С чего начать робототехника


Робототехника для начинающих: курсы, книги и полезные ссылки — Будущее на vc.ru

Подборка материалов, которые помогут войти в профессию.

Инженеры-робототехники занимаются проектированием, конструированием, программированием роботизированных систем. В июне 2017 года Boston Consulting Group оценила, что рынок робототехники к 2025 году вырастет до $87 млрд. В феврале 2018 года аналитики ResearchAndMarkets оценили этот показатель в $48,1 млрд.

Какие нужны знания

Современная робототехника строится на знаниях из области программирования, механики, мехатроники, электротехники, электроники и автоматического управления.

Для освоения робототехники на базовом уровне достаточно школьных знаний по математике и физике. Без понимания физики движения и принципов работы механизмов и электродвигателей сложно собрать функционирующего робота.

Затем идут информатика и проектирование. Так как программирование необходимо в робототехнике не меньше математики, важно разбираться в компьютерных науках и информационных системах. Проектирование поможет создавать удобные продукты. Но знания из других инженерных дисциплин тоже будут полезны.

Направления в робототехнике

Машиностроение изучает физические составляющие робота — его «тело». Подтемы — механика и сопротивление материалов. Большинство курсов в этом направлении ориентированы на физический дизайн и приведение робота в действие.

Электротехника и электроника или «нервная система» занимаются электрическими системами внутри робота, встроенными системами, низкоуровневым программированием и теорией управления. Обычно это автоматизация, которая строится вокруг контроля робота.

Информатика — многие специалисты пришли в робототехнику благодаря увлечению компьютерными науками. Инженеры этого направления концентрируются на программном обеспечении робота и высокоуровневом программировании. Среди тем — искусственный интеллект, навигация, техническое зрение, обработка естественного языка и так далее.

Онлайн-курсы

«Инновации в промышленности: мехатроника и робототехника»

Площадка: Coursera.

Автор: Томский государственный университет.

Курс поможет слушателям определиться, в каком направлении робототехники они хотят развиваться: изучение структуры и кинематики, приводы, управление и программирование, организация производства, автоматизация проектирования и так далее. Для прохождения курса достаточно школьных знаний по математике и физике.

«Робототехника»

Площадка: edX.

Автор: Колумбийский университет.

Преподаватели затрагивают два класса роботов: кинематические цепи и мобильные базы. Слушатели учатся моделировать задачу доставки груза в указанное место. Для этого они получат знания о двумерных и трёхмерных пространственных проекциях.

Из курса студенты узнают, как управлять роботами и передвигать их, а также планировать полные роботизированные системы. Проекты выполняются на языках Python и C++. Также потребуются знания в высшей математике на уровне первого-второго курса университета.

«Строим роботов и другие устройства на Arduino. От светофора до 3D-принтера»

Площадка: Coursera.

Автор: МФТИ.

Курс состоит из практических задач, которые собираются и программируются на основе Arduino. Создаваемые устройства считывают данные с датчиков, обрабатывают данные, получают и отправляют их на компьютер, в интернет и смартфоны. Слушатели изучают проектирование, компоненты, сборку схем, написание программ и диагностику. Курс не требует специальных навыков и ориентирован на всех желающих.

«Введение в робототехнику»

Площадка: Future Learn.

Автор: Квинслендский технологический университет.

Специализация состоит из трёх курсов: от теории к практике. На первом рассказывают про перспективы робототехники и роль роботов в обществе. На втором преподают основы математики и программирования для передвижения роботов, необходимые в практических упражнениях. На третьем научат создавать и программировать простого робота с помощью LEGO Mindstorms.

«Искусственный интеллект в робототехнике»

Площадка: UdaCity.

Автор: Технологический институт Джорджии.

На курсе рассматриваются основные методы в искусственном интеллекте, включая вероятностный вывод, планирование и поиск, локализацию, отслеживание и контроль с упором на робототехнику. Программные примеры и задания применяются в контексте создания беспилотных автомобилей. Финальным проектом станет создание робота, который пытается убежать. Курс входит в программу Mercedes-Benz «Станьте инженером беспилотных автомобилей».

«Введение в робототехнику»

Площадка: Stanford School of Engineering.

Автор: Стэнфордский университет.

На курсе слушатели знакомятся с основами моделирования, проектирования, планирования и управления роботизированными системами. Материалы представляют краткий обзор знаний из области геометрии, кинематики, статики, динамики и управления. К каждой лекции прилагается стенограмма.

«Управление мехатронными и робототехническими системами»

Площадка: «Открытое образование».

Автор: Университет ИТМО.

Преподаватели расскажут про моделирование робототехнических систем и создание алгоритмов управления. Слушатели научатся применять теоретические знания из физики и математики для решения задач управления на примере маятниковой системы.

«Введение в практическую электронику»

Площадка: «Универсариум».

Авторы: совладелец и основатель RoboCraft Алексей Белоусов и руководитель и основатель Lab409 Данил Борчевкин.

Слушатели курса изучат основные принципы электроники и научатся применять их на практике. Студенты создадут простого робота, который любит темноту, объезжает препятствия и не падает со стола. Курс проходит на базе Arduino.

«Основы программирования роботов»

Площадка: «Универсариум».

Автор: заместитель директора ЦТПО МГУПИ Андрей Будняк.

