Lego Mindstorms (иногда стилизованное под LEGO MINDSTORMS ) — снятая с производства линейка обучающих наборов для сборки программируемых роботов на основе кубиков Lego . Он был введен 1 сентября 1998 года и прекращен 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. В каждый комплект также входит пара насадок для смарт-кирпича (например, моторы и датчики) и программное обеспечение для программирования. В отличие от обычных наборов Lego, в наборах Mindstorms нет основной модели, которую нужно собрать. Примеры сборок включены в каждую версию Mindstorms, но набор является открытым, позволяя пользователю создавать и программировать свои собственные проекты.
Помимо домашнего использования, продукты Mindstorms широко используются в школах и на соревнованиях по робототехнике, таких как FIRST Lego League . Версии наборов Mindstorms, специально предназначенные для использования в образовательных учреждениях, продаются компанией Lego Education.
Целевой аудиторией Lego Mindstorms являются дети, но значительное число любителей Mindstorms — взрослые. Взрослые любители разработали большое количество альтернативных языков программирования и операционных систем для умного кирпича, позволяющих выполнять более сложные функции.
Изначально Mindstorms был задуман и выпущен как инструмент для поддержки образовательного конструктивизма , но стал первым комплектом для домашней робототехники, доступным широкой аудитории. После запуска продукта в 1998 году компания сформировала сообщество взрослых любителей и хакеров, а также студентов и обычных энтузиастов Lego. В октябре 2022 года Lego Group объявила, что прекращает выпуск линейки Lego Mindstorms, продолжая при этом поддерживать SPIKE на основе Scratch . контроллер. [2]
Система изобретений робототехники (RIS) была флагманским продуктом первого поколения линейки Lego Mindstorms. Это коммерциализация технологии, созданной Медиа-лабораторией MIT в сотрудничестве с группой LEGO. RIS оснащен программируемым микроконтроллером Robotic Command eXplorer (RCX), а также совместимыми с Lego двигателями и датчиками на 9 В, а также набором деталей Lego. Исходная версия RIS была запущена осенью 1998 года. Летом 1999 года она была заменена второй версией, RIS 1.5; и третья версия, RIS 2.0, в 2001 году.
Линейка продуктов Lego Mindstorms была первым проектом «Домашнего образования», подразделения Lego Education , основанного сотрудником Тормодом Аскильдсеном в 1995 году. Аскильдсен, который ранее десять лет работал в Lego Education, разочаровался в работе с преподавателями и захотел создать улучшенный образовательный опыт, который будет доставлен непосредственно детям. Home Education решила включить технологии в свои продукты на основе исследования рынка , которое показало, что детям интересно учиться с использованием технологий. [3] Разработка Lego Mindstorms началась в апреле 1996 года. [4] : 1061 Концепция набора была основана на технологии, созданной в сотрудничестве с MIT Media Lab. Медиа-лаборатория Массачусетского технологического института экспериментировала с объединением Lego и программирования с начала 1980-х годов, а Lego ранее коммерциализировала некоторые из этих технологий в качестве продуктов для обучения в линейке Lego Dacta . Программируемый блок (или pbrick [5] ) был усовершенствованием этих ранних концепций, которые имели ограниченный диапазон, поскольку для работы их нужно было подключать к компьютеру. [6] : 24
Компания Lego была заинтересована в массовом производстве кирпичей с момента их создания в 1980-х годах, но в то время это считалось невозможным из-за отсутствия компьютеров в школах и домашних хозяйствах, а также относительной стоимости электрических компонентов. [6] : 25 в начале 1990-х годов Технологии стали все больше становиться частью жизни ребенка, и рынок игрушек, соответственно, начал все больше смещаться в сторону компьютеризированных игрушек. [7] : 37 Многие попытки Lego по производству электронных игрушек захлебнулись в тот момент, когда Lego начала превращать программируемый кирпич Массачусетского технологического института в потребительский продукт. [4] : 1061 MIT продолжил разработку концепции pbrick, создав в период с 1994 по 1996 год версию «Red Brick», которая улучшила предыдущую версию. К середине 1990-х годов персональные компьютеры были относительно распространены в домашних хозяйствах, а компоненты, необходимые для производства кирпича, снизились в цене, что сделало возможным массовое производство. [6] : 25 Разработка того, что позже будет известно как Система изобретений робототехники, 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. Оно названо в честь книги Пейперта Mindstorms , поскольку пользовательский опыт был аналогичен концепциям образовательного конструктивизма , описанным в его книге. [8]
