 года по август 2017 года. В частности, 2-х мегапиксельные (SND-6084R) и 5-ти ​​мегапиксельные камеры высокого разрешения (XNO-8080R) в лабораториях для поддержки обучения студентов-медиков.

Камерами оснащены все аудитории университета. Фото www.hanwha-security.com

В аудиометрической лаборатории камеры Wisenet, помещённые внутрь кабинета, позволили остальным 17 студентам, стоящим снаружи, наблюдать за тем, что происходит во время проведения тестов слуха. Для продвинутой имитации реального приёма камеры передавали изображения и звуки из трёх комнат моделирования в 1 комнату наблюдения, что позволило студентам увидеть процесс на экранах.

Университет также установил камеры и рекордеры Wisenet, чтобы создать безопасную среду для студентов и преподавателей во всех помещениях, включая общежития, аудитории, медицинскую школу и стоматологический факультет в кампусе Авалон.

Производимая компанией Hanwha робототехника может применяться для обучения операторов и техников обслуживания роботизированного производства. В частности — коллаборативные роботы серии HCR используются в корейском университете Changwon Moonsung University при обучении студентов работе с робототехникой.

Роботы заменили учителей в Бангалоре

Робот выглядит как учительница и помогает преподавателю-человеку вести урок. Фото www.livemint.com

Высокие технологии и искусственный интеллект пробираются в классы в виде человекоподобных роботов, заменяя живых учителей. Это не сюжет из фильма про далёкое будущее, а реальность в Бангалоре, Индия.

“Наши роботы ежедневно проводят уроки по пяти предметам примерно для 300 учащихся 7–9 классов. Они взаимодействуют с детьми и отвечают на вопросы по предметам”
— заявил главный конструктор Индийской международной школы Вигнеш Рао.

Хотя пятифутовые роботы, одетые в официальные женские костюмы, полностью не заменяют настоящих учителей, они помогают им в преподавании и отвечают на часто задаваемые вопросы студентов.

“Мы запрограммировали интерактивных роботов отвечать на вопросы, которые ученики чаще всего задают по предметам”.

Аналогичный эксперимент по внедрению робота-помощника в учебный процесс был проведён в одной из сельских школ Индии в Махараштре. Фото yourstory.com

В частной международной школе-интернате по 25 учащихся в каждом классе. Заведение связано с Международным институтом бакалавриата (IB) в Женеве и работает по собственной программе, которая признана во всём мире.

Роботы с поддержкой ИИ преподают биологию, химию, географию, историю и физику. Согласно модели совместного обучения (CLM), в школе работает команда, состоящая из учителя, учеников и робота. Учитель сотрудничает с роботом и задаёт основные моменты, которые тот должен осветить.

Рао и его команда из 17 человек спроектировали и изготовили трех собственных роботов с помощью 3D-печати. Эти машины имитируют жесты, похожие на человеческие, могут передвигаться и говорить.

Роботы-учителя могут выглядеть по-разному: каких-то делают похожими на людей, другие же весьма футуристичны. Фото www.thetechedvocate.org

“Нашей команде понадобилось почти два года, чтобы спроектировать и разработать эти машины с программным, аппаратным и искусственным интеллектом, сделать их помощниками в преподавании и позволить учителю-человеку быть более значимым в классе, чтобы он мог сосредоточиться на ребёнке, а не на предмете”.

Команда состоит из специалистов: программистов, разработчиков контента, графических дизайнеров и инженеров, которые создали мобильных роботов весом по 45 кг каждый.

Несмотря на то, что команда не привлекала ни одного производителя для создания роботов, она закупала аппаратные и программные компоненты у лучших игроков отрасли.

Благодаря современным устройствам учителя могут вести обучение удалённо. Фото inspire-edu.tech

“Реакция студентов на робота положительная и обнадеживающая. Они чувствуют, что сотрудничество между учителем-человеком и роботом улучшает обучение. Это заставляет учителя-человека сосредоточиться на ребенке и персонализировать обучение”.

Школа, которая считается первой в своём роде, планирует масштабировать пилотный проект и выпустить больше роботов для других классов и предметов.

Заведение подало заявку на международный патент для защиты интеллектуальной собственности своего гуманоидного робота Eagle 2.0.

“Цель CLM состоит в том, чтобы сделать учителей-людей более креативными в сфере образования. Роботы не заменят своих коллег, они будут работать вместе с учителями в качестве инструмента и помощника, улучшая учебный процесс”.

Робот Сайя — знаменитая японская разработка 2009 года. Создатели смоделировали реалистичную внешность с возможностью выражения эмоций. Модель говорит на нескольких языках и используется в обучении детей младшего школьного возраста. Фото cbc.ca

Рекомендуемое оборудование

Будущее роботов в образовании

Роботов Makeblock можно научить играть в футбол. Фото asia.nikkei.com

Роботы становятся неотъемлемой частью образовательного процесса, что показывает быстрый рост рынка. Конечно, устройство не может полностью заменить учителя — такие системы берут на себя рутинные задачи, что в разы увеличивает эффективность образования.

Роботизированная техника полезна для всех возрастов учащихся — от младших классов до университетов. Благодаря ей дети учатся азам IT и инженерии, развивают логическое мышление, а студенты на живом примере проводят лабораторные и практические работы, что может послужить основой для будущей научной и профессиональной карьеры.

Для оснащения учебного заведения робототехникой обратитесь в Top 3D Shop — подберем оптимальный набор оборудования и ПО по вашим требованиям и программе обучения.

