Добрый день, уважаемые жители !
Сейчас лето, пора отпусков и время отдыха на пляже, но мы совсем не устали, и поэтому с легкостью согласились на предложение организаторов форума «Ленский край» с 14го по 25е июля слетать за 6000 км от Москвы и провести серию занятий со школьниками с 5го по 11й класс по робототехнике в рамках летней физико-математической школы инновационных проектов «Сотворение будущего». Но обо всем по порядку.
1. Введение (оно же историческая справка).
26.06.1999 года Первый Президент Республики Саха (Якутия) Михаил Ефимович Николаев издал указ об организации физико-математического Форума «Ленский край» в селе Октемцы Хангаласского улуса (района – прим.), основной миссией которого являлось формирование квалифицированных и конкурентно-способных научных и технических кадров, готовых в своей профессиональной деятельности защищать интересы и обеспечить устойчивое развитие Арктики. С тех пор вот уже 15 лет Форум ведет круглогодичную работу, собирая под своей крышей учащихся, студентов, учителей, научных работников со всех концов республики и многих других регионов страны (в том числе даже и из Москвы). Первоначально Форум был организован в деревянном здании, больше напоминающем обычную сельскую школу, чем форум республиканского значения. Однако, спустя довольно короткий срок (3 года) были отстроены современные жилой и учебный корпуса. В настоящее время Форум располагается на обустроенной территории, включающей в себя жилой комплекс, в котором проживают участники форума, двухэтажный учебный корпус с лекционными классами и лабораториями, оснащенными современным оборудованием, а так же музей Первого Президента Республики Саха – М.Е.Николаева.
Вид на учебный корпус
Режим работы Форума – круглогодичный. Зимой и летом – школы для одаренных детей, длящиеся, в среднем, пару недель. Все остальное время – проведение различных олимпиад, научно-технических соревнований, а так же стажировок как для школьников и студентов, так и для учителей со всей республики. В качестве преподавательского состава выступают приглашенные из лучших ВУЗов нашей страны специалисты по различным направлениям. Основными направлениями, в которых работает Форум является физика, математика, химия, информатика и робототехника. В рамках этих направлений школьники проходят курсы углубленного изучения физики и математики, осваивают методику проведения цифровых измерений, собирают роботов и даже запускают собственные спутники. Участники данного форума зачастую становятся победителями и призерами в различных физико-математических олимпиадах, а так же соревнований по робототехнике как всероссийского, так и международного масштабов. Данный Форум является гордостью республики Саха и основным научно-образовательным центром республиканского значения.
2. Кто такие «Мы» и как мы оказались в числе приглашенных.
Мы – выпускники и сотрудники МГТУ им. Н.Э. Баумана с факультета «Робототехника и комплексная автоматизация», а конкретно кафедр РК9 и, в уже расформированной и объединенной с другой кафедрой, РК10. Всего нас было трое – два инженера-разработчика и наш руководитель – организатор. В настоящее время мы являемся сотрудниками различных организаций (в том числе и МГТУ им. Н.Э.Баумана), но всех нас объединяет любовь к робототехнике и конструированию всяких интересных штук. Именно по этой причине мы часто занимаемся реализацией различных нетривиальных проектов, а так же делимся своими знаниями и умениями со школьниками и приглашение посетить летнюю физико-математическую школу мы приняли с радостью не только потому что нам придется работать не только в новом для нас формате, а так же и потому что для нас, разбалованных и осевших в урбанизированной Москве, поездка в Якутию обещала быть очень экзотической. И экзотика не заставила себя долго ждать.
3. Здесь это вам не тут!
