Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Robot Boe-Bot

V minulom vydaní časopisu Automa bol predstavený robot Acrob kompatibilný s Arduinom. Tento článok sa bližšie zabýva robotom Boe-Bot od firmy Parallax, z kto­rého Acrob vychádza.

 
Robot Boe-Bot je stavebnica malého mo­bilného robota od firmy Parallax. Skratka Boe v názve sa týka riadiacej elektronickej dosky, ktorú tento robot používa, a zname­ná Board Of Education (doska pre vzdeláva­nie). Z názvu vyplýva, že sa využíva najmä pri výučbe. Tento článok bude venovaný po­pisu stavebnice, ktorú firma Parallax predá­va za 160 amerických dolárov pod označe­ním Boe-Bot Robot Kit – Serial (with USB adapter and cable), číslo #28132. Zakúpiť ho možno priamo od výrobcu v jeho e-shope alebo prostredníctvom širokej siete distribú­torov (v Čechách MITE, na Slovensku RLX components).
 

Vznik a pôvod robota Boe-Bot

Robot Boe-Bot vznikol na univerzite v americkom štáte Idaho z popudu učiteľa Chucka Schoefflera (pozri rozhovor). Ten vytvoril z plastovej krabice a riadiacej jed­notky Board of Education prvý prototyp (obr. 1). Firma potom v CAD vytvorila ná­vrh šasi, ktoré vyrezali strojom NC z hliní­ka, a prvé Boe-Boty boli na svete. O niečo neskôr napísal Andy Lindsay učebnicu – príručku Robotics with the Boe-Bot [1], a do dnešného dňa sa vyrobilo a predalo viac ako 80 000 stavebníc. Vyskytujú sa aj na Slo­vensku a v Čechách. Vznikli špecializova­né kurzy pre učiteľov a dnes sa stavebnice používajú na stredných školách i univerzi­tách nielen v Amerike, ale skutočne po ce­lom svete. Robot dokážu zložiť už približne dvanásťroční žiaci, ale autor môže z vlastnej skúsenosti potvrdiť, že s menšou pomocou dospelého to zvládnu aj mladší. Práca s ro­botom nepredpokladá takmer žiadne pre­došlé skúsenosti.
 
Kompletná stavebnica (obr. 2) obsahuje všetky mechanické komponenty, ktoré sú po­trebné na zostavenie robota. Pritom sa môže zísť pinzeta či malé klieštiky. Šikovný skrut­kovač, ktorý sa využije pri montáži, je pri­balený. Iné náradie nie je potrebné. Ďalej je v krabici osadená doska plošného spoja s ria­diacou jednotkou Board of Education a prog­ramovací kábel. Existuje aj taká verzia sta­vebnice, ktorá má rozhranie USB priamo na doske a pripája sa káblikom Mini-USB. Ver­zia, ktorá je tu popisovaná, obsahuje sériový kábel RS-232 a navyše aj malý konvertor USB-232 s príslušným káblikom. Táto ver­zia je podľa autora výhodnejšia, pretože roz­hranie RS-232 je robustnejšie a okrem toho užívateľ získa aj konvertor na USB, ktorý isto využije aj inde. Súčasťou stavebnice je aj CD-ROM s potrebným softvérom a vynikajúca podrobne prepracovaná 345stranová príručka. Okrem toho je v krabici sada ďalších dielov (LED, rezistory, senzory, dištančné stĺpiky), ktoré užívateľ využije pri experimentoch s ro­botom podľa príkladov v príručke.
 
Robot je zložený približne za pol hodi­ny. Jeho základom je hliníko­vé šasi, na ktoré sa postupne pripevní dva motory s kolies­kami, držiak na štyri tužko­vé batérie a zadné koliesko. To je tvorené polyetylénovou guličkou, ktorá je pripevnená k rámu závlačkou. Napokon sa na dištančné stĺpiky pri­pevní doska riadiacej elek­troniky. Po zostavení je ro­bot pripravený na programo­vanie (obr. 3).
 
