Справка-обзор популярных робототехнических...

Обзор робототехнических платформ для

использования в общеобразовательной школе

Современное направление с системе образования «Робототехника» по природе своей опирается на

наличие в учебных заведениях качественной материально-технической базы. Учебные

робототехнические лаборатории должны оснащаться, как минимум, достаточным количеством

образовательных робототехничских комплектов, электронные и конструктивные компоненты которых

школьники будут использовать для создания свох проектов, а также необходимым количеством

персональных или портативных компьютеров, использование которых обуславливается

необходимостью программирования робототизированных механизмов и офоромления проектной

документации.

Помимо наличия технического обеспечения, для образовательных центров остро встает вопрос

наличие учебно-методического комплекса, который бы сопровождал учебную программу, связанную

с робототехникой. Данный УМК должен не только использоваться школьниками в качестве учебника

и рабочей тетради, но и помогать в обучении педагогов на преподавание данного курса, а также

обеспечивать качественную подготовку к занятиям. На текущий момент в РФ нет своих собственных

официально апробированных УМК по робототехнике.

Данная справка проводить обзор существующих образвательных робототехнических комплектов, в

котором учебное оборудование рассматривается с точки зрения возрастной категории, цены,

легкости освоения - наличия УМК.



LEGO Mindstorms Популярный во всем мире робототенический конструктор от компании LEGO. Начинает свою историю

с 1998 года - с тех пор выпустилось 3 различных версии конструктора: LEGO Mindstorms RCX (1998),

LEGO Mindstorms NXT (2005), LEGO Mindstorms EV3 (2013).

Конструктор рассчитан на возрастную аудиторию от 5го класса.

Базовый набор состоит состоит из достаточного количества электронных элементов и элементов

конструкции, чтобы с помощью него создаватать робототизированные механизмы разного уровня

сложности. В комплект также входит пластиковый лоток для хранения конструктора и

аккумуляторная батарея. Зарядное устройство для батареи приобретается отдельно.

Для создания еще более сложных проектов и/или для участия в робототехнических состязаниях

необходимо преобретать ресурсный набор, который содержит дополнительные конструктивные

элементы. Практика показывает, соотношение базовых и ресурсных наборов в стандартной школьной

робототехнической лаборатории составляет 2 к 1: на два базовых набора нужен один ресурсный

набор.

Также для создания сложных проектов, стандартный набор электронных компонентов может быть

раасширен: а) за счет отдельно приобретаемых стандартных датчиков LEGO; б) за счет электронного

оборудования сторонних фирм. Электронное оборудование предлагают российская компания

SMARTBRICKS, зарубежные HiTechnic, Mindsensors.

Разнообразие сред программирования платформы LEGO Mindstorms велико. Ее поддерживают

графические сред программирования для начинающих: LEGO Mindstorms NXT-G и EV3-G, Scratch,

Enchanting, Robolab.



Также есть возможность программировать платформу в профессиональной среде National Instruments

LabView. Среды, поддерживаютщие текстовые языки программирования, - RobotC, NXC, Java, Python,

.NET также достаточно популярны среди пользователей платформы.

Методическая поддержка базового уровня обеспечивается самой компанией LEGO – простые

рекомендации по внедрению платформы в образовательный процесс идут вместе со средой

программирования LEGO Mindstorms NXT-G/EV3-G. Методические указания базового уровня также

идут в сопровождении с наборам LEGO Green City, Space Challenge и Engineering Projects. На текущий

момент, самый прорароботанный с точки зрения методического сопровождения курс по

робототехнике для наборов LEGO Mindstorms предоставляется Carnegie Mellon University –



Университет Иннополис провел локализацию курса и адаптацию под Федеральные государственные

образовательные стандарты РФ.

Линейка конструкторов LEGO Mindstorms традиционно активно используется участниками

робототехнических состязаний World Robot Olympiad и FIRST LEGO League, отборочные этапы к

которым проходят также в России с 2004 года.

