Как запрограммировать робота своими руками

Хочу стать инженером и собрать робота. У меня получится?

Можно подумать, что робототехника — занятие для умников и выпускников физтеха, но это не так. На самом деле простых роботов строят даже младшие школьники, поэтому вам это тоже под силу. Вместе с благотворительным фондом Олега Дерипаски «Вольное дело», реализующим программу по робототехнике для школьников, подростков и студентов, мы сделали простой гид для начинающих инженеров (впрочем, взрослым он тоже вполне может пригодиться). Объясняем, как собрать своего первого робота.

Что мне потребуется?

В первую очередь — микроконтроллер. Он станет мозгом будущего робота. Можно сказать, что микроконтроллер — это крошечный компьютер, размещенный на одной микросхеме. У него есть процессор, оперативная и постоянная память и даже периферийные устройства: интерфейсы ввода и вывода данных, различные таймеры, передатчики, приспособления, которые инициируют работу двигателей. Набор устройств зависит от конкретной модели. Именно микроконтроллер будет получать информацию от внешнего мира через датчики движения, фотокамеры и прочие приспособления, анализировать ее и побуждать робота совершать в ответ какие-то действия.

Микроконтроллер нужно будет установить на печатную плату, запитать его, подсоединить все необходимые устройства (датчики, лампочки, двигатели), а еще собрать из подручных материалов корпус робота. Все детали, которые для этого нужны, можно купить в любом магазине радиотехники.

Если у вас нет профильного образования или опытного наставника, который подробно объяснит, что именно и в какой последовательности устанавливать (и как пользоваться паяльником!), готовьтесь к долгой и кропотливой работе: придется перерыть интернет вдоль и поперек и испортить множество деталей.

Я в ужасе и собираюсь передумать. Нельзя попроще?

Можно. Специально для тех, кто никогда не держал в руках паяльник, но очень хочет попробовать себя в робототехнике, существуют специальные наборы-конструкторы, позволяющие сделать всё то же самое, но быстрее. Самый известный и популярный — Arduino. Его главное преимущество в том, что это не просто игрушка, а целая экосистема: множество обучающих материалов и инструкций, видеокурсы, огромное пользовательское комьюнити — можно задать любой вопрос от новичкового до самого продвинутого. Есть и другие платформы — например, совсем простой конструктор Mindstorms от Lego.

Составы наборов могут быть очень разными, но в каждом есть готовая печатная плата с уже установленным микроконтроллером и всеми дополнительными деталями, которые нужны для решения простых типовых задач. Обычно плату можно напрямую подключить к компьютеру через USB. А дальше среда разработки от производителя поможет сразу же сделать первые шаги в программировании роботов. Например, заставить мигать лампочку на плате.

Теперь всё зависит от вас. Можно, используя готовую плату, реализовать собственный несложный проект: например, сделать машинку, которая движется и останавливается по команде, или гирлянду для новогодней елки. Можно купить набор, уже включающий в себя всё, что нужно для постройки робота определенного типа, и потренироваться на нем. Плюс этого варианта: все детали в наборе подготовлены так, чтобы вы могли соединить их без паяльника или других инструментов.

Участники программы «Робототехника», которую поддерживает фонд Олега Дерипаски «Вольное дело», уже через несколько лет обучения могут создавать куда более сложные проекты и придумывают инженерные решения для самых разных задач. Например, разрабатывают системы для автоматической сортировки мусора. Если вам кажется, что всё это очень сложно, вы правы, но научиться этому может каждый.

У меня в школе была двойка по физике, и вообще я гуманитарий. Мне нужно что-то выучить, прежде чем приступать?

Штурмовать учебники необязательно. Конечно, школьная физика пригодилась бы, но если вы ее забыли, не переживайте — вспомните по ходу дела. Для начала просто погуглите, что такое ток, сопротивление, закон Ома, конденсатор, транзистор — пара десятков статей дадут вам базовые представления о радиотехнике, и этого хватит на первое время. Позже вы легко найдете в сети всю информацию, которая вам понадобится. И усвоите ее на практике — гораздо лучше, чем из учебника.

А программировать надо уметь?

Если умеете, создание первого робота окажется, возможно, даже слишком легким делом. Если не умеете — отличный повод научиться. Дело в том, что программирование робота — штука очень наглядная: вот вы написали код и сразу же загорелась лампочка. Вам нужно, чтобы ваш робот разворачивался, когда до стены осталось меньше 5 см, значит, в программе надо прописать такое условие, всё логично. Именно поэтому детей часто начинают учить программированию на примере робототехники: здесь вместо скучных абстракций сразу получается осязаемый результат в реальном мире. На этом принципе строится обучение по программе «Робототехника». Все участники сразу же могут применить полученные знания на практике.