Pristavme sa pri doske Board of Education (obr. 4). Jej jadrom je procesor Ba­sicStamp II. Je to vlastne maličký plošný spoj, ktorý sa navonok správa ako sa­mostatne fungujúci mikro­počítač s mikroprocesorom Microchip PIC 16F57 a in­terpretom jazyka PBasic. Ako pamäť programu a pev­ných dát funguje externá sériová pamäť EEPROM, premenné sa ukladajú do internej RAM. Okrem mik­ropočítača BasicStamp (1) riadiaca doska obsahuje ob­vody stabilizácie napájania s tzv. low-drop stabilizáto­rom LM2940 (2) a indikač­nou diódou (3), konektor pre 9V batériu aj pre adaptér (4), konektor RS-232 (5), konek­tor pre rozširujúce moduly (6) a konektory pre servomo­tory (7). Doska sa zapína vy­pínačom (8) s troma poloha­mi (vypnuté – zapnuté všet­ko okrem motorov – zapnuté všetko). Zhruba jednu tretinu dosky zaberá univerzálne kontaktné pole (9), vedľa ktorého je vyvedené napájanie a porty procesora. Táto časť je využívaná pre rozlič­né experimenty a zapájanie vlastných obvo­dov. Doska Board of Education je okrem ro­bota Boe-Bot využívaná aj v mnohých ďalších vzdelávacích stavebniciach firmy Parallax. Takmer každý experiment s robotom podľa príručky vyžaduje na voľnej ploche zapojiť nejaké dodatočné elektronické súčiastky – či už je to len indikačná LED, alebo kompliko­vaný ultrazvukový snímač. Mikroprocesor má všetky voľné porty vyvedené v susedstve, takže je jednoduché pripojiť novú perifériu k procesoru a začať programovať.
 

Ako sa vlastne robot programuje?

Pre úplných začiatočníkov je možné vy­užiť jednoduchý grafický programovací ja­zyk Gui-Bot, v ktorom sa program skladá z postupnosti niekoľkých grafických prvkov (obr. 5). Na bežnú prácu s robotom sa použí­va programovací jazyk PBasic. Príkazy jazy­ka sa najprv preložia na tzv. tokeny a až tie sa nahrajú do pamäte procesora EEPROM. Od­tiaľ ich potom postupne vyberá a vykonáva zabudovaný interpret jazyka PBasic. Na prá­cu slúži voľne dostupné vývojové prostredie Basic Stamp Editor pre Windows (existujú aj riešenia pre MAC a Linux).
 
Prácu s digitálnymi vstupmi a výstupmi zvládne užívateľ pomocou príkazov IN, HIGH a LOW. Pre náročnejšie aplikácie sú k dispo­zícii napr. príkazy FREQOUT (signál danej frekvencie na niektorý výstup), PULSIN (me­ranie dĺžky impulzu na vstupe), SHIFTOUT (na daný výstup postupne vyšle špecifikova­nú postupnosť impulzov, dá sa použiť na sériovú komunikáciu s perifériami) či PULSOUT (impulz špecifikovanej dĺžky na výstupe). Po­sledne zmienený príkaz PULSOUT sa použí­va aj na ovládanie modifikovaných RC ser­vomotorov, ktoré poháňajú robot. Pri tomto príkaze ale programátor narazí aj na jedno z obmedzení použitého programovacieho ja­zyka. Počas inštrukcie PULSOUT totiž pro­cesor nerobí nič iné, venuje sa len vysielaniu impulzu, takže nie je možné zároveň sledovať napr. snímač vzdialenosti a reagovať na pre­kážku. Program sa musí rozdeliť na malé kús­ky, ktorých rýchlym opakovaním vznikne do­jem „súčasného“ pohybu i snímania veličín. Pri jednoduchých programoch tento problém nie je podstatný, ale ako sa programy skúse­ného užívateľa budú viac a viac komplikovať, bude mu to trocha zväzovať ruky.
 