На курсе студенты научатся писать программы к контроллеру Arduino, управлять исполнительными механизмами и считывать информацию с датчиков. Курс рассчитан на начинающих и не требует специальных знаний.

«Неполноприводная робототехника»

Площадка: EdX.

Автор: Массачусетский технологический институт (МТИ).

Слушатели знакомятся с нелинейной динамикой и контролем за неполноприводными механическими системами с упором на вычислительные методы. Изучаемые темы применяются для оптимального и робастного управления и планирования движения роботов.

Рассматриваются примеры из биологии и анатомии передвижения, парных манипуляций, подводных роботов и летательных аппаратов. Также у одного из преподавателей курса Русса Тедрейка есть одноимённая методичка, используемая для обучения в МТИ.

Литература

«Изучаем Arduino. Инструменты и методы технического волшебства»

Автор: Джереми Блум.

В книге Блум рассказывает про основы проектирования на микроконтроллерах Arduino, также он приводит базовые знания про аппаратное и программное обеспечение платформы. К каждому примеру прилагается список инструментов, монтажные схемы и описание листинга программы.

“Springer Handbook of Robotics”

Авторы: Бруно Сицилиано, Уссама Хатиб.

Книга считается авторитетной среди исследователей. Некоторые называют её энциклопедией робототехники. Второе издание содержит ссылки на 700 видеороликов, которые можно просматривать, не отрываясь от чтения, с помощью смартфона.

«Электроника для начинающих»

Автор: Чарльз Платт.

Основы электроники преподаются на примере экспериментов. В книге подробно рассказывается, как проектировать, отлаживать и изготавливать электронные устройства дома. Уроки начинаются с простых опытов с током и заканчиваются созданием устройства с транзисторами и микроконтроллерами.

«Основы робототехники»

Автор: Анатолий Иванов.

Это учебное пособие, в котором излагается теоретический минимум по курсу робототехники. Также описываются примеры применения промышленных роботов на технологических операциях и в роли сервисного оборудования. Рассматривается структура, кинематика, позиционирование и производительность роботов.

“Probabilistic Robotics”

Автор: Себастьян Трон, Вольфрам Бургард, Дитер Фокс.

Книга посвящена новой и растущей области — вероятностной робототехнике. Она основывается на математической статистике и выводит роботов на новый уровень надёжности, так как помогает справиться с нестандартными задачами.

Книга знакомит с множеством методов и алгоритмов в области. Каждая глава содержит примеры реализации в псевдокоде, подробные математические объяснения, обсуждения практиков и большой список упражнений и проектов.

«Введение в робототехнику: механика и управление»

Автор: Джон Дж. Крейг.

В книге подробно описываются кинематика и динамика манипуляторов. В ней также рассматриваются генерация траектории, силовое, линейное и нелинейное управление. Теория сопровождается примерами и задачами, реализованными на MATLAB.

“Introduction to Autonomous Mobile Robots”

Автор: Роланд Зигварт.

Читателю предлагается обзор технологии мобильных роботов — механизмов, позволяющих устройству перемещаться в реальной среде для выполнения задач. В книге рассматривается локомоция, зондирование, локализация и планирование движения. Также описываются другие аспекты мобильной робототехники: проектирование, кинематический анализ, датчики, системы восприятия, картографии и управления роботами.

“Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms in MATLAB”

Автор: Питер Корк.

Автор книги поддерживает более десяти лет набор инструментов MATLAB с открытым исходным кодом для робототехники и компьютерного зрения. Все они позволяют работать с реальными проблемами.

В книге описываются примеры и способы их использования. Автор показывает, как сложные задачи можно разложить и решить с помощью нескольких строк кода. Книга затрагивает основы кинематики роботов, динамики и основы стереозрения.

“Robot Building for Beginners”

Автор: Дэвид Кук.

Книга помогает читателю понять составные части разработки роботов. В ней рассказывается про анатомию роботов и составные части. Книга даёт представление о создании роботов и помогает понять, какое направление робототехники ближе к читателю.

«123 эксперимента по робототехнике»

Автор: Майк Предко.

Читатель знакомится с основами робототехники, радиоэлектроники и программирования микроконтроллеров для роботов с нуля. Автор не погружается в сложные математические формулы, но объясняет физику процессов, происходящих в роботе. Также приводит список программ с подробными комментариями.

«Настольная книга разработчика роботов»

Автор: Оуэн Бишоп.

Книга ориентирована на новичков и рассказывает про проектирование и создание роботов с нуля. Автор рассматривает поведение, навигацию и реакцию робота на объекты, механику и инструменты, электронику, схемы управления и программирование микроконтроллеров. В конце книги приводятся примеры создания пяти роботов.

Ссылки

  • Подборка материалов для начинающих от лаборатории «Робототехника» МФТИ, ВШЭ и МГТУ им. Н. Э. Баумана.
  • Карьерный уголок NASA, где учёные и инженеры агентства рассказывают, как они попали в робототехнику.
  • Конспект лекций курса «Введение в робототехнику» МТИ. На странице также есть описание лабораторных и практические задания к экзамену.
  • RoboticsCourseWare.org — открытый образовательный сайт для изучающих робототехнику с полезными курсами, книгами и ссылками.
  • EasyElectronics — сайт для начинающих электронщиков и тех, кто хочет развивать навыки.