Конструкторы по робототехнике для детей

В наши дни конструкторы по робототехнике для детей набирают все большую популярность среди юных инженеров и их родителей. И это неудивительно, ведь детская робототехника, а соответственно, и конструкторы, объединяет целый ряд научных дисциплин – от физики до программирования – и позволяет в игровой форме погрузиться в данные области знаний. Сейчас на рынке представлен широкий выбор комплектов, рассчитанных на детей разных возрастов, с разными интересами и разным уровнем подготовки.

Что отличает конструкторы по робототехнике?

В первую очередь все образовательные робототехнические конструкторы объединяет то, что в них заложена функция не только игры, но и обучения – об этом говорит уже само название таких комплектов. Наборы для школьников могут сопровождаться учебниками, рабочими тетрадями, глоссариями, материалами для учителя и т.д. Конструкторы для младших групп, особенно для дошкольников, как правило, не подразумевают использование объемных педагогических материалов, но и здесь ребенок не просто играет, а в доступной форме изучает механизмы, физические законы т.д.

При этом акцент на работе механизмов, датчиков, в целом на физике или программировании – еще одна черта данных комплектов. Конечно, конструктор роботов для детей 4-6 лет не предлагает малышу собрать и запрограммировать человекоподобного андроида. Робототехника на начальных этапах – это изучение различных моделей, простая работа с моторами и т.д. В свою очередь, ученику средних классов вполне можно предложить программируемый конструктор по робототехнике, где надо не просто собрать модель, но и самому задать ее поведение.

Многие конструкторы предполагают, что из одного набора можно собрать сразу несколько моделей (как правило, они перечислены на коробке или в описании к комплекту). И это не считая тех, которые придумает сам ребенок.

Большая часть образовательных конструкторов подходит для использования как в классе, так и дома.

Конструкторы по робототехнике: возрастные группы

В целом свой конструктор для изучения робототехники найдут дети от 4-5 до 14-15 лет. Продуманный набор будет соответствовать уровню знаний юного инженера, при этом чем старше ребенок, тем сложнее будут модели. Большинство производителей предлагает решения для следующих возрастных групп (деление достаточно условное и зависит от конкретного бренда).

  • 4-6 лет. Понятные модели, крупные и яркие детали, увлекательное содержание – вот основные черты наборов для дошкольников. Как правило, здесь малышу предлагается собрать различные машинки, самолетики, животных, понять, что такое механизм, и т.д. Задача таких комплектов, помимо прочего, развить мелкую моторику, внимательность, усидчивость, фантазию и креативность, научить работе в команде.

  • 7-9 лет. Конструктор по робототехнике для начинающих учебу в школе становится более сложным: это касается как собственно моделей, так и изучаемых тем. Дети подробнее знакомятся с законами и явлениями физики, изучают работу различных датчиков и т.д. Именно поэтому такие наборы могут использоваться на уроках физики или окружающего мира в качестве иллюстративного материала. Многие комплекты предлагают не просто построить машинку, но и заставить ее двигаться: отъезжать от края стола, ехать по черной линии и т.д.

  • 10-15 лет. Конструкты для старшей группы подразумевают почти полное погружение в робототехнику (за исключением моделирования и печати деталей, хотя один из наборов от Fischertechnik как раз позволяет собрать и настроить настоящий 3D-принтер). Работа с механизмами в данном случае сочетается с программированием – конструкторы могут поставляться с программируемыми и непрограммируемыми платами, чтобы будущий инженер мог посмотреть, как они в принципе функционируют, и попробовать самостоятельно задать команды.

Бренды на рынке конструкторов по робототехнике

Среди наиболее популярных брендов в мире детских конструкторов по робототехнике можно отметить LEGO Education, Engino, Huna, Fischertechnik, Makeblock и другие. Познакомимся поближе с предлагаемыми ими наборами.

LEGO Education

Один из самых известных в мире брендов конструкторов также является и одним из лидеров по образовательному направлению. Во многих школах и кружках на занятиях используются решения именно от LEGO. Немалую роль здесь сыграли универсальность конструктора, широкий набор материалов для учителей, наличие рабочих тетрадей и т.д.

Производитель предлагает ряд линеек для разных возрастов.

  • Для совсем маленьких хорошим вариантом станут «Первые механизмы» (5+) или «Простые механизмы» (7+). Игра с этими конструкторами не требует дополнительных знаний, а сам набор познакомит ребенка с тем, что такое механизм и как он функционирует. Будущий инженер узнает о принципах работы рычагов, зубчатых колес и о многом другом.

  • Линейки WeDo и WeDo 2.0 позволят детям 7-10 лет собрать своего первого настоящего робота. Комплекты включают множество деталей для его тела, а также различные датчики (движения, наклона и т.д.), специализированное программное обеспечение, дидактические материалы и т.д.

  • В отдельную группу выделим конструкторы, где подробно разбираются различные темы, связанные не только с физикой, но и с технологией и некоторыми другими дисциплинами. Речь идет о таких комплектах, как «Пневматика», «Возобновляемые источники энергии» и пр.

  • MINDSTORMS Education EV3 – самые сложные из предлагаемых производителем конструкторов, и предназначены они для учеников средней школы. Эти наборы позволяют собрать полноценного программируемого робота с различными датчиками, который сможет даже взаимодействовать с другими роботами от LEGO.

Наборы LEGO бывают базовыми, ресурсными (предлагают детали для сборки новых моделей) и дополнительными (расширяют возможности базового набора).

Fischertechnik

Немецкий производитель также подготовил комплекты для детей разных возрастов. Например, для юных инженеров от 5 лет – это «Набор для малышей» и «Супернабор для малышей». Каждый такой конструктор позволит построить по несколько моделей машинок, самолетов, подъемный кран и другие знакомые и понятные ребенку объекты.

