Mindstorms EV3 - современный конструктор с невероятными возможностями

Серия Lego Mindstorms EV3 - самый известный набор для обучения детей робототехнике и основам программирования.

С 1991 года компания по производству детских игрушек была убыточной 11 лет. Правильным шагом на пути к успеху и всемирной славе стало решение оживить лего-конструкции за счет добавления в игровые наборы датчиков, электродвигателей, программируемого блока. Так началась новая эпоха.

Лего Mindstorms EV3 история создания

В 1998 году на свет появилась серия Lego Mindstorms RCX. В 2006-м вышла обновленная версия под названием NXT, а в 2013-м компания радует юных конструкторов очередным обновлением, которое названо Mindstorms Education EV3 (сокращенно от Evolution 3).

Сердцем любого набора серии является так называемый программируемый кирпич (P-brick) - микрокомпьютер. Если сравнивать все версии, то можно заметить незначительные изменения наборов в целом. Строительные кирпичи, шестерни, балки, оси и другие детали практически не менялись. Зато микроконтроллер менял внешность и расширял свои функциональные возможности, следуя за современными тенденциями развития среды программирования и компьютеров.

Главные отличия Lego Mindstorms Education EV3:

• Современный блок EV3 работает на основании операционной системы Linux, которая свободно распространяется.

· Наборы всех версий совместимы между собой. Если вы использовали серию NXT, а потом вас заинтересовали роботы Mindstorms EV3, то их можно рассматривать как дополнение к предыдущему варианту набора.

Конструкторы предназначены для использования детьми от 10 лет.

Какими бывают наборы Lego Mindstorms EV3

Существует две разновидности конструкторов:

· 31313 Mindstorms EV3 Home Edition -набор для домашнего пользования, игры детей и любителей (коробочная версия);

· Lego Mindstorms EV3 45544 - комплект для образовательных учреждений, которым пользуются ученики и преподаватели.

По желанию родителей или учителей базовый набор Lego Mindstorms Education EV3 каждой из версий может быть расширен за счет дополнительных комплектов. Самым востребованным, например, является ресурсный набор, состоящий из стандартных деталей, предоставляющий юным конструкторам возможность собирать роботов больших размеров и более сложной конфигурации.

Конструктор основан на деталях LEGO Technic и сложной электронике. Он включает:

• Мощный микрокомпьютер EV3 с возможностью перепрограммирования.
• Три электрических сервомотора.
• Соединительные кабели.
• Более 500 строительных элементов.

Программное обеспечение для LEGO Mindstorms 45544 с 2016 года поставляется бесплатно. Оно включает в себя 48 интерактивных уроков с пошаговыми инструкциями по сборке.

Почему стоит купить базовый набор LEGO Mindstorms EV3 45544?

• Роботы способны улавливать ультразвуковые волны и видеть предметы, расположенные в радиусе 2,5 м.

• Благодаря датчику цвета, модели различают до 7 оттенков и реагируют на смену освещенности.

• «Мозг» конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 45544 обладает увеличенным объемом памяти и самой высокой вычислительной мощностью в серии Майндстормс.

• Роботы соединяются с компьютером при помощи WiFi и Bluetooth.
• Модели управляются при помощи планшетов или смартфонов.

Модели которые можно собирать при помощи данного набора

С помощью базового набора Mindstorms EV3 можно собрать несколько моделей: робота на колесах, сортировщика, манипулятора, щенка и т.п. Высокотехнологичная игрушка вдохновляет детей на изучение школьных предметов, совместное обсуждение задач и поиск наилучшего инженерного решения.

Программная среда

Купить LEGO 45544 также стоит для обучения основам компьютерных программ. Специально для этой серии компанией National Instruments было разработано графическое ПО, которое легко усвоить даже тем, кто раньше не был знаком с программированием. Чтобы управлять роботами, не нужно кодировать - оболочка содержит готовые алгоритмы в виде иконок, из которых собирается последовательность действий. Впоследствии ребята могут улучшать свои навыки, используя языки программирования на основе Java или C+.