Советы сотрудников российских ИТ-компаний и преподавателей вузов

Робототехника — не просто отрасль, но технология общего назначения, подобно электричеству, транспорту или канализации. Экономические исследования показывают, что роботизация имеет такой же трансформационный эффект на экономику, какой оказало изобретение паровой машины в эпоху первой промышленной революции в 18 веке.

Для России важно поддерживать собственную отрасль робототехники, так как роботы действительно замещают рабочие места. Однако впервые в истории нашей цивилизации профессии в одной стране могут замещать роботы, созданные в другой.

Перечь материалов в статье — достойный. От себя добавлю также курс, к которому стоит присмотреться, — «Мой друг — робот: введение в социальную робототехнику».

Технологические конкурсы

Получив теоретические знания в области робототехники, не менее важно проверить их на практике. Сделать это можно в формате робототехнических инженерных соревнований.

Один из примеров — международный конкурс Eurobot. На площадке Eurobot соревнуются одновременно две команды, которые должны быстрее чем за 60 секунд выполнить ряд сложных логистических задач по сбору и перемещению различных объектов разной формы. Это соревнование, в котором могут принимать участие школьники с 8 до 18 лет и молодые инженеры, студенты от 18 до 29 лет.

Школьники создают телеуправляемы платформы, а молодые инженеры делают полностью автономных роботов. Обычно в командах-победителях от трёх до пятнадцати инженеров. Создать безупречного робота — непростая задача, и решают её только самые упорные и талантливые.

Соревновательная робототехника — это контактные единоборства для тех, у кого астма. Именно в этих соревнованиях рождаются не только лучшие таланты, но и лучшие команды, в которых эти таланты светят ещё ярче.

Альберт Ефимов

руководитель Лаборатории робототехники «Сбербанка»

Сейчас есть много различных курсов для начинающих и продвинутых слушателей, посвященных дисциплинам, входящим в направление STEM (Science, Technology, Engineering, and Mathematics), то есть образующих именно ту основу, на базе которой развивается современная робототехника.

Есть курсы, которые знакомят с основами теории управления, математикой, конструированием, программированием контроллеров и простых робототехнических систем, например, на основе LEGO. Однако, на мой взгляд, разрыв между знаниями, которые могут дать эти курсы, и индустриальной робототехникой всё же достаточно велик.

Чтобы устранить этот разрыв, мы с коллегами (аспирантами кафедры МО ЭВМ СПбГЭТУ ЛЭТИ) создали небольшой онлайн-курс, посвящённый операционной системе ROS (Robot Operating System), которая используется в большом количестве промышленных роботов. Для обучения не требуется специальных знаний, достаточно быть немного знакомым с Linux и основами программирования на языках С или С++.

Также с 10 по 25 января 2019 года в Санкт-Петербурге пройдёт Зимняя школа для старших школьников и студентов начальных курсов Winter mini-degree program in STEM. Это совместная инициатива МТИ и объединения научных групп JetBrains Research.

В рамках школы участники пройдут комплекс STEM-дисциплин, включая разделы математики, программирования, архитектуры ЭВМ, разработки программ для роботов в ROS, а также выполнят мини-проект. Попасть в школу могут школьники старших классов и студенты начальных курсов, пройдя предварительный отбор.

Кирилл Кринкин

руководитель Лаборатории алгоритмов мобильных роботов JetBrains Research, заведующий кафедрой МО ЭВМ в ЛЭТИ

Приведённая подборка получилась достаточно обширной. Но позволю себе добавить свои рекомендации.

Курсы

— «Автономная навигация для летающих роботов», Мюнхенский технический университет.

— «Машинное обучение», Стэнфордский университет.

— «Управление мобильными роботами», Технологический институт Джорджии.

— Открытые лекции от автора курса «Введение в робототехнику», Квинслендский технологический университет.

Книги

— Отличная книга по физике для начинающих робототехников «Теоретический минимум», Леонард Сасскинд, Джордж Грабовски.

— «Основы теории автоматического управления», Константин Поляков (обе части) — книги моего любимого автора по теории управления для начинающих.

Однако в самом начале стоит посмотреть научно-популярные и обзорные курсы по робототехнике или выступления TED Talks, на которых рассказывают про реальные примеры робототехники. А потом приступить к чтению книг и прохождению курсов.

Но в первую очередь необходимо понять, в каком направлении будете развиваться. Потому что охватить всё не получится. Обычно специалисты делятся на три лагеря.

— Мехатроника, в рамках которой конструируют и просчитывают основные узлы, составляющие робота.

— Электротехника и микроэлектроника, где рассчитывают электрические нагрузки, мощности двигателя, необходимые источники питания и электротехнические элементы, обеспечивающие необходимую мощность.

— Программирование, где специалисты работают с техническим зрением, анализом данных, обработкой информации, когнитивными сервисами.

Когда вы определитесь, к какому лагерю хотите присоединиться, уже стоит искать специализированные материалы.

Если вы захотите войти в профессию, начните с изучения востребованных вакансий на HeadHunter. Посмотрите, что сейчас актуально на рынке. Послушайте выступления руководителей робототехнических компаний: какой вектор развития они задают.

