От Черепашки до Изобретателя. История робототехнических конструкторов LEGO

В 1977 году LEGO выпускает наборы серии Expert Builder, которые включают в себя различные механические компоненты, такие как шкивы, зубчатые рейки и передачи, карданные валы, оси для их закрепления, а также батарейный блок и электродвигатель.

В 1982 году LEGO выпускает уже набор Technic I для детей в возрасте от 8 до 14 лет. В этих наборах использовались элементы Technic (такое название получили детали Expert Builder) и к ним были подготовлены иллюстрированные пособия, что ознаменовало собой старт программы LEGO Education в области инженерных наук. Также был расширен ассортимент деталей, например появилась пневматика. И это важное предисловие к нашей истории, в которой именно Technic и его элементы будут играть важную роль. Да, это был еще не тот Technic, к которому мы привыкли (его еще называют прото-Technic), те же балки были от System (по-другому, это «классические» Lego-кубики), но начало было положено.

LOGO и Черепашка

Осенью 1984 года Кьелль Кирк Кристиансен — генеральный директор LEGO в эти годы (и внук ее основателя) — случайно увидел телевизионное интервью с участием профессора Массачусетского технологического института Сеймура Пейперта. В нем Пейперт показал, как дети могут использовать разработанный им язык программирования LOGO для управления роботами-«черепахами». С помощью его команд можно было перемещать роботов вперед и назад на заданное расстояние, поворачивать вправо или влево на заданный градус, поднимать или опускать ручку и рисовать на бумаге.

Кристиансена заинтриговали возможности расширения возможностей LEGO для игры и обучения. Он говорил: «Дети должны иметь возможность создавать и контролировать — программировать — свои творения».

Генеральный директор LEGO самолично посетил Медиа-лабораторию Массачусетского технологического института (MIT Media Lab), где работал Пейперт, положив начало партнерству между LEGO и MIT. В это время там как раз начали изучать возможность совместить конструктор LEGO и язык Logo.

Появление персональных компьютеров переместило язык программирования Logo от физической робота-«черепахи» на экран. Совместный проект MIT и LEGO, над которым работали будущий изобретатель языка Scratch Митч Резник и Стивом Око, снова переместил программирование обратно в физический мир, позволив детям не просто использовать готовую «машину», а создавать собственных роботов и другие механизмы. Так появились наборы LEGO TC Logo, а чуть позднее Control Lab. Произошло это в 1986 году.

Эти комплекты предназначались только для учебных заведений, а Control Lab был, по сути, расширением языка Logo, где к командам «черепахи» добавили команды включения моторов и получения информации с сенсоров, таких как датчик освещенности, который вкупе со специальным полосатым диском можно было использовать как энкодер, а также датчик касания (он же кнопка).

Управлялось все с компьютеров Apple II или IBM-совместимых с MS-DOS с помощью специальной интерфейсной «коробочки» 9750 LEGO Interface.

Все управление шло по проводам и уже тогда LEGO начали использовать свои собственные разъемы для подключения моторов и датчиков.

Вы можете посмотреть (и даже попробовать собрать из современных деталей) инструкции к данным наборам и ПО к ним в Архиве Интернет. Особого внимания заслуживает «рабочая тетрадь» LEGO TC Logo Control 1 Resource Guide, где на более чем 1000 страницах приведено множество задач с моделями для конструирования, программным кодом, научной информацией и вставками заданий.

Основной минус этих наборов был в том, что кроме самих наборов LEGO необходимо было иметь компьютер, с которого они управлялись. А в то время компьютеры были достаточно дорогим удовольствием (Apple IIe стоил почти 1400 долларов США) и имелись они не во всех учебных заведениях. Поэтому Пейперт задался вопросом, можно ли создать «кубик» LEGO, который мог бы сам служить компьютером — полностью программируемым устройством, но несущем на себе соединительные элементы System и Technic. Он также должен был быть дешевым, небольшим и достаточно легким, чтобы его можно было установить на модели из LEGO.

Сказано – сделано. Рабочий прототип (под кодовым названием Grey Brick) был построен MIT в 1987 году и содержал внутри себя такой же процессор, как в Apple II и даже тестировался в школах. Всего было разработано три поколения тестовых «блоков», последний из которых, «Red Brick» и лег в основу будущих микрокомпьютеров LEGO.

