Lego Mindstorms (иногда стилизованное под LEGO MINDSTORMS ) — это снятая с производства линейка образовательных наборов для создания программируемых роботов на основе кубиков Lego . Она была представлена 1 сентября 1998 года и снята с производства 31 декабря 2022 года.
Наборы Mindstorms позволяют пользователям создавать творения, взаимодействующие с физическим миром. Все наборы Mindstorms состоят из набора элементов Lego, «умного кирпича» (внутренне известного как программируемый кирпич или «pbrick»), который служит «мозгом» для машины Mindstorms. Каждый набор также включает несколько насадок для умного кирпича (таких как двигатели и датчики) и программное обеспечение для программирования. В отличие от обычных наборов Lego, наборы Mindstorms не имеют основной модели для сборки. Образцы сборок включены в каждую версию Mindstorms, но набор открыт для намерения пользователя создавать и программировать свои собственные конструкции.
Помимо домашнего использования, продукция Mindstorms широко используется в школах и на соревнованиях по робототехнике, таких как FIRST Lego League . Версии наборов Mindstorms, специально предназначенные для использования в образовательных учреждениях, продаются Lego Education.
Дети являются целевой аудиторией Lego Mindstorms, но значительное число любителей Mindstorms — взрослые. Взрослые любители разработали большое количество альтернативных языков программирования и операционных систем для умного кирпича, что позволяет реализовать более сложные функции.
Первоначально задуманный и запущенный как инструмент для поддержки образовательного конструктивизма , Mindstorms стал первым набором для домашней робототехники, доступным широкой аудитории. Он создал сообщество взрослых любителей и хакеров, а также студентов и общих энтузиастов Lego после запуска продукта в 1998 году. В октябре 2022 года Lego Group объявила, что прекратит выпуск линейки Lego Mindstorms, продолжая при этом поддерживать контроллер SPIKE на основе Scratch . [2]
Robotics Invention System (RIS) была флагманским продуктом первого поколения линейки Lego Mindstorms. Это коммерциализация технологии, разработанной MIT Media Lab в сотрудничестве с группой LEGO. RIS включала программируемый микроконтроллер Robotic Command eXplorer (RCX), а также совместимые с Lego 9V двигатели и датчики и набор деталей Lego. Оригинальная RIS была выпущена осенью 1998 года. Она была заменена второй версией, RIS 1.5, летом 1999 года; и третьей версией, RIS 2.0, в 2001 году.
Линейка продуктов Lego Mindstorms была первым проектом «Home Education», подразделения Lego Education, основанного сотрудником Тормодом Аскилдсеном в 1995 году. Аскилдсен, который до этого десять лет проработал в Lego Education, разочаровался в работе с профессиональными преподавателями и хотел создать улучшенный образовательный опыт, который был бы доставлен непосредственно детям. Home Education решила включить технологию в свои продукты на основе маркетингового исследования , которое пришло к выводу, что дети находят обучение, связанное с технологиями, интересным. [3] Разработка Lego Mindstorms началась в апреле 1996 года. [4] : 1061 Концепция набора была основана на технологии, созданной в партнерстве с MIT Media Lab. MIT Media Lab экспериментировала с объединением Lego и программирования с начала 1980-х годов, и Lego ранее коммерциализировала часть этой технологии в качестве продуктов для классов в линейке Lego Dacta . Программируемый блок (или pbrick [5] ) был усовершенствованием этих ранних концепций, которые имели ограниченный диапазон, поскольку для запуска их приходилось привязывать к компьютеру. [6] : 24
