Прошел уже почти век, как писатель Карл Чапек в 1921 году придумал слово «робот» для своей пьесы «Россумские универсальные роботы». С того времени роботы уже не выдумка фантастов: они накрепко укоренились в рамках образовательной программы школ и кружков дополнительного образования.
Роботы разработаны для детей, что не мешает и взрослым любителям электроники обучиться программированию и собрать собственного интерактивного робота. Чтобы хоть немного сориентировать вас в многообразии вариантов, мы оценили возможности конструкторов и популярных роботизированных платформ, разобрались в видах и ценах.
Время чтения: 22 минуты |
С чего начать знакомство с робототехникой
В интересные времена живём, однако. Последние достижения в областях робототехники и компьютерных наук по-настоящему впечатляют. Беспилотники Yandex разъезжают по дорогам, Atlas из Boston Dynamics делает обратное сальто, Google хвастается квантовыми компьютерами, NASA готовится к возврату на Луну, а машины Tesla собираются роботами.
Робототехника - перспективное направление, начинать знакомство с которым можно в раннем возрасте. Существует куча наборов и S.T.E.M.-конструкторов для занятий по робототехнике, отличающиеся назначением, сложностью, интерактивностью и комплектацией.
- С чего начать знакомство с робототехникой
- Обзор платформ: какой контроллер выбрать в качестве мозга устройства
- BBC micro:bit – платформа для обучения основам программирования на Java Script и Python
- Makeblock – платформа для конструирования с возможностью использования деталей LEGO Mindstorm
- Arduino – самая дружелюбная плата с процессором и памятью
- Raspberry Pi – популярный мини-компьютер с большой производительностью
- STM32 – микроконтроллер на ядре ARM Cortex-M3
- Сравнение платформ
- Какой робототехнический конструктор для сборки робота выбрать:
Мы подготовили обзор 5 робототехнических платформ, чтобы облегчить непростую задачу выбора набора для знакомства с робототехникой.
BBC micro:bit
Британская компания BBC славится не только увлекательными сюжетами про природу. Встречайте BBC micro:bit - образовательную платформу, вышедшую в рамках инициативы Make It Digital. Micro:bit - это пусковая площадка в мир электроники, микроконтроллеров и IoT(Internet of Things - Интернет вещей). BBC рекомендует начинать знакомство с платой в возрасте 11-12 лет, хотя под контролем взрослых с ней разберутся и ребята помладше. Кроме того, Micro:bit подходит для занятий в школах и кружках робототехники. На сайте microbit.org можно найти готовый план обучения на 14 недель для детей 11-14 лет.
Плата снабжена 2 программируемыми кнопками, 25 светодиодами, 20 GPIO и 3 пинами типа banana connector. На плате есть термометр, акселерометр, магнитометр и Bluetooth модуль для соединения с телефоном. Такого количества начинки с лихвой хватит на десятки проектов. Можно сделать музыкальный плеер, компас, умный вентилятор, мобильного робота с управлением по Bluetooth и многое другое.
Программируется плата в облачной среде разработки Make Code на microbit.org. Новичкам можно программировать блоками Scratch, более продвинутым - на JavaScript и Python.
Makeblock
Makeblock - компания, выпускающая решения для STEM образования. В линейку продуктов входят несколько мобильных роботов, конструкторы по сборке лазерного гравера и XY-графопостроителя, и даже модульный дрон.
Наборы Makeblock ориентированы на аудиторию разных возрастов, начиная с 6 лет. Конструкторы mTiny, Codey Rocky и Neuron подойдут для знакомства с миром робототехники. Наборы мобильных роботов снабжены Arduino-подобным контроллером с коннекторами сенсоров, которые знакомы любителям Lego Mindstorms. Они подходят как для самостоятельных занятий, так и для кружков. Готовая программа обучения доступна на makeblock.com
В зависимости от поставленных задач можно выбрать набор. Наборы для знакомства с робототехникой упрощены чтобы избежать перегрузки информацией. Neuron поставляется в виде блоков, которые можно соединять. mTiny и Codey Rocky выполнены в цельном корпусе. Другие наборы более гибкие и добавляют возможность создавать более сложные проекты. Набор Ultimate 2.0, например, оснащен платой MegaPi, аналогом Raspberry Pi, которая дает максимальную свободу действий в сравнении с другими наборами Makeblock.
