Перспективы внедрения образовательной робототехники в образовательный процесс

Вопросы для обсуждения:

1. Робототехника: понятие и история.
2. Робот как система.
3. Платформы образовательной робототехники.

Робототехника: понятие и история.

Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Робототехника – это наука, которая появилась в 60-х годах ХХ века, и в настоящее время представляет большой интерес для образовательного сообщества. В свое время эта наука была только делом экспертов, инженеров и техников, поскольку еще не было много знаний по этой теме или технологии, необходимых для использования ее возможностей. Сегодня технологические достижения в таких областях, как информатика, электроника и механика, делают робототехнику доступной для всех. Существуют даже комплекты, ориентированные исключительно на детей и подростков, которые позволяют создавать роботов с характеристиками аналогичными тем, которые были бы созданы в технологической лаборатории, но более простым способом и с образовательными целями.

Образовательная робототехника – это инструмент, закладывающий прочные основы системного мышления, интеграция информатики, математики, физики, черчения, технологии, естественных наук с развитием инженерного творчества. Занятия робототехникой дают хороший задел на будущее, вызывают у ребят интерес к научно-техническому творчеству, заметно способствуют целенаправленному выбору профессии инженерной направленности.

В настоящее время образовательная робототехника внедряется на базовом уровне образования во многих странах по всему миру. Она позволяет обучающимся использовать свои знания в новой и интересной форме, используя технологию, способствующую усвоению знаний и внедряя новые концепции, которые будут дополнять и облегчать их обучение.

Рассмотрим основные понятия этого нового образовательного направления.

Робот – машина, которую можно обучить, т.е. подобно компьютеру запрограммировать (задать ему набор действий, которые он должен выполнять) делать разнообразные виды движений, реагировать на изменения в окружающем мире и выполнять множество видов работ и заданий.

Машины, которые выполняют только одну работу и не могут быть переобучены, настоящими роботами не являются, их называют автоматами (примером служат микроволновые печи, стиральные машины и т.д.).

Действиями робота всегда управляет микропроцессор, который запрограммирован в соответствии с заданием. Робота всегда можно перепрограммировать на выполнение нового задания. Он точно следует инструкциям, т.е. выполняет операции по заложенной в него программе.

Таким образом, робот – это автоматическое устройство для осуществления производственных и других операций по определенной программе (алгоритму).

Слово «робототехника», точнее английское «robotics», было впервые использовано писателем Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 году. Им же в рассказе «Хоровод»  были сформулированы три закона робототехники – обязательные правила поведения для роботов:

1. Роботу запрещается причинять вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был нанесен вред.

2. Робот обязан повиноваться приказам людей, за исключением тех случаев, когда приказы противоречат первому закону робототехники.

3. Робот должен защищать свою жизнь до тех пор, пока такая защита не вступает в противоречие с первым и вторым законами.

Три правила, сформулированные Айзеком Азимовым, – это базовые правила робототехники. Важно отметить, что использование только этих трех правил не позволяет эффективно заниматься робототехникой – областью техники, связанной с разработкой и применением роботов и компьютерных систем управления ими.

Существует много типов робототехнических устройств, в том числе роботы-манипуляторы, мобильные роботы, шагающие роботы, средства помощи инвалидам, телеуправляемые и миниатюрные роботы.

Таким образом, робототехника – это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных систем. Робототехника опирается на такие дисциплины, как механика, физика, электроника, математика и информатика и другие.

Образовательная робототехника – это новое междисциплинарное направление обучения школьников, интегрирующее знания о физике, мехатронике, технологии, математике, кибернетике и информационно-коммуникационных технологиях, позволяющее вовлечь в процесс инновационного научно-технического творчества обучающихся разного возраста.

Образовательная робототехника направлена на популяризацию научно-технического творчества и повышение престижа инженерных профессий среди молодежи, развитие у детей и подростков навыков практического решения актуальных инженерно-технических задач и работы с техникой.

Образовательная робототехника позволяет:

• сформировать у обучающихся базовые представления в сфере инженерной культуры;
• развивать интерес обучающихся к естественным и точным областям науки;
• развивать нестандартное мышление, а также поисковые навыки в решении прикладных задач.

Цель обучения робототехнике заключается не только в том, чтобы адаптировать обучающихся к современным производственным процессам, но и в гораздо более практическом развитии моторных, социальных и командных навыков, укрепляя знания в других науках.

Прикладная наука, занимающаяся созданием и использованием роботов, всевозможных систем автоматизации, которая возникла как результат слияния кибернетики и механики, имеет гораздо более долгую историю, чем может показаться.