Lego была заинтересована в массовом производстве pbrick с момента его создания в 1980-х годах, но в то время это считалось нецелесообразным из-за нехватки компьютеров в школах и домах, а также относительной дороговизны электрических компонентов. [6] : 25 в начале 1990-х годов Технологии начали все больше входить в жизнь ребенка, и рынок игрушек соответственно начал больше смещаться в сторону компьютеризированных игрушек. [7] : 37 Многие попытки Lego производить электронные игрушки зачахли к тому моменту, когда Lego начала разрабатывать программируемый кирпичик MIT в потребительский продукт. [4] : 1061 MIT продолжил развивать концепцию pbrick, создав версию «Red Brick» между 1994 и 1996 годами, которая улучшила предыдущую версию. К середине 1990-х годов персональные компьютеры были относительно распространены в домашних хозяйствах, и компоненты, необходимые для производства pbrick, упали в цене, что сделало массовый выпуск возможным. [6] : 25 Разработка того, что позже стало известно как Robotics Invention System, началась в 1996 году как флагманский продукт недавно созданного подразделения домашнего обучения Lego Education (Lego Dacta). Название линейки продуктов «Mindstorms» было призвано выразить пользовательский опыт продукта, он назван в честь книги Паперта « Mindstorms », поскольку пользовательский опыт был похож на концепции образовательного конструктивизма, описанные в его книге. [8]
Первоначальная сдержанность проекта позволила команде Mindstorms свободно разрабатывать продукт, используя рабочие процедуры, которые тогда были нетрадиционными для Lego Group. [4] : 1062 В отличие от традиционных наборов Lego, Mindstorms Robotics Invention System не поставлялась с пошаговыми инструкциями. [3] В наборе также не было основной модели, и игра не была основана на повествовании. [ необходима цитата ] Чтобы преодолеть разрыв между этим новым игровым опытом и уже существующими Lego, команда Mindstorms создала множество возможностей для взаимодействия пользователей друг с другом, например, создав Mindstorms.com, Mindstorms Discovery Centers и FIRST Lego League . [8] Создание этих впечатлений осуществлялось посредством партнерства с внешними группами, с которыми команда Mindstorms взаимодействовала как с равными партнерами, что было необычно для группы Lego в то время. [4] : 1063 Чтобы ослабить напряженность между Mindstorms и более традиционными продуктами, проектной группе была предоставлена автономия от процесса разработки продукции Lego, и вместо этого она подчинялась непосредственно высшему руководству компании. [4] : 1064
Команда Lego Mindstorms использовала идеи, полученные исследователями MIT при тестировании третьего поколения Logo Brick («Красный кирпич») в школах, в качестве основы для разработки серийного программируемого кирпича. [9] : 5 Физический программируемый кирпич был перепроектирован с нуля, поскольку экспериментальные программируемые кирпичи не были разработаны для надежного или экономически эффективного производства. [6] : 19, 26 Язык программирования продукта был разработан с помощью членов MIT Media lab. Lego решила использовать визуальный язык программирования для Mindstorms, вдохновленный языком LOGOBlocks, ранее использовавшимся в экспериментах с программируемыми кирпичами, чтобы сделать продукт доступным для детей, которые могли быть не знакомы с программированием. [6] : 29 Хотя технология, на которой был основан Mindstorms, была нацелена на «всех детей», выбранная целевая демографическая группа Lego Mindstorms была намеренно узкой, чтобы получить положительные отзывы в прессе за счет продаж, превышающих ожидания. Было принято решение нацелить продукт на мальчиков в возрасте от 10 до 14 лет, отчасти потому, что это была основная целевая демографическая группа Lego, а отчасти на основе маркетингового исследования (не подтвержденного выводами MIT Media Lab), которое пришло к выводу, что эта демографическая группа будет больше всего привлекать компьютерные игрушки. Этот выбор целевой демографической группы напрямую повлиял на цвет кирпича RCX (который был сделан желтым и черным, чтобы напоминать строительное оборудование) и примеры использования для набора Mindstorms (например, создание автономных роботов). [6] : 28