Программировать наборы можно как с помощью Scratch на makeblock.com, так и в Arduino IDE на C++.
Arduino
Ещё полтора десятка лет назад, чтобы помигать светодиодом с микроконтроллера, нужно было знатно потрудиться. Нужно было прочитать кучу книг, раздобыть необходимую обвязку в виде кварцевого генератора, резисторов, конденсаторов и программатора, правильно подключить все это дело и, скрестив пальцы, прошить чип. В 2005 ситуация изменилась. Массимо Банци и команда выпустили плату как помощь студентам в обучении программированию и электротехнике. Имя плате досталось в честь паба “Bar Di Re Arduino”, который Банци частенько навещал. Так и родилась Arduino.
Arduino - это платформа для обучения и прототипирования устройств. Главное достоинство Arduino - связка аппаратного и программного обеспечения, которая позволяет легко воплощать идеи в жизнь. Знакомство с Arduino стоит начать в средней школе. На сайте arduino.cc можно узнать больше об образовательных программах на Arduino.
Линейка плат Arduino содержит платы разных мощностей, назначения и размеров. Платы расширения, по-другому Шилды, и бесчисленное количество разных датчиков от кнопок до сканеров отпечатка пальца добавляют дополнительный функционал. Самая популярная плата, Arduino UNO, оснащена 14 цифровыми и 6 аналоговыми пинами, 32 КБ Flash памяти и 1 КБ EEPROM. |
Arduino славится количеством проектов, которые были реализованы на её основе. Начать можно с проектов попроще, постепенно наращивая сложность. Кстати, на сайте Arduino есть раздел Project Hub, где собраны тысячи проектов со всего мира.
Программировать Arduino можно на C++ используя десктоп или веб-версию Arduino IDE. Ещё есть возможность использовать Scratch через ScratchX или S4A и Python через pyFirmata.
Raspberry Pi
Переходим к тяжелой артиллерии. Raspberry Pi - это полноценный одноплатный компьютер, на котором можно запустить операционные системы Raspbian, Ubuntu Core, Windows 10 IoT Core и ещё кучу всяких интересностей. Raspberry Pi подойдет ребятам старших классов. На сайте raspberrypi.org есть учебный план, который разбит на 4 уровня сложности.
Чтобы решить задачи каждого покупателя, в линейке плат Raspberry Pi есть платы разного форм-фактора и мощности. На недавно вышедшей Raspberry Pi 4B, например, установлено 4 USB порта, 2 из которых USB 3.0, гигабитный Ethernet, 2 micro HDMI порта с поддержкой 4К видео, WiFi, Bluetooth 5.0 и 40 GPIO пинов.
Потенциал платы ограничен только воображением. Можно создать свою медиасистему для просмотра фильмов в 4К, можно превратить Raspberry Pi в эмулятор игр и спасти принцессу Пич, можно даже сделать систему безопасности с возможностью распознавания лиц.
Программировать Raspberry Pi можно разными способами. Если подключить монитор, клавиатуру и мышь и запустить графический интерфейс, получится полноценный персональный компьютер. Тут есть где разгуляться. Программировать можно на Python, C, C++, Java, Html5 и других языках. Настоящие хакеры пользуются SSH соединением и управляют Raspberry Pi удаленно через Bash. Этот навык пригодится будущим системным администраторам.
STM32
Микроконтроллеры STM32 для тех, кто намерен влиться в мир промышленных микроконтроллеров. Здесь все серьёзно - регистры, шестнадцатеричная система счисления, язык программирования C. Начинать освоение STM32 лучше в старших классах. Повозиться придётся, но старания окупятся - специалисты по программированию встраиваемых систем ценятся на рынке труда.