На самом деле развитие робототехники началось еще до нашей эры, когда Архит Тарентский в IV веке до н.э. задумал создание первого в истории человечества робота – механической птицы из дерева, которую предполагалось приводить в движение паровой тягой для подъема до 200 метров ввысь.

Первый человекоподобный робот сконструирован Леонардо да Винчи в 1495 году. Это был рыцарь, способный шевелить руками и вращать головой. В наше время ученым удалось создать реплику конструкции по эскизным чертежам.

Но гораздо дальше всемирного гения продвинулся в XVIII веке механических дел мастер Жак де Вокансон, создавший уникальную утку, позже названную в его честь, а также играющего на флейте андроида, в числе умений которого было проигрывание 11 мелодий.

Исторически развитие робототехники именно в ХХ веке стало происходить ускоренными темпами ввиду всеобщего научно-технического прогресса.

Непосредственно история развития робототехники берет свое начало в 60-х годах ХХ века, когда на производстве General Motors впервые начали использоваться промышленные роботизированные манипуляторы от компании Unimation.

В начале 1970-х годов был создан первый мультифункциональный подвижный робот Shakey, который был способен оценивать и анализировать собственные действия.

Таким образом, робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники. Опыт применения робототехники в разных странах помог выявить множество способов, которыми она поддерживает преподавательскую практику. Она показала себя в качестве инструмента, который усиливает понимание получаемых знаний из-за взаимодействия ученика с материалами.

Робот как система.

Термин «робот» придумал в 1920 году писатель, научный фантаст Карел Чапек. Понятие происходит от чешского слова «robota», что означает «тяжелая монотонная работа» или «каторга». Как уже отмечалось, первым промышленным роботом стал Unimate, выпущенный в 1961 году, – это механическая рука, использовавшаяся корпорацией General Motors при производстве автомобилей. Робот выполнял последовательность действий, которая была записана на магнитный барабан.

Как и в анатомии животных, роботы обладают системами, состоящими из операционных единиц, которые позволяют им двигаться, воспринимать и действовать.

Роботы представляют собой объединение систем, которые образуют единое целое. Каждый функциональный блок выполняет определенную задачу и имеет свой собственный вход и выход. Количество и разнообразие систем, которые составляют роботов, может изменяться в зависимости от их полезности, но в целом можно выделить следующие основные системы:

1) приводная;

2) сенсорная;

3) система обработки.

Приводные системы состоят из механизмов, которые способны выполнять физическую работу. Они также называются приводами, потому что способствуют выполнению действий. Когда они работают вместе, они могут быть классифицированы как агенты, ответственные за выполнение движения, хотя всегда подчиняются блоку управления.

Электрические приводы могут иметь очень небольшие размеры по сравнению с гидравлическими и пневматическими, что квалифицирует их как хороший выбор для разработки сложных подвижных конструкций. Другим преимуществом по сравнению с предыдущими двумя типами приводов является то, что им не нужно дополнительное пространство для хранения жидкости, хотя они используют батареи или какой-либо иной внешний источник питания.

В электрических приводах можно различать две большие группы в зависимости от формы энергии, от которой они питаются: двигатели постоянного тока, двигатели переменного тока и смешанные гибридные двигатели.

В роботах чаще всего используются шаговые двигатели, которые представляют собой особый тип двигателей постоянного тока, которые позволяют поворачивать вал на переделенное количество градусов в зависимости от сигнала управления.

Сенсорные системы представляют собой набор датчиков, которые позволяют роботам получать и воспринимать информацию из окружающей среды, в которой они находятся.

Датчики – это устройства, которые измеряют физические величины, такие как ускорение, расстояние, яркость, звук, температура и т. д. Функции этих систем похожи на чувства живых существ, у которых «датчиками» являются кожа (осязание), глаза (зрение), нос (обоняние), язык (вкус), и слух (звук). Можно оценить разницу между органами (датчиками) и чувствами (сенсорными системами).

Робототехника подвержена развитию датчиков. Без них роботы не смогут получить информацию из среды, и их возможности будут ограничены.

Именно поэтому исследования в области датчиков имеют жизненное значение в мире робототехники, что приводит к изучению новых способов измерения физических величин окружающей среды с большей точностью.

Наиболее важными характеристиками датчиков являются:

1. Рабочий диапазон – нижний и верхний предел работы. При желании большей точности рекомендуется использовать датчики с ограниченным рабочим диапазоном; но если необходимо сделать более общую систему, то лучше использовать датчики с более широким рабочим диапазоном.

2. Точность и разрешение, которые характеризует правильность получаемого значения. Чем более высокое разрешение, тем более высокая точность. Датчики сообщают об электрических импульсах, которые затем декодируются для интерпретации информации. В этом процессе происходит этап калибровки, который будет нести основную ответственность за степень точности измерения.