И после этого отправляйте резюме с описанием выполненных проектов по мехатронике, электронике или программированию. Желательно, чтобы в них была изюминка, а не простое повторение заданий курсов. Хотя успешное прохождение курсов тоже даёт хорошие шансы на вхождение в профессию.

Александр Капитонов

доцент и главный научный сотрудник факультета систем управления и робототехники Университета ИТМО

К списку книг можно добавить «Теорию автоматического управления» — это хардкорнейшая книга. Буквально библия, без которой все попытки заняться робототехникой — это просто «поиграть».

Прочтение этой книги обязательно, если планируете стать настоящим инженером-робототехником. В ней описывается, как учитывать статику и динамику манипуляторов, как динамика влияет на переходные процессы при движении, как моделировать динамические процессы.

Так как робототехника находится на стыке трёх наук (механика, электроника и компьютерное управление), то и подходить стоит с той стороны, которая вызывает наибольший интерес:

— Заняться изготовлением механики, углубиться в принципы проектирования манипуляторов, кинематические цепочки, изучить сопротивление материалов, при этом добавить готовую электронику и взять открытые алгоритмы для управления.

— Погрузиться в электронику, в низкоуровневое управление приводами, в обработку данных с датчиков, преобразование управляющих сигналов с силовые, при этом взять готовые механизмы и использовать открытые алгоритмы для управления.

— Погрузиться в алгоритмы высокоуровневого управления, планирование траекторий движения, обхода препятствий, решение прямой и обратной задачи кинематики. Применить такую систему на готовые механизмы с готовой электроникой и низкоуровневой системой управления.

Изучить в итоге придётся всё в той или иной степени, но первый шаг лучше делать в той области робототехники, которая ближе, понятнее или доступнее.

То есть у меня было понимание, как проектировать механику, но физически мне её не на чем было делать; было примерное понимание того, как делать электронику, но найти все необходимые компоненты было сложно, поэтому приходилось делать всякие допущения; но был компьютер, и с программной частью проблем не возникало, поэтому я занимался в основном ею.

Вадим Балашов

руководитель группы разработки Mail.Ru Group

vc.ru

Начало робототехники в наше время. 10 первых шагов.

Начало робототехники идёт из глубокой древности. Еще до новой эры люди стали создавать себе автоматизированных помощников. И уже тогда было эти механизмы работали по заданному алгоритму или программе. Добро пожаловать в первую часть серии из 10 шагов. Они научат вас, как сделать своего собственного робота.

Эти десять шагов направлены на любого желающего начать работу в робототехнике. Возможно это будет полезно для тех, у кого есть базовое понимание таких терминов, как “напряжение”, “ток”, “мотор”, и “датчики”. Конструирование роботов может показаться довольно простым делом. Хотя даже люди с опытом в создании роботов смогут найти полезную информацию относительно общего метода построения робота.

Что такое робот?

Существует множество определений робота и никакого реального консенсуса пока не достигнуто. Дадим такое определение робота:

Робот – это электромеханическое устройство, которое способно реагировать определенным образом на свое окружение, и принимать автономные решения или действия для достижения конкретной задачи.

Это означает, что тостер, лампа, или автомобиль не будет рассматриваться как роботы. Прежде всего они не имеют возможности воспринимать свое окружение. С другой стороны, пылесос, который может перемещаться по комнате или солнечная панель, которая направлена на солнце и изменяет угол наклона в зависимости от положения солнца, могут быть  рассмотрены как роботизированные системы.

Важно также отметить, что “роботы” участвующие в войнах роботов, или какие-либо исключительно дистанционно управляемые устройства не подпадают под это определение. Скорее всего они будут ближе к более сложной радиоуправляемой машине.

Это определение является достаточно общим. Хотя оно может понадобиться в будущем для того чтобы понимать самые последние достижения в этой области. Робототехника в наше время стремительно развивается. Следовательно будет требоваться все больше специалистов для разработки, наладки, программирования и обслуживания роботов и роботизированных линий.

Начало робототехники

Эта серия шагов предназначена для того, чтобы вы смогли создать своего полностью мобильного робота.

Есть 10 статей.

Каждая статья проведет вас через один шаг к созданию универсального мобильного робота. Это позволит вам создать своего собственного мобильного робота для выполнения задач по вашему выбору. Каждый урок будет проиллюстрировано примером из опыта. Статьи предназначены для того, чтобы быть изучены одна за другой и опираются на информацию, полученную раньше.

Шаг 1

Первый шаг в начало робототехники — это определить, что ваш робот должен делать (т.е. какова его цель в жизни). Роботы могут быть использованы практически в любой ситуации, и в первую очередь предназначены для того, чтобы помочь людям в некотором роде. Если Вы пока не определились какого робота и для каких целей Вы хотите сделать, то вот некоторые идеи:

Знания и Обучение

Заказать Lego Mindstorms EV3 для создания все более сложных роботов. Большинство профессионалов и любителей использует знания, которые они приобрели при создании предыдущих роботов. Вместо создания одного робота, вы сможете научиться использовать отдельные компоненты. В результате у вас появиться собственная “библиотека знаний”. Дополнительно вы сможете её использовать, чтобы собрать более сложные конструкции в будущем.