Все проекты на Arduino, реализуемы и на платах STM32. Основное отличие в том, что проекты, выполненные на STM32 потребуют больше времени, а взамен дадут кристальное понимание всех систем. Микропроцессоры STM32 на голову превосходят микропроцессоры Arduino по техническим показателям при схожей цене. Вот небольшое сравнение чипа Arduino UNO и похожего чипа STM32.
STM32F103C8T6 | ATmega328P-AU | |
Частота осциллятора | 72 МГц | 16 МГц |
Количество GPIO | 37 | 23 |
Объем Flash памяти | 64 КБ | 32 КБ |
Разрешение АЦП | 12 бит | 10 бит |
Разрешение ШИМ | 16 бит | 10 бит |
Интерфейсы | I2C, SPI, UART, CAN, USB, LIN, IRDA | I2C, SPI, UART |
Напряжение питания | 2-3.6 В | 1.8-5.5 В |
Программировать STM можно и в Arduino IDE, но чтобы полностью использовать возможности платы придется перейти на чистый C в STM32Cube IDE, например.
Сравнение платформ
Все ещё не знаете что выбрать? Вот таблица, которая сможет облегчить задачу.
BBC micro:bit | Makeblock | Arduino | Raspberry Pi | STM32 | |
Сложность | ★☆☆ | ★☆☆ | ★★☆ | ★★★ | ★★★ |
Возраст для самостоятельного изучения | 10+ | 10+ | 12+ | 14+ | 14+ |
Возраст для изучения с учителем | 8+ | 6+ | 10+ | 12+ | 14+ |
Готовое решение для образования | ★★★ | ★★★ | ★★★ | ★★☆ | ★☆☆ |
Возможности | ★☆☆ | ★★☆ | ★★☆ | ★★★ | ★★★ |
Язык | Scratch, Java Script | Scratch, C++ | C++, Scratch, Python | C++, Python, Java, Java Script | C++, C |
Обзор современных робототехнических конструкторов
Роботы на BBC micro:bit
Решили остановиться на BBC micro:bit, вот несколько наборов, на которые стоит обратить внимание.
Черепаха Yahboom micro:bit Smart Robot CarС этим набором можно собрать мобильного робота своими руками. Робот оснащён ультразвуковым дальномером, ИК датчиком, двумя датчиками езды по линии, пьезопищалкой и светодиодами. Все детали, включая отвертку и поле для езды по линии включены в комплект. Конструктор пригодится для изучения азов робототехники таких как управление моторами, езда по линии, беспроводная ИК и Bluetooth связь. Подробнее |
|
Самоход Hiwonder LOBOT micro:bit QtruckНужен вездеход? Qtruck спешит на помощь. Робот оснащён манипулятором, с помощью которого можно захватывать различные предметы, ультразвуковым дальномером для обнаружения препятствий и датчиками для езды по линии. Управлять роботом можно через приложение на телефоне. |
|
Рука-робот Hiwonder LOBOT micro:bit uHandbitМеханическая робо-рука на платформе BBC micro:bit точно сможет заинтересовать юного робототехника. Рука умеет показывать жесты, считать на пальцах и реагировать на звуки. В комплекте идут датчик цвета и звуковой дальномер, которые можно использовать для активации движений руки. Робо-рука может использоваться как развлечение для вечеринок и мероприятий. Можно, например, сделать робота, который будет приветствовать всех входящих людей каким-нибудь жестом. |
|
STEM конструктор Hiwonder LOBOT micro:bit DaDaЭтот набор придётся по вкусу любителям Lego и начинающим робототехникам. Используя детали конструктора можно собрать 20 моделей роботов. В набор входят ультразвуковой датчик, датчик света, датчик цвета, ИК датчик препятствий, 4-сегментный дисплей, сервопривод и пропеллер. |
Роботы на Makeblock
Роботы Makeblock – хороший выбор для кружков и школ. Ниже представлены несколько наборов, с которых можно начать изучение робототехники.