3. Частота дискретизации характеризуется количеством измерений, которое может быть сделано за единицу времени. Например, в системах, требующих немедленного реагирования на внешние воздействия, важно иметь возможность принимать много измерений в секунду. Например, для робота, который движется со скоростью 5 см/с и должен остановиться за 10 см до препятствия (стены), измерение расстояния каждые 3 секунды может помешать ему достичь цели, поскольку между каждым измерением он проходит 15 см, не зная, сколько сантиметров отделяет его от стены.

4. Вычислительные требования – ресурсы, необходимые для декодирования результатов измерения датчиков. Сам датчик не образует сенсорную систему. Данные, взятые из среды, должны быть обработаны для правильной интерпретации информации. Роботы, как правило, включают небольшие электронные схемы, которые совершают предварительную обработку сигнала. Таким образом, блок управления (мозг робота) получает упрощенную информацию, что облегчает ее обработку.

5. Мощность характеризуется количеством работы, выполняемой за единицу времени. В отличие от приводов, выполняющих работу над окружающей средой, датчики действуют внутри системы на основе величины чувствительности. Как правило, уровни тока и напряжения выходов датчиков малы, но важно учитывать их, чтобы избежать повреждения цепи.

6. Рабочее напряжение и ток – это величины, необходимые для работы датчиков. Одной из проблем в конструировании роботов является энергетическая часть. Мобильные роботы должны иметь возможность заряжать свой источник питания (батареи) и оптимально использовать этот ресурс. Большинство датчиков требуют минимального значения напряжения и тока для обеспечения своей работы (пассивные датчики). Энергоэффективность их не всегда может быть покрыта микроконтроллером, поэтому обычно используются альтернативные источники энергии или производные от первичной. Активные датчики не требуют питания, потому что они преобразуют энергию измеряемой переменной в электрический импульс.

7. Вес и объем – важные особенности для системной интеграции. Очень тяжелые или очень большие датчики могут нарушить равновесие робота или не найти подходящее место для размещения. Для экономии энергии снижение веса всегда важно.

8. Прочность – отказоустойчивость к условиям окружающей среды. Надежность датчиков и сенсорных систем может быть достигнута с помощью аппаратного или программного обеспечения. В первом варианте – это очень специализированная электроника, способная устранять помехи и шумы в измерениях, чтобы получить более чистый сигнал. С другой стороны, с помощью программного обеспечения создаются интеллектуальные системы, способные предсказывать и устранять шумы при интерпретации обработанного сигнала.

9. Чувствительность – изменение выходного сигнала, вызванное изменением входного сигнала. Более чувствительные датчики служат для более тонких измерений с короткими диапазонами работы.

Все сигналы, поступающие от датчиков, должны быть обработаны, чтобы быть полезными.

Сенсорная система просто сообщает о величине измерений, но ничего не делает с полученными данными. Приводы, с другой стороны, не имеют возможности самостоятельно контролировать себя или координировать свои действия – они ждут указания для запуска. Таким образом, обе системы нуждаются в «дирижере», который координирует все действия и взаимодействует с ними – системе обработки.

Эту работу выполняет микроконтроллер, который можно считать мозгом робота. Он отвечает за обработку информации, поступающей от датчиков, и выполнение программ, хранящихся в памяти. Кроме того, с помощью каналов связи он контролирует действия приводов для выполнения желаемых задач.

В сложных роботах может существовать несколько микропроцессоров, контролирующих различные части машины, но все они должны работать совместно для выполнения запланированных задач. Также могут существовать небольшие электрические схемы, которые функционируют как микроконтроллеры специального назначения (не программируемые), обычно используемые для обработки сигналов или для решения простых проблем.

Таким образом, в современном обществе идет внедрение роботов в нашу жизнь и очень многие процессы заменяются роботами. Сферы применения роботов различны: медицина, строительство, геодезия, метеорология и т.д. Большую часть процессов в жизни, человек уже и не мыслит без робототехнических устройств (мобильных роботов): робот для детских и взрослых игрушек, робот – сиделка, робот – нянечка, робота – домработница и т.д.

Платформы образовательной робототехники.

Сегодня существует широкий спектр электронных и программных систем, которые позволяют конструировать и программировать роботов без необходимости иметь передовую научную лабораторию. Многие из них имеют большой дидактический потенциал, потому что они используют совместимую среду программирования, хорошую производительность, достаточные ресурсы и доступные затраты.

