Полный гайд по робототехническим конструкторам от Робостанции / Хабр

ИМХО нет в мире лучшей игрушки, чем конструктор. До появления компьютера железные балки и пластиковые кубики были для меня вне конкуренции – ведь из них можно создать целый мир без всяких ограничений.

Только повзрослев, я узнал, что детский конструктор это вершина эволюции игрушек на изобретение (скорее, даже открытие) который европейские педагоги потратили сотни лет, шаг за шагом подбираясь к тому великолепию, что мы имеем сейчас в каждом детском магазине. Не будь конструкторов, не было бы у меня и такой тяги к DIY роботам.

У нас на Робостанции есть десяток магазинов с конструкторами и всамделишная робошкола, где из этих конструкторов собирают настоящих роботов. Вот об этом и поговорим.

Но сначала немного теории.

Человека от других животных отличает не прямохождение и не развитый мозг, прежде всего нас отличает два нюанса в строении рук. Во-первых только у человека кисть складывается в кулак. Вроде пустяк, но именно кулак делает человека «сверх-хищником» — сжимая кулак, человек увеличивает жесткость пястно-фаланговых суставов в четыре раза, при этом уменьшает площадь удара увеличивая его силу в три раза, но главное – маленький, но тяжелый кулак с острыми костяшками это идеальный девайс для ломания костей и черепов. По этой причине современные боксеры носят перчатки, а у всех найденных скелетов древних людей костяшки сбиты от постоянной «работы».

Не случайно американские индейцы обожествляют выдру, считали ее «шаманом зверей», т.к. это единственное животное в Америке, которое человек не может добыть голыми руками – она слишком верткая. Но раз выдра единственная неуязвимая добыча, выходит все остальные виды ничего не могут противопоставить человеческой руке?

Рука Шимпанзе и Человека разумного.

В 2023 году масштабное исследование университета юты (на англ.) подтвердило очевидное: именно и исключительно благодаря кулаку наш вид занял всю планету. Похоже, по кулакам шел и половой отбор. Как следствие даже конструкция наших черепов создана прежде всего для противостояния кулачным ударам. Вот почему кулак это символ человека – вспомните сколько раз он использовался в политических эмблемах (Рот Фронт) или в той же планете обезьян.

Теперь вы знаете и почему эта сцена невозможна, и что она значит

Но кулак это вовсе не тупая и грубая сила. Даже если боевая функция была первичной. Наоборот – собрать хрупкую и тонкую кисть в стальной булыжник это высшее достижение природной инженерии. Для кулака нужна точность и аккуратность движений, недоступная ни одному другому виду на земле. Философ И. Кант утверждал, что «рука — это вышедший наружу мозг человека». Именно кулак дал нам столь универсальные руки, пригодные для производства орудий. Как этого удалось добиться?

Оказывается наши кисти соединены с мозгом иначе, нежели все остальные конечности. Пальцы и все мышцы напрямую подключены к двигательным центрам мозга через моносинаптические связи. Образно говоря у наших пальцев прямая жесткая сцепка с корой больших полушарий мозга – это не только делает связь быстрее и приоритетнее всех остальных мышц, но еще и дает обратную связь.

Не трудно видеть, что кисти рук еще и занимают большую часть коры больших полушарий мозга.

Отсюда следует, что пальцы и мозг это один орган. Например, если у вас устали руки – устанет и вся ЦНС, и наоборот – устал мозг и говорят, что «руки не поднимаются». Звучит удивительно, но именно на этом феномен построена идея конструктора, он последовательно проводит детей через три этапа логического мышления.

Первый этап мышления, характерный для детей раннего возраста, называют действенным. Такое мышление можно назвать «ручным» — манипулируя предметами, ребёнок познаёт их свойства. Это значит, что ребёнок раннего возраста все мыслительные задачи решает руками. Чем больше запас действий и проб накопит в своём опыте ребёнок, тем быстрее он перейдёт ко второму этапу — наглядно-образному, когда будет оперировать не самими предметами, а их образами.