Детям от 7 лет бренд предлагает более сложные задачи. Например, построить трактор с дистанционным управлением или машину, которая будет двигаться от солнечных батарей. Также Fischertechnik разработал комплекты для изучения пневматики, оптических явлений, законов динамики, топливных элементов и различных типов двигателей. Эти и другие подобные образовательные конструкторы помогут в игровой форме погрузиться в различные стороны школьной физики, а главное – применить теоретические выкладки на практике.

Huna

Принцип, которым руководствуется Huna при разработке своих конструкторов: «От простого к сложному». Уже 6-8-летним детям бренд предлагает собрать несложных роботов с двигателем, звуковым сопровождением, датчиками, определяющими расстояние или черный цвет. В основе таких наборов лежат знакомые каждому ребенку модели: герои сказок (например, персонажи из «Трех поросят» или Паровозик Томас), животные, машинки и т.д. Каждый комплект сопровождается понятной инструкцией, которая поможет малышу (возможно, под присмотром родителей или педагога) собрать интересную движущуюся модель.

Для ребят постарше предназначена линейка MRT (My Robot Time), в которой представлены наборы различной степени сложности. Во все комплекты входят датчики, мотор и другие необходимые составляющие. Одна из особенностей конструкторов от Huna – детали соединяются по всем 6 сторонам. Благодаря этому, один комплект позволяет получить множество различных моделей – как указанных производителем, так и тех, что придумает сам ребенок.

Интересное решение от Huna – наборы для групповой работы: дети могут построить зоопарк, город или порассуждать на темы «Мечты и реальность», «Новый год и Рождество».

Engino

Бренд Engino – это широкий выбор самых разных образовательных конструкторов: программируемых и непрограммируемых; с мотором и без него. Отдельные комплекты посвящены сборке автомобилей, мотоциклов, самолетов, спецтехники и т.д. – такой набор позволит собрать ряд моделей соответствующей тематики. Также Engino предлагает специальную серию для девочек – с деталями пастельных цветов и моделями, более близкими прекрасной половине человечества.

Отметим и серии Engino Mechanical Science и Engino Discovering STEM. Благодаря им, во время игры ребенок изучит различные явления физики, такие как работа рычагов, клиньев, кривошипов, червячной передачи, узнает о законах Ньютона и солнечной энергии, а также погрузится во многие другие области. STEM расшифровывается как Science (наука), Technology (технология), Engineering (инженерное дело) и Mathematics (математика) – именно этим областям и посвящены данные наборы.

Аббревиатуру STEM используют различные производители образовательных конструкторов, ведь робототехника объединяет все перечисленные в ней области знаний.

Makeblock

Самые интересные конструкторы от Makeblock – пожалуй, те, которые после сборки и настройки можно использовать по прямому назначению. Это, например, «Laserbot гравировщик» или Airblock Drone, позволяющий собрать дрон или катер на воздушной подушке. Такие наборы поставляются со всем необходимым для последующей полноценной работы устройства. Скажем, для гравировщика это, соответственно, лазерная головка, кронштейны, двигатели, программное обеспечение и многое другое.

Однако данные конструкторы относятся к категории сложных и рассчитаны на учеников средней школы, а если вы ищете набор для более юного инженера, то предложите ему, например, комплект из серии mBot. Такой конструктор познакомит ребенка от 8 лет с основами программирования, работы с датчиками и т.д. Управлять роботом можно будет как с пульта, так и с мобильного телефона (если выбранный вами комплект будет поддерживать Bluetooth).

Программируем роботов — бесплатный робосимулятор V-REP. Первые шаги

Программирование роботов — это интересно.

Многие наверное видели японских гуманоидных роботов, или французский учебный робот NAO, интересным выглядит проект обучаемого робота-манипулятор Baxter. Промышленные манипуляторы KUKA из Германии — это классика. Кто-то программирует системы конвейерной обработки (фильтрации, сортировки). Дельта роботы. Есть целый пласт — управление квадрокоптером/алгоритмы стабилизации. И конечно же простые трудяги на складе — Line Follower.

Но всё это как правило — не дешевые игрушки, поэтому доступ к роботам есть в специализированных лабораториях или институтах/школах где получили финансирование и есть эти направления. Всем же остальным разработчикам (кому интересна робототехника) — остаётся завистливо смотреть.

Некоторое время назад я вышел на достаточно интересную систему — 3д робосимулятор V-REP, от швейцарской компании Coppelia Robotics.

К своему (приятному) удивлению я обнаружил, что эта система:

  • имеет большой функционал (система разрабатывается с марта 2010 года)
  • полностью open-source (выложена в открытый доступ в 2013 году)
  • кроссплатформенная — windows, mac, linux (работает на Qt)
  • имеет API и библиотеки для работы с роботами через C/C++, Python, Java, Lua, Matlab, Octave или Urbi
  • бесплатная для некоммерческого использования!

Все объекты, которые программируются в этой системе — «живут» в реальном с точки зрения физических законов мире — есть гравитация, можно захватывать предметы, столкновения, датчики расстояния, видео датчики и т.п.

Поработав некоторое время с этой системой, я решил рассказать про неё читателям хабра.

Да, и на картинке скриншот из V-REP, и модели роботов — которые вы можете программировать, и смотреть поведение, прямо на вашем компьютере.

Установка

Установим на компьютер эту систему, в разделе Download:

Видим три варианта: образовательный (EDU), триальный (EVAL), и плеер (player).

Плеер — это программа с помощью которой можно проиграть сцены созданные в полноценной версии (то есть нет возможности редактирования) — бесплатная.

Триальная — это полнофункциональная версия, в которой нет возможности сохранить. Нет лицензионных ограничений.

