Языки программирования в робототехнике. Программируемый робот для детей: обзор, отзывы

Роботы-конструкторы – идеальная возможность, чтобы совместить игру и обучение простейшим навыкам программирования. Именно поэтому они пользуются столь большой популярностью в мире.

Различаются они не только производителями, но и способами и возможностями программирования, типами крепежей, а также материалами.

Большинство упрощенных (для новичков) и роботов имеют в комплекте специальное программное обеспечение, которое позволяет без труда задать команды своему творению. В более совершенных моделях придется для начала изучить, основанные на С, языки.

LEGO Mindstorms

Конструктор выпускается в двух типах:

• детский;
• продвинутый.

В детском вложено всего лишь несколько моторов, лампочек, а также инструкция с возможными вариантами сборки. Но с LEGO часто инструкция оказывается уже не нужна после первой сборки, и в дело вступает фантазия.

Стоит заметить, хоть программирование этих роботов возможно, блоков управления в этом наборе не предусмотрено, это означает, что робот будет всегда соединен с компьютером при помощи кабеля USB.

Продвинутый же набор открывает намного больший простор для фантазии. Он существует в нескольких вариантах и поколениях (на данный момент поколений три). Они отличаются количеством деталей, наличием дополнительных микрокомпьютеров, а также различными датчиками и другими приборами. Микрокомпьютеры этой серии оснащены операционной системой Linux. Эти схемы поддерживают не только специальные языки программирования, но и C++, C и даже Python.

Для удобства перепрограммирования робота можно воспользоваться официальной программой от LEGO, которая позволит настраивать элементы при помощи интуитивно понятного интерфейса.

Лего держит пальму первенства в роботах-конструкторах уже более десяти лет. Устраиваются соревнования по созданию , где главным призом чаще всего оказывается бюджетное место в престижном ВУЗе.

LEGO Mindstorms – один из 17 вариантов сборки

HUNA

Это сравнительно новый бренд, родом из южной Кореи, который постепенно набирает популярность в кругах юных кибернетиков. Типов наборов HUNA существует два. Их принципиальное отличие заключается в том, что, в одном случае детали выполнены из пластика, а в другом – из металла. Но в то же время их можно комбинировать, так как принцип соединения частей у них общий.

Узнать больше об увлекательных металлических конструкторах для мальчиков можно .

Пластиковые наборы HUNA предназначены для детей, возрастом от шести лет, так как не требуют знания даже основ программирования.

В качестве “мозга” железных комплектов выступает контроллер Arduino, на котором уже стоит специальная прошивка. Среда программирования тут – обычный C-образный язык для Arduino, но для большего удобства его визуализировали.

За счет Arduino, а также более продвинутых систем, данные наборы специализируются на аудитории, достигшей пятнадцати лет. То есть, тех, кто уже перерос Mindstorms.

Makeblock

Следующим конструктором в нашем списке является китайский Makeblock. Как и в предыдущем случае, здесь используется электроника Arduino. Количество продаваемых наборов на официальном сайте просто огромное. Вы можете найти как дешевые комплекты обычных машинок, так и достаточно серьёзные наборы, которые позволяют создать своими руками 3D-принтер.

Все детали Makeblock выполнены из алюминия, на который электростатическим методом нанесена краска (примерно, как и на автомобили). Таким образом, вероятность того, что со временем детали будут выглядеть неказисто, стремится к нулю.

Из интересных моделей следует заметить те, которые выполняют рисунки, среди них:

• mScara – робо-рука, на которую можно вместо маркера поставить лазер;
• mSpider – он рисует в вертикальных плоскостях, подобно пауку перемещаясь на ниточках;
• mCar – машинка, которая рисует маркером там, где она ездит.

Также для этих роботов имеется специальное ПО, которое позволяет создать рисунок любой сложности. Для этого достаточно загрузить его в графический редактор программы.

#Структор

Этот конструктор производится в России и отличается от других тем, что его детали выполнены из вспененного ПВХ. Их толщина составляет пять миллиметров, что позволяет создавать небольшие, но достаточно прочные конструкции.

А тот факт, что ПВХ – мягкий материал, позволяет решить вечную проблему конструкторов – детали не такие, как их хочется видеть. В данном случае все решается обычным канцелярским ножом или скальпелем.

Достоинства ПВХ:

• низкая стоимость;
• простота обработки – достаточно лишь вооружиться ножом, карандашом и линейкой;
• высокая прочность;
• влагоустойчивость;
• пожаробезопасность – температура возгорания листового ПВХ превышает 400 градусов Цельсия.

Малую прочность конструкции производители предлагают решить двумя способами. Первый – просто склеить детали. Лучше всего для таких целей подойдет специальный клей “Космофен”. Второй способ – объединить #Структор с советским (или аналогичным) железным конструктором.

#Структор от “Амперка”

Хоть детали от такого обращения долго не проживут, вы всегда сможете купить лист пластика и вырезать новые. Чертежи деталей находятся в свободном доступе, да и фантазию никто не исключал.

Управление элементами #Структор производится на Arduino. А благодаря универсальности материала, из которого изготовлены элементы конструктора, любой датчик, сервопривод или мотор легко внедряются в конструкцию.

Vex

Фирма известна в основном благодаря своим вибророботам. Но немногие в курсе, что она также производит наборы по созданию полноценных роботов. Наборы предназначены для детей от десяти лет. Но благодаря широкому ассортименту продукции их также можно использовать в школах или университетах.

Если какого-то элемента будет недоставать, всегда можно приобрести его отдельно. На сайте производителя имеется масса различных датчиков, моторов и других элементов конструктора. Кроме того, покупая дополнительные детали, можно повысить сложность изделий.

Только в наборах корейской компании Vex встречаются коробки передач или колеса Илона.

Программирование происходит на одной из нескольких сред. Всего среды три. Первая представляет собой экран, где вместо прописывания команд просто перетаскиваются блоки. Вторая же – классические блок-схемы, как на уроках информатики. Третья среда очень похожа на ПО от LEGO – то же перетаскивание блоков с командами и значениями.

Примечательной особенностью является также наличие ПО VEX Assembler. Это 3D редактор, в котором вы можете придумать и испытать своего робота до того, как начнете его строить вживую.

VEX Robotics by HEXBUG

FischerTechnik

Комплекты конструкторов производит немецкая компания. Линейка ROBOTICS, которая и открывает для детей мир роботов, насчитывает шесть наборов. Все они предлагают создать несколько роботов, которые выполняют те или иные функции. Как и со всеми конструкторами, веселье начинается в тот момент, когда все инструкции уже перепробованы.

Чтобы не было недостатка в деталях и электронных компонентах отдельно можно приобрести наборы расширения, дистанционное управление и многое другое.

Отдельного внимания заслуживают контроллеры, продающиеся отдельно. Хоть их стоимость сопоставима со стоимостью целого набора, границы, которые они открывают, с легкостью перекрывают этот факт.

В продаже имеется два типа контроллеров:

• Robo TX;
• Robo TXT.