Развлечения и Общение

Например, гуманоидный робот-игрушка, который предназначен для развлечения пользователя WowWee MiP. Он может передвигаться по дому самостоятельно, ориентируется в пространстве, узнает человека. Настраивается робот со смартфона и может использоваться как личный помощник. При необходимости сообщает последние новости, может проверять почту пользователя, озвучивать прогноз погоды и многое другое.

Робототехника включает в себя аспекты многих наук.  В том числе инженерных (механических, электрических, компьютерных). Также точных наук (математики и физики) и искусства (эстетика). При этом пользователи могут свободно использовать свое воображение. Забавляя окружающих своими творениями (особенно если они являются удобной и интерактивной) помогает другим, чтобы и их заинтересовать этим  увлекательным видом деятельности.

Соревнования и Конкурсы

Различные типы роботов для большого множества соревнований, которые проводятся на различных уровнях. Например, соревнования по футболу для роботов андроидов. Многие соревнования проводятся специально для студентов и школьников как начало робототехники. Так существуют и открытые конкурсы, где взрослые и профессионалы смогут конкурировать друг с другом.

Автономная форма жизни

Это малые автономные роботы, предназначенные для выполнения простой работы.При необходимости могут объединяться в общую систему и создавать одного большого робота, управляемым объединенным мозгом. Как только пропадает необходимость в одном из роботов, он тут же покидает общую группу. Затем этот робот продолжает работать по своему прямому назначению.

Следующим большим нововведением станет создание полностью автономной формой жизни.В начале развития робототехники сложно сказать какой будет эта жизнь. Возможно не уступающей или превосходящей нас в способностях и может быть в творчестве. Эта цель по-прежнему совершается мелкими шагами физических лиц, научно-исследовательских организаций и специалистов.

Бытовые или профессиональные задачи

Самые распространенные бытовые роботы, которых можно купить практически в любом торговом центре – это роботы пылесосы различных марок и видов. Бытовые и профессиональные  роботы помогают освободить человека от неприятных или опасных задач.

Они дают людям больше свободы и  безопасности. Профессиональные и сервисные роботы используются в различных областях применения на работе. Прежде всего в общественных местах, в опасных средах, в таких местах, как глубоководные, зараженные местности и так далее.

В дополнение к таким областям как уборка, видеонаблюдение, осмотр и техническое обслуживание, мы используем этих роботов там, где ручное выполнение задач опасно, невозможно или недопустимо. Профессиональные и сервисные роботов более функциональны, прочны и часто дороже, чем бытовые роботы.

При этом они идеально подходят для профессионального и/или коммерческого использования. Часто мобильные роботы используются, чтобы рисковать в местах, куда люди не должны или не могут пойти. Роботы различных размеров (с дистанционным управлением, полуавтономные или полностью автономные) являются идеальным выбором для этих задач.

Практическая часть

  • Большинство из вас хочет создать робота не только для обучения и получения знаний, но и для чистого удовольствия. Хотя у многих есть свои конкретные идеи или проекты, которые можно материализовать.
  • Последний важный момент -  это бюджет. Трудно точно понять, что люди имеют хотят, когда они строят своих первых роботов. Может быть они хотят построить автономного робота для очистки снега, в то время как кто-то просто хочет сделать умные часы. Простой программируемый мобильный робот может стоить около $100.  В то время как более сложные могут быть несколько тысяч долларов.

В данном цикле статей будет сделана мобильная платформа для того, чтобы понять, что такое моторы, датчики, микроконтроллеры и программирование. Мы будем использовать для создания мобильной платформы образовательный набор Lego Mindstorms EV3.

Гусеничная платформа без программируемого блока и без двигателей на базе Лего

legoteacher.ru

Робототехника: с чего начать изучение?

Одним из наиболее перспективных направлений в сфере IT-технологий является робототехника. Почему? Да потому что в течение следующих пятнадцати лет в мире появится дюжина новых профессий, в основе которых и будут знания из робототехнической области.

Речь идет о таких специальностях, как: • проектировщик промышленной робототехники; • проектировщик-эргономист; • инженер-композитчик; • оператор многофункциональных робототехнических комплексов; • проектировщик детской робототехники; • проектировщик медицинских роботов; • проектировщик домашних роботов;

• проектировщик нейроинтерфейсов по управлению роботами.

Самоуправляющие устройства стали применятся во второй половине прошлого столетия. Изначально роботы трудились в сферах производства и исследований, но затем успешно перекочевали в сферу услуг. Безусловно, роботы на текущий момент не являются каким-нибудь массовым явлением, но вектор выбран и изменить его практически невозможно. Именно поэтому можно говорить о том, что в ближайшем будущем роль человека, как рабочего, кардинально измениться. Но как подступиться к робототехнике? С чего начать свое увлекательное путешествие? Давайте попробуем ответить на эти вопросы.

Робототехника для детей

Начинать осваивать азы робототехники лучше всего в раннем возрасте, но это не означает, что взрослому человеку путь закрыт. Дело в том, что ребенок быстрее усваивает новые навыки, у него нет забот, которые могли бы помешать заниматься любимым хобби. Кроме того, робототехника для детей направлена на изучение конкретного предмета, в то время как профессиональная занимается решением сложных задач. Например, дети и любители могут разбирать простые механизмы, чтобы понять принцип их работы, а вот более зрелые специалисты создают сложные промышленные манипуляторы.