Образовательный — это полнофункциональный пакет, имеющий лицензионные ограничения, текст лицензии можно прочитать здесь. Суть его в том, что институты, школы, хоббисты — могут использовать бесплатно это программное обеспечение. При том, что использование не коммерческое (а образовательное).

Мы с вами вполне подходим под определение хоббистов (т.к. хотим образовательно по-программировать роботов), поэтому смело скачиваем версию EDU PRO для своей операционной системы.

В данный момент версия 3.2.0, вот прямая ссылка на windows вариант: V-REP_PRO_EDU_V3_2_0_Setup (98 Mb)

Старт

После установки, и старта мы увидим экран:

Здесь мы видим следующие объекты:

— сцена — здесь и происходит всё действо, на данный момент она пуста (есть только пол)
— слева видим блок с библиотекой моделей — сверху папки, и под ней — отображается содержимое выбранной папки (выбраны robots/non-mobile — то есть стационарные роботы — манипуляторы)
— далее отображается иерархия мира

Иерархия включает в себя — корневой объект (мир), в котором находятся все объекты.

В нашем примере это:

Видим источники света, видим объект для реализации пола (а это твердая поверхность, с текстурой), и группу для камер.

Есть главный объект скрипт, контролирующий сцену и всех объектов на ней, и у каждого объекта может быть свой скрипт — внутренние скрипты реализованы на языке Lua.

Вверху и слева мы видим toolbar — меню. Самой главной кнопкой является кнопка Play (Start Simulation) — после которой стартует симуляция сцены:

Сценарий работы следующий:
— мы перетаскиваем с помощью DragAndDrop объекты из библиотеки моделей.
— корректируем их местоположение
— настраиваем скрипты
— стартуем симулятор
— останавливаем симулятор

Попробуем что-нибудь на практике.

Быстрый старт

Попробуем оживить робота.

Для этого выбираем слева папку robots/mobile и в списке выбираем Ansi, захватываем, переносим на сцену и отпускаем, робот появляется на нашей сцене и появляется информация об авторе:

Теперь нажимаем на Start Simulation, и видим движение робота, и можем управлять положение головы, рук (реализовано через Custom User Interface), вот видео:

Далее останавливаем симуляцию:

Скрипт управления

Можем открыть и увидеть код, который научил робота идти (управляет автономным передвижением робота). Для этого на иерархии объектов, напротив модели Asti, дважды кликаем на иконке «файл»:

Вот Lua программа, которая осуществляет движение робота:

Скрипт управления движением робота Asti
if (sim_call_type==sim_childscriptcall_initialization) then 
	asti=simGetObjectHandle("Asti")
	lFoot=simGetObjectHandle("leftFootTarget")
	rFoot=simGetObjectHandle("rightFootTarget")
	lPath=simGetObjectHandle("leftFootPath")
	rPath=simGetObjectHandle("rightFootPath")
	lPathLength=simGetPathLength(lPath)
	rPathLength=simGetPathLength(rPath)
	ui=simGetUIHandle("astiUserInterface")
	simSetUIButtonLabel(ui,0,simGetObjectName(asti).." user interface")
	dist=0
	correction=0.0305
	
	minVal={0,			-- Step size
			0,			-- Walking speed
			-math.pi/2,	-- Neck 1
			-math.pi/8,	-- Neck 2
			-math.pi/2,	-- Left shoulder 1
			0,			-- Left shoulder 2
			-math.pi/2,	-- Left forearm
			-math.pi/2,	-- Right shoulder 1
			0,			-- Right shoulder 2
			-math.pi/2}	-- Right forearm
	rangeVal={	2,			-- Step size
				0.8,		-- Walking speed
				math.pi,	-- Neck 1
				math.pi/4,	-- Neck 2
				math.pi/2,	-- Left shoulder 1
				math.pi/2,	-- Left shoulder 2
				math.pi/2,	-- Left forearm
				math.pi/2,	-- Right shoulder 1
				math.pi/2,	-- Right shoulder 2
				math.pi/2}	-- Right forearm
	uiSliderIDs={3,4,5,6,7,8,9,10,11,12}

	relativeStepSize=1
	nominalVelocity=0.4
	neckJoints={simGetObjectHandle("neckJoint0"),simGetObjectHandle("neckJoint1")}
	leftArmJoints={simGetObjectHandle("leftArmJoint0"),simGetObjectHandle("leftArmJoint1"),simGetObjectHandle("leftArmJoint2")}
	rightArmJoints={simGetObjectHandle("rightArmJoint0"),simGetObjectHandle("rightArmJoint1"),simGetObjectHandle("rightArmJoint2")}
		
	-- Now apply current values to the user interface:
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[1],(relativeStepSize-minVal[1])*1000/rangeVal[1])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[2],(nominalVelocity-minVal[2])*1000/rangeVal[2])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[3],(simGetJointPosition(neckJoints[1])-minVal[3])*1000/rangeVal[3])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[4],(simGetJointPosition(neckJoints[2])-minVal[4])*1000/rangeVal[4])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[5],(simGetJointPosition(leftArmJoints[1])-minVal[5])*1000/rangeVal[5])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[6],(simGetJointPosition(leftArmJoints[2])-minVal[6])*1000/rangeVal[6])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[7],(simGetJointPosition(leftArmJoints[3])-minVal[7])*1000/rangeVal[7])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[8],(simGetJointPosition(rightArmJoints[1])-minVal[8])*1000/rangeVal[8])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[9],(simGetJointPosition(rightArmJoints[2])-minVal[9])*1000/rangeVal[9])
	simSetUISlider(ui,uiSliderIDs[10],(simGetJointPosition(rightArmJoints[3])-minVal[10])*1000/rangeVal[10])
end 