Развитие сферы образовательной робототехники во многих странах определило широкую представленность на данном рынке различных мировых производителей робототехнических наборов и их комплектующих. К числу наиболее известных и распространенных их них относятся Lego, HUNA, Fischertechnik, VEX, Tetrix, ТРИК, «Амперка» и др. Существуют и другие менее известные, появляются новые разработки.

Обучение робототехнике проводится с использованием специальных конструкторов, которые содержат детали для сборки и программное обеспечение.

Российской ассоциацией образовательной робототехники предлагается «Диаграмма применения робототехнических конструкторов в зависимости от возраста» (рисунок).

В робототехнике, особенно в области образования, для проведения экспериментальных проверок необходимо наличие мобильных роботов, поскольку моделирование имеет очевидные ограничения, которые не позволяют напрямую экстраполировать их результаты в реальный мир и не включают все переменные, которые включает в себя физический эксперимент. Именно поэтому наибольшее распространение в нашей стране получили робототехнические конструкторы фирмы Lego.

Они представлены для разных возрастных категорий, начиная от дошкольников (Lego Duplo) и до школьников средней ступени (Lego EV3). Данное обстоятельство является очень важным, так как позволяет сохранить преемственность и поэтапность образовательного процесса.

Для обучения робототехнике в начальной школе может использоваться конструктор Lego Education WeDo, состоящий из стандартных деталей Lego, а также набора датчиков и приводов, подключаемых через USB к компьютеру.

В комплекте с данным конструктором поставляется интуитивно понятное и простое программное обеспечение, доступное младшим школьникам. Также, вместе с программным обеспечением поставляется набор заданий, представляющих из себя отдельные проекты с подробной пошаговой инструкцией по их выполнению. Его разработчики утверждают, что он идеально подходит для рассказывания историй, для игрового обучения, которое поощряет сотрудничество и участие детей; в свою очередь, это облегчает понимание нетехнических знаний в таких предметах, как языки, социальные науки.

С помощью базового комплекта обучающиеся могут экспериментировать с созданием своих первых моделей, практиковаться в написании отчетов и делиться друг с другом новыми идеями. Основной набор состоит из мотора и двух датчиков (наклона и движения). Для работы над проектами повышенной сложности необходимо приобретать ресурсный набор со вспомогательными электронными компонентами.

Для обучения робототехнике в средней школе разработан комплект Lego Mindstorms Education, состоящий также из стандартных деталей Lego, а также сенсоров, двигателей и программируемого блока NXT или EV3. Наличие отдельного программируемого блока в сочетании со средой программирования высокого уровня делает набор серьезным инструментом, позволяющим создавать роботов, способных решать достаточно сложные задачи.

Легендарный Mindstorms EV3 появился в 2013 году. Буквально за несколько лет он стал самым популярным робототехническим набором в учебных заведениях.

Базовая версия набора конструктора состоит из элементов, с помощью которых можно создавать простые механизмы. Для тех, кто хочет заниматься большими проектами и участвовать в соревнованиях, разработчики выпустили ресурсный набор, содержащий вспомогательные элементы.

Для обучения робототехнике в старших классах может быть использован конструктор TETRIX, являющийся основным конструктором международных соревнований FIRST Tech Challenge, а также позволяющий собрать модели для участия во Всемирной Олимпиаде Роботов.

Данный конструктор состоит из набора металлических деталей, сенсоров, сервоприводов и программируемого блока Lego Mindstorms. Программирование роботов, созданных из данного набора, осуществляется на языке Robot C. Преимуществом конструктора является возможность использования контроллеров Arduino с незначительной доработкой механической части и программного обеспечения.

Кроме перечисленных платформ, в образовательной робототехнике могут применяться Arduino/Raspberry Pi, HUNA Kicky, HUNA Class, HUNA Top/Arduino, RoboRobo Kids/Kit, Robotis DREAM, Robotis BIOLOID, Vex IQ/EDR, Makeblock, Российский кибернетический конструктор ТРИК и др.

Специалисты, обладающие знаниями в области робототехники, очень востребованы. И вопрос внедрения робототехники в учебный процесс, начиная с начальной школы, актуален. Если ребенок интересуется данной сферой с младшего возраста, он может открыть для себя много интересного.

Таким образом, образовательная робототехника представляет собой новую, актуальную педагогическую технологию, которая находится на стыке перспективных областей знания: механика, электроника, автоматика, конструирование, программирование, схемотехника и технический дизайн.

Внедрение образовательной робототехники и использование технологий в обучении направлено на обеспечение междисциплинарной среды обучения, где обучающиеся приобретают навыки для организации исследований и решения конкретных проблем; развития новых навыков и способностей эффективно реагировать на меняющиеся условия современного мира. Такая среда обучения представляет собой опыт, способствующий развитию творчества и мышления обучающихся.