Продвижение системы изобретений роботов Lego Mindstorms Robotics началось за 6 месяцев до запланированного запуска продукта. [8] Продукт был впервые запущен в тестовом режиме с открытием Центра открытий Mindstorms в Музее науки и промышленности , где дети могли взаимодействовать с системой изобретений роботов Mindstorms, чтобы выполнять поставленные задачи и знакомиться с продуктом. [10] Продукт Mindstorms был запущен одновременно с Cybermaster, другим продуктом Lego, созданным на основе технологии программируемых кубиков Массачусетского технологического института, который больше соответствовал традиционной философии продуктов группы Lego. [4] : 1067
Lego Mindstorms Robotics Invention System (RIS) был выпущен в сентябре 1998 года [11] по розничной цене 199 долларов США. Вместо того, чтобы продаваться в магазинах игрушек, продукт продавался в магазинах электроники, таких как BestBuy и CompUSA , из-за относительно высокой стоимости набора. [8] Весь тираж (от 60 000 до 100 000 единиц [12] ) был распродан в течение 3 месяцев. [7] : 181 [6] : 30
Второе издание RIS, Robotics Invention System 1.5, было выпущено летом 1999 года, [7] : 187 [5] а третье издание, RIS 2.0, было запущено в 2001 году. [13]
Несмотря на то, что Robotics Invention System была нацелена на детей, она быстро нашла аудиторию среди взрослых и хакеров всех возрастов; опросы компании Lego, проведенные через несколько месяцев после запуска, показали, что семьдесят процентов любителей Lego Mindstorms были взрослыми. Вскоре после запуска продукта взрослые любители начали делиться реверс-инжиниринговыми версиями микрокода и прошивки блока RCX в Интернете, что привело к разработке альтернативных языков программирования для RCX, таких как «Not Quite C» (NQC), и альтернативных операционных систем для блока, таких как lejOS. Lego Group недолгое время рассматривала возможность отправки писем о прекращении и воздержании на веб-сайты, распространяющие фирменный код RCX. [7] : 183 Однако команда Mindstorms успешно доказала, что принятие продукта сообществом хакеров доказывает, что продукт стоит разрабатывать. Чтобы способствовать развитию этого растущего сообщества, на веб-сайте Lego был создан официальный форум, а в лицензионное соглашение с конечным пользователем программного обеспечения Lego Mindstorms был добавлен пункт «право на взлом». Официальный комплект разработчика программного обеспечения для RCX позже был выпущен на сайте Mindstorms. Ряд продуктов, ориентированных на RIS, были выпущены взрослыми любителями, включая руководства, неофициальные датчики и оборудование. Съезд любителей Lego Mindstorms, названный Mindfest, начался в 1999 году. [7] : 181–184
Несмотря на высокие продажи, команда разработчиков Mindstorms была проигнорирована высшим руководством. В качестве меры по сокращению расходов офис Mindstorms был закрыт в 2001 году, а члены команды были уволены или назначены на другие проекты. [5] Lego Group продолжала производить Robotics Invention System 2.0, продавая около 40 000 единиц в год без рекламы [7] : 189 , пока набор не был снят с производства в 2006 году. [14]
RCX основан на 8-битном микроконтроллере Renesas H8/300 , включая 32 КБ ПЗУ для низкоуровневых функций ввода-вывода, а также 32 КБ ОЗУ для хранения высокоуровневой прошивки и пользовательских программ. RCX программируется путем загрузки программы с использованием выделенного инфракрасного интерфейса. После того, как пользователь загрузит программу, RCX может запустить ее самостоятельно, без необходимости доступа к компьютеру. Программы могут использовать три входных порта датчика и три выходных порта 9 В, в дополнение к ИК-интерфейсу, что позволяет блокам RCX взаимодействовать друг с другом. Встроенный ЖК-дисплей может отображать информацию, включая уровень заряда батареи, состояние портов ввода/вывода и текущую запущенную программу. [15]
Блоки RCX версии 1.0 оснащены гнездом для адаптера питания в дополнение к батареям. В версии 2.0 (а также в более поздних версиях 1.0, включенных в RIS 1.5) гнездо для адаптера питания было удалено. Блоки RCX, оснащенные адаптером питания, были популярны для стационарных робототехнических проектов (например, роботизированных рук) или для управления моделями поездов Lego . В последнем контексте RCX можно было запрограммировать с помощью программного обеспечения цифрового командного управления (DCC) для управления несколькими проводными поездами.