if (sim_call_type==sim_childscriptcall_cleanup) then 
 
end 

if (sim_call_type==sim_childscriptcall_actuation) then 
	-- Read desired values from the user interface:
	relativeStepSize=minVal[1]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[1])*rangeVal[1]/1000
	nominalVelocity=minVal[2]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[2])*rangeVal[2]/1000
	simSetJointTargetPosition(neckJoints[1],minVal[3]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[3])*rangeVal[3]/1000)
	simSetJointTargetPosition(neckJoints[2],minVal[4]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[4])*rangeVal[4]/1000)
	simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[1],minVal[5]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[5])*rangeVal[5]/1000)
	simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[2],minVal[6]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[6])*rangeVal[6]/1000)
	simSetJointTargetPosition(leftArmJoints[3],minVal[7]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[7])*rangeVal[7]/1000)
	simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[1],minVal[8]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[8])*rangeVal[8]/1000)
	simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[2],minVal[9]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[9])*rangeVal[9]/1000)
	simSetJointTargetPosition(rightArmJoints[3],minVal[10]+simGetUISlider(ui,uiSliderIDs[10])*rangeVal[10]/1000)
	
	
	-- Get the desired position and orientation of each foot from the paths (you can also use a table of values for that):
	t=simGetSimulationTimeStep()*nominalVelocity
	dist=dist+t
	lPos=simGetPositionOnPath(lPath,dist/lPathLength)
	lOr=simGetOrientationOnPath(lPath,dist/lPathLength)
	
	p=simGetPathPosition(rPath)
	rPos=simGetPositionOnPath(rPath,(dist+correction)/rPathLength)
	rOr=simGetOrientationOnPath(rPath,(dist+correction)/rPathLength)
	
	
	-- Now we have the desired absolute position and orientation for each foot.
	-- Now transform the absolute position/orientation to position/orientation relative to asimo
	-- Then modulate the movement forward/backward with the desired "step size"
	-- Then transform back into absolute position/orientation:
	astiM=simGetObjectMatrix(asti,-1)
	astiMInverse=simGetInvertedMatrix(astiM)
	
	m=simMultiplyMatrices(astiMInverse,simBuildMatrix(lPos,lOr))
	m[8]=m[8]*relativeStepSize
	m=simMultiplyMatrices(astiM,m)
	lPos={m[4],m[8],m[12]}
	lOr=simGetEulerAnglesFromMatrix(m)
	
	m=simMultiplyMatrices(astiMInverse,simBuildMatrix(rPos,rOr))
	m[8]=m[8]*relativeStepSize	
	m=simMultiplyMatrices(astiM,m)
	rPos={m[4],m[8],m[12]}
	rOr=simGetEulerAnglesFromMatrix(m)
	
	
	-- Finally apply the desired positions/orientations to each foot
	-- We simply apply them to two dummy objects that are then handled
	-- by the IK module to automatically calculate all leg joint desired values
	-- Since the leg joints operate in hybrid mode, the IK calculation results
	-- are then automatically applied as the desired values during dynamics calculation
	simSetObjectPosition(lFoot,-1,lPos)
	simSetObjectOrientation(lFoot,-1,lOr)
	
	simSetObjectPosition(rFoot,-1,rPos)
	simSetObjectOrientation(rFoot,-1,rOr)
	
end 
Другие модели

Вы можете удалить модель — для этого надо её выбрать, и нажать на Del. И можете попробовать посмотреть другие модели в работе, у некоторых есть скрипты для автономной работы.

Мобильные роботы

Стационарные роботы (манипуляторы)

Примеры сцен

Так же есть большое количество примеров (сцен), которые поставляются сразу с программой. Для этого надо выбрать в меню «File/Open scenes» и там перейти в папку: «V-REP3/V-REP_PRO_EDU/scenes».

Вот примеры сцен (файлы с расширением *.ttt):

Файлы сцен-примеров

2IndustrialRobots.ttt
3DoFHolonomicPathPlanning.ttt
6DoFHolonomicPathPlanning.ttt
BarrettHandPickAndPlace.ttt
blobDetectionWithPickAndPlace.ttt
ConstraintSolverExample.ttt
controlTypeExamples.ttt
e-puckDemo.ttt
environmentMapping.ttt
externalIkDemo.ttt
fabricationBlocks.ttt
fastClientServerCommunication.ttt
forwardAndInverseKinematics1.ttt
forwardAndInverseKinematics2.ttt
gearMechanism.ttt
genericDialogDemo.ttt
ghostDemo.ttt
ImageProcessingExample.ttt
inverseKinematicsOf144DofManipulator.ttt
jansenMechanism.ttt
katanaRobotWithCableSimulation.ttt
khepera3.ttt
LineTracer-threaded.ttt
millingMachine.ttt
millingRobot.ttt
motionPlanningAndGraspingDemo.ttt
motionPlanningDemo1.ttt
motionPlanningDemo2.ttt
motionPlanningDemo3.ttt
mouseTestScene.ttt
naturalSelectionAlgo.ttt
NonHolonomicPathPlanning.ttt
objectHandling.ttt
PaintingRobot.ttt
ParallelForwardAndInverseKinematics.ttt
practicalPathPlanningDemo.ttt
proximitySensorDemo.ttt
reflexxesMotionLibraryType4Demo.ttt
robotCollaboration1.ttt
robotCollaboration2.ttt
robotLanguageControl.ttt
rosTopicPublisherAndSubscriber.ttt
SocketAndTubeCommunicationExample.ttt
StripeScanner.ttt
weldingRobot.ttt
wirelessTransmission.ttt
youBotAndHanoiTower.ttt

Ссылки

* основной сайт V-REP
* руководство пользователя (на английском)
* большое количество видео, примеров из V-REP

Чтобы поддержать популяризацию этой интересной системы на русском языке — создана русскоязычная группа по V-REP.