Образовательные возможности

Необходимо помнить, что базовый набор LEGO Mindstorms Education EV3 прежде всего, образовательный конструктор. Он рекомендуется для школьников, начиная с 10 лет и старше. Роботы часто используются на уроках для наглядной демонстрации теории по многим предметам: физики, математики, технологии, информатики. Классы также могут участвовать в соревнованиях роботов, представляя свою школу или кружок. Конструктор LEGO EV3 45544 приспособлен и для домашнего использования. Решение стало более доступным благодаря бесплатному программному обеспечению.

Каждый ребенок мечтает о хотя бы маленьком наборе конструктора "ЛЕГО". И умные родители знают, что это хорошее желание, которое стоит исполнить, ведь работа с деталями не только позволяет занять малыша на некоторое время, но и развивает мелкую моторику, воздействует на речевой центр, способствует развитию инженерных навыков. Кроме того, с помощью игры дети познают мир и социум. Именно поэтому компания "ЛЕГО" разработала множество линеек для любых возрастов. Например, серия DUPLO подходит для малышей 1,5-5 лет, линейка FRIENDS разработана для девочек 5-12 лет, CITY подойдет мальчикам 5-12 лет, ну а для старшего возраста выпущен специальный набор LEGO Mindstorms. О таком необычном конструкторе стоит поговорить отдельно, ведь это целый комплекс для создания и программирования.

Прежде всего, важно обратить внимание на отличие этого набора от других серий "ЛЕГО". Дело в том, что робот LEGO Mindstorms - это не просто конструктор, а набор элементов и блоков питания, которые позволяют фигуре двигаться и реагировать на раздражители.

Впервые компания выпустила такой конструктор в 1998 году. Правда, та версия мало напоминала современную. Это был набор стандартных деталей вроде осей, колес и шестеренок, к которым прилагался процессор, инфракрасный двунаправленный порт, дисплей со встроенным динамиком и несколько датчиков.

Конечно, с таким набором деталей особо не пофантазируешь, а того количества инструкций, которое можно найти сегодня, увы, не было. Но тем не менее именно вызвал немалый ажиотаж и дал жизнь линейке LEGO Mindstorms. Создатели хорошо поработали над расширением возможностей и ресурсов данной серии и вскоре запустили в продажу новый вариант конструктора.

Mindstorms NXT

В 2006 году в продаже появилось второе поколение роботов Mindstorms, которое было названо NXT. Стоит заметить, что было несколько вариантов этой серии. В 2009 году вышла версия NXT 2.0, которая несколько отличалась от своих предшественников и содержала 613 кубиков. В ней, помимо стандартных базовых деталей, появились уже более совершенные элементы, которые позволяли разнообразить вариации сборки и увеличить функциональность набора. В комплект NXT 2.0 входили также:

• Программируемый блок.
• 3 сервомотора, которые можно использовать в качестве датчиков поворота.
• Сенсор цвета, умеющий определять основные цвета.
• Два сенсора прикосновения.
• Ультразвуковой сенсор, способный определить расстояние до объектов и реагирующий на движение.
• Множество осевых и шестереночных механизмов, которые позволяют приводить в движение отдельные части.

Благодаря всем этим нововведениям собранный из конструктора робот мог сортировать по цвету небольшие детали или шарики, двигаться и выполнять маневры, обходя препятствия и т. д. А особо продвинутые любители смогли запрограммировать своего бойца на сборку кубика-рубика. Впрочем, возможно, это всего лишь миф?

Mindstorms EV3

Современный набор EV3 появился на рынке в 2013 году и сразу нашел массу поклонников, ведь состав конструктора был улучшен, в нем появилось еще больше разнообразных датчиков и сенсоров. Его отличительной чертой стала операционная система LINUX и увеличенная до 16 МБ оперативная память. Кроме того, стал больше дисплей, появилась поддержка Wi-Fi и Bluetooth. Все это позволило создателям вволю пофантазировать! Только на официальном сайте инструкции представлены на 17 вариантов сборки (в коробке есть руководство только для одной модели) из доступных 601 детали. А на любительских форумах можно отыскать более 50 моделей!