Высокая цена за них обусловлена тем, что это не просто контроллеры, а настоящие микрокомпьютеры с поддержкой Wi-Fi, Bluetooth и довольно мощной “начинкой” для своих малых размеров. Для повышения производительности эти контроллеры могут быть совмещены в одну сеть.

Программирование происходит на бесплатной программе Robo Pro. Все команды задаются при помощи логических блоков, что позволяет обучить ребенка азам программирования в игровой форме.

ТРИК

Конструктор родом “рожденный” в России. Его производители решили помочь любителям робототехники, которые используют советские металлические конструкторы. Поэтому все детали имеют отверстия с теми же десятью миллиметрами, что и железные конструкторы.
Этот конструктор на рынке новичок, но уже зарекомендовал себя как универсальный и очень удобный.

На данный момент имеется четыре типа наборов:

• стартовый;
• образовательный;
• школьный;
• соревновательный.

Их различие в количестве деталей и электроники. Во всех наборах вы найдете микроконтроллер, микрофон и видеокамеру или датчики, светодиоды и колеса.

Микроконтроллер ТРИК работает на Linux и имеет на борту процессор с 24 мегагерцами и целые 256 Мбайт оперативной памяти. Также ее можно расширить за счет Flash-карты.

Набор для сборки ТРИКС

Создатели данного конструктора решили не привязывать контроллер к одной среде программирования. Поэтому он поддерживает C, C++, Python и даже Java. Для тех, кто только изучает программирование, имеется специальная среда программирования, предназначенная для контроллера ТРИК.

Так как контроллер поддерживает множество команд, для удобства управления имеется приложение для смартфонов под управлением Android. Команды передаются при помощи Wi-Fi.

MOSS

Американская компания, придумавшая MOSS, пошла нестандартным путем – она отказалась от проводов. Вместо них используются детали кубической формы, которые имеют цветные грани. Их назначение следующее:

1. Зеленые – передача электричества от аккумулятора.
2. Красные – вход данных.
3. Коричневые грани – выход данных.
4. Голубые – эти грани передают и электричество и данные. Они нужны для того, чтобы соединять детали при помощи гибкого элемента.

Да, конструкция довольно сложна, но если в ней разобраться, фантазию в создании роботов будет уже не остановить. А понять в чем суть в ней, может и ребенок 8 лет, на которого конструктор и рассчитан. Модули соединяются межу собой при помощи металлических шаров, крепящихся на магниты. Магниты эти расположены на углах модулей.

Robo Wunderkind от MOSS

Программирование микроконтроллеров можно совершать на двух программах. Первая представляет собой визуализатор с дополнительными параметрами. Она подойдет для тех, кто не очень хорошо разбирается в C-коде.

Вторая же программа направлена на тех, кто хорошо в нем разбирается. Она компилирует ваш код и переносит его в контроллер. Обе эти программы работают на Windows и Mac OS, но не поддерживаются Linux.

Для удаленного правления роботом MOSS существует сразу несколько программ для мобильных устройств. Это и пульты управления, экспорт данных с датчиков, рисование графиков и многое другое. Все программы доступны для iOS, а некоторые и для Android.

Для детей дошкольного возраста можно выбрать набор для сборки без электротехнической составляющей, например, .

Стоит заметить, что в обзоре не учитывались конструкторы, стоимостью свыше ста тысяч рублей, а также те, которые требуют какой-либо пайки.

Робот MECCANO, управляемый с помощью смартфона или планшета

Видео

Данное видео подробно расскажет Вам о программируемых роботах: какие они бывают и какой лучше выбрать.

Чтобы выбрать конструктор, нужно определиться, для кого он:

• LEGO Mindstorms лучше всего подойдет ребенку, который увлекается роботами. А так как у большинства детей есть обширная коллекция LEGO, фантазия ребенка будет поистине безграничной.
• Если вы разыскиваете конструктор для себя, то стоит обратить внимание на ТРИК или #Структор, так как они оба совместимы с советским железным конструктором, а второй к тому же, еще, и выполнен из ПВХ.
• Но, так или иначе, эти конструкторы очень сильно улучшат способности вашего ребенка к логическому мышлению, а также подготовят его к тому, что будет ждать его в школе или институте.

Не лишним будет, перед покупкой , подробно изучить каждый понравившийся набор для сборки. А также подумать над тем, чтобы отдать ребенка в клуб радиолюбителей, если данная тематика ему нравится.

Программирование роботов обычно является заключительным этапом, связанным с созданием роботов.

Если вы изучали уроки, то вы выбрали приводы, электронику, датчики и т.д. И кто-то, наверное, смог собрать робота, которого придумал ранее. Но без программирования, робот является очень красивый и дорогим макетом, не умеющим делать ничего.

Чтобы научить вас программировать роботов, потребуется не один урок. Поэтому этот урок поможет вам лучше понять, как начать и что нужно изучить именно вам.

Какой язык выбрать?

Какой язык программирования выбрать для вашего робота? Существует много языков программирования, которые можно использовать для программирования микроконтроллеров. Наиболее распространенными языками программирования роботов являются:

• Ассемблер
• Basic
• C / C ++
• Python
• Программное обеспечение Arduino

Ассемблер

Это язык низкого уровня максимально приближенный к машинному коду. Программирование роботов очень сильно зависит от архитектуры процессора и достаточно трудоемко в использовании. Ассемблер нужно использовать только тогда, когда вам необходим абсолютный контроль над вашим кодом на уровне инструкций;

Basic

Один из первых широко используемых языков программирования. Он по-прежнему используется некоторыми микроконтроллерами (Basic Micro , BasicX , Parallax) для программирования учебных роботов;

C / C ++

Один из самых популярных языков. Язык Си обеспечивает высокоуровневую функциональность, сохраняя при этом хороший контроль низкого уровня;

Java

Он более современный, чем Си. Он обеспечивает множество функций безопасности в ущерб контролю низкого уровня. Некоторые производители делают микроконтроллеры специально для использования с Java.

C #

Запатентованный язык Microsoft используется для разработки приложений в Visual Studio;

Программирование для контроллеров Arduino

Используется вариант C ++. Программирование роботов на нём включает некоторые упрощения для того, чтобы сделать программирование не таким сложным;

Python

Один из самых популярных языков сценариев. Он очень прост в освоении и поэтому может использоваться для быстрой и эффективной передачи программ.

Вы выбрали микроконтроллер на основе необходимых вам функций (количество операций ввода-вывода, специальные функции и т. д.). Часто микроконтроллер предназначен для программирования на определенном языке.

• Микроконтроллеры Arduino используют программное обеспечение Arduino и перепрограммируются в процессе обработки.
• Базовые микроконтроллеры Stamp используют PBasic.
• Микроконтроллеры Basic Atom используют Basic Micro.
• Javelin Stamp из Parallax запрограммирован на Java.

Если вы выбрали микропроцессор известного или популярного производителя то, скорее всего, существует много литературы по этой теме. Следовательно вы сможете научиться программировать на выбранном языке программирования. В этом случае программирование роботов не вызовет больших трудностей.