Цены на наборы LEGO Mindstorms и ПО

Базовый набор LEGO Mindstorms EV3 Education

18 180

Ресурсный набор LEGO Mindstorms EV3 Education

5 450

Программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3-G (многопользовательская лицензия)

21 900

Программное обеспечение ROBOTC + Virtual Worlds (лицензия на 30 компьютеров на один год)

500 USD



LEGO WeDo Данный робототехнический набор предназначен в первую очередь для начальной школы (2 – 4

классы). Работая индивидуально, парами, или в командах, учащиеся могут учиться, создавая и

программируя модели, проводя исследования, составляя отчёты и обсуждая идеи, возникающие во

время работы с этими моделями.

LEGO WeDo предоставляет учителям средства для достижения целого комплекса образовательных

целей.

Развитие словарного запаса и навыков общения при объяснении работы модели.

Установление причинно-следственных связей.

Анализ результатов и поиск новых решений.

Коллективная выработка идей, упорство при реализации некоторых из них.

Экспериментальное исследование, оценка (измерение) влияния отдельных факторов.

Проведение систематических наблюдений и измерений.

Использование таблиц для отображения и анализа данных.

Построение трехмерных моделей по двухмерным чертежам.

Логическое мышление и программирование заданного поведения модели.

Написание и воспроизведение сценария с использованием модели для наглядности и

драматургического эффекта.

Подобно конструктору LEGO Mindstorms, различают базовый набор LEGO WeDo и ресурсный набор

LEGO WeDo. В базовый набор входят электронные компоненты: один мотор и два датчика: датчик

наклона и датчик движения. В ресурсный набор входят дополнительные LEGO детали, необходимые

для создания более сложный проектов.

С использованием конструктора LEGO WeDo нельзя создавать автономные механизмы. Управление

роботом происходит c помощью специального программного обеспеченя через USB шнур. Для

программирования может использоваться стандартная графическая среда программирования LEGO

WeDo, которая позволяет создавать создавать программы путём перетаскивания Блоков из Палитры



на Рабочее поле и их встраивания в цепочку программы. Соответствующие Блоки предусмотрены для

управления моторами, датчиками наклона и расстояния, а также имеются Блоки для управления

клавиатурой и дисплеем компьютера, микрофоном и громкоговорителем. Программное обеспечение

автоматически обнаруживает каждый мотор или датчик.

Помимо стандартной среды программирования есть возможность использовать популярную

графическую среду программирования Scratch с открытым исходным кодом, которая обеспечивает

более тесную интеграцию LEGO WeDo с компьютером, что позволяет создавать более интересные

творческие проекты.



Базовая методическая поддержка по организации учебного процесса с помощью конструктора LEGO

WeDo идет в составе стандартного ПО LEGO WeDo. Более проработанные учебно-методические

материалы не получили еще сколь угодно широкого распространения в России.

На всероссийском этапе Международных Состязаний Роботов есть специальная категория для

проектов созданных с помощью LEGO WeDo.

Цены на наборы LEGO WeDo и ПО:

Базовый набор LEGO WeDo 7 040

Ресурсный набор LEGO WeDo 3 050

Программное обеспечение LEGO WeDo Education

5 180



TETRIX / MATRIX TETRIX – робототехнический конструктор нового поколения, который позволяет перевести процесс

создания робота на новый качественный уровень с практически неограниченными возможностями.

Конструктор TETRIX включает в себя все необходимое для создания металлических роботов, которые

могут управляться микрокомпьютером LEGO Mindstorms NXT/EV3. Использование этого набора

является следующим этапом в изучении робототехники после конструкторов LEGO и рассчитано на

учащихся старших классов и студентов ВУЗов.

TETRIX предоставляет идеальную платформу для создания гибкого и творческого проекта робота. На

ее основе можно построить робота с дистанционным управлением или, а, используя

микрокомпьютер LEGO Mindstorms NXT/EV3 и датчики (приобретаются отдельно), создать

автономного робота.

Для поставки наборов в учебные заведения существует традиционная схема разделения

конструкторов на базовый комплект, в который входят соединительные балки, колеса, моторы и

контроллеры моторов, и ресурсный набор.