Бывает так, что для задумки не хватает каких-либо деталей. Покупать их отдельно в России нереально, а брать дорогой набор серии Technic ради одной шестеренки не станешь. Компания позаботилась и об этом! Сегодня для внимания представлены ресурсные наборы LEGO Mindstorms Education. В их составе еще большее количество разнообразных деталей, так что ваш ребенок будет доволен. Нередко именно Education используется в общеобразовательных учреждениях, а также в центрах досугового творчества, где представлены кружки "ЛЕГО"-конструирования. Еще бы, ведь вместе с базовым набором получится целых 1418 деталей, из которых можно создать самого невообразимого робота!

Также наборы Education используются на всемирных соревнованиях. В них могут участвовать школьники и студенты в возрасте от 10 лет до 21 года. Иначе эту олимпиаду называют Международными Состязаниями Роботов (МСР). В России они проходят в 4 этапа, а победителей награждают путевкой в летний робототехнический лагерь!

Четвёртого января 2013 года LEGO представила третью версию популярного конструктора Mindstorms - EV3:

Понятно, что кубики LEGO остались практически неизменными, а вот «мозг» компьютера претерпел значительные изменения и обещает стать любопытной игрушкой не только для детей, но и для взрослых гиков (как это впрочем и было с предыдущими версиями конструктора).

Программируемый кирпичик в третьей реинкарнации выглядит вот так:

Технические характеристики:

• Процессор - ARM9 (в конструкторе NXT 2.0 использовался ARM7)
• FLASH память - 16 мегабайт
• Оперативная память - 64 мегабайт
• Операционная система - Linux
• Слот расширения SD
• USB 2.0 (поддерживает USB Host, то есть можно вставить WiFi свисток)
• Bluetooth 2.1
• 4 порта на вход и 4 порта на выход
• Динамик

Объединить можно до четырёх таких модулей.
Запитываются кирпичики от вот таких аккумуляторов (ёмкость, правда на данный момент неизвестна):

Комплект поставки

Помимо собственно основного кирпичика в комплект также входят:

• Три сервомотора (два больших и один маленький)
• Датчик нажатия (Touch Sensor, попросту - кнопка)
• Цветовой сенсор
• Датчик расстояния (в некоторых пресс-релизах заявлен инфракрасный, но я полагаю, он всё-таки ультразвуковой)

На фотографии второй сенсор слева - это гироскоп-акселерометр, он в базовый комплект поставки, судя по всему, не входит.

Также доступен инфракрасный маячок (возможно его потребуется покупать отдельно), с помощью которого можно управлять роботом, либо можно создать робота, который будет самостоятельно выполнять поиск маячка.

Общее количество блоков Lego-Technics в комплекте - 594. Изготовитель обещает сохранить обратную совместимость с NXT2.0, то есть будет возможно использовать моторы и сенсоры от предыдущей версии.

Заявленная цена - 350 долларов. Будем надеяться, что Лего не будет считать доллар равным евро, как это нынче модно, и в Европе он будет стоить хотя бы 300 Евро. Для сравнения - Lego Mindstorm NXT 2.0D в Германии стоит 274 Евро. Кроме того, возможно появление EV3 вызовет некоторое снижение цены на NXT 2.0.

Программирование будет осуществляться при помощи специальной графической программы, поставляемой компанией National Instruments (также, как и в предыдущей версии конструктора). Эта программа имеет довольно низкий «порог вхождения», что очень хорошо для обучения детей азам робототехники. Будем надеяться, что и взрослые дети не останутся «за бортом» и NI будет продолжать поставлять библиотеку для LabVIEW. Вообще игрушка обещает быть любопытной из-за наличия линукса на борту - почти наверняка через некоторое время появятся прошивки, расширяющие возможности встроенного компьютера.

Также представляет интерес возможность интеграции с iOS и Android (робот может работать автономно, либо получать управляющие команды с планшета по Bluetooth).

Конструктор будет доступен во второй половине этого года. Возможно если вы уже собрались купить NXT 2.0, то имеет смысл немного подождать. Рекомендованный возраст пользователей - от 10 лет.

