Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Postavte si svého robota – roboty ve výuce (část 2)

Druhý díl seriálu o výukových robotech seznamuje s učebním předmětem roboti první­ho ročníku bakalářského studia na FEL ČVUT v Praze a informuje o jeho náplni a úče­lu. Jeho součástí je i Robosoutěž, původně určená pro studenty FEL, jejíž předkola jsou nyní zpřístupněna i středoškolským studentům. Následuje krátké seznámení s historií firmy Lego a s postupnou genezí jejich stavebnic Lego Mindstorms. Podrobněji popisu­je jednotlivé generace řídicího systému pro stavebnice robotů Lego Mindstorms, vše-obecně nazývaných „programovatelné kostky Lego“ (popř. s přívlastkem „inteligentní“).

 

Předmět roboti a Robosoutěž

Cílem předmětu roboti je vzbudit zájem o obor, o jeho hlavní myšlenky a možnos­ti a motivovat studenty, aby se ptali a těšili na další studium. Získaná motivace jim po­může vstřebat náročné matematické a od­borné kurzy, které je později čekají. Stu­denti v týmech navrhnou a sestaví jednodu­chý autonomní mobilní robot ze stavebnice Lego Mindstorms NXT schopný splnit za­danou úlohu. Přitom se hravou formou se­známí se základními myšlenkami několika oborů, což jim později pomůže lépe si vy­brat studijní obor a zvolit studijní plán. Hned na začátku studia studenti poznají podstatu tvůrčí inženýrské a výzkumné práce. Vyvr­cholením předmětu je závěrečná soutěž ro­botů (Robosoutěž), v níž vyhraje ten nejlep­ší a nejrychlejší robot.
 
Studenti v týmech (po dvou až třech stu­dentech) zkonstruují ze stavebnic svůj unikát­ní mobilní robot, navrhnou pro něj řízení a na­programují jej tak, aby splnil zadanou a dobře kontrolovatelnou úlohu. Úloha musí být zají­mavá, přiměřeně náročná a přitom musí umožnit jednoznačně určit vítěze v závěrečné soutě­ži. Předmět má minimum přednášek (jen bez­prostředně nezbytné partie teorie) a maximum laboratorní práce. Na předmětu se podílí něko­lik kateder FEL (katedra řídicí techniky, ka­tedra kybernetiky a katedra měření). V před­náškách se jejich členové střídají a laborator­ní výuka probíhá souběžně. Výhodná je možnost zapojit do výuky i zkušenější stu­denty (tzv. learning by tea­ching). V současnosti jsou do soutěže zapojeny i stře­doškolské týmy (www.ro­bosoutez.cz).
 
Robosoutěž se koná každoročně na sklonku ka­lendářního roku. Její před­kola jsou určena výhrad­ně pro středoškolské týmy z celé ČR. K účasti je mo­tivuji hesla typu: „Baví vás hrát si s Legem?“, „Zajímá vás věda a tech­nika?“, „Chcete si posta­vit svůj robot řešící úlohy, jako jsou sumo či průjezd bludištěm?“, Vyhrajte!“. Účastníci soutěží nejen o prestižní titul pro vítěz­né týmy a pro jejich ško­ly. Na vítěze čekají i věc­né ceny, např. stavebnice Lego, chytré telefony, externí pevné disky a další elektronika. Do Ro­bosoutěže se týmy středoškolských studentů mohou přihlásit od začátku září. Jestliže škola pro své soutěžní týmy nemá k dispozici sta­vebnici Lego, lze si ji zdarma zapůjčit ihned po přihlášení. Pro ty, kteří si s roboty nevě­dí rady, pořádá FEL specializovaný seminář.
 

Příběh stavebnice Lego Mindstorms

Když byla v roce 1930 v Dánsku založe­na společnost Lego, asi málokdo tušil, kam až se v roce 2014 dostane. Ale to, že bude úspěšně prodávat hračky dětem po celém světě a rozvíjet jejich fantazii, bylo mož­né vytušit z motta, které do firmy vložil její zakladatel Ole Kirk Christiansen: „pou­ze to nejlepší je dost dobré“. V roce 1980 byla ve společnosti Lego založena sekce vzdělávacích produktů. V roce 1984 zača­la spolupráce Lego Group a technické uni­verzity Massachusetts Institute of Techno­logy (MIT) na vývoji „inteligentní kost­ky“, jejímž posláním bylo oživit výtvory Lego pomocí počítačového programování. V roce 1986 se v prodeji objevil první pro­dukt Lego, který byl ovládán počítačem. V lednu 1998 byla na tiskové konferen­ci v londýnském Museum of Modern Art představena programovatelná kostka Intel­ligent Brick a Robotics Invention System řady Lego Mindstorms RCX. V srpnu 2006 byla ve Spojených státech do prodeje uve­dena robotická platforma Lego Mindstorms NXT a v srpnu 2009 byla na trh uvedena platforma Lego Mindstorms NXT ve ver­zi 2.0. V lednu 2013 proběhly oslavy pat­náctého výročí Lego Mindstorms a na vý­stavě International Consumer Electronics Show měla premiéru platforma další genera­ce Lego Mindstorms EV3, která byla v září 2013 uvedena do celosvětového prodeje.
 