Пройдя сквозь все пункты мучений в «Шереметьево» мы наконец-то увидели то, что должно стать нашей точкой опоры на ближайшие шесть с половиной часов. Количество людей, поднимающихся по трапу никак не коррелировало с размерами железной «птицы». Однако – подумал я. И не ошибся. Насладившись сполна ощущениями типа «селедка в банке» через 6000 километров мы все-таки успешно приземлились. Пока нас везли в расположение Форума нам удалось немного посмотреть на Якутск. Сразу же в глаза бросается контраст: современные спальные районы перемежаются частными секторами с покосившимися домами и мирно пасущимися рядом с ними коровами. Куда не посмотришь – везде идет стройка. Строятся дома, магазины, офисные здания. Таких темпов строительства я не видел нигде. Ну и видимо поэтому одними из часто встречающихся на дороге машин – грузовики типа «Камаз». Остальные 2 наибольшие части – наши легендарные вездеходы — УАЗики (буханки) и преимущественно праворукие «тойоты». Однако. Дороги, которые мы видели, заслуживают отдельного внимания. Настолько разбитых дорог я не видел даже в провинциях. Иногда на этих дорогах даже встречался асфальт. Но даже такие трудности нас не остановили, и, прочувствовав все свои внутренности и отбив отбивное место, мы все-таки добрались до места назначения и рухнули спать чтобы к вечеру быть бодрыми и веселыми. Наивные московские ребята. Несмотря на то, что морально мы смирились с разницей в 6 часов с привычным часовым поясом, наши организмы упорно не хотели смиряться и в итоге мы насладились всеми прелестями последствий акклиматизации. Смеркалось…
4. Рабочее время – от рассвета до рассвета.
В среднем, официально время на чтение лекций и на проведение практических занятий со школьниками составляло 3.5 – 5 часов в день, однако, кто ж устоит против того чтобы в свободное время не повозиться с робототехническими наборами? Поэтому все имеющееся у нас время кроме сна (6-7 часов) и обеда (война-войной, а обед по расписанию) мы проводили в расположении учебного корпуса, занимаясь, помимо подготовкой к занятиям – более детальным изучением наборов и мастерением из них всяких прикольных штук. В целом, привыкший к ночным бдениям организм не сильно сопротивлялся такому режиму, но была одна большая проблема, которую мы по своей неопытности не предусмотрели – это белые ночи… И с этим пришлось мириться… Но мы не жалели – где еще в наше распоряжение одновременно поступит большое количество робототехнических наборов начиная от уже набившим всем оскомину LEGO заканчивая такой экзотикой как DaNI? А помимо этого были еще Bioloid Premium и Bioloid Stem, «железный» VEX и VEXiQ… И ведь они были далеко не в единственном экземпляре… Такого уровня технического оснащения я не видел больше нигде. Даже в Москве наличием хотя бы нескольких робототехнических наборов подобного уровня могут похвастаться лишь единицы. А ведь помимо робототехники здесь еще занимаются физикой и химией – это полноценные лаборатории цифровых измерений, оборудованных лабораторными измерительными станциями LabQuest с большим набором датчиков Vernier. Здесь очень серьезно подходят к вопросу образования подрастающего поколения.
5. Рабочий процесс – взгляд изнутри.
Всего в летней школе обучалось 100 школьников с 5го по 11й класс. Прежде чем попасть сюда они прошли серьезный отбор в своих школах, поэтому уровень у всех ребят был примерно одинаково высокий, но интересы и навыки, естественно, различались. В начале работы школы были проведены обзорные лекции руководителями всех доступных направлений и ребята могли выбирать где заниматься своей проектной деятельностью. Защита собственного проекта являлась основным условием обучения в этой школе, и поэтому школьникам были предоставлены все возможности для собственного творчества. Помимо основных направлений – физики и математики школьники выбирали из робототехники (LEGO, DaNI, VEX и Bioloid), прикладной физики, 3D – моделирования, графики и английского языка. Отдельно хотелось бы отметить направление CanSat – нам довелось познакомиться, а школьниками – поучиться у призеров российского чемпионата по CanSat – якутской команды «Чолбон». Вернемся же к нашему направлению. Во второй день работы школы мы прочитали перед всей аудиторией лекции по основам прототипирования робототехнических систем, а также рассказали про каждое доступное направление в рамках робототехники. В результате в сумме на робототехнику записалось 43 человека, из них на VEX записалось 18 человек, на Bioloid 9 человек, а остальные на LEGO – преимущественно все кто 7й класс и младше, а так же те, кто уже давно занимался именно LEGO и участвовал в чемпионатах. Неплохие показатели. По остальным направлениям по имеющимся у меня данным диспозиция была следующая – из 23 человек на прикладную физику записалось 5 человек, на CanSat – 7 человек, а остальные на 3D моделирование. Оставшиеся ребята распределились между математикой, графикой и английским языком (преимущественно младшеклассники). Я отвечал за направление Bioloid и поэтому далее буду преимущественно опираться на показатели своей группы. Из девяти человек у меня оказались один семиклассник (впоследствии оказавшийся очень толковым в программировании) четверо девятиклассников и четверо десятиклассников. В целом – неплохо.