Перед первой попыткой написать программу для робота достаточно разобраться, что такое цикл и условный оператор . Для тех, кому и это кажется слишком сложным, производители конструкторов часто предусматривают визуальные редакторы: там код вообще не нужно писать, всё настраивается перетаскиванием блоков мышкой. Конечно, никакого сложного функционала так не напрограммируешь, но это уже начало. Позже, если захотите заниматься робототехникой углубленно, полезно будет освоить язык С, который чаще всего используется в этой сфере.

Меня случайно не убьет током?

Нет. Если, конечно, вы не собираетесь начать сразу с постройки огромных промышленных роботов. Пока речь идет о небольших игрушках, сила тока и напряжение настолько малы, что даже если вас и ударит, то вы ничего не почувствуете. Самое страшное, что можно сотворить, конструируя маленького робота, — небольшой взрыв на столе. Но это случится, только если вы перепутаете «плюс» с «минусом» во время работы с электролитическим конденсатором.

Самая вероятная неприятность — некоторое количество испорченных деталей, которые вы попытаетесь подсоединить не так и не туда. Но переживать не стоит: все необходимые расходники недороги, а их поломка тоже важная часть обучения.

Мой робот сможет защитить меня от врагов? Ну или хотя бы тапочки принести?

Самый первый — вряд ли. Точнее, нет ничего невозможного, но для начала лучше поставить перед собой цель попроще. Например, на базе того же Arduino можно собрать самых разных движущихся роботов: они могут ездить просто вперед-назад, по сложной заданной траектории или по нарисованной линии. Робот, который самостоятельно объезжает препятствия или как-то еще меняет свое поведение при приближении к разным объектам, тоже посильная задача. Еще первый робот вполне сможет включать и выключать что-нибудь, ориентируясь на уровень освещенности, совершать какие-то действия в определенный момент, заданный таймером, или по нажатию кнопки.

Ну а в будущем, если продолжите заниматься робототехникой, сможете сделать и робота-помощника, и робота-охранника, который умеет стрелять. Еще можно собрать робот-пылесос собственной модели. В России и в мире постоянно проводятся соревнования по робототехнике, на которых роботы-участники сражаются, играют в футбол, участвуют в гонках и просто демонстрируют свои выдающиеся способности. Например, на «РобоФесте», который ежегодно организует фонд «Вольное дело», можно увидеть сотни разных роботов.

Умение собирать роботов как-то пригодится мне в жизни?

Да, еще как. Вы неизбежно научитесь программировать. Причем будете в состоянии не просто писать код, который что-то как-то делает, но и понимать всю цепочку, по которой набранные вами на клавиатуре символы преобразуются в действия целого механизма. Уметь программировать в наше время почти так же полезно, как знать английский язык: пригодится, даже если вы маркетолог или продавец мороженого.

Знание робототехники при желании позволит вам здорово усовершенствовать быт и даже сделать свое жилище «умным», не покупая дорогих готовых решений. Световой будильник? Запросто. Лампы с датчиками движения? Да легко. Чайник, который начинает кипятиться, получив СМС, и передает кондиционеру сигнал охлаждать, а пылесосу пылесосить? Не так легко, но вполне реализуемо.

Где можно узнать больше о роботах?

Можно пройти один из многочисленных, в том числе совершенно бесплатных онлайн-курсов. Можно выбрать курс, посвященный Arduino, — как, например, этот от МФТИ, или начать с Lego. А можно не привязываться к конкретной платформе и учиться робототехнике в целом — например, на этом курсе от Бауманки. Ну а если вы знаете английский, буквально вся Coursera с программами по робототехнике от ведущих мировых университетов к вашим услугам.

А если мне понравится и я захочу сделать это своей профессией? Куда податься?

Самое очевидное решение — в программисты. Причем не обязательно туда, где работают непосредственно с «железом»: навыки, полученные во время занятий робототехникой, пригодятся в любой сфере — от промышленного до веб-программирования.

Если возникнет желание связать свою дальнейшую судьбу именно с роботами, придется получить соответствующее высшее образование. Специальность «Робототехника и мехатроника» уже появилась во многих технических вузах — в Москве это МГТУ имени Баумана, МИФИ, МЭИ, МИРЭА. Подойдет и факультет радиотехники: большинство нынешних специалистов по робототехнике получали именно такое образование.

Источник

Программируем роботов — бесплатный робосимулятор V-REP. Первые шаги

Программирование роботов — это интересно.

Многие наверное видели японских гуманоидных роботов, или французский учебный робот NAO, интересным выглядит проект обучаемого робота-манипулятор Baxter. Промышленные манипуляторы KUKA из Германии — это классика. Кто-то программирует системы конвейерной обработки (фильтрации, сортировки). Дельта роботы. Есть целый пласт — управление квадрокоптером/алгоритмы стабилизации. И конечно же простые трудяги на складе — Line Follower.

Но всё это как правило — не дешевые игрушки, поэтому доступ к роботам есть в специализированных лабораториях или институтах/школах где получили финансирование и есть эти направления. Всем же остальным разработчикам (кому интересна робототехника) — остаётся завистливо смотреть.