Robotics Invention System (dále pouze RIS) je stavebnice, s jejíž pomocí mohou především děti postavit vlastní samostatně se pohybující roboty. Stavebnice byla na ev­ropském trhu s hračkami představena v roce 1999, ale již o rok dříve byla v USA dána do prodeje RIS verze 1.0, která se stala prv­ní stavebnicí nově vznikající řady nazvané Mindstorms. Po verzi 1.0 následovala verze 1.5 a konečně verze 2.0.
 
RIS je základní stavebnice řady Lego Mindstorms, která vychází z řady Lego Technic (stavebnice obsahují stejné sou­částky řady Technic). Podstatným roz­šířením oproti řadě Technic je právě možnost programovat hotové výtvory. Již v minulosti to sice některé staveb­nice Lego v omezené míře umožňova­ly, ale teprve v řadě Mindstorms bylo programování dovedeno k dokonalos­ti jednoduchým a účinným způsobem. Ve stavebnici RIS dítě programuje ro­boty pomocí jednoduchého grafického programu na běžném osobním počítači a po nahrání programu je robot na PC již zcela nezávislý. Jistou nevýhodou je sice nutnost vlastnit počítač, ale velkým přínosem je pohodlí při programování, větší názornost pro děti, a především fle­xibilita celého systému, která zpřístup­ňuje RIS již zhruba devítiletým dětem stejně jako studentům VŠ.
 

Řídicí systémy – programovatelné kostky Lego

Základem stavebnice RIS byl řídicí systém RCX (Robotic Command System), všeobecně nazývaný programovatelná kostka Lego (obr. 1). Ve své první verzi obsahoval osmibi­tový mikroprocesor a paměť RAM o kapacitě 32 kB. Programy do RCX mohly být nahrány s využitím přenosu infračerveným paprskem. Programovatelná kostka RCX umožňovala současně ovládat tři pohony a přijímat infor­mace ze tří snímačů.
 
V roce 2006 se v nabídce poprvé vyskytla nová řada stavebnic Lego Mindstorms NXT (obr. 2). Její řídicí systém (inteligentní kost­ka NXT) obsahuje 32bitový mikroprocesor ARM7 (AT91SAM7S256) s paměťmi 256 kB flash RAM a 64 kB RAM, s monochro­matickým maticovým displejem LCD 100 × × 64 bodů, čtyřmi vstupními porty pro připo­jení senzorů, třemi výstupními porty pro při­pojení servomotorů, reproduktorem se vzor­kovací frekvencí 8 kHz, možností bezdráto­vé komunikace Bluetooth nebo s možností připojení k sériové­mu portu 2.0 USB. Za použi­tí čtyř tlačítek lze inteligentní kostku a připojená zařízení tes­tovat a omezeně řídit. Ke kost­ce Lego NXT je možné typicky připojit tři servomotory, které lze zároveň využít jako senzory k měření otáček, a dále senzor dotyku či snímač osvětlení (do­káže pasivně snímat intenzitu světla okolí nebo rozpoznávat různé barvy) a senzory zvuku.
 
V roce 2013 byla na trh uvedena zatím nejnovější ver­ze Lego Mindstorms s označe­ním EV3 (obr. 3). Inteligentní kostka EV3 obsahuje 32bitový mikroprocesor ARM9 s pamě­tí 16 MB flash RAM a 64 MB RAM, operač­ním systémem odvozeným od linuxu, s mo­nochromatickým maticovým displejem LCD 178 × 128 bodů, čtyřmi vstupními porty pro připojení senzorů a čtyřmi výstupními porty pro připojení servomotorů. Možná je bezdrá­tová komunikace Bluetooth, připojení k sério­vému portu 2.0 USB nebo donglu WiFi. Zvu­kový výstup je řešen osmibitovým převodní­kem s reproduktorem a dovoluje přehrávat zvuky o frekvencích 2 až 16 kHz. K dispozici je čtečka paměťových karet SD. Pomocí šesti podsvícených tlačítek lze inteligentní kostku a připojená zařízení testovat a omezeně řídit.
 
Literatura:
[1] –: Historie LEGO Robotics – robotického pro­gramu. LEGO, 2014. Dostupné též na <www.Lego.com/cs-cz/mindstorms/gettingstarted/historypage/> [cit. 7. 7. 2014].
[2] SEIFERT, R.: Robotics Invention System 2.0™ – Stručný návod [on-line]. [vročení ne­uvedeno, poslední aktualizace 2007]. Dostup­né na <http://seifrob.sweb.cz/lego_robotika/RIS_navod/ris-navod.htm> [cit. 7. 7. 2014].
[3] JAKEŠ, T.: Lego Mindstorms NXT Education [on-line]. [aktualizováno 17. 2. 2013]. Dostupné na <https://Lego.zcu.cz/web/moduly-systemu-Lego-nxt> [cit. 7. 7. 2014].
[4] –: Comparing the NXT and EV3 bricks. Bot Bench. Blog on-line [založeno 8. 1. 2013]. Dostupné na <http://botbench.com/blog/2013/01/08/comparing-the-nxt-and-ev3-bricks/> [cit. 7. 7. 2014].
Ing. Martin Hlinovský, Ph.D.
Ing. Lenka Mudrová
 
Obr. 1. První generace Lego Mindstorms RCX
Obr. 2. Druhá generace Lego Mindstorms NXT
Obr. 3. Třetí generace Lego Mindstorms EV3