Если же вместо этого вы выбрали микроконтроллер у небольшого, малоизвестного производителя (например, потому что у него было много функций, которые, по вашему мнению, были бы полезны для вашего проекта), то важно посмотреть, на каком языке должен быть запрограммирован контроллер и какие средства разработки доступны (обычно от производителя контроллеров).

Программирование роботов — начало.

Первой программой, которую вы, вероятно, будете писать, является . По историческим причинам большинство учебников по программированию начинаются с этой фразы.

Это одна из простейших программ, которые могут быть сделаны на компьютере.

Она предназначена для печати строки текста (например, «Hello World») на мониторе компьютера или на ЖК-экране контроллера.

В случае с микроконтроллером другой очень простой программой, которую вы можете сделать — это переключение вывода IO. Присоединение светодиода к выходному контакту. Затем установление контакта I / O в положение ON и OFF приведет к миганию светодиода. При помощи контактов I / O можно запрограммировать много сложных функций. Например, включение многосегментных светодиодов для отображения текста и цифр, управления электромагнитными реле, сервоприводами и т.д.

Шаг 1.

Убедитесь, что у вас есть все компоненты, необходимые для программирования микроконтроллера. Не все микроконтроллеры поставляются со всем необходимым для их программирования. Большинство микроконтроллеров необходимо подключить к компьютеру через USB-штекер.

Если ваш микроконтроллер не оснащен разъемом USB, возможно вам понадобится отдельный USB-адаптер для последовательного интерфейса. Этот адаптер нужно правильно подключить. Многие микроконтроллеры программируются либо через порт RS-232, либо через USB. Часто они включают в себя разъем USB на плате. Разъем USB используется не только для двусторонней связи, но и для питания платы микроконтроллера.

Шаг 2.

Подключите микроконтроллер к компьютеру и проверьте, к какому COM-порту он подключен.

Не все микроконтроллеры смогут быть обнаружены компьютером. Поэтому вы должны прочитать в руководстве «Начало работы. И тогда вы будете точно знать, что нужно сделать, чтобы компьютер распознал его и смог с ним общаться. Вам может быть придется загрузить «драйверы» (специфичные для каждой операционной системы), чтобы ваш компьютер мог понять, как общаться с микроконтроллером и / или USB-конвертером последовательного преобразователя.

Шаг 3.

Прочитайте руководство пользователя продукта. Проверьте работоспособность при помощи приведенных в нем примеров написания кода с нужным протоколом связи.

Не нужно изобретать велосипед. Большинство производителей предоставляют некоторый код (или псевдокод), объясняющий, как заставить контроллер работать. Пример кода может быть на языке программирования, который вы не знаете, но не стоит отчаиваться. Просто выполните поиск в Интернете, чтобы узнать, создали ли другие люди необходимый код.

• Изучите руководства по продуктам и руководство пользователя.
• Посетите форум производителя.
• Проверьте публикации в Интернете для продукта и кода.
• Прочтите руководство, чтобы понять, как написать код.

Создавайте управляемые куски функционального кода.

Создавая сегменты кода, специфичные для каждого продукта, вы постепенно создаете библиотеку. Создайте файловую систему на своем компьютере, чтобы легко найти необходимый код.

Документируйте все в коде, используя комментарии.

Документирование всего необходимо практически для всех рабочих мест, особенно для робототехники. По мере того, как вы становитесь все более и более продвинутыми, вы можете добавлять комментарии к общим разделам кода. Но при запуске вы должны добавить комментарий к (почти) каждой строке.

Сохраняйте разные версии кода.

Не всегда перезаписывайте один и тот же файл. Если вы обнаружите, что ваши 200+ строк кода не будут компилироваться, не стоит останавливаться только на этой версии кода. Вместо этого вы можете вернуться к ранее сохраненной (и функциональной) версии и добавить или изменить ее по мере необходимости. Код не занимает много места на жестком диске. Поэтому вы можете спокойно сохранять несколько копий.

При отладке робота поднимите его.

Нужно, чтобы колеса, гусеницы или ноги не касались поверхности. Тогда ваш робот не сможет себе навредить даже случайно. Не закрывайте деталями кнопку отключения питания. Это пригодится для того, чтобы в случае необходимости можно было его отключить.

Если код делает что-то, что кажется неработоспособным.

Через несколько секунд, выключите питание. Скорее всего проблема не исчезнет сама собой и нужна корректировка, а пока вы можете уничтожить часть механики. Сначала подпрограммы могут быть трудны для понимания, но они значительно упрощают ваш код. Если сегмент кода повторяется много раз в коде, он является хорошим кандидатом для замены подпрограммой.

Практический пример.

Для нашего проекта был выбран набор Lego Mindstorms EV3. Для него есть специальная графическая среда программирования EV3 Programmer. Её можно бесплатно скачать с официального сайта Лего и сразу приступать к программированию робота.

Программирование происходит при помощи пиктограмм и является доступным для понимания.

Установка программного обеспечения для Lego EV3.

Конструкторы LEGO знакомы каждому. За несколько десятилетий наборы разноцветных пластмассовых деталек стали поистине культовыми: дети с удовольствием собирают из них замки, машины и космические корабли, а взрослые – целые настоящие города.

Сегодня LEGO не только развивает мелкую моторику и фантазию. Новый набор LEGO Boost предлагает в буквальном смысле оживить собранный конструктор , используя смартфон или планшет.

То есть, собранный киберкот действительно будет мурчать, робот разговаривать и ездить а гитара выдавать бешеные «соляги».

Как это выглядит? Я собрал своего робота и сейчас всё расскажу.

Что такое LEGO Boost

Lego Boost – это развивающий конструктор, состоящий из 847 деталей. из них можно собрать на выбор одну из 5-ти моделей:

1. Робот Верни
2. Кот Фрэнки
3. Гитара 4000
4. Фабрика роботов
5. Вездеход (M.T.R.4)

Основными элементами каждой модели являются 3 детали: это основной механический блок, датчик определения цветов и расстояния и интерактивный двигатель.

Основной механический блок является «сердцем» LEGO Boost, который приводит собранный конструктор в движение. Именно к нему можно подключить свой iPhone или iPad, чтобы запрограммировать собранную модель на выполнение разных команд и даже общение с владельцем.

К механическому блоку подключаются два других: датчик цвета и расстояния реагирует на внешние раздражители, помогая игрушке объезжать препятствия или следовать своему сценарию поведения при виде определённого цвета, а интерактивный двигатель оживляет конструктор, вращая гусеницы или колёса (смотря что соберёте).

Для программирования конструктора понадобится приложение LEGO Boost Creative Toolbox [скачать в App Store ]. Скачать его придётся в обязательном порядке, потому что в коробке с конструктором нет бумажных инструкций – все этапы сборки каждой из 5-ти моделей наглядно показываются в приложении.

Про каждую модель можно написать отдельный обзор, но я расскажу кратко о возможностях каждого робота LEGO Boost:

1. Робот Верни. Отличный собеседник и друг

Робот Верни может ездить и крутиться вокруг своей оси, разговаривать, различать цвета и объезжать препятствия. К роботу можно собрать пушку и стрелять по мишени.