Машинка Makeblock mBot v1.1Этот конструктор поможет сделать первые шаги в мире робототехники. Простота сборки, понятный язык программирования Scratch и куча обучающих материалов помогут на первых порах. Далее можно переходить к более серьезным проектам и программированию в Arduino IDE. В комплекте присутствуют ультразвуковой дальномер, датчики линии, ИК приёмник и ИК излучатель, датчик света, пьезопищалка и светодиоды. На базе этого набора можно сделать робота, объезжающего препятствия, робота-гонщика, робота, который может пройти лабиринт и много чего ещё. Когда захочется чего-то большего - смотрите на наборы дополнения. Дополнение Interactive Light and Sound, например, добавляет датчики освещённости, звука и светодиодный модуль. Они позволять создать робота-насекомого, который будет двигаться на свет или звук или робота-сортировщика, который может распознавать цвета грузов и сортировать их. Есть две комплектации робота, отличающиеся способом удалённого управления роботом. В одной комплектации идёт Bluetooth для управления с телефона, в другой - радиомодуль 2.4 ГГц для управления с пульта. А ещё можно выбрать цвет робота, розовый или синий. Подробнее о версии с BluetoothПодробнее о версии с радиомодулем 2.4 ГГц Подробнее о ресурсном наборе |
|
STEM-комплект 3 в 1 Makeblock mBot RangerЕсли предыдущего конструктора оказалось недостаточно - приглядитесь к Makeblock mBot Ranger. Используя детали этого конструктора можно построить три модели роботов с различными функциями. Первая модель - робот-танк. Этот робот для езды по пересечённой местности. Пригодится для исследования пещер и покорения скалистых вершин. Вторая модель - робот-гонщик. Собрав его, вы сможете показать кто самый быстрый ездок по линии на Диком Западе. Третья модель - балансирующий робот. Робот способен балансировать на двух колёсах с помощью гироскопа. Подробнее |
|
Дрон Makeblock AirblockЧто-то летающее - это уже классно, а летающий конструктор выводит обучение на новый уровень. Особенность этого набора - модульная структура на магнитных креплениях. Моторы можно подсоединять в разном количестве и под разными углами, а прикрепив моторы на базу для катера можно собрать судно на воздушной подушке. Встроенный гироскоп позволяет удерживать заданное положение в пространстве, барометр помогает определить высоту полёта, а ультразвуковой дальномер снизу предупреждает о столкновении с землёй. Изучив этот набор, вы разберётесь с влиянием количества моторов на грузоподъёмность дрона, узнаете, как атмосферное давление зависит от высоты подъёма, отрегулируете ПИД-алгоритм для удерживания заданного положения и запрограммируете дрона на удержание заданной высоты над землёй. Подробнее |
Роботы на Arduino
Заинтересовались проектами на Arduino? Обратите внимание на эти наборы.