Применение в учебном процессе

На мой взгляд, у V-REP есть хороший потенциал применения в учебных процессах. Если вас интересует применение системы в учебном процессе — в школе, институте, в клубе робототехники и т.п. — то можете заполнить анкету. Может быть получиться консолидировать усилия и сделать учебные русскоязычные материалы.
Планы на будущее


Конечно это лишь малая часть возможностей V-REP системы. В следующей публикации на примере рассмотрим создание задачи гоночного симулятора на робо-машинке от первого лица. Рассмотрим API. Создание объектов, настройка сцены и взаимодействие с пользователем.

» Начальное техническое моделирование и робототехника»

Учебный план включает в себя следующие разделы:

Введение в предмет. Инструктаж по технике безопасности.

Раздел I. Оригами

1.1. » Воздушный змей». Изготовление уточки.

1.2. Базовая форма » дверь». Изготовление » автомобиль».

1.3. Базовая форма » блинчик». Изготовление » парохода».

1.4. Базовая форма » дом». Изготовление » подводной лодки».

1.5. Двойной треугольник. Изготовление » лягушка»

Раздел II. Аппликация из объемных деталей.

1.1. Аппликация » Улитка».

1.2. Аппликация » Бульдозер».

1.3. Аппликация » Самосвал».

1.4. Аппликация » Бабочка».

Раздел III. Конструирование из плоских деталей.

1.1. Понятие о контуре, силуэте технического творчества.

1.2. Понятие о конструктивных элементах.

1.3. Форма и ее закономерности. Изготовление контурных технических объектов по шаблону.

1.4. Изготовление технических объектов из плоских деталей по рисунку.

1.5.Изготовление технических объектов из плоских деталей по чертежу.

1.6. Изготовление модели катера.

1.7. Изготовление модели самолетов из бумаги.

1.8. Изготовление контурных моделей.

1.9. Изготовление контурных моделей автомобиля.

Раздел IV. техническое моделирование.

1.1.Общее понятие о моделях и моделировании.

1.2. Понятие о машинах и механизмах.

1.3. Основные элементы механизмов и их взаимодействие.

1.4. Сборка модели.

1.5. Зачистки швов модели. Отделочные работы.

1.6. Подготовка модели к окрашиванию.

1.7. Окраска модели.

1.8. Оформление модели.

Раздел V. Техника будущего, робототехника.

1.1. Робототехника. Из истории. Изготовление модели робот.

1.2. Забавные механизмы. Танцующие птицы.

1.3. Забавные механизмы. Умная вертушка.

1.4. Сравнение механизмов. Танцующие птицы, умная вертушка ( сборка, программирование, измерения и расчеты).

1.5. Изготовление модели — космические исследователи.

 

 

Робототехника. Модуль 3

В этом модуле вы узнаете:

• какие специалисты точно нужны для создания роботов и как с ними работать;
• как выбирают, из чего сделать робота;
• почему без математики робот не сможет перемещаться;
• кто учит роботов «ходить» и «видеть».


Команда робототехников: основные участники

В первом модуле курса мы говорили о том, что робота вполне можно сделать самостоятельно, были бы подручные материалы и толика вдохновения. В разработке промышленных, военных и других сложных роботов этого недостаточно, здесь нужны квалифицированные инженеры разной специализации.

Конкретный состав команды зависит от задачи. В несложных проектах какой-то специалист может и не потребоваться; бывает и так, что один инженер выполняет две-три роли. Когда же речь идет о строительстве марсохода, команда нужна большая, и специалистов одного профиля может быть несколько.

В этом модуле мы поговорим о том, какие специалисты нужны в команде, которая строит современного гибридного робота.

Инженер-мехатроник
Подбирает размеры и конструкцию отдельных элементов робота, а также материалы, из которых должны быть изготовлены детали.

Инженер-математик
Выбирает математические модели, которые помогут роботу собирать информацию об окружающем мире, анализировать ее и действовать в соответствии с ней.

Инженер-программист
Создает алгоритмы, по которым робот взаимодействует с окружающей средой.

Инженер-электроник
Отвечает за подбор микроконтроллеров, плат, проводов, блоков питания и других электронных элементов.

Теперь расскажем подробнее о каждом из этих инженеров.

Инженеры-математики

Робот воспринимает мир не так, как мы: у него нет органов чувств, он вынужден полагаться на цифры. Данные с датчиков — это числа. Алгоритмы, которые управляют его поведением в зависимости от полученной информации, тоже оперируют числами. Благодаря этим числам робот может перемещаться, распознавать объекты и голоса, манипулировать предметами. Словом, без математики в робототехнике не обойтись.

Робот-пылесос, марсоход Curiosity и футуристичные микродроны, опыляющие растения вместо пчел, — всем им приходится исследовать новое пространство, будь то квартира, поля вокруг фермы или кратер чужой планеты. Такие роботы должны уметь самостоятельно изучать местность, создавать ее карты и выбирать оптимальные маршруты для перемещения.

Ведь что знает о вашей комнате робот-пылесос, который вы только что достали из коробки, зарядили и торжественно выпустили в мир, полный пыли, крошек, кошачьей шерсти и разнообразных опасностей — от ножки стола до озадаченных домашних животных? Почти ничего, кроме, может быть, данных о некотором ближайшем окружении. Здесь на помощь приходит математика, а точнее — графы. Не пугайтесь, вы уже видели их на схеме линий метро. Граф — это набор соединенных точек: благодаря линиям мы можем найти оптимальный путь между точками. С помощью графов навигатор в вашей машине умеет строить кратчайший маршрут.