Pri ladení je veľmi dobrou pomôckou za­budovaný terminál, na ktorý si užívateľ môže vypisovať rôzne správy, zobrazovať aktuálny stav premenných apod. Správy posiela z ro­bota pomocou sériového rozhrania príkazom DEBUG a zobrazovať ich môže na ľubovoľ­nom termináli – jeden je priamo súčasťou vý­vojového prostredia. Ako môže vyzerať prog­ram pre robot „chodiaci“ po obvode štvorca, ilustruje program v otvorenom okne (obr. 6, celý je na http://ro­botika.sk/go/Boe-Bot). Ústred­ná časť programu pre robot, kto­rý má detegovať prekážky náraz­níkmi – tykadlami, je na obr. 7. Celá úloha je veľmi podrobne popísaná v príručke (obr. 8), vrá­tane schémy zapojenia i vzoro­vého programu.
 
Celá príručka obsahuje nie­koľko desiatok úloh, ktoré užíva­teľa postupne prevedú cez všet­ky základné komponenty robota. Umožnia mu do hĺbky porozu­mieť nielen tomu, ako sa robot pohybuje, ale aj ako vníma oko­litý sveta pomocou jednodu­chých senzorov. Na konci kaž­dej kapitoly je množstvo otvo­rených problémov, ktoré autori predkladajú čitateľovi na dorie­šenie, čo vedie k podstatnému prehĺbeniu danej problemati­ky. Po zvládnutí základov po­hybu, zmeny smeru a rýchlos­ti či zrýchľovania nasleduje ka­pitola, v ktorej čitateľ postaví z priložených dielov dve tykad­lá – nárazníky. S nimi si vyskú­ša navigáciu mobilného robota a pohyb bez nehody – detekciu prekážok a stien. Ďalšie pokusy sa venujú senzorom s fotorezis­tormi. Tie umožnia vyhľadávať svetlé a tmavé miesta, popr. sle­dovať svetelnú škvrnu z baterky. Záver príručky je venovaný prá­ci s modulovanými infračerve­nými senzormi, ktoré výborne poslúžia na detekciu prekážok a vyhýbanie sa im. Tieto senzory možno využiť aj na odhad vzdia­lenosti od objektu a udržiavanie konštantnej vzdialenosti od neho (základy regulácie).
 

Ako pokračovať?

Po vypracovaní všetkých príkladov uvedených v príruč­ke je možné robiť vlastné poku­sy, popr. si dokúpiť príslušen­stvo. Azda najjednoduchším do­plnkom je diaľkový infračervený ovládač, ku ktorému je k dispo­zícii opäť veľmi podrobná príruč­ka. Keďže ovládač možno nájsť aj doma a príručka sa dá stiahnuť bezplatne zo stránok výrobcu, stojí to určite za vyskúšanie.
 
Ďalšou typickou úlohou pre mobilný ro­bot je sledovanie čiary. Aj to si môže užívateľ vyskúšať – existuje stavebnica so štyrmi in­frasenzormi, ktoré sa pripevnia na dištančné stĺpiky, a pomocou podrobného manuálu štu­dent pochopí, ako treba robot naprogramovať, ­ aby sledoval či už bielu, alebo čiernu čiaru. Je možné navrhnúť a vyrobiť si aj vlastný senzor.
 
K robotu sa predáva napr. jednoduché chá­padlo. Existuje stavebnica umožňujúca prero­biť robot na pásový, alebo dokonca na šesťno­hý kráčajúci robot. Na ďalší článok by vydal zoznam rozširujúcich senzorov a snímačov – kompas, akcelerometer, ultrazvukový senzor alebo snímače polohy do kolies, umožňujúce presnejšie polohové riadenie robota.
 

Zhodnotenie

Pre niekoho môže byť nevýhodou prog­ramovací jazyk PBasic, ktorý neumožňuje vytvárať vlastné funkcie ani knižnice. Skú­senejším bude určite chýbať priamy prístup k perifériám procesora, k časovačom apod. Programátor bude určite postrádať aj preru­šenia. Pre začiatočníkov to nemusí byť vôbec problém, aj bez týchto vlastností sa dostanú veľmi ďaleko.
 