Машинка, управляемая через Bluetooth Yahboom Arduino Robot CarЭтот набор хорош для знакомства с Arduino и электротехникой. В комплекте идут платформа с припаянными датчиками линии, ИК детекторами препятствий и драйвером моторов, ультразвуковой датчик на вращающейся башне, две макетные схемы и куча рассыпухи в виде резисторов, датчиков и светодиодов. Особенностью этого конструктора являются макетные схемы. Они позволяют собирать электронные схемы без флюса и припоя. В процессе изучения набора вы узнаете кто такие Ом, Ампер, и что за напряжение возникло в их отношениях, как решить проблему нехватки пинов Arduino, подключите ЖК дисплей и поймёте как свет влияет на сопротивление фоторезистора. Подробнее |
|
Автомобиль, проезжающий не только лабиринты Arduino Robot Car Wi-FiХотите чего-то более продвинутого, чем просто мобильный робот? В этот набор, помимо мобильной платформы с датчиками, входит камера на вращающейся башне и Wi-Fi модуль, при помощи которого можно транслировать видео на телефон и управлять роботом в одно и то же время. Если разобраться с тем, как работает Wi-Fi модуль, можно передавать видео на компьютер, обрабатывать его алгоритмами компьютерного зрения и посылать команды движения, основываясь на результатах. Подробнее |
|
Пишущий робот Arduino PlotclockХотите произвести впечатление своей пунктуальностью? Робот-часы поможет. Изучив этот набор вы поймете, почему важно иметь запасную батарейку, разберётесь с прямой и обратной кинематикой в плоскости и узнаете что такое сплайны. Кстати, если разобраться, как работает робот, его можно переквалифицировать в робота-художника, который сможет рисовать картины по запросу. Подробнее |
Робоманипулятор ZYMiniArmЧтобы разобраться, как работают промышленные манипуляторы, нужно перелопатить горы литературы и потратить несколько лет на обучение. Однако, если познакомиться с манипуляторами в раннем возрасте, то обучение в будущем будет намного понятнее. Начать можно с этого набора. Манипулятор обладает 4 степенями свободы, что даёт ему достаточную гибкость без усложнения конструкции и теоретических расчётов. В процессе изучения этого набора вы разберётесь с прямой и обратной кинематикой, поймете, что такое рабочее пространство манипулятора и запрограммируете удалённое управление по Bluetooth. Подробнее |
|
Манипулятор Hiwonder LOBOT LeArm Single RobotЭтот манипулятор приближен к реальным манипуляторам, которые используются на производстве. Манипулятор обладает 6 степенями свободы, что позволяет подойти к цели с разных сторон. Этот набор является продолжением ZYMiniArm с большим количеством возможностей и управлением через джойстик. |
|
Манипулятор на шасси MeArmЕсли совместить мобильного робота и манипулятор, получится, как ни странно, мобильный манипулятор. Набор объединяет в себе знания, которые можно получить, собрав ZYMiniArm и Arduino Robot Car. Управлять роботом можно с джойстика, а можно запрограммировать на автономное перемещение. Подробнее |
Балансирующий робот на двух колесах Yahboom Arduino Balance RobotЕсть чувство баланса? Ну, тогда этот робот точно для вас. Когда робот научится балансировать, его можно переквалифицировать в робота-официанта, который будет доставлять напитки на платформе сверху. В состав набора входят моторы с энкодерами, акселерометр и гироскоп и Bluetooth модуль для управления. В процессе изучения набора вы поймете, где лучше всего разместить центр тяжести устройства, отрегулируете коэффициенты ПИД-регулятора и разберётесь с передачей данных по Bluetooth. Подробнее |
|
Гусеничная машина Keywish Panther TankГлавная особенность этого робота - это гусеничное шасси внушительных размеров. Мощные моторы в связке с гусеницами дают возможность проехать там, где колёсные роботы застревают. Этот набор подойдёт путешественникам и будущим покорителям Марса. Контролировать робота можно по Bluetooth и ИК каналам, а ультразвуковой дальномер на вращающейся опоре поможет водителю избежать ненужных столкновений. Подробнее |
|
Бионическая перчатка Hiwonder LOBOTНадоели пульты управления и джойстики? Бионическая перчатка решит проблему. В печатку встроены энкодеры для считывания положения пальцев и датчик движения. С помощью неё можно управлять роботами и бытовой техникой жестами и движениями руки. |
|
Танк Xiao-r TH Robot CarЭтот набор укомплектован по-полной. Платформа на гусеницах, Arduino Mega и Wi-Fi модуль, HD камера на поворотном креплении, манипулятор, ультразвуковой дальномер и датчики линии. Робот точно пригодится в спецоперациях по обнаружению и уничтожению конфет в доме. В процессе сборки и программирования вы научитесь удалённому управлению роботом, передаче видео по Wi-Fi, контролю манипулятора и много чему ещё. Подробнее |
Роботы на Raspberry Pi
Заинтересовала Raspberry Pi? Отлично, у нас есть несколько малиновых экспонатов.