С помощью дополнительных аксессуаров робота можно превратить в танцора, диджея, полицейского или хоккеиста. Чтобы разобраться и попробовать все возможности Верни уйдет не один час.

Верни умеет выражать эмоции с помощью подвижных бровей: удивление, злость и радость. Это просто нужно видеть, чтобы оценить как удивительно точно игрушке удаётся радоваться или грустить при помощи всего лишь нескольких двигающихся деталек.

Вот короткое видео, в котором робот Верни ведет себя неприлично:

Робот не умеет сам двигать руками, однако он может сжать в «пальцах» мелкие предметы и отвезти их из одной точки в другую.

Нет, пиццу не принесет. Может быть, это в следующем поколении LEGO Boost пофиксят:)

2. Киберкот Френки. Идеальный питомец без шерсти и неприятных запахов

Киберкот по имени Френки не умеет передвигаться сам, зато может вставать на задние лапы, двигать ушами и вилять хвостом. Френки можно погладить, и он отзовётся довольным мурлыканием, а можно заставить его сыграть на губной гармошке, причём мелодия зависит от цвета, который нужно показать киберкоту.

У Френки тоже есть мимика, правда брови ему нужно двигать руками. Интерактивные элементы заняты в вышеописанных процессах виляния хвостом и вставанием на задние лапы.

Да, мы всё ещё говорим про конструктор LEGO.

3. Гитара 4000. Играет как настоящая

Гитара 4000 является почти настоящим музыкальным инструментом, с помощью которого можно играть музыку. Аккорды зажимать не нужно, вместо этого предлагается передвигать «слайдер» по грифу гитары. Датчик движения отслеживает положение «слайдера» и даёт команды на воспроизведение разных звуков.

Вторая рука тоже нужна, чтобы имитировать удары по невидимым струнам с помощью специального рычажка. Есть даже специальный контроллер для получения звука «тремоло» во время сольных запилов.

Кстати, эта модель может проигрывать не только гитарные звуки, но и любые другие. Так что почему бы не использовать её в качестве сэмпл-машины, чтобы почувствовать себя настоящим диджеем?

4. Фабрика роботов. Для создания своей армии Терминаторов

Это самая сложная модель из всех пяти, но и самая крутая. После сборки фабрика может сама собирать небольших роботов из кубиков LEGO.

Натурально, весь процесс автоматический. Выглядит завораживающе, но лучше всего это может передать видео.

Краткий гайд по созданию армии роботов:

Я жалею, что сначала собрал робота Верни. Надо было собирать вот эту фабрику, чтобы завалить видеороликами, какой LEGO Boost крутой конструктор, весь инстаграм.

5. Вездеход (M.T.R.4). Проедет по любому ковру

Тяжёлая машина на гусеничном ходу с большими колёсами с лёгкостью проедет по заданному маршруту, объезжая препятствия. На вездеход можно собрать дополнительные аксессуары: пушку, ковш, катапульту и даже строительные конусы, которые игрушка будет аккуратно объезжать.

Датчик расстояния здесь выполняет роль обнаружителя предметов: если вездеход с ковшом подъедет к небольшому «грузу», то датчик даст команду игрушке поднять ковш и положить предмет в кузов.

Лучше всего один раз увидеть, как это происходит:

По схожему принципу работают и другие аксессуары вместе с датчиком движения. Если нет доверия датчикам, можно перейти в режим ручного управления: на экране iPhone или iPad появятся виртуальные джойстики, с помощью которых можно управлять движением вездехода и работой ковша, катапульты или пушки.

Как программировать конструктор?

Приложение LEGO Boost напоминает игру, где каждый уровень помогает освоить новые навыки взаимодействия с конструктором. В самом начале можно увидеть всех роботов и выбрать того, кого хочется собрать.

Для программирования готового робота не нужно уметь даже читать и писать: все команды выглядят как разноцветные блоки, которые нужно просто перетащить на временную шкалу в желаемом порядке.

Все блоки команд разделены по типам и цвету. В некоторых случаях можно самому задать время выполнения той или иной команды, а некоторые блоки выполняют случайные действия, что делает робота более «живым» и самостоятельным.

Конструктор LEGO Boost способен воспринимать и интерактивные команды: можно помахать перед роботом рукой, произнести кодовое слово или прикоснуться, чтобы начал выполняться заранее заданный алгоритм. При составлении алгоритмов действий доступны целые циклы, что уже приближает управление игрушкой к настоящему программированию.

Сложно собрать своего робота?

Для взрослого человека сборка любой модели LEGO Boost займёт 2-3 часа. Для ребенка же весь процесс растянется на несколько дней, особенно если чаду еще нет 10-ти лет.

Согласно последним опросам родителей, проведенным социологами в нашей стране, все большую популярность завоевывают конструкторы по робототехнике для детей, причем не только среди школьников старших классов, но и среди 4-5-летних малышей.

Сейчас на отечественном рынке представлен огромный выбор комплектов, которые рассчитаны на детей самых разных возрастов, с разным уровнем подготовки и знаний.

Особенности конструкторов

Все объединяет не только функция игры, но и обучения. Конструкторы для школьников зачастую сопровождаются рабочими тетрадями, учебниками, глоссариями, методическими материалами для учителя. Комплекты для младших групп, в частности для дошкольников, не рассчитаны на использование серьезных педагогических материалов, однако, и в этом случае ребенок не просто играет, а изучает в доступной форме механизмы, физические законы.

Бесспорно, робот-конструктор для детей четырех - шести лет не предлагает сбор и программирование человекоподобного андроида. На начальных этапах робототехника - это изучение моделей, работа с простейшими моторами и т. д.

Возрастные группы

Сегодня роботы-конструкторы выпускаются для детей в возрасте от четырех до пятнадцати лет. Продуманный набор соответствует уровню знаний юного конструктора или инженера: чем старше ребенок, тем сложнее ему предлагаются модели. Большинство производителей предлагают модели для следующих возрастных групп:

От 4 до 6 лет

Простые модели с яркими и крупными деталями и увлекательным содержанием. Обычно, в этом случае малышу предлагают собрать самолетики, машинки, животных, чтобы получить первое представление о том, что такое механизм. Задача таких конструкторов для малышей состоит в том, чтобы развить мелкую моторику ребенка, усидчивость, внимание, изобретательность, обучить работе в команде.

От 7 до 9 лет

Робот-конструктор по робототехнике для младших школьников становится более сложным. Это можно сказать как о самих моделях, так и об изучаемых темах. Дети более подробно знакомятся с физическими законами и явлениями, начинают изучать работу различных датчиков. По этой причине такие наборы с успехом используются на уроках физики. Многие комплекты предлагают не только построить машинку, но и заставить ее двигаться: ехать по линии, отъезжать от края стола.

От 10 до 15 лет

Программируемый робот для старших школьников, подразумевает практически полное погружение в робототехнику (исключая моделирование и печать деталей, хотя набор от Fischertechnik позволяет собрать настоящий 3D-принтер). Работа с механизмами в этом случае сочетается с программированием - комплекты могут поставляться с программируемыми платами, чтобы будущий инженер мог увидеть, как они функционируют, и попробовать задать команды самостоятельно.