На этом этапе ребёнок решает задачу, например, по правильному размещению фигур в соответствующих углублениях сразу, потому что пробы выполняются в уме. Третий этап — словесно-логическое или абстрактное мышление. Здесь даже практические задачи решаются не руками, а в уме. Таким образом, начало развитию мышления даёт рука. Как говорил физиолог И. П. Павлов, «руки учат голову, затем поумневшая голова учит руки, а умелые руки снова способствуют развитию мозга».

То есть конструктор дает ребенку ноу-хау абстрактного мышления. Именно через мелкую моторику рук мозг современного человека получает базовые навыки мышления. В этом и фишка конструктора – он состоит из простых универсальных деталей, которые уже своим видом провоцируют абстрактное мышление. Таких исследований нет, но очевидно, что дети выросшие с конструктором будут обгонять своих сверстников в мыслительной деятельности.

На этом закончим с теорией и перейдем к истории вопроса.

Долгое время многие считали, что конструкторы нашего детства – это советское изобретение. Однако, это не совсем так. Конструктор в виде «набора металлических пластин с просверленными на равных расстояниях отверстиями, винтами и гайками для крепления» был изобретён в 1901 году англичанином Френком Хорнби.

Ему также принадлежит изобретение детской железной дороги и минимоделей автомобилей. Преемником первого конструктора стала фирма Меккано (Meccano). По окончании срока патентной защиты стали производить и советский аналог – мечту каждого советского ребёнка – конструктор под названием «Юность» и «Конструктор». Он выпускался в виде от простых до сложных наборов с различным комплектом деталей.

Первоначально идея Фрэнка Хорнби изобразить инженерные конструкции в миниатюре реализовалась в детском наборе конструктора для мальчиков. Назывался он «механическим пособием для новичков», был металлическим и состоял из различных балок, уголков, перекрытий, колёсиков, скоб и других деталей. В набор также входили гайки, болты, отвёртка и гаечный ключ, но не существовало каких-либо определенных схем — каждый ребёнок мог проявить фантазию и создать целый город с мостами, автомобилями, самолётами и даже летающими тарелками.

Вскоре, новая игрушка, названная «Конструктор Меккано», приобрела необычайную популярность; а её автор, быстро ставший миллионером, написал книгу о самом себе, которую озаглавил: «Парень, который заработал 1.000.000$ на игрушке».

Пожалуй, пика мировой популярности гениальный конструктор достигает к началу 1930-ых, становясь нарицательным названием. Для довоенного человека нет слова «конструктор», есть «меккано».

«Остров был прорезан ниточками дорог, — они сходились у его северо-восточной скалистой части, где сверкали стеклянные крыши. Это достраивался дворец, опускавшийся тремя террасами к волнам маленькой песчаной бухты. С южной стороны острова виднелись сооружения, похожие сверху на путаницу детского меккано: фермы, крепления, решетчатые краны, рельсы, бегающие вагонетки.»
А.Н.Толстой «Гиперболоид инженера Гарина».

Конструктор был главной мечтой до самой войны и особенно был ценим в СССР — шутка ли, каждый пионер может построить дивный новый мир своими руками.

Металлический конструктор, произведённый в СССР в 1933 году.

1 апреля 1932 года в статье «Игрушка – орудие коммунистического воспитания» газета «Пионерская правда»(№38) негодовала, что 90% плана по выпуску советских конструкторов сорвано: «Вместо меккано… банки для гуталина».
«… Смотреть на игрушку как на забаву – старое буржуазное мнение об игрушке, его давно нужно отбросить. Основным признаком советской игрушки должен быть политехнизм. Игрушка должна давать ребёнку представление о современной технике, строительстве…». Таким образом, от меккано «растут ноги» у всех советских конструкторов, и ваш детский металлический конструктор его прямой потомок.

В 1925 году пригодились и железнодорожные части конструктора — Хорнби начинает выпуск электрических игрушечных железных дорог в стандартном на сегодняшний день масштабе 1:43 и прямым питанием от сети в 110В.