Робот-пылесос, ловко уворачиваясь от кошки и ножек стола, тоже записывает данные о местности в виде графа: отдельные объекты становятся точками — вершинами графа, а переходы от одной точки к другой — ребрами. При этом ребро можно построить только тогда, когда переход из одной вершины в другую совершен (до этого момента робот «не знает» о существовании ребра). Так он и ползает деловито по ребрам между вершинами, пока не приберет всю квартиру. Информация о пройденных ребрах и вершинах остается в памяти, так что по второму кругу на одном месте убирать он не будет.

Инженеры-программисты

Когда мы определили, как робот будет двигаться и по какой формуле станет обрабатывать полученные данные, приходит время научить его, как следует вести себя в разных ситуациях. Инженеры-программисты помогут роботам выбрать план действий в зависимости от показаний датчиков.

Программы нужны, чтобы…

Помочь роботу вовремя снять показания с датчиков. Задача программы — дать роботу порядок действий: вот так получаешь информацию из внешнего мира, вот так с ней поступаешь. Например, именно на уровне программы определяется, с какой частотой робот снимает данные с датчиков в память. Когда речь идет о метеостанции, программу для снятия данных достаточно запускать несколько раз в сутки. В случае с беспилотным автомобилем ситуация другая: информацию с датчиков необходимо получать в режиме реального времени, чтобы обеспечить безопасность всех участников движения.

Помочь роботу принять верное решение на основе данных датчиков. Получив данные, программа соотносит их с некоторым эталонным значением. Допустим, программа дает сигнал промышленному манипулятору переместить предмет. Датчики манипулятора сообщают программе, как он расположен в пространстве, открыт или закрыт захватный механизм, есть ли в нем груз. Сравнивая показания датчиков с эталонными для текущей ситуации значениями, программа корректирует его действия. Эталонной величиной может быть, например, градус наклона манипулятора. Если робот действует в зависимости от температуры, это и будет его эталонной величиной. Если его функция связана со скоростью, то эталонная величина — минимальная или максимальная скорость.

Помочь роботу «видеть» и распознавать объекты. Вы уже знаете, как графы помогают роботам двигаться. Теперь давайте посмотрим, как они помогают «видеть». Любым роботам, которые манипулируют объектами, необходимо уметь различать их между собой. Камеры и алгоритмы распознавания позволяют фактически научить робота «видеть» окружающий мир.

Одна из задач в процессе распознавания образов — выделение контуров объектов. Тут графы и приходят на помощь. Например, они помогают выделить подконтуры. Компьютер не видит, как человек, весь объект целиком, а может только распознать отдельные части, сопоставить с другими изображениями и достроить целое. Подконтуры, то есть контуры частей, помогают собрать объект воедино, составить общую картинку.

Те же графы позволяют построить модель поверхности объекта: горизонтальная, вертикальная, с изгибом, здесь выпуклая, тут вдавленная. Сличая разные поверхности из своей базы, робот «понимает» форму объекта. Сравнивая контуры одного и того же объекта, программа может сделать вывод, что он переместился (она сопоставляет два контура и «понимает», что они похожи, значит, положение объекта изменилось).

Инженеры-электроники

Без правильной настройки электронных схем и компонентов роботы не будут функционировать. Построить робота самостоятельно, ничего не зная о его электронной части, невозможно. В дело вступают инженеры-электроники.

Сегодня больше всего распространены гибридные роботы. Они состоят из двух и более систем с разными принципами работы. Почти всегда в них есть электроника: платы, провода, микросхемы. Значит, в команду разработчиков робота нужен инженер-электроник.

Задача электротехники — соотнести требования программного обеспечения с реальностью. Важно правильно подобрать комплектующие и тщательно их настроить.

Это особенно критично, когда все компоненты робота создаются с нуля. Готовые модули построены и проверены производителем, их параметры продуманы заранее. Однако для некоторых специфических задач они не подходят, и тогда приходится разрабатывать составляющие самостоятельно.

Давайте разберем на конкретном примере, что именно делает электроник для робота и от каких проблем он может спасти.


1. Блок питания

Блок питания дает роботу энергию для работы. Если включить все приводы одновременно, блок питания может не справиться с нагрузкой и перегореть. Именно электроник посчитает суммарную потребляемую мощность всех приводов и их схемы управления и спроектирует блок питания с запасом по мощности.

2. Силовые провода — провода, по которым идет высокий ток

Силовые провода могут быть разной толщины (электроники говорят «сечения»). Чем выше ток, который идет по проводу, тем толще провод должен быть. В противном случае есть опасность, что провод будет перегружен, нагреется или даже загорится. Грамотный электроник подберет провода нужного сечения в зависимости от силы тока, который по ним пойдет.

3. Силовая цепь — участок электронной платы, отвечающий за передачу энергии

Силовая цепь получает напряжение от блока питания и распределяет его по всей плате, тем самым запуская работу всех систем. Если неправильно учесть силу тока, протекающего в силовой цепи, плата нагревается. В лучшем случае робот перестанет работать, в худшем — загорятся отдельные компоненты. Электроник необходим, чтобы учесть силу тока при выборе платы и проводников.

4. Условия работы

Иногда получается так, что условия реальной работы не совпадают с теми, для которых проектировали устройство. Это может вызвать явные проблемы — отдельные компоненты выходят из строя, какие-то системы или все устройство перестает работать. Могут возникать и малозаметные проблемы — из-за реакции компонентов на температуру манипулятор перемещается на неверное расстояние. Электроник учтет будущие условия работы при проектировании, а при необходимости — предусмотрит охлаждение элементов или внутреннюю вентиляцию.