LEGO

Один из самых популярных и известных в мире брендов является и признанным лидером в образовательном роботостроении. Во многих школах на занятиях используются именно его комплекты, которые отличаются универсальностью, широким набором материалов для педагогов, наличием рабочих тетрадей.

Известный бренд предлагает несколько линеек для детей разных возрастов. Для самых маленьких подойдут «Первые механизмы» (5+) или «Простые механизмы» (7+). Занятия с этими конструкторами не требуют серьезных знаний в роботостроении, наборы лишь знакомят детей с тем, что такое и как функционирует механизм. Будущий инженер-конструктор узнает, как работают рычаги, зубчатые колеса и многое другое.

Линейки WeDo и WeDo 2

Эта игрушка робот программируемый, позволит ребятам от 7 до 10 лет собрать первый настоящий механизм. Комплекты состоят из множества деталей для тела робота, а также самые разные датчики (наклона, движения), дидактические материалы, программное обеспечение.

В отдельную группу следует выделить конструкторы, в которых подробно разбираются темы, связанные не только с физическими явлениями, но и с некоторыми другими дисциплинами, технологией, к примеру. К таким наборам можно отнести «Возобновляемые источники энергии», «Пневматику» и другие.

MINDSTORMS Education EV3

Это самые сложные из предлагаемых LEGO конструкторов, которые предназначены для учащихся средней школы. Комплекты позволяют создать полноценного сборного программируемого робота, имеющего различные датчики, который способен взаимодействовать с другими роботами от этого производителя.

Huna

Южнокорейские специалисты, разрабатывая программируемые конструкторы для детей, придерживаются правила — «От простого к сложному». Уже детям с шести — восьмилетнего возраста бренд предлагает собрать несложные механизмы с двигателем, датчиками, которые определяют расстояние, звуковым сопровождением. В основу таких комплектов заложены знакомые всем малышам модели: герои сказок (к примеру, Паровозик Томас или персонажи из «Трех поросят»), машинки, животные. Каждый комплект оснащен понятной инструкцией, которая поможет ребенку (конечно, с помощью взрослых) собрать интересную движущуюся модель.

MRT (My Robot Time)

Ребят постарше заинтересует эта линейка, в которой можно подобрать комплекты посложнее. Во все наборы входит мотор, датчики и прочие необходимые элементы. Главной особенностью программируемых роботов от Huna является возможность соединения деталей по всем шести сторонам.

Интересной разработкой компании стали наборы для совместной, групповой работы: ребята могут построить зоопарк и даже город или пофантазировать на темы «Новый год и Рождество», «Мечты и реальность».

Fischertechnik (Германия)

Не уступает конкурентам и этот немецкий производитель, который подготовил наборы для детей разных возрастных групп. К примеру, для начинающих изобретателей в возрасте от пяти лет создан «Набор для малышей», а также «Супернабор для малышей».

Каждый такой комплект позволит ребенку построить несколько моделей самолетов, машинок, подъемный кран и другие понятные и знакомые объекты.

Младшим школьникам компания Fischertechnik предлагает решить более сложные задачи. К примеру, построить машину, двигающуюся от солнечных батарей или трактор с дистанционным управлением. Бренд разработал наборы для изучения оптических явлений, пневматики, топливных элементов, законов динамики, различных двигателей. Эти и другие подобные образовательные конструкторы помогут ребятам в игровой форме ознакомиться с различными сторонами школьного курса физики, но, главное, - применить теоретические знания на практике.

Engino (Кипр)

Бренд, известный огромным ассортиментом самых различных образовательных интерактивных программируемых роботов. Кроме того, компания Engino предлагает оригинальную серию для девочек: детали конструкторов выполнены в пастельных тонах, а сами модели ближе прекрасной половине человечества.

Mechanical Science и Discovering Stem

Нельзя не отметить и эти серии от компании Engino. С их помощью ребенок наглядно изучит различные физические явления — работу рычагов, кривошипов, клиньев, познакомится с законами Ньютона и солнечной энергии. Stem расшифровывается как Science (наука), Technology (технология), Engineering (инженерное дело) и Mathematics (математика). Этим областям и посвящены конструкторы.

Makeblock (Германия)

Самые интересные конструкторы-роботы, производимые этой компанией, - это, бесспорно, те, что можно использовать по назначению после сборки. К примеру, Airblock Drone или Laserbot гравировщик, которые позволяют собрать катер или дрон на воздушной подушке. Наборы укомплектованы всем необходимым для полноценной работы устройства. Например, юному гравировщику потребуется лазерная головка, программное обеспечение, кронштейны и многое другое.

Silverlit — программируемый робот (36 функций)

Эта технологичная уникальная игрушка от китайских производителей является настоящим чудом. Программируемый робот обладает тридцатью шестью функциями, а в комплекте с ним идет еще и небольшой робот. Основной герой комплекта умеет:

• выполнять последовательные действия (не более тридцати шести за один цикл), из которых наиболее интересны повороты, удар ногой, ходьба вперед и назад, выражение обеспокоенности, танцы, обхождение препятствий;
• реагировать на громкие звуки. При хлопке в стороне от робота Silverlit, он издает звук;
• охранять помещение: робот предупреждает знаками ребенка о том, что перед ним появилось какое-то препятствие;
• общаться со своей мини-копией Maxi Pals, подавая световые сигналы;
• сверкать глазами, поворачивать голову, шевелить суставами ног и рук;
• удерживать нетяжелые предметы в руках.

Роботы от Silverlit изготовлены из качественных материалов. В комплект входит дистанционный пульт управления, который для удобства можно закрепить на спине робота. Программируемый робот Silverlit небольшого размера. В комплект поставляются батарейки, но только к основному, большому роботу Maxi Pals.

Эта игрушка заинтересует детей с пяти лет. Выглядят роботы очень симпатично — оригинальные космонавты, одетые в оригинальные скафандры. Игрушка имеет особый датчик, позволяющий обходить препятствия и сканировать пространство.

Конструкторы-роботы человекоподобные, программируемые

Наверное, совсем скоро роботы-андроиды станут незаменимыми помощниками домашних хозяек: они смогут готовить пищу и убирать в доме. Пока такие модели используют лишь в развлекательных или образовательных целях.

Darwin-mini

Элементы робота от компании Robotic совместимы с конструктором серии Dream, того же бренда. Рост робота составляет 26,95 см, семнадцать сервомоторов используется для движений. Передвигается он со скоростью 24 см/сек, аккумулятор рассчитан на полчаса непрерывной работы.

В комплект набора входит модуль Bluetooth. А вот гироскопического и других датчиков в этом комплекте нет. Контроллер с открытой платформой управляет роботом. Она оборудована четырьмя портами, к которым подключаются дополнительные датчики-светодиоды, которые в комплект не входят, но могут понадобиться для выполнения некоторых дополнительных задач.

Для сборного программированного робота применяется бесплатное ПО RoboPlus. Поведение робота можно запрограммировать с помощью редактора RoboPlus Task, а более сложные движения — используя программу RoboPlus Motion.