Поначалу скромный проект позволил команде Mindstorms свободно разрабатывать продукт, используя операционные процедуры, неортодоксальные на тот момент для Lego Group. [4] : 1062 В отличие от традиционных наборов Lego, система изобретений робототехники Mindstorms не содержала пошаговых инструкций. [3] В наборе также не было основной модели, и пьеса не была основана на повествовании. [ нужна цитата ] Чтобы преодолеть разрыв между этим новым игровым опытом и ранее существовавшими играми Lego, команда Mindstorms создала множество возможностей для людей, заинтересованных в продукте, для взаимодействия друг с другом, например, создание Mindstorms.com, Mindstorms Центры открытий и ПЕРВАЯ Лего-лига . [8] Создание этого опыта было осуществлено посредством партнерства с относительно большим количеством внешних групп, с которыми команда Mindstorms взаимодействовала как равноправные партнеры, что было необычно для группы Lego в то время. [4] : 1063 Чтобы ослабить противоречия между Mindstorms и более традиционными продуктами, команде проекта была предоставлена автономия от процесса разработки продукта Lego, и вместо этого она подчинялась непосредственно высшему руководству компании. [4] : 1064
Команда Lego Mindstorms использовала идеи, полученные исследователями Массачусетского технологического института в ходе тестирования кубика с логотипом 3-го поколения («Красный кирпич») в школах, в качестве основы для разработки программируемого кубика массового производства. [9] : 5 Физический программируемый блок был перепроектирован с нуля, поскольку экспериментальные программируемые блоки не были рассчитаны на надежность или экономичное производство. [6] : 19, 26 Язык программирования продукта был разработан с помощью сотрудников лаборатории MIT Media. Lego решила использовать визуальный язык программирования для Mindstorms, вдохновленный языком LOGOBlocks, ранее использовавшимся в экспериментах с программируемыми кубиками, чтобы сделать продукт доступным для детей, которые могут быть незнакомы с программированием. [6] : 29 Хотя технология, на которой была основана Mindstorms, была нацелена на «всех детей», выбранная целевая аудитория Lego Mindstorms была намеренно узкой, чтобы получить положительную реакцию в прессе, превзойдя ожидания. Было принято решение нацелить продукт на мальчиков в возрасте от 10 до 14 лет, отчасти потому, что это была основная целевая аудитория Lego, а отчасти на основе исследований рынка (не подтвержденных результатами Медиа-лаборатории Массачусетского технологического института), которые пришли к выводу, что эта демографическая группа больше всего их привлекут компьютеризированные игрушки. Этот выбор целевой аудитории напрямую повлиял на цвет кирпича RCX (который был сделан желто-черным, чтобы напоминать строительную технику) и примеры использования набора Mindstorms (например, создание автономных роботов). [6] : 28
Продвижение системы изобретений робототехники Lego Mindstorms началось за 6 месяцев до запланированного запуска продукта. [8] Впервые продукт был запущен с открытием Центра открытий Mindstorms в Музее науки и промышленности , где дети могли взаимодействовать с системой изобретений робототехники Mindstorms для выполнения поставленных задач, знакомя их с продуктом. [10] Продукт Mindstorms был запущен одновременно с Lego Cybermaster, еще одним продуктом Lego, созданным на основе технологии программируемых кирпичей MIT, который больше соответствовал традиционной философии продуктов группы Lego. [4] : 1067
Система изобретений робототехники Lego Mindstorms (RIS) была выпущена в сентябре 1998 года [11] по розничной цене 199 долларов. Вместо продажи в магазинах игрушек продукт продавался в магазинах электроники, таких как BestBuy и CompUSA , из-за относительно высокой стоимости набора. [8] Вся производственная партия (от 60 до 100 тысяч единиц [12] ) была распродана за 3 месяца. [7] : 181 [6] : 30
Второе издание RIS, Robotics Invention System 1.5, было выпущено летом 1999 года. [7] : 187 [5]
Третье издание, RIS 2.0, было выпущено в 2001 году. [13]
Несмотря на то, что система изобретений робототехники была ориентирована на детей, она быстро нашла аудиторию среди взрослых и хакеров всех возрастов; Опросы компаний Lego, проведенные через несколько месяцев после запуска, показали, что семьдесят процентов любителей Lego Mindstorms были взрослыми. Вскоре после запуска продукта взрослые любители начали делиться в Интернете версиями микрокода и прошивки блока RCX, созданными методом реверс-инжиниринга , что привело к разработке альтернативных языков программирования для RCX, таких как «Not Quite C» (NQC) и альтернативных операционных систем. для кирпича типа лейОС. Группа Lego вкратце рассмотрела возможность отправки писем о прекращении противоправных действий на веб-сайты, использующие запатентованный код RCX. [7] : 183 Однако команда Mindstorms успешно доказала, что признание продукта хакерским сообществом 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 о «праве на взлом». Официальный комплект разработчика программного обеспечения для RCX позже будет опубликован на веб-сайте Mindstorms. Взрослыми любителями было выпущено значительное количество продуктов, посвященных RIS, включая практические руководства, а также неофициальные датчики и оборудование. В 1999 году начался съезд любителей Lego Mindstorms под названием Mindfest. [7] : 181–184.