Некоторое время назад я вышел на достаточно интересную систему — 3д робосимулятор V-REP, от швейцарской компании Coppelia Robotics.

К своему (приятному) удивлению я обнаружил, что эта система:

• имеет большой функционал (система разрабатывается с марта 2010 года)
• полностью open-source (выложена в открытый доступ в 2013 году)
• кроссплатформенная — windows, mac, linux (работает на Qt)
• имеет API и библиотеки для работы с роботами через C/C++, Python, Java, Lua, Matlab, Octave или Urbi
• бесплатная для некоммерческого использования!

Все объекты, которые программируются в этой системе — «живут» в реальном с точки зрения физических законов мире — есть гравитация, можно захватывать предметы, столкновения, датчики расстояния, видео датчики и т.п.

Поработав некоторое время с этой системой, я решил рассказать про неё читателям хабра.

Да, и на картинке скриншот из V-REP, и модели роботов — которые вы можете программировать, и смотреть поведение, прямо на вашем компьютере.

Установка

Установим на компьютер эту систему, в разделе Download:

Видим три варианта: образовательный (EDU), триальный (EVAL), и плеер (player).

Плеер — это программа с помощью которой можно проиграть сцены созданные в полноценной версии (то есть нет возможности редактирования) — бесплатная.

Триальная — это полнофункциональная версия, в которой нет возможности сохранить. Нет лицензионных ограничений.

Образовательный — это полнофункциональный пакет, имеющий лицензионные ограничения, текст лицензии можно прочитать здесь. Суть его в том, что институты, школы, хоббисты — могут использовать бесплатно это программное обеспечение. При том, что использование не коммерческое (а образовательное).

Мы с вами вполне подходим под определение хоббистов (т.к. хотим образовательно по-программировать роботов), поэтому смело скачиваем версию EDU PRO для своей операционной системы.

В данный момент версия 3.2.0, вот прямая ссылка на windows вариант: V-REP_PRO_EDU_V3_2_0_Setup (98 Mb)

Старт

После установки, и старта мы увидим экран:

Здесь мы видим следующие объекты:

— сцена — здесь и происходит всё действо, на данный момент она пуста (есть только пол)
— слева видим блок с библиотекой моделей — сверху папки, и под ней — отображается содержимое выбранной папки (выбраны robots/non-mobile — то есть стационарные роботы — манипуляторы)
— далее отображается иерархия мира

Иерархия включает в себя — корневой объект (мир), в котором находятся все объекты.

В нашем примере это:

Видим источники света, видим объект для реализации пола (а это твердая поверхность, с текстурой), и группу для камер.

Есть главный объект скрипт, контролирующий сцену и всех объектов на ней, и у каждого объекта может быть свой скрипт — внутренние скрипты реализованы на языке Lua.

Вверху и слева мы видим toolbar — меню. Самой главной кнопкой является кнопка Play (Start Simulation) — после которой стартует симуляция сцены:

Сценарий работы следующий:
— мы перетаскиваем с помощью DragAndDrop объекты из библиотеки моделей.
— корректируем их местоположение
— настраиваем скрипты
— стартуем симулятор
— останавливаем симулятор

Попробуем что-нибудь на практике.

Быстрый старт

Попробуем оживить робота.

Для этого выбираем слева папку robots/mobile и в списке выбираем Ansi, захватываем, переносим на сцену и отпускаем, робот появляется на нашей сцене и появляется информация об авторе:

Теперь нажимаем на Start Simulation, и видим движение робота, и можем управлять положение головы, рук (реализовано через Custom User Interface), вот видео:

Далее останавливаем симуляцию:

Скрипт управления

Можем открыть и увидеть код, который научил робота идти (управляет автономным передвижением робота). Для этого на иерархии объектов, напротив модели Asti, дважды кликаем на иконке «файл»:

Вот Lua программа, которая осуществляет движение робота:

Другие модели

Вы можете удалить модель — для этого надо её выбрать, и нажать на Del. И можете попробовать посмотреть другие модели в работе, у некоторых есть скрипты для автономной работы.

Мобильные роботы

Стационарные роботы (манипуляторы)

Примеры сцен

Так же есть большое количество примеров (сцен), которые поставляются сразу с программой. Для этого надо выбрать в меню «File/Open scenes» и там перейти в папку: «V-REP3/V-REP_PRO_EDU/scenes».

Вот примеры сцен (файлы с расширением *.ttt):

Ссылки

Чтобы поддержать популяризацию этой интересной системы на русском языке — создана русскоязычная группа по V-REP.

Применение в учебном процессе

На мой взгляд, у V-REP есть хороший потенциал применения в учебных процессах. Если вас интересует применение системы в учебном процессе — в школе, институте, в клубе робототехники и т.п. — то можете заполнить анкету. Может быть получиться консолидировать усилия и сделать учебные русскоязычные материалы.

Источник