Как говорилось выше, конструктор TETRIX не имеет своего собственного микроконтроллера. Вместо

этого обычно используется микроконтроллер из набора LEGO Mindstorms. Поэтому с точки зрения

программирования здесь применимы все те же средства создания программ. Поскольку среды LEGO

Mindstorms NXT-G, ROBOTC и National Instruments LabView уже имеют в своем составе поддержку

контроллеров моторов TETRIX, то именно они и используются для образовательного процесса.



Конструктор MATRIX аналогичны набору TETRIX – также имеют в своем составе металлические

эллементы, но также есть и пластиковые элементы. В базовый набор MATRIX также входят

контроллеры моторов, моторы. Здесь тоже нет своего микроконтроллера, поэтому для создания

автономных роботов необходим микроконтроллер из набора LEGO Mindstorms, что также приводит к

аналогичному набору средств программирования.

Проекты школьников выполненных на базе конструкторов TETRIX участвуют в состязаниях FIRST

Technical Challenge и World Robot Olympiad.

Carnegie Mellon University имеет курс расчитанный на использование TETRIX и MATRIX в

образовательном процессе. Текущие курс STEM-робототехники Университета Иннополис могут быть

легко адаптированы под платформу TETRIX/MATRIX поскольку в программирование в этих

платофрмах опирается на микроконтроллер LEGO Mindstorms NXT/EV3.

Цены на наборы TETRIX:

Базовый набор TETRIX 45 000

Ресурсный набор TETRIX 13 900

Цены на наборы MATRIX:

Базовый набор TETRIX 28 000

Ресурсный набор TETRIX 11 000



Роботы на основе платы Arduino / RaspberryPi В последнее время все большую популярность стали приобретать робототехнические конструкторы

на базе плат быстрого прототипирования Arduino и Raspberry PI.

Arduino и Raspberry PI — это небольшие платы с собственным процессором и памятью. На плате

также есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты:

лампочки, датчики, моторы, чайники, роутеры, магнитные дверные замки и вообще всё, что работает

от электричества. В процессор Arduino / Raspberry PI можно загрузить программу, которая будет

управлять всеми этими устройствами по заданному алгоритму.

Для полноценного использования платы в качестве основы для создания робототехнических

механизмов необходимо изучение не только основ алгоритимизации, но и изучение основ

микроэллектронники. А эти знания не могут ложиться без изучения соответствующих разделов

физики. Поэтому образовательные курсы на основе плат Arduino или Raspberry PI имеет смысл

проводить для школьников не младше 9го класса.

Помимо того, что механическое устройство-автомат на базе Arduino или Raspberry PI можно собрать

из электронных компонентов, которые доступны в любом магазине радиолектронники, есть

возможность приобрести базовые робототехнические наборы.



Обычно в состав таких наборов входит все необходимое (элементная база, датчики, макетные платы,

соединительные провода, шасси, измерительное оборудование), чтобы построить процесс изучения

микроэллектронники и робототехники от самых основ. С помощью таких наборов также можно

создать простых роботов-тележки. Для создания более серьзеных робототехнических проектов

должна быть возможность создавать дополнительные конструктивные элменты с помощью

фрезерного оборудования, 3D принтеров.

Программирование радиоэлектронных и робототехнических устройств происходит в среде с

открытым исходным кодом на C-подобном языке программирования.



Также есть возможность готовить программное обеспечение для платформы Arduino в специальной

версии среды ROBOTC.

Отдельно стоит сказать о робототехнических наборах Scratchduino. Несмотря на ориентированность

платформы на среднее школьное звено и упрощенный подход к программированию роботов на базе

среды Scratch, отсутсвие серьезной методической поддержки делает эту плафторму тяжелой для

внедрения в образовательный процесс. Также чисто отсутствие технической возможности создавать

автономных роботов делает платформу малопригодной для участия в соревнованиях.



Качественно проработанной учебно-методической базы для создания проектов на базе плат Arduino

и Raspberry PI в России нет. Хотя в качестве базового учебного пособия на русском на текущий момент

может расцениваться учебник «Основы программирования микроконтроллерв». Но он требует

серьезной адаптации к каждому конкретному учебному заведению и формату проведения занятий.

В свободной категории всероссийского этапа World Robot Olympiad разрешено использование

робототехнических средств на базе плат Arduino и Raspberry Pi. Фестиваль «РобоМИР-2013»

проходивший в Москве показал нарастающую популярность этого направления образовательной

робототехники среди педагогов дополнительного образования школьников.