Экзотика от National Instruments — робототехнический набор DaNI. Отличительная особенность — наличие на борту контроллера реального времени.
Процесс обучения строился следующим образом – с 9.30 до 11.00 лекция для всех кто выбрал робототехнику. С 11.00 до 11.30 перерыв, а затем до 13.00 продолжение лекции. Преимущественно лекции были посвящены истории робототехнике, текущему ее состоянию, а под конец были разобраны и решены несколько кинематических задач, что несомненно, было очень полезно, для тех, кто разрабатывал роботов с манипуляторами. После обеда – с 14.30 до 18.00 начиналась проектная работа – ребята расходились по своим аудиториям и занимались каждый своими роботами. Поскольку времени у нас было на реализацию проекта всего несколько дней, то ребята объединялись в группы по 3-4 человека, но были и такие кто выполнял свои проекты в одиночку.
5.1 Группа «Bioloid»
Мне с моей группой первоначально повезло не сильно – из присутствующих только у одного школьника был опыт сборки гуманоидного робота из набора Bioloid Premium. С программированием дело не имел никто. Это было очень грустно и пичально, поэтому пришлось потратить 2 дня на объяснение основ – как выполнять сборку Bioloid’ов и как их программировать в среде RoboPlus Task (я выбрал стандартную среду программирования, т.к. времени на обучению программированию на С у нас просто не было). Так же у меня был ученик, выбравший проект по разработке модели управлению Bioloid’ом по ZigBee с использованием LabView, поэтому пришлось провести дополнительную лекцию по основам разработки в LabView. В своей группе я требовал в обязательном порядке реализацию своих идей и сборку макетов, которых нет в методических указаниях к конструкторам. Сначала мне даже показалось, что ничего серьезного сделать нам не получится, но я сильно ошибался. На третий день ребята прочувствовали тематику, предложили свои идеи, и работа закипела. За 4 дня им не только удалось собрать макет своего робота, а так же разработать 3D модель своего макета в среде R+Design, написать программу в среде RoboPlus Task, провести испытания макета, доработать его, сделать презентацию и защитить свой проект перед всем форумом. Ими была проделана громадная работа. В моей группе ребята были разбиты на 3 группы (4+4+1) и, соответственно, готовили 3 проекта:
1. Сервисный домашний робот с системой звукового управления.
2. Автономный манипулятор на подвижном шасси.
3. Робот-исследователь с дистанционным управлением по каналу ZigBee.
Результаты, на мой взгляд – потрясающие:
1. Сервисный домашний робот с системой звукового управления.
Робот реагирует на звук и в зависимости от полученной команды перемещается по территории и приносит требуемый предмет. (Связка из 5ти батареек используется для балансировки робота). В конструкцию входит 8 сервоприводов dynamixel ax12a.
2. Автономный манипулятор на подвижном шасси.
Робот выполняет сложные движения при переносе предметов, умеет наливать газировку в стакан, а так же открывать коробку, которая находится сзади него и складывать туда вещи. В конструкцию входит 12 сервоприводов dynamixel ax12a. (Фото на картинке несколько отличается от конечной версии)
3. Робот-исследователь с дистанционным управлением по каналу ZigBee.
Сам макет очень простой – обычная машинка на двух сервоприводах dynamixel ax12w, но основной «фишкой» является обмен данными с ПК по двум радиоканалам – ZigBee и WiFi. Программа, разработанная на LabView позволяет управлять роботом путем указания точки назначения. Робот сам определяет маршрут, после чего перемещается, параллельно передавая видео картинку по Wi-Fi. В качестве камеры выступало подручное средство – iPhone 5.
5.2 Группа «VEX»
В группу, занимающейся с конструкторами VEX и VEXiQ, записались преимущественно старшеклассники 9й – 11й класс. Оно и понятно – для работы с наборами соревновательного уровня требуется не только желание, а еще умение программировать (для программирования VEXов использовалась среда RobotC) и собирать сложные макеты роботов. Так же хотелось отметить то что многие ребята пришли уже со своими проектами, которые они развивали и дорабатывали в рамках школы. По сравнению с группой «Bioloid» в этой группе начальный уровень подготовки ребят был выше, что вылилось в лучшее качество и большее количество реализованных проектов.
5.3 Группа «LEGO»
Условно эту группу мы назвали «LEGO», но на самом деле в этой группе занимались не только конструкторами LEGO, а еще и DaNI.