Bioloid Premium Kit

Комплект от известной корейской компании Robotics. Помимо трех можно собрать из предлагаемого комплекта 26 различных механизмов. Комплект рассчитан на детей старшего и среднего школьного возраста.
Собранный робот имеет: гироскоп, два инфракрасных датчика препятствий, 18 сервомоторов, инфракрасный датчик расстояния. Кроме того, в конструкцию включены датчики напряжения, температуры, микрофон. В комплекте входит пульт дистанционного управления.

Программирование виртуальных роботов на языке Java

Робототехника давным давно вышла за пределы научно-фантастических романов и в настоящее время является одной из движущих сил, определяющих прогресс во многих областях, таких как автоматизация производства, медицина, космос и т.д. Важную роль в робототехнике играют программные симуляторы, т.к. они не только упрощают работу инженеров, но и позволяют исследователям испытывать новейшие алгоритмы искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения. Одним из таких симуляторов является Simbad – проект с открытым кодом, разработанный на основе технологии Java 3D (см. ). В данной статье мы расскажем, как программировать виртуальных роботов, используя инструментарий Simbad, для получения лучшего представления об одной из философий проектирования роботов – архитектуре поглощения (subsumption architecture ).

Начало статьи посвящено краткому обзору робототехники и концепции архитектуры поглощения. Затем мы перейдем к инструментарию Simbad и расскажем, как, используя его, можно реализовать данную архитектуру. После этого придет время создания простого робота в соответствии с описанной архитектурой. В конце концов, вы окунетесь в занимательный мир лабиринтов и создадите второго робота, который, подобно Гомеру из Симпсонов (см. ), сможет самостоятельно из них выбираться. Разумеется, созданные роботы будут “виртуальными”, т.е. будут жить в виртуальной среде Simbad.

Программирование роботов

На данный момент не существует единого, всеми признаваемого определения термина “робот”. В нашей статье, под роботом мы будем подразумевать нечто, состоящее как минимум из следуюших компонентов:

• Набора сенсоров
• Программы, определяющей поведение робота
• Набора приводов и эффекторов

Традиционная робототехника

Под традиционной робототехникой обычно понимается период развития данной области вплоть до 1986 года. Для того времени было характерно представление о роботе, как о механизме, управляемом центральным контроллером (мозгом), который постоянно обновляет свое представление об окружающем мире и вырабатывает план поведения, исходя из этого представления. Новая информация о мире поступает от сенсоров, например, осязания, света, ультразвука и т.д. Мозг анализирует всю информацию от сенсоров и обновляет представление об окружающей среде, а затем принимает решение о том или ином действии. Все действия выполняются с помощью приводов и эффекторов. Первые обычно представляют собой некие двигатели, подсоединенные к устройствам, непосредственно взаимодействующим с окружающим миром — эффекторам. Примерами последних могут служить колеса или руки. При этом иногда под приводами (actuators) понимаются как сами приводы, так и эффекторы.

Таким образом, традиционный робот получает данные от множества сенсоров, комбинирует эти данные в процессе обновления картины мира, затем вырабатывает план действий на основе данной картины, и наконец, приводит его в исполнение. К сожалению, данный подход сопряжен с определенными трудностями. Во-первых, он требует большого объема вычислений. Во-вторых, поддержка актуальной картины окружающего мира – задача очень сложная, т.к. мир меняется постоянно. При этом известно, что многие организмы, например, насекомые, благополучно существуют и без поддержки полной картины мира, более того, даже не имея памяти как таковой. Так может стоит попробовать перенять их подход к функционированию? Подобные размышления стали отправной точкой нового течения в робототехнике, доминирующего в настоящее время. Оно получило название “поведенческая робототехника” (behavior-based robotics - BBR).

Архитектура поглощения

Одним из способов организации BBR-роботов является архитектура поглощения, предложенная в 1986 г. Родни Бруксом (Rodney A. Brooks) — в настоящее время главой лаборатории искусственного интеллекта в Массачусетском Технологическом Институте (MIT) — в его фундаментальной статье под названием “Слоны не играют в шахматы” (см. ). Согласно Бруксу, поведенческие роботы можно рассматривать как набор простых и независимых поведенческих узлов (behaviors), каждый из которых определяется двумя вещами – тем, что вызывает данное поведение (как правило, информация, поступающая от сенсоров), и тем действием, что является его результатом (как правило, выполненным с помощью эффектора). Поведения могут наслаиваться друг на друга, а также конфликтовать между собой. В этом случае, в действие вступает специальный механизм арбитража , который решает, какое поведение в данный момент является приоритетным. Ключевым моментом является то, что поведение робота, как единого целого, не закладывается заранее, а вырисовывается из взаимодействия его поведенческих узлов. Более того, по мнению сторонников BBR, глобальное поведение является чем-то большим, чем просто суперпозицией его частей. Оно поглощает каждое из локальных, низкоуровневых поведений. В целом, идея заключается в том, что вместо проектирования робота и точного описания его поведения во всех ситуациях, можно просто добавлять поведенческие узлы и смотреть, что получится в результате.

Simbad: среда для моделирования роботов

LEGO Mindstorms

В данной статье рассматривается создание программных агентов (ботов), но если вас интересуют реальные физические роботы, то обратите внимание на LEGO Mindstorms – замечательный инструментарий для робототехника.

Слоган в штаб-квартире LEGO Mindstorms гласит: “Мы сделаем для робототехники то, что iPod сделал для музыки” ("We will do for robotics what iPod did for music"). Первая версия Mindstorms была представлена в 1998 г. и сразу же превзошла ожидания LEGO по объему продаж. Цена комплекта ($250) может показаться слегка завышенной, но не забывайте, что столько же стоит iPod Classic, а он есть практически у каждого .

При этом iPod не предоставляет собой такого интереса для взлома как Mindstorms. Стоило выйти первому релизу Mindstorms, как различного рода хакеры начали взламывать и анализировать блоки RCX, являющиеся “мозгами” роботов. LEGO пребывала в некотором недоумении и сначала не могла решить, оставить ли все как есть или же выпустить официальное требование прекратить подобные действия. К чести руководства компании, они решили предоставить хакерам полную свободу действий в отношении Mindstorms.

Это привело к расцвету сообщества Mindstorms (см. ). Одним из следствий стало стороннее портирование платформы Mindstorms под другие языки, такие как C и Java, в то время, как сам инструментарий изначально поставлялся только вместе с графическим языком программирования NXT-G. В итоге, более половины пользователей инструментария – это взрослые специалисты.

Simbad предназначен для программного моделирования роботов. Согласно Web-странице проекта, Simbad “предоставляет программные средства для разработки роботов, описания их воздействия на окружающий мир, а так же использования сенсоров. Simbad был в первую очередь разработан для исследователей, которым необходим простой инструментарий для изучения ситуационного искусственного интеллекта, машинного обучения и алгоритмов AI вообще, особенно применительно к автономным роботам и агентам”.