Цены на образовательные наборы:

Образовательный набор «Амперка»

12 900



VEX / VEX IQ Конструкторы VEX и VEX IQ не являются широкоиспользуемыми в нашей стране. Но тем не менее

являются альтернативой конструкторам LEGO Mindstorms и TETRIX/MATRIX.

В основе конструкторов VEX лежит свой собственный микроконтрллер, а также моторы и датчики. В

конструкторе VEX используется металлический конструктив, а в конструкторе VEX IQ - пластиковый.

Наличие у микроконтроллера аналоговых и цифровых поротов повзоляет использовать его для

изучения основ микроэлектронники аналогично платам прототипирования Arduino/Raspberry PI.



При поставке в образовательные учреждения также следует отличать базовый и ресурсные наборы,

позволяющие существенно расширить круг проектов, которые могут быть созданы с данным

конструктором.

Используемая среда программирования - ROBOTC. Что говорит о возможности повторного

использования курсов CMU / Университета Иннополис для внедрения конструкторов в

образовательный процесс.

До сих пор в России нет состязаний, где бы могли участвовать проекты созданные из данных

конструкторов, но тем не менее в США проводятся международные состязания, в которых

используются робото на данной платформе, а значит, в нашей стране могут быть организованы

национальные отборочные состязания.

Цены на наборы VEX:

Стартовый набор с сенсорами VEX IQ 18 000

Стартовый набор с сенсорами VEX 64 600



ROBOROBO Обучающие робототехнические наборы ROBOROBO, помогут освоить азы программирования и понять

работу механизмов. В комплектацию конструкторов входит все необходимое для создания

собственных роботов.

Рекомендованный возраст от 5го класса.

Простое программное обеспечение и подробная инструкция помогут сконструировать и

запрограммировать множество моделей роботов, представленных в наборе.



В основе лежит микроконтрллер ATMega, а элементы выполнены из прочных текстолитовых блоков,

которые соединяются между собой винтами.

Существует пять разных комплектов конструкторов ROBOROBO, отличающиеся уровнями сложности.

В каждый из них входят: текстолитовые плиты, металлические соединители и уголки, DC моторы и

сервоприводы, колеса и гусеницы, контроллер для моторов и сервоприводов, пульт дистанционного

управления, программное обеспечение, кабели для подключения к компьютеру. Большое

количество, предложенных в наборе компонентов, позволят самостоятельно собрать различные

варианты моделей роботов.

Малая распростанненость конструктора ROBOROBO, отсутсвие среды программирования и

методических материалов на русском языке делает внедрение набора в образовательную

деятельность сложным для обычного педагога.

Цены на наборы ROBOROBO (указаны только наименее «обрезанные» версии конструктора):

Robokit 4 21 846



Robokit 5 27 115



BIOLOID BIOLOID – семейство образовательных робототехнических конструкторов, предназначенных для

обучения в области разработки и отладки сложных робототехнических систем.

Наличие возможности создавать не только сложных человекоподобных роботов, но и достаточно

простых механизмов позволяет построить образовательный курс, как для школьников на начальном

уровне обучения, так и для опытных робототехников.

Рекомендуемый возраст обучающихся – от 7го класса (очень много мелких деталей).



В зависимости от комплектации в набор может входить от 2 до 18 моторов, микроконтроллер,

датчики, колес, а также достаточное количество пластиковых деталей и металлических саморезов,

винтов и гаек.

Различают несколько комплектаций STEM, Beginner и Premium. Комплектация STEM подходит для

образовательных центров, где изучают базовые основы робототехники. Базовый набор (Standard)

деталей может быть расширен дополнительным набором, что позволит создавать более широкий

диапазон робототехнических проектов. В комплекте также идет инструкции по сборке и

методическое пособие на английском языке.