ИК-интерфейс на RCX способен взаимодействовать с Spybots , Scout Bricks, Lego Trains и NXT (используя сторонний инфракрасный датчик связи). Несущая частота ИК-приемника RCX 1.0 составляет 38,5 кГц, а несущая частота ИК-приемника RCX 2.0 составляет 76 кГц. Обе версии могут передавать данные на любой частоте. RCX взаимодействует с компьютером с помощью последовательной или USB- ИК-башни. Поскольку RCX снят с производства, поддержка интерфейса ограничена в более поздних операционных системах, чем Windows XP.
Все версии RCX имеют уникальный номер, напечатанный на них, который можно было зарегистрировать на ныне несуществующем сайте Lego Mindstorms RCX. Это было необходимо для получения технической поддержки. Первый произведенный RCX имел маркировку «000001» и был представлен на мероприятии Mindstorms 10th Anniversary. [16]
Lego RCX был доступен в новых наборах с 1998 (Lego Set 9719: Robotics Invention System 1.0) по 2003 (Lego Set 9786: Robo Technology Set, с USB-кабелем). Оригинальный RCX 1.0 работал с существующими продуктами Lego power supply products из темы Lego Train, Lego Product 70931: Electric Train Speed Regulator 9V Power Adaptor for 120v 60 Hz - US version (Годы: 1991–2004), Lego Product 70938: Electric Train Speed Regulator 9V Power Adaptor for 230v 50 Hz - European version (Годы: 1991–1996). Оба этих продукта преобразовывали настенное питание в 12 В переменного тока [ сомнительно – обсудим ] через коаксиальный разъем питания (также называемый «бочкообразным разъемом») , 5,5 мм снаружи, 2,1 мм внутри. Иногда они продавались отдельно, а иногда были доступны как часть других наборов, таких как Lego Set 4563: Load N' Haul Railroad (год: 1991) и Lego Set 10132: Motorized Hogwarts Express (год: 2004). [17] [18] [19] [20] [21] [22]
Robotics Discovery Set был более доступным и простым набором, чем Robotics Invention Set. Вместо того, чтобы основываться на RCX, он имел свой собственный программируемый блок под названием Scout. Еще более простая версия Scout будет представлена в двух наборах Mindstorms на тему Star-Wars.
Lego также выпустила синий компьютер под названием Scout , который имеет 2 порта для датчиков, 2 порта для моторов (плюс один дополнительный, если он связан с Micro Scout с помощью оптоволоконного кабеля ) и встроенный датчик освещенности, но не имеет интерфейса для ПК. Он поставляется с набором Robotics Discovery Set. Scout можно программировать из набора встроенных программных комбинаций. Чтобы запрограммировать Scout, пользователь должен включить на нем «режим питания». Scout может хранить одну программу.
Scout основан на микроконтроллере Toshiba с 32 КБ ПЗУ и 1 КБ ОЗУ, где около 400 байт доступны для пользовательских программ. Из-за крайне ограниченного объема ОЗУ, многие предопределенные подпрограммы были предоставлены в ПЗУ. Scout поддерживает только пассивные внешние датчики, что означает, что можно использовать только сенсорные, температурные и другие датчики без питания. Аналого -цифровые преобразователи, используемые в Scout, имеют разрешение только 8 бит, в отличие от 10-битных преобразователей RCX. [23]
У Lego был план создать набор усилителей, который позволит программировать Scout с компьютера с помощью программного обеспечения, такого как код RCX. Однако из-за сложности этого проекта он был заброшен.
RCX может управлять блоком Scout с помощью программного блока "Отправить ИК-сообщение". RCX выполняет все управление и, следовательно, может программироваться с помощью ПК, в то время как Scout принимает команды. Во время этого процесса все параметры блока Scout должны быть установлены на "выкл".
Micro Scout был добавлен в качестве начального уровня в робототехнику Lego. Это очень ограниченный Pbrick с одним встроенным датчиком освещенности и одним встроенным двигателем. Он имеет семь встроенных программ и может управляться блоком Scout, Spybotics или RCX с помощью VLL. Как и Scout, Micro Scout также основан на микроконтроллере от Toshiba .