Робот на трех колесах Yahboom Raspberry Pi 3 B+ TrikeBot carТрёхколёсные велосипеды уже не так популярны как раньше, а вот трёхколёсные роботы - другое дело. Робот оснащён сервомотором, который отвечает за поворот ведущего колеса, камерой, ультразвуковым дальномером, тремя датчиками линии и светодиодами для подсветки. Набор подойдёт начинающим робототехникам. Подробнее |
|
Шагающий робот Hiwonder LOBOT AlienPiЕсть три вещи, на которые можно смотреть бесконечно: как горит огонь, как течет вода, и как передвигаются шагающие роботы. Шагающие роботы могут пройти там, где застрянет колёсный робот, и перелезть через преграды, неподвластные гусеничным платформам. С этим набором вы изучите особенности движения шагающих роботов и примените алгоритмы машинного зрения на практике. На робота установлена камера, с которой можно получать видео по Wi-Fi. Видео можно использовать как помощь в управлении роботом, а можно подавать на вход алгоритмов распознавания объектов, цветов и линий. |
|
Робопаук Hiwonder LOBOT SpiderPiПитер Паркер один не справится. Робот-паук поможет следить за порядком. На роботе установлена камера, видео с которой можно транслировать по беспроводной сети, а внушающий образ робота заставляет дважды подумать, прежде чем нарушить закон. Изучив этот набор, вы разберётесь с кинематикой роботов с большим количеством степеней свобод, научитесь следить и следовать за объектом, распознавать цвета и держать равновесие на наклонной поверхности. |
Конструкторы STM32
STM32 - серьёзный выбор серьёзно настроенных людей. Вот три набора, изучив которые, можно получить знания, необходимые в индустрии.
Робот-автомобиль 4WDЭтот набор подходит для знакомства с STM32. В комплекте вы найдёте всё необходимое, чтобы собрать своего первого управляемого робота. Робот оснащён ультразвуковым дальномером на вращающейся опоре, тремя датчиками линии, двумя ИК датчиками препятствий, ИК приёмником и вольтметром. Подробнее |
|
Балансер Xiao-r Roly Robot Balance CarХотите впечатлить публику? Робот, который может балансировать на двух колёсах, точно не останется незамеченным. Кроме этого, робот отлично подходит для изучения продвинутых концепций робототехники и электротехники. В процессе сборки и программирования робота вы поймете, где лучше разместить центр тяжести, подберёте параметры ПИД-регулятора, разберётесь с тонкостями работы с беспроводными сетями и познакомитесь с алгоритмами машинного зрения. Подробнее |
|
Автомобиль с колёсами Илона Xiao-r XR MASTERОсновной особенностью этого робота являются колёса Илона. Нет, не Илона Маска, а Бенгта Илона. Конструкция колеса позволяет роботу двигаться с места в любом направлении, а шаговые моторы позволяют совершать высокоточные движения. На основе этого набора можно построить автономного робота-кладовщика, который сможет самостоятельно доставлять грузы с желаемой точки склада. В процессе занятий с набором вы разберетесь, как рассчитать кинематику робота, как следовать линии, объезжая препятствия и как удалённо управлять роботом. Подробнее |
Дополнительные наборы
Если робототехническая плата уже есть, но хочется чего-то большего, то стоит обратить внимание на раздел платформ для сборки роботов. В этом разделе сайта вы найдёте шасси для мобильных роботов разных размеров, цветов и возможностей, а также механические части для сборки манипуляторов. Платформы для сборки роботов, механические части |
Для раскрытия творческого потенциала ребёнка и его знакомства с робототехникой подойдет любой из описанных выше наборов. Поэтому предлагаем не медлить и начать исполнять мечты детей. Ведь есть из чего выбирать! |