В заключение - несколько фотографий роботов, которые можно построить с использованием EV3, найденных на просторах сети:

Конвейер с сортировкой кубиков по цвету (это для тех детей, кто хочет посвятить свою жизнь промышленной автоматизации):

Балансировщик - что может быть лучше для изучения основ ПИД-регулятора?

Роботы — это просто. И они могут все. В принципе, на этом рассказ о конструкторе LEGO Mindstorms EV3 можно было бы завершить. Однако, несмотря на то что на дворе уже вторая декада XXI века, далеко не все люди готовы принять на веру эти два утверждения. Придется озаботиться обоснованием.

Сергей Апресов

Первый набор LEGO Mindstorms, по­явившийся в 1998 году при непосредственном участии МIT, моментально вырос в нечто большее, чем просто игрушка. Конструктор, позволяющий за считанные минуты собирать весьма сложные механические системы и наделять их интеллектом без знания даже азов программирования, стал излюбленным средством быстрого прототипирования для изобретателей-любителей, студентов-технарей и даже профессионалов-промышленников.

Конструктор поколения EV3, поступивший в продажу с 1 сентября этого года и попавший к нам на тест, — уже четвертая генерация Mindstorms. Как и у прежних версий, его успех зиждется на трех китах — конструктивных элементах серии Lego Technics, разнообразных электрических компонентах, включая мощные сервомоторы, датчики и контроллер, и уникальном программном обеспечении — фактически мощном языке программирования с дружелюбным графическим интерфейсом Drag & Drop.

Рецепт идеального изобретательского коктейля для детей и взрослых остался прежним. А чтобы распробовать тончайшие нюансы вкуса новой версии, мы решили выйти за рамки инструкции по сборке и предложить конструктору нестандартную задачу.

Принцип домино

Слышали ли вы о Дне домино? Энтузиасты выстраивают колоссальные последовательности из миллионов костяшек домино, поставленных на ребро. Они образуют причудливые узоры, фантастические ландшафты, сказочные картины. Последовательность должна быть выстроена таким образом, чтобы первая упавшая костяшка по принципу домино заставила упасть все остальные. Побеждает команда, которой удалось задействовать в принципе домино наибольшее количество костяшек. Текущий мировой рекорд составляет 4 491 863 штуки.

Конечно, рекордные конструкции из домино кропотливо выстраиваются вручную. Но мы решили схитрить и построить робота, который сможет выставить костяшки за нас, следуя начерченной на полу линии. Взаимодействие с предметами, которые не входят в состав конструктора, — вот и первая непростая задача для набора. Ширина стандартной костяшки — 25 мм. Ширина планки LEGO Technics — 7,5 мм. В хранилище шириной в три планки костяшка не помещается, в четырехпланочном отсеке ей слишком свободно. Тем не менее выход из положения нашелся: в наборе есть небольшое количество тонких деталей, которых оказалось достаточно, чтобы выйти на нужную ширину. Из этого можно сделать вывод, что конструктивный набор Technics достаточно универсален, чтобы строить из него машины для самых разных задач.

Все лучшее — детям

С момента появления первого LEGO Mindstorms студенческие соревнования по робототехнике стали выглядеть несколько предсказуемо: более не утруждая себя работой с металлом, пластиком и прочими материалами, будущие инженеры без зазрения совести используют для своих проектов детский конструктор. И если студентам это чести не делает, то самому конструктору — напротив.
Взяв за основу успех LEGO в вузах, специалисты компании представили образовательный набор Mindstorms Education, предназначенный для университетов и школ. Именно такой комплект и попал к нам на тест. Помимо расширенного набора деталей в него входит два вида программного обеспечения — для учеников и учителей. Учительский комплект включает методические материалы, электронный журнал, редактор контента для оформления обучающих проектов собственного авторства. Ученики получают электронные тетради, видеоролики и подробные инструкции по сборке, примеры решения задач с пояснениями, советы и идеи для самостоятельной работы.
Mindstorms способен помочь в изучении практически любого естественно-научного предмета. Ведь он может служить и как продвинутый измерительный прибор с возможностью регистрации данных (опыты по химии), и как программная среда (информатика), и как набор для экспериментов в области механики и физики. Даже алгебраические функции намного интереснее изучать на примере конкретных технологических задач. Наличие в классе нескольких наборов Mindstorms позволяет ученикам сообща строить сложные машины с использованием нескольких контроллеров и множества моторов и датчиков.
Единственное необходимое условие для полноценного использования этого конструктора в школе — бесконечный энтузиазм, увлеченность и вдохновение учителя. Ведь для того чтобы постичь все возможности Mindstorms и научиться использовать его творчески, даже специалисту понадобится не один месяц.