А в 1933 году фирма производит новый переворот, начав выпуск первых «серьёзных» игрушечных машинок — набора «Modelled Miniatures». Простой штамповкой изготовлены две легковушки, два грузовика, трактор и цистерна. И тут оказывается, что в машинки играть интересно не только в комплекте с железной дорогой, как задумывал автор, но и без неё. Вот почему игрушечные машинки делаются в таком же масштабе как и поезда.

Уже к началу войны Хорнби доводит модельный ряд до 300 моделей, включая единственную на западе модель советского автомобиля. В 1958 году именно эта компания для своих машинок придумала много новшеств: пружинную подвеску, открывающиеся дверцы, остекление, протекторы на шинах и т.д.

Так Хорнби создал, по сути, всю индустрию детских игрушек. Но это вовсе не значит, что он был одним. Слава Хорнби не давала покоя датчанину Оле Кирку Кристиансену, который так же хотел выпускать игрушки и основал для этого в 1932 году компанию LEGO. Сначала он делал миниатюрную мебель и игрушечные машинки – но дела шли не очень.

Три президента LEGO на одном фото, 1951 год.

Следующий шаг Оле удается сделать благодаря помощи британца Хиллари Фишера Пейджа. Это становится решающим этапом в истории создания конструктора Лего. Будучи изобретателем, Пейдж к тому же являлся владельцем фирмы Kiddicraft. Созданием игрушек он увлекся, когда еще был ребёнком. В самом начале 40-ых он начал выпускать пластмассовые «строительные кирпичики», на которых имелись пазы и выступы для соединения. Изобретатель считал, что, только разбираясь в психологии ребёнка, можно создавать хорошие игрушки. Поэтому, он часами пропадал на детских площадках, играя с их маленькими посетителями. Ему было интересно наблюдать, как они используют те или иные предметы.

Кристиансены в 1947 году делают заказ в Англию на формовочную машину. Поставщики присылают им образцы продукции, среди которых присутствуют несколько «кирпичиков» Пейджа. Оле сразу же увлекся идеей универсальных модулей. Дорабатывая дизайн британца, он отказывается от скруглённых граней, делая их прямыми. Габариты модулей он переводит в метрическую систему.

Кубики LEGO сверху (1949), кубики Kiddicraft снизу (1947).

В 195б году инженеры LEGO наконец решают проблему с цепкостью кубиков добавив в них полые цилиндры. Так LEGO приобрёл современный вид и отправился штурмовать американский рынок.

Однако это мы знаем, как крут LEGO (всего шесть блоков могут быть собраны 102,981,500 разными способами!) — а вот родители в конце 40-х были совсем не рады какому-то непонятному «пластику» вместо безопасного дерева и металла в игрушках. Конструктор просто боялись покупать.

D 1960-ом компания была на грани разорения, мало того еще и пожар уничтожил склад со всеми деревянными игрушками и LEGO просто пришлось сделать ставку на пластик. Они заменили сырье с Ацетилцеллюлозы на нетоксичный АБС-пластик и потратились на рекламу. К этому времени американцы уже привыкли к пластику и дело пошло.

К 1990 году было выпущено 400 миллиардов кубиков лего. Если их просто поставить одни на другой, то ими можно будет соединить Землю с Луной десять раз. При этом все кубики с 1949 по 2023 год соединяются друг с другом. Достигается это путём серьёзного техпроцесса в 10 мкм. Кроме того, в состав пластмассы входит сульфат бария. Эта соль не растворяется в воде, что делает её нетоксичной для организма, и она хорошо видна на рентгеновских снимках. Таким образом, если ребёнок проглотит деталь, её можно будет легко найти по этим снимкам.

Кажется, ничто не предвещало беды. Но компания LEGO забыла, что конструктор это лишь средство для создания своей реальности. Лучше тот конструктор, в котором можно собрать сложный аппарат. Вершина сложности для конструкторов это роботы, которых у лего не было. Поэтому в 2004 году встал вопрос о банкротстве.