Neskôr môže užívateľ naraziť na nedos­tatočnú kapacitu pamätí RAM a EEPROM, ktoré však na školské a začiatočnícke pro­jekty dostačujú. Obmedzujúca (hlavne pre tých, ktorí majú súťažné ambície) je rých­losť robota – pretože ako pohon používa modifikované RC servomotory, je dosť po­malý. Nevýhodou môže byť aj jeho relatív­ne vysoká cena.
 
Naproti tomu, za vyššiu cenu zákazník dostane robot, ktorý spolu s príslušenstvom umožňuje veľké množstvo aktivít, takže to rozhodne nie je zábava na jeden víkend. Je veľmi robustný, odolný a vhodný aj pre za­čiatočníka. Veľmi kvalitné príručky ocenia určite hlavne samouci a učitelia. Nie každý učiteľ má čas tvoriť a vymýšľať nové aktivi­ty. Učebnica, ktorá je súčasťou stavebnice, poskytne dostatočné množstvo veľmi kva­litne pripraveného materiálu. Učitelia navy­še môžu firmu požiadať o hotové prednášky a popr. aj takú verziu príručky, ktorú si môžu sami preložiť a upraviť.
 
Pri porovnaní robota Boe-Bot napr. s po­pulárnou stavebnicou Lego Mindstorms je jednoznačné, že zaostáva v možnostiach me­chanickej variability. Boe-Bot má v podstate pevnú konštrukciu, na ktorej toho veľa zme­niť nie je možné. Šasi má však množstvo ot­vorov, vďaka ktorým možno na robot „nave­šať“ mnoho príslušenstva a využiť napr. aj stavebnicu Merkur. Oproti stavebnici Lego Mindstorms prehráva Boe-Bot aj v možnos­tiach programovania, pretože okrem jazyka PBasic iný jazyk nie je k dispozícii. Kde však Boe-Bot jednoznačne vyhráva, je možnosť rozširovať elektroniku [2]. Prostredníctvom voľne prístupných portov a univerzálnej za­pojovacej doštičky je možné k robotu pripo­jiť takmer čokoľvek. Okrem robotiky tak zá­kladná doska Board of Education umožňuje spoznať aj základy senzorovej techniky, digi­tálnych obvodov a pod.
 
Je to vynikajúca vstupná stavebnica pre tých, ktorí sa chcú robotikou zaoberať serióznejšie a naučiť sa okrem robotiky aj niečo z oblasti programovania a elektroniky.
 
Literatúra:
[1] LINDSAY, A.: The Robotics with the Boe-Bot. Student Guide, ver. 3.0. Parallax, Inc., vročení neudáno. Dostupné na <http://www.parallax.com/sites/default/files/downloads/28125-Ro­botics-With-The-Boe-Bot-v3.0.pdf> [cit. 3. 7. 2014]. ISBN: 9781928982531.
[2] BALOGH, R.: Robot Acrob kompatibilný s Arduinom. Automa, 2014, č. 6, s. 10–11.
 
Richard Balogh, Slovenská technická univerzita v Bratislave
foto: s láskavým zvolením firmy
Parallax, Inc., a autor (4)
 
 
 

Rozhovor s Chuckom Schoefflerom

Chuck Schoeffler pracuje na štátnej uni­verzite Idaho, kde programuje riadiace sys­témy budov a stará sa o úspory energie. Na čiastočný úväzok stále učí vo večerných kur­zoch číslicovej elektroniky, mikropočítačov a robotiky. Okrem toho učí aj telocvik (cyk­listika, jóga). Ak práve nesleduje sci-fi fil­my, nejazdí na horskom bicykli alebo nečíta, určite sa hrá s robotmi a mikroprocesormi. Jeho láskou sú aj motorky – má dve: Ninja 500 a Yamaha TW-200, s ktorými objavuje krásy štátu Idaho.
 