RCX, NXT и EV3

LEGO Mindstorms первого поколения был официально представлен в 1998 году микрокомпьютером под именем RCX (Robotic Command eXplorers) перед прессой в Музее современного искусства в Лондоне по цене в 199 долларов США. Его можно было запрограммировать с помощью кода RCX или в среде программирования ROBOLAB, основанной на LabVIEW от National Instruments и разработанной Университетом Тафтса. В этот раз почти вся разработка была выполнена самостоятельно силами подразделения LEGO Dacta с использованием наработок от MIT.

RCX имел процессор с частотой 16 МГц и 32 КБ ОЗУ. Помимо самого микропроцессорного «кирпичика», в комплект также входили два мотора, два датчика касания и один датчик освещенности. Наборы на его основе получили название Robotics Invention System. После запуска в продажу 1 сентября, первая партия была разобрана за три месяца. Но было видно, что LEGO не были уверены в успехе набора, выпустив параллельно набор LEGO Cybermaster, предлагающий нам тоже собрать различные роботизированные модели и управлять ими с компьютера, передавая команды простейшей программы по радиоканалу.

К тому времени Technic детали стали приобретать свой современный вид, появились новые элементы (этот процесс начался в 1996 году и продолжается до сих пор), и робототехнические конструкторы от LEGO получили черты, остающиеся неизменными и сейчас. Тогда же LEGO зарегистрировала торговую марку Mindstorms, похоже намекая на книгу Пейперта 1980 года Mindstorms: Children, Computers and Powerful Ideas.

В июле 2006 года LEGO выпускает комплект 8527 LEGO MINDSTORMS NXT. Он состоял из 577 деталей Technic, трех серводвигателей и четырех датчиков (света, звука, расстояния и касания) и подключался по USB только для программирования. Впоследствии модуль микрокомпьютера сам управлял моторами и взаимодействовал с датчиками, не требуя привязки проводом к ЭВМ. На борту модуля был 58 MГц процессор с 64 Кб ОЗУ. Для программирования применялся тот же ROBOLAB.

В августе 2009 года выходит обновленная версия: 8547 LEGO MINDSTORMS NXT 2.0. Набор состоял из еще большего количества частей: деталей стало 619, и добавился еще один датчик касания, а также новый датчик цвета. Интеллектуальный блок при этом остался старый. За счет использования достаточно мощного ARM-микропроцессора умельцы смогли найти способ заменять «прошивку» в NXT блоке. Например, установив в NXT операционную систему LeJOS, конструктор стало возможно программировать из основанной на Scratch среды Enchanting. На видео можно увидеть робота, запрограммированного из среды Enchanting ездить по программе из цветных блоков.

В 2013 году был представлен набор LEGO Mindstorms EV3. Он стал более продвинутой версией набора NXT и третьим поколением в линейке робототехники LEGO Mindstorms. Микрокомпьютер этого набора, получивший название Intelligent Brick, стал работать под управлением операционной системы Linux и мог похвастаться процессором с частотой 300 МГц, 64 МБ ОЗУ, а также 16 МБ флэш-памяти. Кроме того, он имел разъем USB и слот Micro SD для хранения программ, и поддерживал соединение по WiFi и Bluetooth.

Образовательная версия EV3 была запущена в августе 2013 года, а розничная версия (она же Домашняя) — через месяц после нее. Домашняя версия (31313 LEGO Mindstorms EV3 Home) отличается от образовательной (45544 LEGO Mindstorms EV3 Education) тем, что содержит большее количество деталей LEGO и позволяет собрать больше моделей.

EV3 стал поистине «народным» набором, используемым в обучении, робототехнических кружках и соревнованиях. Также он обзавелся множеством расширений как в части языков программирования (Java, Python, С#, RobotC, Scratch и другие) «из-коробки», так и некоторых аппаратных. Вокруг NXT и EV3 выросло целое сообщество фанатов и инструкций по сборке «всего-всего» из этих наборов очень много.