Simbad был разработан на Java Луи Уге (Louis Hugue) и Николя Бредешем (Nicolas Bredeche). Проект размещен на сервере SourceForge.net и может свободно использоваться или модифицироваться в соответствии с лицензией GNU GPL (General Public License).

Технические подробности

Мир в среде Simbad может содержать как агентов (роботов), так и различные неодушевленные предметы, такие как, ящики, стены, источники света и т.д. Время в этом мире дискретно, т.е. разбито на интервалы. Simbad включает в себя планировщик, распределяющий время между агентами. Аналогично реальным роботам, агенты Simbad имеют как сенсоры (датчики расстояния, осязания, света и т.д.), так и приводы (как правило, колеса). В любой отведенный ему момент времени, робот может выполнять какое-то действие.

Классы, реализующие агентов, должны переопределять метод performBehavior() , который описывает их поведение. Внутри этого метода робот может анализировать поступающую от сенсоров информацию и изменять вращательную и поступательную составляющие скорости движения. На исполнение метода performBehavior() отводится короткий промежуток времени, поэтому нельзя отдавать такие команды, как, например, “продвинуться вперед на один метр”. Для того чтобы обойти это ограничение как правило приходится постоянно контролировать состояние, в котором находится робот. Кроме этого можно использовать таймер для отслеживания количества временных интервалов, в течение которых робот находился в текущем состоянии.

Simbad API

В примерах к данной статье в основном затрагиваются вопросы, связанные со следующими двумя пакетами, входящими в состав Simbad API:

• simbad.sim : Классы данного пакета описывают как самих роботов, так и окружающий их мир. Основными классами являются:
  • Agent: Сами роботы.
  • Arch: Арки, которые роботы могут объезжать либо проезжать под ними.
  • Box: Описывают препятствия на пути робота.
  • CameraSensor: Позволяет получать доступ к картине окружающего мира с точки зрения робота.
  • EnvironmentDescription: Описывает среду, в которую можно добавлять как роботов, так и неодушевленные объекты, например, стены и другие препятствия.
  • LampActuator: Фары, которые можно добавлять к своему роботу.
  • LightSensor: Сенсоры света.
  • RangeSensorBelt: Набор датчиков расстояния, которые могут быть расположены по периметру робота.
  • RobotFactory: Используется для добавления различных сенсоров к роботу.
  • Wall: Еще один тип препятствия для движения робота.
• simbad.gui : Классы из данного пакета отображают самого робота и позволяют его контролировать. Основным классом являются следующий:
  • Simbad: Окно, отображающее картину мира робота, информацию, поступающую с его сенсоров, а так же управляющие элементы.

Реализация архитектуры поглощения с помощью Simbad

Румба

В то время как я пишу эти строки, Румба (Roomba) пылесосит ковер у меня под ногами (при этом периодически наталкиваясь на котенка). Румба – это робот, разработанный компанией iRobot, основанной тремя выпускниками MIT: Родни Бруксом, Колином Энглом (Colin Angle) и Хелен Грейнер (Helen Greiner). Он был создан в согласии с принципами архитектуры поглощения и предоставляет открытый интерфейс, позволяющий менять его поведение самым произвольным образом. Книга Тода Курта (Tod E. Kurt) “Взламывая Румбу” рассказывает о множестве таких возможностей (см. ).

Реализовывать архитектуру поглощения на основе Simbad мы начнем с объявления класса-потомка Agent под названием BehaviorBasedAgent . Каждый экземпляр данного класса будет содержать массив поведений (объектов типа Behavior), а так же булеву матрицу, хранящую информацию об их попарном поглощении.

Класс BehaviorBasedAgent выступает в роли планировщика поведений. В листинге 1 приведен фрагмент кода, итерирующего по массиву поведений и регулирующего их запуск. При этом переменная currentBehaviorIndex используется для хранения ссылки на поведение, которое должно быть активировано на следующем шаге алгоритма.

Листинг 1. Цикл для поочередной активации поведений и разрешения конфликтов

Отметьте, что метод performBehavior() перегружает аналогичный метод в классе simbad.sim.Agent .

В классе поведения Behavior объявлено два абстрактных (abstract) метода:

• isActive() : Метод возвращает булево значение, показывающее, должно ли данное поведение быть активировано в данный момент времени, учитывая информацию, поступающую от сенсоров. При этом все экземпляры класса Behavior имеют доступ к общему набору сенсоров.
• act() : Метод возвращает новые значения поступательной и вращательной скорости (именно в таком порядке), являющиеся результатом активации поведения.

Пример блуждающего робота, притягивающегося к источникам света

Теперь пришло время создать программного робота (или бота), который будет включать 4 нижеперечисленных поведения, хранящихся в порядке убывания приоритета. Код бота показан в листингах со второго по пятый (код примеров к данной статье доступен для ).

• Avoidance: Изменяет направление движения после столкновения или в попытке предотвратить столкновение.
• LightSeeking: Направляет движение в сторону источника света.
• Wandering: Периодически меняет направление движения произвольным образом.
• StraightLine: Направляет движение по прямой.

Листинг 2. Класс Avoidance (на основе демонстрационного примера SingleAvoiderDemo.java из поставки Simbad)

Листинг 3. Класс LightSeeking (на основе демонстрационного примера LightSearchDemo.java из поставки Simbad)

Листинг 4. Класс Wandering

Листинг 5. Класс StraightLine class

В листинге 6 показано поглощение одних поведений другими.

Листинг 6. Объявление булевой матрицы, описывающей попарное поглощение поведений

В данном примере набор поведений полностью упорядочен в соответствии с приоритетом. В общем случае, это необязательно.

В качестве упражнения вы можете попробовать реализовать следующие вещи:

• Социальное поведение: движение навстречу друзьям и в сторону от врагов.
• Избегание источников света.
• Добавить фары к некоторым роботам, так, чтобы они начали притягиваться друг к другу.

Лабиринты

"Ну, наконец-то! Я так и знала, что из этого лабиринта можно выбраться, действуя по алгоритму Тремо!" — Лиза Симпсон

Из всей массы алгоритмов выхода из лабиринтов, два выделяются тем, что используют объем памяти, не зависящий от размера самого лабиринта. Они известны под названиями “следование вдоль стены” (wall-following) и алгоритм Пледжа . Последний был назван в честь Джона Пледжа (Jon Pledge) из Эксетера, который изобрел алгоритм в возрасте 12 лет. Кроме этого есть еще великолепный алгоритм Тремо (Tremaux algorithm) – любимый алгоритм Лизы Симпсон – но в целях упрощения мы рассмотрим только первые два.

Алгоритмы генерации лабиринтов

Интерес представляют не только алгоритмы выхода из лабиринтов, но и их генерации. Лабиринты, рассматриваемые в данной статье, называются совершенными (perfect), благодаря тому, что существует один и только один вариант прохода между любыми двумя точками лабиринта. Благодаря этому условию исключаются петли, острова, а так же изолированные участки. Большинство алгоритмов, генерирующих совершенные лабиринты, работают следующим образом: они начинают с простого лабиринта, представляющего собой только внешнюю стену и постепенно добавляют внутренние участки. При этом на каждом шаге необходимо исключать возможность появления петель, изолированных секций и т.д.