Чтобы понять, есть ли у ребенка склонность к робототехнике, достаточно купить конструктор (благо детские роботы сегодня не в дефиците) и посмотреть, проявляет ли он интерес к процессу его сборки. Если да, то можно подыскать кружок робототехники, в котором ребенок сможет развить фантазию, логику, мелкую моторику, пространственное восприятие, терпеливость и концентрацию.

Стоит отметить, что направления в робототехнике бывают разные: программирование, электроника, конструирование. Если ребенку нравится собирать конструктор, скорее всего ему подходит конструирование. Заниматься электроникой следует тем, кому интересно познавать, как устроена та или иная вещь. Программирование заинтересует любого юного математика.

В каком возрасте начинать учиться?

Идеальный возраст для старта в робототехнике 8-12 лет. Раньше у ребенка могут возникнуть трудности с пониманием принципов работы тех или иных механизмов, а о желании учить математику (которая крайне необходима для составления алгоритмов, проектирования схем и механизмов) в раннем возрасте лучше не упоминать. Ну кто из нас хотел штудировать формулы и теоремы, когда на улице отличная погода, а под телевизором расположилась Sony PlayStation? Вопрос риторический.

А вот в 8-9 лет дети без особых проблем могут понимать и запоминать, что такое конденсатор, светодиод, резистор. В этом возрасте они уже могут осваивать понятия из школьной физики, значительно опережая программу наших учебных заведений.

Если до 14-15 лет ребенок не утратит интерес к своему хобби, ему следует продолжать заниматься математикой и начать изучение программирования. Вне кружков его ожидает много интересного: математический базис, теория механизмов и машин, реализация алгоритмов автоматической навигации, проектирование электромеханической оснастки робототехнического устройства, машинное обучение и алгоритмы компьютерного зрения (что-то меня понесло).

Немного о выборе конструкторов

Для каждой возрастной группы имеются свои образовательные платформы и конструкторы, отличающиеся степенью сложности. Сегодня на рынке представлены как зарубежные, так и отечественные наборы, стоимость которых варьирует от 400 до 15 000 гривен. 8-11 летнему ребенку подойдут конструкторы от BitKit, Fischertechnik или Lego (конечно, в ассортименте этих производителей имеются наборы и для взрослых детей). Например, продукция BitKit направлена на изучение электроники (их конструктор Омка я тестировал лично и писал об этом зимой 2016 года – вот эта статья); Fischertechnik – приближает к настоящей разработке роботов, в их наборах есть и штекеры, и провода, и визуальная среда программирования; Lego предлагает очень известные конструкторы с интересными и яркими деталями, подробной инструкцией и большими возможностями.

Стандартом в области образовательной робототехники являются модули Arduino, а также одноплатный компьютер Raspberry Pi. Для работы с ними потребуются базовые навыки программирования, но в конечном итоге можно научиться собственными руками создавать всевозможные “умные” устройства – от системы автоматического полива до сигнализации. Где заниматься робототехникой?

Курсы робототехники для детей в Украине предлагают следующие организации: • курс “Stem Fll” от First Lego League; • курс “Робо-3D Junior” от RoboUa; • курс “Робо-3D” от Lego Mindstorms; • курсы на базе Arduino, Lego и Fischertechnik от Robot School; • курсы для детей от 4х лет от студии МАН; • учебная программа от Boteon; • курс “Подготовка к полету” от Singularity Studio;

• курсы от IT-школы “Смарт”.

Самостоятельное обучение: возможно ли?

Для самостоятельного изучения в интернете имеется множество бесплатных онлайн-курсов. Но вряд ли такой формат подойдет ребенку, поэтому дистанционное образование может быть привлекательным исключительно для взрослого человека.

Что касается ребенка, ему в помощь помимо увлекательных и полезных наборов пригодятся книги по робототехнике, а именно:

• Брага Ньютон, “Создание роботов в домашних условиях”; • Дуглас Вильямс, “Программируемый робот, управляемый с КПК”; • Оуэн Бишоп, “Настольная книга разработчика роботов”; • Вадим Мицкевич, “Занимательная анатомия роботов”;

• Владимир Гололобов, “С чего начинаются роботы”.

Подобных работ очень много. К сожалению, робототехника быстро развивается и актуальность информации в книгах устаревает. Поэтому под рукой всегда должны быть тематический форумы и профильные сайты.

Что в итоге?

В итоге мы получаем очень перспективное направление, которое не стоит ни в коем случае игнорировать. Если у вас есть дети, задумайтесь об их будущем и возможно моя статья на Keddre станет катализатором для поиска подходящих кружков.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

keddr.com

Уроки робототехники. Всё, что нужно знать

Постепенно в повседневную жизнь входят высокие технологии: «умный дом», интерактивные художественные выставки, боты-собеседники. Неудивительно, что обучать азам программирования и роботостроения начинают еще до школы. Центры робототехники и инженерные кружки открываются все чаще. По разным данным, в России действуют около 400 кружков, связанных с робототехникой и IT, официальной статистики пока еще нет. И это число будет только расти.

От кружка юных инженеров и радиолюбителей до секции «Робототехника»

Робототехника встроилась в образовательный процесс органично и почти без шума. В 2016 году роботы мигают светодиодами на всех уровнях учебных учреждений: от садов до университетов, но больше всего – в школе. Робототехника считается инструментом для углубленного изучения таких дисциплин, как информатика, физика и технология. Поэтому постичь начала роботостроения школьники могут не только в кружках, но также в школах и вузах, где роботы все больше внедряются в учебный процесс.