Для самых маленьких

Если наборы Mindstorms предназначались для детей ближе к средней школе (от 10 лет), то для дошкольников и младших школьников были разработаны наборы WeDo. Первая их версия (9580) была представлена в 2009 году и включала в себя «смарт-хаб», подключавшийся к компьютеру, и позволявший управлять одним мотором, а также двумя датчиками (поворота и движения). Вторая версия (45300) была представлена в 2016 году, соединялась с компьютером по Bluetooth и также содержала в себе один мотор и два обновленных датчика.

Mindstorms умер, да здравствует Mindstorms!

После выпуска EV3 компания на 7 лет «ушла в подполье» (обновление WeDo в 2016 году было не тем, чего ждали фанаты), и ходили только слухи, что придет на замену EV3 и придет ли.

В 2020 году LEGO анонсировала новый набор 51515 LEGO Mindstorms Robot Inventor, который включал в себя инструкции по сборке пяти роботов и поддерживал программирование как на Scratch, так и на Python.

Набор содержит 949 деталей, в его комплект входит новый микрокомпьютер Intelligent Hub, который хранит до 20 программ и имеет настраиваемую светодиодную матрицу 5x5, встроенный 6-осевой гироскоп/акселерометр, динамик и шесть портов с автоопределением ввода/вывода. Хаб (микроконтроллер) набора подключается по MicroUSB или Bluetooth. Также в наборе можно найти аккумуляторную батарею, четыре средних низкопрофильных двигателя с энкодерами, один датчик расстояния и один датчик цвета, способный различать восемь цветов и измерять отраженный и окружающий свет.

В этой версии LEGO отказались от ROBOLAB и предложили детям от 10 лет программировать в новом приложении LEGO Mindstorms Robot Inventor, доступном для Android, iOS, Windows 10/11 и macOS.

С одной стороны, у Intelligent Hub на два порта меньше, чем у Intelligent Brick, используемого в комплекте Mindstorms EV3, в котором их восемь. С другой стороны, датчик расстояния теперь оснащен шестиконтактным адаптером, который позволяет использовать сторонние компоненты, включая электронные платы, что расширяет возможности комплекта. К сожалению, в LEGO не указали тип используемого процессора в хабе (у EV3 это был процессор на архитектуре ARM9, у NXT – ARM7).

Не обошли стороной и младших и начинающих робототехников 7-12 лет, для которых был представлен упрощенный набор LEGO Boost Creative Toolbox. Набор на первый взгляд выглядит аналогично Robot Inventor. Однако модуль управления LEGO Boost гораздо менее мощный и он использует свой собственный упрощенный блочный язык программирования и не поддерживает ни Scratch, ни Python. Также набор был «урезан» по моторам с датчиками: он поставляется только с двумя двигателями (причем один встроен в его блок управления Move Hub) и одним комбинированным датчиком цвета и расстояния.

Увы, оба набора оказались не совсем тем, чего ожидали от компании и за два года присутствия на рынке такого же успеха, как их предшественники, пока что не сыскали.

Казалось бы, прогресс LEGO в этой области остановился, но … особенность робототехнических конструкторов LEGO в их универсальности и способности жить долго. Ноу-хау всех наборов не сами микроконтроллеры, а система Technic, благодаря которой стало возможно не использовать заранее созданных роботов, а создавать своих и изобретать новые интересные конструкции. А совместимость с обычным System позволяет делать их не только функциональными, но и красивыми, интегрируя робототехнику и микроэлектронику в «обычные» LEGO постройки.

Наработанный пласт конструкций и множество методик преподавания, возможность применения не только отличных от предлагаемых производителем языков программирования (и даже смены внутренней ОС микрокомпьютеров), но и других вычислительных блоков, позволяет LEGO (а сейчас и множеству его клонов) быть одной из популярнейших платформ как для энтузиастов, так и для обучения робототехнике. Поэтому мы на наших занятиях в RoboUniver используем проверенные временем решения на основе WeDo и EV3.

А если вы в Москве, то приглашаем вас с детьми от 5,5 до 14 лет на бесплатное пробное занятие. У нас 50 площадок по всему городу, так что кружок скорее всего будет у вас рядом с домом.

P.S. А у вас есть LEGO Mindstorm?