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

 

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.

 

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.

 

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.

[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. 2. Druhá generace Lego Mindstorms NXT
Obr. 3. Třetí generace Lego Mindstorms EV3