Chuck, ako vlastne vznikol Boe-Bot?
Prvý prototyp som si spravil v roku 1999. Bolo to krátko potom, čo firma Parallax vy­robila dosku Board of Education (BoE). Už predtým som v mojich triedach na univerzi­te a na strednej škole pracoval s procesormi BasicStamp a stavali sme aj malé kolesové roboty. Takže keď vznikla doska BoE, hneď som si všimol, že sa k nej ľahko dajú pripojiť servá, a že keď z toho spravím robot, tak by sa na tom dalo veľa programovať. Tak som hľadal niečo vhodné, na čo by sa to všetko dalo pripevniť. V obchode som našiel vhod­né krabičky, na ktoré som pripevnil elektro­niku, vŕtačkou som spravil otvory na servá a dozadu som pridal otočné koliesko. Vpre­du boli zasa servá s kolieskami z podvozku modelového lietadla. Potom som sa niekedy v júni 1999 spýtal Kena Graceyho, vicepre­zidenta firmy Parallax, či sa nechce pozrieť na jeden z mojich prototypov a či by mu ne­vadilo, keby sme to nazvali Boe-Bot. V Pa­rallaxe sa rozhodli, že skúsia spraviť ľahšie vyrobiteľné šasi (pretože to moje bolo prác­ne a drahé). Onedlho prišli s návrhom, ktorý sa používa dodnes. Poslali mi ho a ja som si ich zopár na stroji NC vyrezal. Potom ich už v Parallaxe začali vyrábať a predávať.
 
Tušili ste taký úspech?
V tom čase (1999), keď vznikol Boe-Bot, existovalo len málo mobilných robotov, ktoré by boli cenovo dostupné pre študentov, experi­mentátorov a učiteľov. S výnimkou robota Gro­wbot (prvý pokus firmy Parallax – šasi bolo tvorené plošným spojom) bolo všetko pre škols­tvo príliš drahé na to, aby si kúpili dosť pre celú triedu. Robot Growbot bol síce dosť úspešný (dodnes mám jeden), ale koncepcia Boe-Bota s oddeleným šasi a komponentmi, ktoré mož­no modifikovať, sa ukázala lepšia. Skutočné uznanie za Boe-Bota teda patrí firme Parallax.
 
Čo by ste dnes na návrhu zmenili?
No, jediná vec, ktorú by som zmenil, je zadné koliesko. Ale ak by ste sa rozpráva­li s Kenom, bude vám rozprávať o cenových
limitoch... Môj pôvodný návrh mal dve lo­žiská nalisované do kúsku plexiskla a vyze­ral ako predné pristávacie dvojkoliesko na modeloch lietadiel. Koliesko bolo nádherné a ľahko chodilo, ale bolo príliš drahé pre sé­riovú výrobu. Tak až na toto si myslím, že návrh je perfektný tak, ako je.
 
Predpokladám, že používate robot aj vo vlastnej triede...
Áno, používam Boe-Botov vo všetkých mojich triedach. Pracovali s ním dokonca už desaťroční žiaci. Často som predvádzal ro­boty Boe-Bot pre všetky možné vekové sku­piny a pomáhal som ich zavádzať do výučby na rôznych školách.
 
Ste s robotom spokojný?
Och, áno. Milujem ich. V Parallaxe by mali vyrobiť tričko a pribaliť ho ku každej stavebnici!
 
Aká aplikácia Vás najviac zaujala a prekvapila?
Myslím, že najviac ma prekvapilo, keď jeden zo študentov použil Basic Stamp na riadenie zapaľovania na jeho motorke Honda 90 a ono to fungovalo!
 
Cez e-mail sa zhováral Richard Balogh.
 
Obr. 1. Prvá verzia robota Boe-Bot
Obr. 2. Obsah stavebnice – príručka, elektronika a komponenty
Obr. 3. Zostavený robot Boe-Bot
Obr. 4. Riadiaca doska Board Of Education
Obr. 5. Grafický programovací jazyk Gui-Bot
Obr. 6. Integrované prostredie s programom a terminálom
Obr. 7. Ukážka z príručky
Obr. 8. Robot s infrasenzormi
 
Tab. 1. Robot Boe Bot v číslach
Tab. 2. Procesor BasicStamp II v číslach