По возрасту эта группа оказалась самая младшая – самые юные участники закончили только 4й класс (на фото группа не в полном составе). Но несмотря на юный возраст, ребята оригинальностью и сложностью своих макетов без особого напряга «давали прикурить» своим товарищам из групп «VEX» и «Bioloid».
5.4 Группа «Прикладная физика»
В рамках работы этой группы были выполнены оригинальные проекты, такие как «Динамо-дверь как альтернативный источник электроэнергии», «Компактная подводная турбина», «Тепловой насос в условиях севера» и т.п. Своими проектами в этой группе ребята не только продемонстрировали свои навыки и умения в области решения сложных задач, а также показали высокую осведомленность об актуальности выполняемых работ, преимущественно по отношению к своему региону. На мой взгляд, эту группу от групп занимающихся робототехникой отличали не только глубокая степень проработки материала (у многих в презентациях было выполнено приличного уровня исследование для обоснования актуальности работы), но и оригинальность предложенных конструкций.
5.5 Группа «3D моделирование»
Данная группа была самая малочисленная, но это никак не отразилось на показанных результатах. В процессе работы ребята познакомились со средой Компас-3D, и в итоге смогли полностью смоделировать спутник CanSat, разработкой которого занималась параллельно другая группа.
5.6. Группа «Инновационных предложений»
Формально у нас не было такой группы, но я в нее решил выделить остальные проекты, которые тяжело подвести под одну из имеющихся групп, но отличающихся оригинальностью и актуальностью. В рамках работы этой группы ребята выполнили такие проекты как «Новый облик села», предложив варианты благоустройства своих родных мест, а так же «Интерактивная карта промышленных мест Якутии», собрав в одно приложение сведения о всех имеющихся в регионе промышленных предприятиях и представив все это в виде карты.
6. И чем же все закончилось?
По завершении работы школы был проведен 2х дневный марофон по презентации своих проектов. В первый день была организована конференция — ребята презентовали свои проекты перед аудиторий и жюри, которое оценивало не только актуальность поставленной работы и решенные задачи в процессе работы, но так же качество презентации и умение защищать свои проекты. Большинство групп представлял только один участник, но были и такие, которые разбивали свое выступление и давали возможность высказаться всем участникам. С учетом того, что время выступления было лимитировано, вариант «дать сказать каждому» был не всегда удачен.
На второй день была организована выставка рабочих макетов, созданных в процессе работы над проектом. Расположившись на двух этажах учебного корпуса ребята показывали результаты своей работы всем желающим и жюри. Оценивалось на выставке сложность, оригинальность и надежность конструкции. Так же обращалось внимание на сам процесс проведения демонстрации. Места распределялись следующим образом – в двух номинациях: робототехника и физика (все что не вошло в направление робототехника) отдельно оценивалась конференция и выставка. Отдельной графой в этих двух номинациях был выбор зрителей – все желающие могли проголосовать за понравившейся проект в рамках выставки.
CanSat'чики
Транспортный манипуляционный робот с дистанционным управлением
Исследовательская платформа «Амфибия» и Колесный робот-исследователь.
Гусеничный робот-разведчик
Внутрицеховой транспортный робот
Робот-сапер и Робот-сортировщик мусора
Команда самых юных участников с целым парком роботов под названием «Сам себе режиссер. Сенокос. Восстание машин»
После выставки было проведено награждение победителей и торжественное закрытие школы.
7. Заключение
Несмотря на непростой график, довольно жесткий Real-Time и прочие трудности, с которыми мы столкнулись нам удалось организовать и довести до результата большое количество проектов. Опыт, полученный в результате этой работы важен как и для нас – преподавателей, так и для ребят, которые в скором времени будут поступать в ВУЗы и заниматься уже своей научной деятельностью. Вспоминая свои школьные годы, хочется погрустить лишь об одном – почему у нас не было таких возможностей. Надеемся, что наша работа не прошла зря – и многие ребята продолжат заниматься своими проектами и дальше, и может быть мы еще не раз с ними встретимся. Отдельно хочется поблагодарить организаторов Форума за их самоотверженную работу и пожелать им успехов в их деятельности. Ну а нам остается лишь одно – вернуться в Москву и начать морально готовиться к следующей школе, которая, надеюсь, обязательно состоится!
Автор: Axelis