Тогда семья Кристиансенов впервые решилась позвать на роль CEO человека не из семьи. Им стал Jørgen Vig Knudstorp и его взгляд со стороны был прост: лего снова должен стать лучшим конструктором – нужно снова дать покупателям возможность делать всё, что они захотят. А кто не хочет собрать себе робота? Например, R2D2?

В итоге LEGO купили лицензии на голливудские фильмы и вложились в роботизированные наборы. В первый же год набор Star Wars поднял продажи на 32%, а роботы на 18%.

Cерия LEGO Mindstorms NXT стала первой с более-менее функциональным конструктором роботов: 577 деталей, три сервомотора, 4 сенсора (дистанции, звука, прикосновения и освещённости) и центральный процессор со своим «визуальным» языком программирования и четырьмя моделями поведения — Alpha-Rex (гуманоид),Tri-Bot (машина), Robo-Arm T-56 (рука), and Spike (членистоногое).

Всего за год LEGO из пыльного старья снова стала самым желаемым и крутым подарком. Так роботы спасли LEGO от разорения и начали уверенно захватывать рынок игрушек.

Но нельзя сказать, что Лего здесь монополист. Рынок робототехнических конструкторов это целый мир со своей экосистемой. Грубо говоря все их можно разделить на пять категорий.

Когда мы говорим робототехнический конструктор то обычно подразумеваем LEGO Mindstorms EV3 – это самый массовый и универсальный конструктор.

1. Нулевой уровень. От 2 до 6 лет. Для этой возрастной группы разрабатывают конструкторы с минимальным количеством деталей большого размера, чтобы ребёнок случайно не проглотил одну из них.

Lego Duplo

2. Уровень «юзер». 8-9 лет. В этом возрасте ребёнок уже способен концентрировать внимание на создании чего-то объёмного. Деталей в таких конструкторах больше и фигуры сложнее, но всё равно ребёнок может собрать их самостоятельно без помощи родителей.

Lego WeDo

3. Уровень «Продвинутый пользователь». 8-15 лет. Начинаем собирать первых роботов, детали уже не просто кубики, но функциональные элементы, появляется электроника и сложные механизмы.

Lego Mindsorm, VEX IQ, немецкий FISCHERTECHNIK, корейский Huna, русский ScratchDuino.

4. Уровень Любитель. 10-20 лет. Собираем сложных роботов с обратной связью и системой принятия решений.

Амперка, Rasbery Pi, Galileo, Bioloid Stem, опять же Фишертехник, Трик, VEX EDR и VEX PRO.

Еще хорошая идея — дополнительные наборы к Lego Mindstorm — Matrix и Tetrix.

5. Уровень «Профи» — создание серьезных роботов, способных выполнять задачи в реальном мире.

N.I., ПЛИС.

На схеме все это выглядит понятнее:

Важно отметить, что все конструкторы движутся в сторону унификации – большинство из них совместимы аппаратно и почти все – софтверно. Например Lego NXT может управляться софтом от любого другого конструктора. Соответствующие таблицы можно найти на сайте Андрея Гурьева: www.slideshare.net/odezia

Практически все эти роботы и конструкторы можно купить прямо у нас на Робостанции – такого выбора как у нас в Москве нет больше нигде. У нас представлены целых восемь магазинов: Дабл Тойс, Roys, Copter Express, Магазин с игрушками из игры Minecraft, Робот и я, Хитро, MAD Robots и собственное производство Бала Роботов.

Сорян за фотки, снимал на телефон:

Но сам конструктор это только 20% робота, на 80% обучение лежит на педагоге по этому нельзя не упомянуть отечественные школы робототехники.

Кстати под руководством Гурьева у нас в робошколе полным ходом идет создание своего конструктора. Вот презентация Собянину:

Как я понимаю, его отличием станет универсальность для всех возрастов и задач которые сможет выполнять робот. То есть это уровень 15 лет, доступный уже для девятилетних. Но это пока прототип, по этому кроме коробки мне велели ничего не показывать – отдельный пост о нем увидит свет уже после выхода конструктора. Пока могу показать только описание с коробки:

Подписывайтесь на наш блог и приходите на робостанцию собирать роботов вместе!