Еще одним комплектом для робототехнических курсов начального уровня является Beginner. С

помощью него можно создать простых человекподобных роботов. Комплектация Premium может

расцениваться, как набор для опытных обучающихся. Широкий спектр робототехнических проектов,

которые можно создать с использованием элементной базы из данной комплектации, позволяет

готовить их как к соревнованиям базового уровня, так и к сложным состязаниям «Танцы роботов»,

проходящих ежегодно в рамках фестиваля «РОБОФЕСТ».

Для набора существует несколько сред программирования. Для изучения алгоритмизации и теории

управления есть возможность готовить программы на текстовом языке программирования.



Для задания сложных движений (хождение, танцы, манипуляции с предметами) используется

специальная среда, в которой задание движений похоже на съемку анимационного фильма – каждое

движение робота – отдельный кадр.



Как было сказано выше? в комплектах идет базовое руководство по программированию роботов

BIOLOID, которое может быть использовано для подготовки УМК для внедрения робототехнического

набора в образовательную программу.

Цены на наборы BIOLOID:

BIOLOID STEM 18 000

BIOLOID Beginner 17 000

BIOLOID Premium 56 000



OLLO OLLO – образовательный робототехнический конструктор с обширными возможностями для

начинающих. Основной принцип наборов OLLO заключается в использовании унифицированных

компонент – стандартных деталей и заклепок для их соединения. Благодаря этому можно легко

объединять наборы между собой и разрабатывать удивительные конструкции и механизмы.

Как и во многих аналогичных наборах, управляющий контроллер представляет собой универсальный

модуль управления, включающий в себя – кнопки для управления и выбора режимов работы, три ИК-

датчика, способных измерять расстояние до объектов (в базовых моделях применяются для

следования по линии), микрофон и динамик для воспроизведения звуков. Он обладает четырьмя

коммуникационными портами для подключения внешних устройств – два порта для подключения

приводов, два многофункциональных порта для подключения приводов, датчиков и прочих

устройств, а так же порт для программирования и дистанционного управления.

Семейство конструкторов OLLO подразделяется на две схожие по функционалу, но принципиально

разные по назначению подгруппы – конструкторы общего назначения (игровые) и образовательные

наборы.

Линейка образовательных комплектов состоит из основного набора и набора с дополнительными

детялями: OLLO Explorer и OLLO Expansion Set, в которые помимо микроконтроллера входят два

привода постоянного тока, два сервопривода, два ИК-датчика, светодиодный модуль, тактильные

датчики и ИК-приемопередатчик.

Рекомендуемый возраст обучающихся - от 5го класса. Простота сборки моделей и ограниченность

элементной базы ограничивает максимальный возраст 8ым классом.



Среда программирования использует смешанный язык программирования: из панели со списком

конструкций языка можно с помощью мышки вытягивать блоки управляющие ходом программы,

которые в теле программы отображаются в текстовом виде.

В комплекте с образовательыми версиями конструктора идет базовое методическое пособие,

которое могут помочь в интеграции робототехники, как STEM-направления, в образовательный

процесс. Из-за малой распространненности программ обучения на базе этого конструктора, методика

обучения требуетсерьезной проработки перед массовым внедрением.

Цены на наборы OLLO:

OLLO Explorer 8 000

OLLO Expansion Set 7 700



fishertechnik Развивающий конструктор, часто использующийся для демонстрации принципов работы механизмов

и машин в средних, специальных и высших учебных заведениях, а также для моделирования

производственных процессов и презентационных целей.

В комплекты конструкторов входят программируемые контроллеры, двигатели, различные датчики и

блоки питания, что позволяет приводить механические конструкции в движение, создавать роботов и

программировать их с помощью компьютера. Основным конструктивным элементом элементом

конструктора является блок с пазами и выступом типа «ласточкин хвост».

Визуальный язык программирования, входящий в состав ROBO Pro, позволяет писать простые

программы школьникам и начинающим энтузиастам. Режим симуляции облегчает тестирование и

отладку, если по каким-либо причинам использовать настоящего робота нельзя. Готовые

управляющие программы можно загрузить в FLASH или RAM память контроллеров через интерфейс

USB или Bluetooth.



Рекомендуемый возраст школьников для работы с конструктором – 4 класс.

C образовательными наборами поставляются рабочие тетради, на основе которых можно построить

первые несколько занятий по курсу образовательной робототехники на основе конструктора

fishertechnik. При широком внедрении конструктора в образовательный процесс требуется серьезная

методическая проработка.