Устройство продавалось как часть набора разработчика Droid (включая R2-D2 ), а позднее — как часть набора разработчика Dark Side (включая имперский шагоход AT-AT ).
Lego Mindstorms NXT — программируемый робототехнический набор, выпущенный Lego в августе 2006 года, заменивший набор Lego Mindstorms первого поколения. [24] Набор состоит из 577 деталей, включая: 3 серводвигателя, 4 датчика ( ультразвуковой , звуковой, касательный и световой ), 7 соединительных кабелей, кабель интерфейса USB и интеллектуальный блок NXT. Он позволяет роботу автономно выполнять различные операции. В набор также входит NXT-G, графическая среда программирования, которая позволяет создавать и загружать программы в NXT. Программное обеспечение также содержит инструкции для 4 роботов: Alpha-Rex (гуманоид), Tri-Bot (автомобиль), Robo-Arm T-56 (роботизированная рука) и Spike (скорпион).
Разработка Lego Mindstorms NXT началась в 2004 году. В то время группа Lego переживала финансовый кризис. В рамках усилий по исправлению ситуации линейка продуктов, разработанная для выпуска в 2006 году, включала относительно немного продуктов, которые гарантированно приносили бы прибыль. Возрождение Mindstorms Robotics Invention System было выбрано в качестве одного из этих продуктов, поскольку у Lego Mindstorms было много поклонников, а наборы продолжали хорошо продаваться без рекламы. [7] : 187–188
Фанаты активно участвовали в разработке и продвижении Mindstorms NXT. Команда разработчиков сотрудничала с четырьмя любителями, считающимися экспертами в сообществе фанатов Lego Mindstorms. Эти фанаты были известны как Mindstorms Users Panel (MUP). Им были отправлены ранние прототипы набора Mindstorms, и они были переданы членам команды Mindstorms на закрытом интернет-форуме. MUP предоставила обширные отзывы об оборудовании и дизайне набора NXT. Возможности NXT, основанные непосредственно на запросах MUP, включают использование 32-битного процессора, более мощных двигателей и совместимость с Bluetooth. [7] : 194
Продвижение Lego Mindstorms NXT в основном основывалось на устной речи, поскольку компания находилась в разгаре финансового кризиса и не имела достаточно денег на масштабную маркетинговую кампанию. [7] : 189 Mindstorms NXT был представлен в январе 2006 года на выставке Consumer Electronics Show 2006. На выставке Lego запросила заявки на участие в бета-тестировании, где 100 пользователей, известных как Mindstoms Community Partners (MCP), получат наборы NXT по сниженной цене за несколько месяцев до запуска. Целью программы MCP было создание поддержки продукта до запуска и получение отзывов о почти финальном наборе. [7] : 196–198 [5] Поклонники, участвовавшие в программе MCP, предоставили значительный объем PR для набора после запуска, такой как альтернативные модели, готовые черновики книг и веб-контент, такой как записи в блогах. [5] Новостные агентства, такие как Wired и CNN, также предоставили бесплатную рекламу Mindstorms NXT, сообщив о включении фанатов в процесс разработки. [7] : 199 Запуск Mindstorms NXT, измеренный в часах эфирного времени, веб-контенте и страницах журналов, вызвал больший интерес у публики, чем вся компания накопила за все время своего существования. [5]
Lego Mindstorms NXT (номер продукта 8527) был выпущен 1 августа 2006 года. [5] За первый год было продано наборов на сумму 30 миллионов долларов. [7] : 199
Lego Mindstorms NXT 2.0 был выпущен 5 августа 2009 года. Он содержит 619 деталей и пять датчиков: два датчика касания и один датчик звука, света и ультразвуковой датчик расстояния. NXT 2.0 использует операции с плавающей точкой, тогда как более ранние версии использовали целочисленные операции. [25] Стоимость комплекта составляет около 280 долларов США.
