XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Актуальность использования виртуальной среды, способной симулировать работу робота в виртуальном пространстве, обусловлена рядом факторов. Во-первых, это относительная дороговизна учебных комплектов, во-вторых, возможность удалённой работы с дизайнером, и в-третьих, экономия временных и материальных ресурсов, так как отпадает необходимость в сборке робота и создании физических полигонов.

Персональная робототехника отвечает потребностям различных категорий пользователей, способствуя повышению физической и социальной активности в любой среде обитания. Она также предоставляет людям возможность сэкономить время, которое можно потратить на саморазвитие или общение с близкими. Для людей с ограниченными возможностями роботы становятся единственным надежным средством реабилитации после травм или заболеваний. В отличие от ранее существовавших вспомогательных устройств, современные решения позволяют достичь приемлемого уровня жизни и значительно улучшить качество ежедневного существования.

Использование робототехники для оказания помощи пациентам с определенными проблемами со здоровьем способствует сокращению количества госпитализаций, снижению медицинских расходов и повышению качества медицинской помощи. Нехватка человеческих ресурсов, наблюдаемая не только в здравоохранении, но и в других отраслях, является серьезной проблемой, которую успешно решает автоматизация, обеспечиваемая робототехникой.

В России одним из самых популярных образовательных наборов для изучения робототехники являются конструкторы серий Lego WeDo и Mindstorms, которые подходят для учащихся всех возрастных групп и позволяют развивать технические навыки и креативность.

Виртуальная реальность представляет собой созданную компьютером 3D-модель окружающей среды, которая предоставляет пользователю иллюзию реальности. Эмоции пользователей заменяются сгенерированными компьютерными имитациями, а объекты ведут себя так, как если бы находились в материальной реальности, имитируя физические свойства, такие как гравитация, столкновения и взаимодействия с другими объектами.

Современные программные средства для компьютерного моделирования в области робототехники включают не только геометрические параметры, но и физические характеристики реальных роботов. Это позволяет более точно эмулировать их поведение и взаимодействие с окружающей средой, что значительно улучшает образовательный процесс.

Прототип[2].

Рассмотрим ряд программных разработок, применимых к Lego education robotics.

Изначально проанализируем программную среду для моделирования роботов Lego. Это цифровые конструкторы Lego, LeoCAD и LDraw. LDraw - это открытый стандарт для программ (MLCad, LDCad, LDView, LPub и т.д.). Позволяет создавать виртуальные модели и сцены[3]. Например, вы можете документировать физически собранную модель или создавать анимацию. Кроме того, в нем рассказывается о разработке Lego Digital Designer, который обладает интуитивно понятным интерфейсом и с помощью которого можно познакомить каждого с моделированием. Все вышеперечисленные программы для моделирования роботов помогут вам составить инструкции по сборке робота

Рис. 1. Фотография реального робота и скриншот виртуальной модели робота в Lego Digital Designer.
Lego Digital Designer — это бесплатная и лицензированная платформа для виртуального трехмерного моделирования, которая позволяет пользователям создавать свои собственные конструкции LEGO на компьютере. В ней представлены почти все детали основных наборов LEGO, включая LEGO Education WeDo, что делает ее идеальным инструментом для творчества и обучения.

Эта программа предлагает пользователям шаг за шагом строить 3D-модели, выбирать для них виртуальное пространство, а также сохранять свои проекты в библиотеке и распечатывать их. Особые возможности Lego Digital Designer можно использовать в образовательных целях для изучения механических передач, таких как зубчатая, коронная, ременная и червячная.

Школьники могут не только следовать инструкциям для сборки готовых моделей, но и самостоятельно разрабатывать инструкции для новых конструкций. Хотя интерфейс Lego Digital Designer выполнен на английском языке, это не является препятствием для работы; напротив, данная особенность способствует расширению знаний ребенка в области иностранного языка и развивает его навыки общения и понимания.