Принцип действия робота хорошо понятен из фотографий: машина волочит по поверхности батарею костяшек, отпуская их по одной. Рычажный механизм захвата для крайней костяшки — отличный пример точности механики LEGO. В нем использована червячная передача, два вида шестерен, шатуны и тяги. Для создания сложных кинематических схем в набор Mindstorms входит множество зубчатых колес, угловые передачи, поворотные столы, разнообразные рычаги и оси, гусеницы, которые можно использовать в качестве цепного привода. Кроме того, конструктор полностью совместим с любыми наборами LEGO серии Technics. Набор содержит очень много разных деталей, и это скорее минус, чем плюс. Вместо универсальных модулей, делающих честь любому конструктору, для каждой задачи нужно искать некий уникальный уголок, переходник, соединительный элемент. Чтобы прочувствовать логику конструирования, нужно обязательно посвятить несколько часов сборке моделей по инструкции. Кроме того, детали легко соединяются между собой, но разъединяются с большим трудом. Хотя, пожалуй, это расплата за прочность сборных конструкций. Существуют аналоги, к примеру немецкий Fischertechnik, которые позволяют собирать более универсальные и жесткие конструкции из меньшего количества элементов. Однако именно LEGO остается чемпионом по гибкости подвижных механических схем. А электронный модуль EV3 и вовсе делает новый Mindstorms уникальным.

Умный кирпич

Контроллер с красноречивым названием LEGO Intelligent Brick («умный кирпичик») — вот что делает EV3 действительно всемогущим. Это миниатюрный компьютер на базе Linux с 80 МБ памяти на борту и слотом для 32-гигабайтной SD-карты для хранения программ. К настольному ПК он может подключаться и с помощью USB-кабеля, и по Bluetooth, и с помощью опционального Wi-Fi-модуля.

Важное новшество EV3 — простой редактор программ прямо на борту «умного кирпичика». Даже не имея под рукой компьютера, можно программировать робота, управлять моторами, контролировать показания датчиков и даже вести журнал значений. Причем и программы, и журналы впоследствии могут быть перенесены на ПК для редактирования и анализа. В наш комплект входило два больших и два средних сервомотора. Каждый из них развивает достаточную мощность, чтобы робот мог без труда поднять собственный вес или волочить по поверхности стандартный набор из 28 костяшек домино, сделанных из искусственного камня.

В базовый комплект входят датчики касания, датчик угла наклона, датчик цвета, ультразвуковой дальномер. Дополнительно для EV3 доступны инфракрасный датчик и маячок, датчик температуры. Многие компоненты могут выполнять несколько различных функций. К примеру, датчик цвета способен также измерять общий уровень осве­щенности, а сервомотор — служить датчиком угла поворота.

В базовом наборе LEGO Mindstorms EV3 нашлось все необходимое, чтобы соорудить мощный механизм захвата крайней костяшки домино. Речь идет о червячной передаче, шатунах, тягах и даже цепких резиновых лапках. Механизм настолько точен, что позволяет удерживать полный комплект домино (28 костяшек), и надежно срабатывает все 28 раз подряд.

Интерфейс программирования LEGO Mindstorms — удивительная вещь. С одной стороны, он предельно прост и дружелюбен. Бывает, программисты сперва рисуют блок-схемы алгоритмов для будущих программ, а затем пишут по ним код. Графический интерфейс позволяет обойтись без второй стадии и сопутствующих ей трудностей: изучения команд и операторов, поиска ошибок, оптимизации кода. Программа Mindstorms — это алгоритм в чистом виде. Нужно лишь брать кубики из панели инструментов и выстраивать их друг за другом.