Вот еще несколько задач, которые помогают решить электроники:

  • подобрать величину напряжения и тока на выходе устройства управления двигателями робота, чтобы он мог перемещаться на точное расстояние с заданной скоростью;

  • выбрать датчики исходя из поставленных задач;

  • подобрать управляющий микроконтроллер, чтобы обработать информацию, приходящую с датчиков;

  • выбрать требуемые электродвигатели при проектировании робота.

Инженеры-мехатроники

Даже в век точной электроники роботы, не имей они механических частей, оставались бы просто неподвижным набором деталей. Создателям роботов не обойтись без инженера-мехатроника — специалиста по разработке сложных механизмов.

Если неверно спроектировать механические составляющие робота, на исправление проекта и изготовление новых деталей уйдет немало времени и денег. Давайте посмотрим на примере, какие элементы робота — ответственность мехатроника и как он может сделать робота надежнее.

1. Плечо/звено

С точки зрения механики промышленный манипулятор представляет собой систему балок (плеч, звеньев) и шарниров. Чтобы звено было достаточно длинным или выдерживало большие нагрузки, первое, что приходит в голову, это сделать его потолще, но тогда оно станет слишком тяжелым. Мехатроник рассчитает, из какого материала лучше изготовить звено, какого оно должно быть размера и какая конструкция звена подойдет для решения конкретной задачи.

2. Редуктор

Редуктор уменьшает скорость движущихся частей относительно скорости мотора, чтобы повысить силу тяги устройства (так оно поднимет больший вес и выдержит большую нагрузку). Если тип и характеристики редуктора подобраны неверно, он работает под большой нагрузкой. Грамотный мехатроник подберет редуктор так, чтобы он работал с нужной эффективностью, но при этом не на пределе мощности.

3. Шарнир

Шарнир — это «сустав», он соединяет звенья и позволяет им менять свое положение относительно друг друга. Основной критерий эффективности манипулятора — степень его свободы, то есть то, как он перемещается в пространстве. Если манипулятор может перемещаться только вверх-вниз или вращаться вокруг всего одной оси, степень его свободы невелика, поэтому задач он решает немного. Если нужно, чтобы он перемещался в разных плоскостях и вращался вокруг разных осей — это задача мехатроника. Он же сделает так, чтобы на перемещение уходило как можно меньше времени и энергии.


ПЕРЕЙТИ К ЧЕТВЕРТОМУ МОДУЛЮ

Моделирование робота | Основные этапы моделирования | Soohar

В этом уроке 3d дизайнер Hossein Afzali проведет вас через все основные этапы моделирования робота. Урок выполнен в стиле making of, так что не ждите подробного описания каждого шага. Урок будет полезен тем, кто только начинает изучать 3D графику и хочет ближе приблизиться к основам.

Я решил смоделировать робота, которого часто представлял себе в детстве. Думаю, самое главное, что помогло мне создать такого робота это фильм Бразилия.

Впервые  увидев Бразилию Терри Гиллиама, я был так взволнован, что захотел, жить в том городе. Я был поражен от тех технологий, которые там используют люди: различные  компьютеры, транспорт, оружие, архитектура и даже стильные  платья. На меня не смог повлиять какой-либо другой фильм. В фильме тот стиль и уровень технологий был настолько привлекательным и удивительным, что я смотрел его несколько раз.
С детства я был без ума от роботов, и я всегда мечтал, создать дизайн одного из них. Этот фильм сильно повлиял на меня, и дал некоторые интересные идеи.

 

Шаг 1 Идея и моделирование

Я начал экспериментировать с геометрическими объектами, без каких либо рисунков и набросков. В детстве мне всегда хотелось иметь робота, который мог бы помогать в работе, поэтому я решил сделать рабочего робота: немного горбатого с толстой талией. На этом этапе я использовал примитивы из сфер и полусфер. Я построил общую структуру, а затем шаг за шагом начал добавлять детали.

Потом преобразовал сферы в Editable Poly и начал изменять геометрию:

После моделирования тела,  перешел к работе над некоторыми деталями:

Затем начал моделировать ноги и верхнюю часть. Краткий процесс:

Ниже показан первый рендер готовой модели:

Шаг 2 Текстурирование

Я сделал просчет моей модели в разных ракурсах. Далее открыл изображения в Photoshop. С помощью слоев я тестировал несколько разных цветовых тем для робота, чтобы найти подходящий цвет. Хотелось сделать  очень горячего робота, словно старый обогреватель, поэтому было решено использовать оранжевые тона. Мне пришлось поискать материалы в такой цветовой гамме. Далее я просто создал развертку.

Вот первые материалы, которые будут использоваться:

Затем добавил немного грязи, царапин и деталей:

Для освещения использовал сочетание VRay lights и Standard lights. Ниже показано расположение и настройки каждого источника света:

Шаг 4 Рендеринг

Ниже показаны мои настройки рендера и результат:

Шаг 5 Пост-продакшн

Этот созданный материал в Photoshop будет использоваться для пола:

После создания фона, я решил добавить небольшой пар. Это я сделал кистями в Photoshop вместе с использованием фильтра Gaussian Blur.  Для окончательного варианта  немного поработал с  яркостью и контрастностью изображения.

Ниже можете посмотреть на финальные результаты:

После нескольких дней, я посмотрел на результат и почувствовал, что все-таки мне удалось создать робота, которого представлял в детстве. Я думаю, самое главное, что помогло мне в создании робота это вдохновение, полученное благодаря фильму Бразилия, так что спасибо Терри Гиллиам !!!

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о