Кружковая система дополнительного образования особенно хорошо знакома людям старшего поколения, из стран бывших союзных республик СССР. Бесплатное советское образование было щедро дополнено внешкольными занятиями на базе дворцов и домов пионеров (по данным Википедии,  1971 году действовало 4 400 «дворцов»).

Развивали пространственное мышление у будущих инженеров кружки технического моделирования и конструирования, радиомастерские. Школьники «с нуля» создавали модели автомобилей и самолетов, учились работать с оборудованием (токарные станки, выжигательные аппараты, лобзики и напильники), знакомились с принципами работы электричества.

Советская система образования по инженерно-техническим специальностям, частью которой были «кружки», считалась одной из лучших в мире. Сегодня же принято говорить больше о минусах образования в России, а лидирующие позиции в сфере технологий занимают американские и азиатские учебные заведения.

Вместе с распадом СССР в упадок пришла и культура дополнительного образования и кружков. Кружки стали платными, а тематика потеряла в разнообразии: популярными стали спортивные секции, танцевальные и художественные школы. Как повлияло такое изменение в учебном меню целого поколения детей, можно судить уже сейчас. Выпускники вузов с дипломами о гуманитарном образовании не находят работу, а предприятия днем с огнем ищут инженерные кадры.

В 2000-х годах все более заметным становится интерес к робототехнике в образовании. С 2002 года в России проводятся внутренние и Международные состязания роботов. В это же время формируется Российская ассоциация образовательной робототехники (РАОР). С 2008 года на основе РАОР работает Всероссийский учебно-методический центр образовательной робототехники (ВУМЦОР) – организация поставляет методички и снабжает всех желающих правовой информацией и рекомендациями для открытия робототехнического кружка.

Также с 2008 года фонд Олега Дерипаски «Вольное дело» запустил программу «Робототехника», которая поддерживает образовательные и соревновательные проекты.

В 2014 году о роботах заговорили на государственном уровне. В АСИ (Агентство стратегических инициатив, учредитель – Правительство Российской Федерации) анонсировали Национальную техническую инициативу. Глобальная идея НТИ – к 2035 году вывести Россию на конкурентных уровень на рынке высоких технологий. Одним из направлений программы стала поддержка и популяризация технического образования.

Вместе с популяризацией робототехники в образовательной среде появилось понятие STEM (или STEAM). Это направление в мировом образовательном процессе, его характеризует междисциплинарный подход к обучению. Ключевые дисциплины зашифрованы в аббревиатуре: Science, Technology, Engineering, Art (не всегда), Math. Система призвана развивать будущих инженеров и робототехников.

При государственной поддержке открываются не просто кружки, но и целые технопарки — детские центры, объединяющие кружки по разным техническим направлениям. Пока технопарков не много. В мае в Москве заработал первый детский центр при “Мосгормаш” , в конце сентября открылся технопарк “Кванториум”. В регионах также собираются открывать технопарки. Они должны появиться в 17 регионах: в Мордовии, Татарстане, Чувашии, Алтайском крае и в других.

От конструктора к микросхеме

Несмотря на то, что роботы включены в занятия для детей с дошкольного возраста, главную роль в становлении самых маленьких будущих инженеров играет не электроника, а творчество. В системе STEM образования в занятиях для дошкольников на первом плане – свобода мыслить и создавать. Поэтому в кружках для детей до 6 лет активно используют простые конструкторы и кубики.

Основная масса кружков по робототехнике ориентирована на детей возраста начальной и средней школы.

“Как правило, в программу подобных детских курсов входит знакомство со схемотехникой, основами программирования и робототехники. Разница между кружками состоит в их задаче: ребенок либо развлекается, либо учится. Исходя из этого и подбирается методика обучения и технологии. Глобальная цель РОББО Клуба – вырастить поколение молодых инноваторов, которые были бы конкурентоспособны не только на российском рынке, но и в мире. Поэтому наш курс рассчитан на работу с детьми разного возраста: с дошкольниками мы создаем анимационные программы и классические компьютерные игры (Pac-man, Arkanoid), программируем роботов на выполнение различных задач, со школьниками занимаемся программированием на «взрослых» языках, 3D-моделированием, 3D-конструированием и 3D-печатью. Так, ребенок приходит к нам только с навыками чтения, а уходит с напечатанным на 3D-принтере, собранным и запрограммированным самостоятельно роботом”, — поясняет Павел Фролов, продюсер детского робототехнического проекта для образования «РОББО»

Робототехника дополняет пройденный материал на уроках технологии, физики и математики. Дмитрий Спивак, директор  санкт-петербургского кружка робототехники для детей Robx считает, что именно на кружковых занятиях ребенок может применить знания механики и электродинамики, вникнуть в текстовые языки программирования (например, С). “В средней школе наши подопечные начинают знакомство с Arduino, более сложные программами для 3D моделирования — OpenSCAD, параметрическим моделированием, где дети описывают фигуры кодом” — говорит Дмитрий.