В организации дистанционной работы с использованием Lego Digital Designerнадо начинать с подробной инструкции безопасного скачивания программы. Далее дается возможность ребенку изучить трехмерное рабочее пространство, все детали и вкладки программы, дополняя изучение соответствующими объяснениями. Только когда Обучающийся поймет, с чем ему надо работать, педагогу необходимо дать подробную инструкции сборки модели в виде записанного видеоурока. Работа может длиться достаточно долго, так как процесс нахождения необходимой детали может занять немало времени у ребенка. Тем не менее, нахождение ребенка перед компьютером необходимо ограничить (не более 15-20 мин.), даже если модель еще не собрана. На платформе Lego Digital Designerесть возможность сохранить неоконченную модель и продолжить работу, когда нужно.
Следующими рассмотрим программные среды, позволяющие имитировать работу Lego роботов в виртуальном пространстве (Robot Virtual Worlds, MS Robotics Studio, Virtual Robotics Toolkit).
Одна из программ Robot Virtual Worlds — LEGO 4.x (RVW), слоган которой на странице сайта звучит: «No Robot, No Problem!». Сами разработчики, ссылаясь на свои исследования заявляются, что обучение программированию в RVW более эффективно, чем обучение программированию с использованием физических роботов [4]. Работа с RVW требует приобретения целого комплекта программ, т. к. иначе возможности будут сильно ограничены, например, программу для построения своей виртуальной площадки.
Virtual Robotics Toolkit – программа, открывающая огромные возможности виртуальной робототехники в условиях пандемии COVID 19. Обучающиеся объединения робототехники, получают возможность дать волю своему воображению и творчеству. Виртуальное моделирование может предоставить гораздо большее разнообразие задач и условий реализации.
Высокий уровень реализма достигается благодаря Virtual Robotics Toolkit (VRT), разработанному на платформе Unity 5. Эта программа позволяет имитировать роботов серий Lego Mindstorms NXT и EV3 в контролируемых условиях. VRT предоставляет возможность проводить эксперименты, исследуя, как изменения сил трения на игровой поверхности и положения датчиков влияют на поведение робота в различных сценариях.

VRT поддерживает импорт моделей роботов, созданных в многочисленных бесплатных редакторах, таких как MLCad, LDCad и Lego Digital Designer. Вы можете быстро создавать виртуальные среды, используя множество примитивов и настраивая графические текстуры, массы, типы материалов и источники света, что упрощает процесс создания рабочего пространства для вашего робота.

Программа также предлагает функции ручного управления движением робота и возможность использования пользовательских программ, разработанных в среде визуального программирования. Однако стоит отметить, что на данный момент VRT не поддерживает переход с визуального программирования на текстовые языки, такие как C и Basic (например, ROBOTC и MSSmall), что ограничивает некоторые аспекты программирования для пользователей, предпочитающих текстовые интерфейсы.

Рисунок 2.1.1. 2. Моделирование работы робота с объектом в виртуальной среде VTR

Виртуальные среды открывают широчайшие возможности для образовательной робототехники, значительно повышая доступность и эффективность обучения. Подробнее рассмотрим преимущества использования виртуальных моделей в образовательном процессе.

Во-первых, виртуальная модель робота действует как интерактивная трехмерная инструкция, которая по детализации и точности превосходит традиционные бумажные руководства. Робота можно разобрать на компоненты, изучить каждую деталь в отдельности, поворачивать, масштабировать и анализировать его форму, соединения и функции. Возможность "раскладывать" виртуальные прототипы на мельчайшие элементы, от отдельных винтиков до микрочипов, значительно улучшает понимание механизмов и принципов работы электронных устройств. Кроме того, в современных условиях можно использовать дополненную реальность (AR), накладывая виртуальные модели роботов на реальное пространство, и обучение становится еще более наглядным и интерактивным, позволяя обучающимся увидеть взаимодействие в реальных условиях. Вы можете "прикоснуться" к виртуальному компоненту с помощью кнопки "Touch".

Виртуальное моделирование имеет ряд значительных преимуществ, позволяющих оптимизировать процесс проектирования и тестирования робототехнических систем. Во-первых, оно даёт возможность выявить потенциальные проблемы на этапе проектирования и тщательно протестировать все компоненты машины до начала физической сборки. Это позволяет заранее обнаруживать и исправлять ошибки, что существенно экономит время, материалы и ресурсы, при этом исключая необходимость дорогостоящих доработок и повторных работ с физическими компонентами.

Виртуальная среда предоставляет уникальные возможности для моделирования различных сценариев нагрузки и воздействия на робота, что позволяет эффективно проверять его прочность и устойчивость в самых разнообразных условиях эксплуатации. Например, можно смоделировать ситуации падения робота, столкновения с препятствиями или воздействия экстремальных температур и вибраций — задачи, которые могут быть небезопасны или сложно реализуемы в реальном мире.

Кроме того, виртуальное моделирование позволяет создавать разнообразные тренировочные сценарии на виртуальном полигоне, что значительно сокращает временные и ресурсные затраты на подготовку реального полигона. Обучающиеся получают возможность отрабатывать навыки программирования и проектирования в контролируемой среде, моделируя сложные и потенциально опасные ситуации, которые трудно воспроизвести в реальности. Это не только помогает им овладеть управлением роботами, но и развивает навыки разработки алгоритмов для настройки датчиков и активаторов, а также формирования стратегий действий в непредвиденных ситуациях. Например, можно смоделировать поведение робота в условиях низкой освещенности или на нестабильной поверхности, что открывает новые горизонты для обучения и экспериментов.

В дополнение, виртуальная среда предоставляет возможность отслеживать успеваемость учащихся, обеспечивая обратную связь и рекомендации по улучшению их навыков, что способствует более глубокому пониманию и освоению материала.