Цена на набор fishertechnik:

ROBO TX Учебная лаборатория 20 550



Российский конструктор ТРИК Кибернетический конструктор ТРИК позволяет собрать множество различных робототехнических

моделей: от базовых образовательных до самых современных, способных "видеть", "слышать",

взаимодействовать. Создатели конструктора – робототехники из Санкт-Петербурга видят данный

конструктор, как набор прототипирования робототехнических моделей: крепкий "скелет", базовые

приводы, необходимые сенсоры.

В основе конструктора лежит контроллер собственной разработки, способный одновременно решать

задачи обработки аудио- и видеоданных, синтеза речи, навигации; управлять сервоприводами и

моторами; собирать показания с аналоговых и цифровых датчиков; обмениваться информацией по

беспроводной связи.



Интуитивно понятная среда программирования позволяет описывать поведение моделей с помощью

последовательности картинок.

Рекомендуемый возраст для обучающихся с 9го класса.

Отсутствие налаженной схемы производства и все еще «предстартовое» состояние проекта не

позволяет пока говорить о его возможной интеграции в образовательный процесс на массовом

уровне.

Цены на наборы ТРИК:

Образовательная версия 34 720



Российский конструктор УМКИ УМКИ - это Управляемый по радио каналу Машинный Конструктор Инновационный. С его помощью

легко и просто изучить основные команды управления роботами и другими радиоуправляемыми

устройствами.

В качестве основного модуля робототехнического конструктора, единицы SmartCar использованы

платформы электронные конструкторы "Знаток" − вездеходы Лидер.

На текущий момент существует возможность создавать программы только для телеуправляемых

(неавтономных) роботов-тележек. Прорамирование происходит в среде со свободным кодом КУМИР.



Конструктор не имеет понятной схемы распространения в учебные заведения. Хотя существуют

единичные примеры его внедрения в образовательный процесс.



ВЫВОДЫ На основании анализа сделанного выше можно рекомендовать следующие конструкторы для

приобретения в учебные заведения Республики Татарстан:

Младший школьный возраст, 2-4 классы

Конструкторы LEGO WeDo

Комплектация поставки должна определяться из учета один базовый набор на команду двух

учеников. Один ресурсный набор на каждые два базовых набора. Стоиомость программного

обеспечения также должна учитываться.

5-8 классы

Конструкторы LEGO Mindstorms EV3

Поставка должна происходить в те школы, где еще нет робототехнических комплектов LEGO

Mindstorms

Комплектация поставки должна определяться из учета один базовый набор на команду двух

учеников. Один ресурсный набор на каждые два базовых набора.

Для 5-6 класса должно закупаться программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 Software

Для 7-8 класса в качестве среды программирования должен преобретаться ROBOTC c

возможностью запуска среды Virtual Worlds (для выполнения домашних заданий без

использования реального робота)

Старшие (9-11) классы

Конструкторы VEX (преобретение конструкторов TETRIX и MATRIX является

нецелесообразным, поскольку требует приобретения еще комплекта LEGO Mindstorms

NXT/EV3 для каждого набора TETRIX/MATRIX).

Для учебного процесса достаточно только стартового набора, но для участия в соревнованиях

необходимо докомплектация его дополнительным оборудованием для дистанционного

управления.

В поставку должно включаться программное обеспечение ROBOTC c возможностью запуска

среды Virtual Worlds (для выполнения домашних заданий без использования реального

робота)

Дополнительная информация

Годовая лиценизия на использование учебной программы Университета Иннополис

подразумевает предоставление доступа к Электронному Образовательному Ресурсу (Learning

Management System) индивидуально для каждого школьника, где он получит доступ к

образовательным материалам, видео-роликам, тестам, а также к форуму для общения со

сверстниками.



При бюджетировании расходов на интеграцию образовательной программы должны

учитываться траты на обучение и поддержку педагогов.

Выбор учебных заведений для эффективной интеграции образовательной программы должен

включать конкурс для педагогов – серию мероприятий для выяснения мотивации и

способности преподавать по данному направлению.