Образовательная робототехника, как правило, начинается с конструкторов Lego. В наборах соблюдается баланс конструирование-программирование. После того, как ребенок освоит азы, он может углубиться в одно из направлений, более глубоко изучать программирование и конструирование. На занятиях с уклоном в программирование ученики работают с разными языками и программами для программирования, занимаются 3D моделированием. Конструкторские кружки готовят будущих инженеров: здесь дети самостоятельно разрабатывают форму и “начинку” робота.

Lego и Ко

Рынок STEM и роботизированных конструкторов довольно разнообразен. Большинство производителей охватывает все возрастные категории, от наборов для дошкольного образования до модулей с 4-ядерными процессорами для средних и старших школьников.

Мировым и российским лидером в сфере образовательной робототехники является дочерняя компания холдинга LEGO Group — LEGO Education. Датскому бренду принадлежат не только наборы и методические разработки, но и сеть специализированных детских центров, а также ЛЕГО Академия, где обучение могут пройти педагоги. На данный момент 16 центров дополнительного образования являются официальными партнерами Lego Education Afterschool Programs в России.

Lego Education работает с 1980 года. В линейке бренда как  конструкторы без электронной составляющей (Lego  Простые механизмы, Первые конструкции), наборы с микропроцессором и датчиками для изучения робототехники в младшей школе (Lego WeDo) так и наборы для демонстрации научных принципов в средней школе (Lego Технология и физика) и наборы легендарной серии  MINDSTORMS.

Похожая на Lego, но гораздо менее известная американская компания Pitsco была основана в 1971 году тремя преподавателями. Наборы для младшего возраста Elementary STEM представлены скорее творческими общеразвивающими игрушками – летучие змеи, ракеты. Роботы включены в направление Tetrix – роботизированные металлические конструкторы, широко известные в России. Металлические детали делают такие наборы универсальными, Tetrix совместим с контроллером Lego MINDSTORMS. Роботы на основе Tetrix часто участвуют в соревнованиях, в том числе и в студенческих категориях.

Открытая платформа Arduino в отличие от прочих уникальная плата с программной оболочкой. Это делает Arduino универсальной основой для робототехнических конструкций любого уровня в рамках детского образования. На основе Arduino создано несколько брендов робототехнических наборов-конструкторов. Платформу можно приобрести отдельно. Минус платформы в том, что конструирование достаточно сложное, подразумевает работу ребенка с паяльником.

Отечественные наборы представлены двумя заметными на рынке брендами – ТЕХНОЛАБ и Амперка. Для ТЕХНОЛАБ разработаны методички при поддержке специалистов факультета «Робототехника и комплексная автоматизация» МГТУ им Н.Э.Баумана. Продукты ТЕХНОЛАБ —  тематические и возрастные модули. В каждом модуле – несколько робототехнических наборов. Такой «оптовый» подход предполагает высокую цену конструкторов: от 93 тыс. рублей за модуль для детей 5-8 лет и до 400 тыс. рублей за модуль воздушных роботов.

Амперка – стартап 2010 года, основанный на платформе Arduino. Продукты Амперки —  наборы под игровыми названиями: «Матрешка», «Малина», «Электроника для чайников» и т.д. Также на сайте Амперки можно купить отдельные комплектующие – платы Arduino, датчики, коммутаторы.

Корейский бренд Robotis предлагает робототехнические наборы для каждого уровня. Это пластмассовые роботы для начальной школы (Robotis  Play, Robotis Dream) и  человекоподобные роботы на основе сервомоторов Robotis Bioloid.

Корейские производители HunaRobo и RoboRobo акцентируют внимание на конструкторах для детей младшего и среднего возраста. Наборы корейских брендов включают базовые элементы: материнскую плату, двигатель и редуктор, RC приемник и пульт управления.

VEX Robotics — частная компания с фокусом на мобильную робототехнику, базируется в США. Бренд принадлежит компании Innovation First, Inc., которая разрабатывает электронику для автономных наземных роботов. Бренд поделен на два направления  – серия VEX IQ для начального уровня и VEX EDR– платформа для продвинутых учеников. Мобильные программируемые роботы VEX на пульте управления ориентированы на соревнования и навыки программирования.

Вместо заключения

Широкий ассортимент робототехнических обучающих платформ, государственная поддержка и мода на роботов только встраивают  робототехнику в образование. Инженерные и робототехнические кружки и занятия скорее исключение, особенно в регионах. Однако, уже сегодня сотни тысяч детей получили возможность учиться дополнительно по инженерным и IT направлениям. И это число в ближайшее время будет только расти — СМИ рапортуют о новых технопарках и кружках, а власти — о готовности поддержать подобные инициативы.

Хочется верить, что усиленная интеграция дополнительного технического образования в итоге даст толчок к формированию большего количества технических специалистов высокого уровня в будущем. Кружковое движение стремится к широкому охвату — программы робототехнических занятий построены так, чтобы заинтересовать любого ребенка. Основные технические законы и понятия становятся доступнее. Занятия робототехникой как минимум расширяют кругозор, как максимум — обеспечат будущее инженерными и техническими кадрами. Верим в максимум!

Читать также:

Дополненная реальность: учеба или развлечение

“Живи в кабинете”. Денис Копосов о том, как в школе выстроить систему технического образования, и о том, как становятся инженерами

robotoved.ru


Смотрите также