В-четвертых, виртуальная среда обеспечивает доступ к обучению, даже если нет физического доступа к набору роботов. Это особенно актуально для учащихся, проживающих в отдаленных районах, и для учебных заведений с ограниченным бюджетом. Виртуальная лаборатория не требует значительных инвестиций в оборудование и позволяет обеспечить широкий доступ к современному образованию в области робототехники. Кроме того, виртуальные среды позволяют работать с моделями роботов, которые дороги, сложны в сборке или физически недоступны. Обучающиеся могут значительно расширить программное содержание образовательного процесса в области робототехники за счет возможности создавать и изучать сложные алгоритмические модели виртуальных роботов, используя виртуальные прототипы высокотехнологичных роботов, таких как Android и промышленные манипуляторы, без покупки дорогостоящего оборудования. Это также обеспечивает высокое качество знаний и навыков для всех учащихся и позволяет проводить дистанционное обучение в режиме онлайн. Использование виртуальных сред в обучении робототехнике открывает широкие перспективы для развития творческих и когнитивных способностей учащихся. В отличие от традиционных методов, работа в виртуальной среде предоставляет уникальную возможность спроектировать и смоделировать робота и его работу без использования физического оборудования, что особенно актуально для начинающих, которые могут столкнуться с большими финансовыми затратами на приобретение комплекта робота. Виртуальная среда служит мощным инструментом моделирования, который позволяет вам "прикоснуться" к абстрактным понятиям и преобразовать их в конкретные, визуально представимые объекты.

Обучающиеся могут проектировать сложные механизмы, разрабатывать алгоритмы управления, моделировать различные сценарии работы роботов, тестировать их работу в виртуальной среде, исключая риск повреждения дорогостоящего оборудования. Процесс моделирования в виртуальной среде способствует развитию пространственного мышления, способности визуализировать сложные системы и абстрактные концепции. Обучающиеся научатся прогнозировать поведение робота в различных условиях, анализировать результаты моделирования и вносить необходимые коррективы в проект. Это формирует системное мышление и развивает навыки решения проблем.

Кроме того, виртуальные среды позволяют проводить эксперименты, которые на самом деле опасны или невозможны. Например, вы можете смоделировать работу робота в экстремальных условиях (высокая температура, вакуум, радиация), изучить его работу в условиях различных препятствий и использовать различные датчики и программное обеспечение без риска повреждения. Возможности виртуального моделирования практически безграничны. От простых манипуляторов до сложных антропоморфных роботов - вы можете моделировать роботов любой сложности, использовать различные типы датчиков, моделировать взаимодействие с окружающей средой, включая физические взаимодействия, и совместно моделировать поведение других роботов.

Также важен экономический эффект от использования виртуальной среды. Сокращаются затраты на приобретение оборудования, материалов и ремонт. Значительно сокращается время, затрачиваемое на разработку и тестирование, поскольку процесс отладки и модификации проектов происходит намного быстрее и эффективнее. Виртуальные среды позволяют проводить большое количество экспериментов одновременно, значительно ускоряя процесс разработки и обучения. Кроме того, некоторые виртуальные среды предоставляют встроенные инструменты для оценки эффективности разработанных алгоритмов и моделей, способствуя более объективной оценке успеваемости учащихся. Наконец, доступность виртуальных сред открывает возможность обучения робототехнике для широкого круга учащихся, независимо от их финансового положения и географического положения. Таким образом, использование виртуальных сред в образовательной робототехнике является не просто целесообразным, но и необходимым шагом для более эффективного, безопасного и доступного обучения. Современная виртуальная среда, дополненная интерактивными элементами и реалистичной графикой, превращает процесс обучения в увлекательное и познавательное приключение, стимулируя интерес к робототехнике и способствуя развитию ключевых возможностей 21-го века.

Литература:
1. Вегнер К. А. Внедрение основ робототехники в современной школе // Вестник НовГУ. — 2013. — № 74. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vnedrenie-osnov-robototehniki-v-sovremennoy-shkole. (дата обращения 27.11.2024)
2. Виртуальные 3D среды как средство верификации и тестирования робототехнических систем / А. Г. Зыков, А. В. Межерин, В. И. Поляков // Приоритетные научные направления: от теории к практике. — 2016. — № 21. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=25340150. (дата обращения 27.11.2024)
3. Как сделать пошаговую инструкцию LEGO (создание модели в MLCad + LSynth) [Электронный ресурс] / ПрогХаус. — URL: http://www.proghouse.ru/article-box/37-mlcad. (дата обращения 27.11.2024)
4. Сайт Robot Virtual Worlds [Электронный ресурс] / Robot Virtual Worlds. — URL: http://www.robotvirtualworlds.com/. (дата обращения 27.11.2024)
5. Сайт Virtual Robotics Toolkit [Электронныйресурс] / Virtual Robotics Toolkit. — URL: https://www.virtualroboticstoolkit.com/. (дата обращения: 27.11.2024)
6. Сайт Кулибин [Электронный ресурс] / Кулибин https://kulibin.app/ (дата обращения 27.11.2024)