Следование вдоль стены

Этот алгоритм настолько прост, что многие обучаются ему еще в детстве. Все что требуется для выхода — это вести левой рукой по левой стене (или правой рукой по правой стене) пока не встретите выход. Несложно видеть, что данный алгоритм работает безупречно для лабиринтов, в которых вход и выход расположены на периметре. К сожалению, алгоритм нельзя применять в случае, если выход расположен на острове — части лабиринта, не соединенной с остальными стенами. В этой ситуации алгоритм не найдет выход, потому что нельзя перепрыгнуть пустое пространство до острова, не отрывая руку от стены.

Алгоритм Пледжа

Алгоритм Пледжа более сложен, но зато способен находить выход из большего числа лабиринтов за счет возможности переходов от одного острова к другому. Идея алгоритма заключается в том, что надо выбрать некое абсолютное направление (север, юг, запад или восток) и всегда стараться ему следовать. Назовем его предпочтительным направлением . В случае если вы упираетесь в стену, вы поворачиваете направо и движетесь в соответствии с алгоритмом “следование вдоль стены” до тех пор, пока не выполнится два условия. Первое – это поворот в предпочтительном направлении, а второе – сумма всех ранее сделанных поворотов равна нуля (при этом каждый поворот против часовой стрелки принимается за единицу, а по часовой стрелке, соответственно, за минус единицу). После этого вы продолжаете двигаться в предпочтительном направлении пока это возможно и так далее. Условие на нулевую сумму поворотов необходимо для избегания разного рода ловушек, например, участков лабиринтов, имеющих форму G (нарисуйте ее на бумаге и сразу поймете, о чем я).

Алгернон: робот, выбирающийся из лабиринтов

Пришло время удивить ваших друзей, создав робота по имени Алгернон (Algernon), задачей которого будет выход из лабиринтов.

Проектирование робота

Для реализации как алгоритма Пледжа, так и следования вдоль стены необходимо точно определять момент, когда робот подходит к разветвлению в лабиринте, а также иметь возможность указать, какое направление выбрать.

Наверняка это можно реализовать множеством способов, но мы будем использовать специальный сенсор — эхолокатор, расположенный на левой стороне робота. Этот сенсор будет посылать сигналы при пересечении ответвлений слева по ходу движения. Для того чтобы определять, что впереди тупик, мы добавим еще один сенсор — датчик касания, расположенный в лобовой части робота.

Реализация алгоритма следования вдоль стены

Весь код Алгернона будет размещен в пакете algernon.subsumption (весь код доступен для ). Алгернон — это достаточно простой робот и его вполне можно запрограммировать в процедурном стиле. В то же время, даже для такого простого робота, подход, основанный на поглощении поведений, делает код намного чище, легче для понимания, а также способствует лучшей организации модулей.

Мы сделаем еще одно допущение в целях упрощения примера: будем считать, что все стены пересекаются под прямыми углами. Другими словами, все повороты налево и направо осуществляются исключительно на 90 градусов.

Леворукий алгоритм следования вдоль стены можно декомпозировать на четыре различных поведения:

• Идти прямо.
• Упершись в стену, повернуть направо.
• Встретив ответвление влево, повернуть.
• Остановиться при нахождении выхода.

Поведениям необходимо присвоить приоритеты. В данном примере, мы их выберем в том же порядке, в каком они перечислены выше. В итоге нам понадобятся четыре класса-наследника Behavior:

• GoStraight
• TurnRight
• TurnLeft
• ReachGoal

В листинге 7 показан код класса GoStraight , в котором TRANSLATIONAL_VELOCITY – это константа, равная 0.4:

Листинг 7. Реализация поведения для движения по прямой

Код класса TurnRight показан в листинге 8. Метод getRotationCount() возвращает количество временных интервалов, необходимых для поворота на 90 градусов при данной скорости вращения.

Листинг 8. Реализация поведения для поворота направоBehavior code for turning right

Для поворота налево, Алгернон должен сначала чуть продвинуться вперед так, что стена слева от него закончится. Затем он поворачивается налево и проходит еще немного вперед так что, по его левую сторону опять находится стена. Код показан в листинге 9.

Листинг 9. Реализация поведения для поворота налево

Код класса ReachGoal показан в листинге 10.

Листинг 10. Поведение при обнаружении выхода из лабиринта

Главный метод, определяющий поведение Алгернона приведен в листинге 11.

Листинг 11. Код управления поведениями Алгернона

На рисунке 1 показано, как Алгернон движется по лабиринту.

Рисунок 1. Алгернон, двигающийся по лабиринту

Заметим, что робот успешно решает задачу выхода, несмотря на то, что ни один из его компонентов ничего не знает не только о лабиринтах, но даже о стенах. Не существует никакого центрального узла, выступающего в роли мозга, просчитывающего путь выхода. В этом и заключается суть архитектуры поглощения: сложное поведение, будто бы специально спроектированное для решения конкретной задачи, вырисовывается при взаимодействии простых, наслоенных друг на друга поведений.

Заключение

В данной статье рассматривалось создание простого программного робота. Программирование реального, физически существующего робота представляет собой значительно более сложную задачу, в основном из-за того, что приходится учитывать все аспекты влияния окружающего мира. Например, в рассмотренном примере было достаточно просто заставить робота двигаться прямо вдоль стены. В реальном мире с его неровными поверхностями, весьма непросто реализовать движение робота таким образом, чтобы он не ударялся об стену и одновременно не удалялся от нее слишком далеко. Так что, даже если вы любите программировать, не факт, что программирование роботов доставит вам удовольствие, т.к. зачастую это требует больше механической, чем творческой работы.

Обратите внимание на инструментарий LEGO Mindstorms, если вы заинтересовались проектированием и программированием роботов. В качестве альтернативы, можно поработать с роботами BEAM (Biological Electronic Aesthetics Mechanics). BEAM далее развивает идею поведенческой робототехники, вообще убирая программирование как таковое. Глобальное поведение робота определяется жестко заданными соединениями поведенческих узлов, работающих на рефлексах. Заплатив не более $30 вы сможете построить своего первого BEAM-робота. Также можно спроектировать робота по чертежам, которые вы найдете в книге Гарета Бранвина (Gareth Branwyn) “Создание роботов для абсолютных новичков” (см. ). Ну и, наконец, всегда можно купить Румбу и взломать его.

Один из поразительных выводов, к которому я пришел, начав заниматься программированием роботов, а также после поверхностного знакомства с кодом других разработчиков, - это то, что необязательно писать длинные программы, чтобы создать робота, обладающего весьма обширной функциональностью. При этом, правда, зачастую приходится долго шлифовать программу и экспериментировать с константами, чтобы робот делал именно то, что нужно. Используя же инструментарий LEGO Mindstorms, вы вполне сможете создать простого робота за вечер.

Робототехника – это своего рода захватывающая субкультура, включающая в себя книги, соревнования, видео и т.д. Вполне возможно, что даже недалеко от вас есть клуб или кружок любителей роботов.