EV3, продукт Mindstorms третьего поколения, является дальнейшим развитием NXT. [26] [27] Система была выпущена 1 сентября 2013 года. Набор Lego Mindstorms EV3 включает в себя двигатели (2 больших серводвигателя и 1 средний серводвигатель), датчики (2 датчика касания, ультразвуковой датчик, датчик цвета, инфракрасный датчик и новый гироскопический датчик), программируемый блок EV3, более 550 элементов Lego Technic и пульт дистанционного управления (инфракрасный маяк, который работает только в режиме Home/Retail). EV3 может управляться смарт-устройствами. Он может загружать альтернативную операционную систему с карты microSD, что позволяет запускать ev3dev, операционную систему на базе Debian .
Spike Prime был анонсирован в апреле 2019 года. [28] Хотя базовый набор и не является частью линейки продуктов Mindstorms, он включает в себя три двигателя (1 большой, 2 средних) и датчики расстояния, силы и цвета [29], блок контроллера на основе микроконтроллера STM32F413 [30] и более 520 элементов Lego Technic. [31] Большинство этих двигателей и датчиков, включая концентратор, будут служить электрическими компонентами для готовящегося к выпуску набора Robot Inventor.
Lego Mindstorms Robot Inventor был анонсирован в июне 2020 года [32] и выпущен позже осенью. Это последний коммерчески доступный набор Mindstorms перед прекращением темы, объявленным в октябре 2022 года. Он имеет четыре средних двигателя от Spike Prime, два датчика (датчик расстояния и датчик цвета/освещения) также от Spike Prime, концентратор Spike Prime с шестиосевым гироскопом, акселерометром и поддержкой контроллеров и управления с телефона. Он также имеет 902+ элементов Lego Technic. Этот набор был прекращен в 2022 году, и Lego обещала поддержку приложения до 2024 года. [33]
.jpg/1280px-Robotics_Camp_2018_(41276792080).jpg)
Комплекты Mindstorms также продаются и используются в качестве образовательного инструмента, изначально в рамках партнерства Lego и MIT Media Laboratory . [35] [36] Образовательная версия продуктов называется Mindstorms for Schools или Mindstorms Education , а более поздние версии поставляются с программным обеспечением на основе графического интерфейса пользователя ROBOLAB , разработанным в Университете Тафтса [37] с использованием National Instruments LabVIEW в качестве движка.
Благодаря своей простоте использования детьми, Lego Mindstorms использовался в качестве платформы для нескольких детских соревнований по робототехнике, наиболее известными из которых являются FIRST Lego League (FLL), а также World Robot Olympiad или Robocup Junior [38].
FIRST Lego League Challenge (основанная как FIRST Lego League) — это соревнование по робототехнике, в котором используются продукты Lego Mindstorms. [a] Оно было основано в 1998 году одновременно с запуском LEGO Mindstorms и существует по сей день. Это сотрудничество FIRST и The Lego Group, направленное на то, чтобы привлечь более низкую возрастную группу, чем FIRST Robotics Competition . [3] Команды FLL состоят из детей в возрасте от 9 до 14 лет и взрослого тренера.
За последние 6 лет преподаватели Университета Тафтса разработали два различных пакета программного обеспечения между LabVIEW и системами сбора данных Lego. Эти пакеты позволяют нам преподавать инженерию как с помощью кубиков Lego, так и с помощью LabVIEW студентам от 5 до 50 лет. Универсальность аппаратного и программного обеспечения открывает широкий спектр возможностей для того, что студенты могут построить и запрограммировать, от роботов и устройств дистанционного зондирования до кинетических скульптур. По мере того, как студенты проектируют и строят свои проекты, они мотивированы изучать математику и естественные науки, необходимые для оптимизации своего проекта. И студенты колледжей, и воспитанники детских садов откликаются на этот мотиватор. В статье мы объясняем, как мы разработали программное обеспечение для дополнения этих проектов, позволяя автоматизацию и анимацию. Программное обеспечение использует LabVIEW, расширяя свои возможности для воспитанников детских садов и кубиков Lego. Наконец, мы покажем, как мы использовали LabVIEW и сбор данных Lego для обучения естествознанию в начальной школе, инженерии, приборостроению и экспериментированию на первокурсниках, и как студенты старших курсов и аспиранты использовали как аппаратное, так и программное обеспечение для решения различных задач по сбору данных.