Но по мере возникновения все более сложных задач вдруг выясняется, что «детский» программный интерфейс таит в себе взрослые возможности. Хотите выполнять математические операции, работать с массивами данных? К вашим услу­гам соответствующие «кубики». Хотите оперировать переменными? Вместо классических X и Y их работу более наглядно выполнят стрелки из той же блок-схемы, проведенные от одних параметров к другим.

В нашем примере робот следует вдоль прочерченной по поверхности линии, точнее вдоль ее края. Для этого используется датчик освещенности: если линия уходит влево, в поле зрения датчика попадает больше светлой поверхности, если же вправо — доминирует черный цвет линии. Числовое значение осве­щен­ности трансформируется в поправку значения мощности правого или левого колесного двигателя. Причем поправка вводится не дискретно, а постоянно, плавно, пропорционально уровню освещенности, обеспечивая точное и непрерывное следование заданной траектории.

Выкладывание костяшек на поверхности — напротив, процесс дискретный. Зафиксировав крайнюю костяшку, робот проходит 2,5 см — это расстояние оптимально для того, чтобы принцип домино работал надежно и выглядел эффектно. Затем, отпустив костяшку, робот проходит ровно 10 мм (ширина костяшки), чтобы схватить следующую. Этот процесс требует серьезной точности движений, и конструктор LEGO готов ее предложить.

«Поженить» в одной программе непрерывный процесс слежения за траекторией и дискретное выкладывание домино — вполне серьезная задача для начинающего программиста. Она требует внимания, творческого мышления и соответствующих возможностей программного инструментария.

Страшно мощная игрушка

Честно говоря, робот, выписывающий узоры из домино, — сущие пустяки для LEGO Mindstorms EV3. Помните сюжет «Терминатора»? В один прекрасный момент машины всея планеты объединились под командованием военного компьютера «Скайнет» и поработили человечество. Как думаете, какой из ныне существующих компьютеров на это способен? Вы будете смеяться, но у EV3 на руках все карты.

Новый контроллер EV3 обладает достаточным быстродействием, чтобы управлять одноосным колесным роботом (типа одноколесного велосипеда или Segway). Забавный «человечек» крепко стоит на своих двоих, ориентируясь на показания датчика угла наклона, и стойко переносит легкие толчки вперед или назад. Разумеется, он способен самостоятельно передвигаться вперед или назад, выполнять повороты и разворачиваться.

Загибайте пальцы. К «кирпичику» EV3 можно подключить всего четыре сервомотора и четыре датчика (если не использовать специальные хабы, которые тоже доступны). Но с помощью USB-кабелей можно объединить четыре модуля под руководством одной программы, доведя количество и моторов, и датчиков до 16.

Модули EV3 могут управлять друг другом на расстоянии. В руководстве есть инструкция по сборке пульта управления на основе EV3 для движущихся моделей, собранных также на основе EV3. Фактически «кирпичики» можно объединить в распределенную вычислительную сеть. Профессионалы вполне могут это проверить: ведь помимо графического интерфейса EV3 понимает множество «взрослых» языков программирования.

EV3 способен работать как встраиваемая система, то есть служить посредником между полноценным ПК и сервомоторами или датчиками. Так что при желании коварные «кирпичики» могут привлечь на свою сторону более мощных собратьев.

Наконец, в руководстве вы найдете инструкции по сборке моделей производственных линий для изготовления конструкций из деталей LEGO. То есть машины, собранные из Mindstorms EV3, способны строить другие машины и воспроизводить сами себя.

Надеемся, наш мрачный поток сознания не станет причиной ваших ночных кошмаров. Ведь пока что все, что за последние 15 лет произвели роботы LEGO Mindstorms, — это бесценный опыт, вдохновение и вера в собственные силы для целой армии юных изобретателей, программистов и инженеров.