Несмотря на высокие продажи, высшее руководство игнорировало команду разработчиков The Mindstorms. В качестве меры по сокращению расходов офис Mindstorms был закрыт в 2001 году, а члены команды были уволены или направлены на другие проекты. [5] Lego Group продолжала производить Robotics Invention System 2.0 после закрытия офиса Mindstorms, 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 высокоуровневого встроенного ПО и пользовательских программ. RCX программируется путем загрузки программы через специальный инфракрасный интерфейс. После того как пользователь загрузит программу, RCX может запустить ее самостоятельно без необходимости доступа к компьютеру. Программы могут использовать три входных порта датчиков и три выходных порта 9 В в дополнение к ИК-интерфейсу, что позволяет взаимодействовать нескольким блокам RCX. Встроенный ЖК-дисплей может отображать уровень заряда батареи, состояние портов ввода/вывода, какая программа выбрана или запущена, а также другую информацию. [15]
В модулях RCX версии 1.0 помимо батарей имеется разъем для адаптера питания. В версии 2.0 (а также в более поздних версиях 1.0, включенных в RIS 1.5) разъем адаптера питания был удален. Блоки RCX, оснащенные адаптером питания, были популярны для проектов стационарной робототехники (например, роботов-манипуляторов) или для управления моделями поездов Lego . В последнем случае RCX может быть запрограммирован с помощью программного обеспечения цифрового управления (DCC) для управления несколькими проводными поездами.
ИК-интерфейс RCX может взаимодействовать со Spybots , Scout Bricks, Lego Trains и NXT (с использованием стороннего датчика инфракрасной связи). Несущая частота ИК-приемника RCX 1.0 составляет 38,5 кГц, а несущая частота ИК-приемника RCX 2.0 — 76 кГц. Обе версии могут передавать на любой частоте. RCX обменивается данными с компьютером с помощью последовательного порта или ИК-вышки USB . Поскольку выпуск RCX прекращен, поддержка этого интерфейса ограничена в более поздних операционных системах, чем Windows XP.
На всех версиях RCX напечатан уникальный номер, который можно зарегистрировать на ныне несуществующем веб-сайте Lego Mindstorms RCX. Это было необходимо для получения технической поддержки. Первый произведенный RCX имеет маркировку «000001» и был выставлен на мероприятии, посвященном 10-летию Mindstorms. [16]
Lego RCX был доступен в новых наборах с 1998 года (Lego Set 9719: Robotics Invention System 1.0) по 2003 год (Lego Set 9786: Robo Technology Set, с USB-кабелем). Оригинальный RCX 1.0 работал с существующими продуктами питания Lego из темы Lego Train: Продукт Lego 70931: Регулятор скорости электропоезда, адаптер питания 9 В для 120 В, 60 Гц — версия для США (годы: с 1991 по 2004), Продукт Lego 70938: Скорость электропоезда Адаптер питания регулятора 9 В на 230 В, 50 Гц — европейская версия (годы выпуска: с 1991 по 1996). Оба этих продукта преобразуют питание от сети в 12 В переменного тока через коаксиальный разъем питания (также называемый «цилиндрическим 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]
Набор «Открытие робототехники» был более доступным и простым набором, чем набор «Изобретение робототехники». Вместо RCX у него был собственный программируемый блок под названием Scout. Еще более простая версия Разведчика будет представлена в двух наборах Mindstorms на тему «Звездных войн».
Lego также выпустила синий компьютер под названием Scout , который имеет 2 порта для датчиков, 2 порта для двигателя (плюс один дополнительный, если он подключен к Micro Scout с помощью оптоволоконного кабеля ) и встроенный датчик освещенности, но не имеет интерфейса ПК. В комплект поставки входит набор «Робототехника Discovery». Scout можно запрограммировать с помощью набора встроенных комбинаций программ. Чтобы запрограммировать Scout, пользователь должен включить на нем «режим мощности». Scout может хранить одну программу.
В основе Scout лежит микроконтроллер Toshiba с 32 КБ ПЗУ и 1 КБ ОЗУ, где для пользовательских программ доступно около 400 байт. Из-за крайне ограниченного объема ОЗУ многие предопределенные подпрограммы находились в ПЗУ. Scout поддерживает только пассивные внешние датчики, а это означает, что можно использовать только датчики касания, температуры и другие датчики без питания. Аналого -цифровые преобразователи, используемые в Scout, имеют разрешение всего 8 бит, в отличие от 10-битных преобразователей RCX. [23]
Компания Lego планировала создать дополнительный набор, который позволит программировать Scout с компьютера с помощью такого программного обеспечения, как код RCX. Однако из-за сложности проекта от него отказались.
RCX может управлять блоком Scout с помощью программного блока «Отправить ИК-сообщение». RCX выполняет все функции управления и, следовательно, может быть запрограммирован с помощью ПК, в то время как Scout принимает команды. Во время этого процесса все параметры блока Scout должны быть отключены.
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 устройством Scout, Spybotics или RCX с помощью VLL. Как и Scout, Micro Scout также основан на микроконтроллере от Toshiba .
Устройство продавалось как часть комплекта разработчика дроидов (с R2-D2 ), а затем как часть комплекта разработчика Dark Side (с AT-AT Imperial Walker ).
Lego Mindstorms NXT — комплект программируемой робототехники, выпущенный компанией Lego в августе 2006 года и заменивший комплект Lego Mindstorms первого поколения. [24] Комплект состоит из 577 деталей, включая: 3 серводвигателя, 4 датчика ( ультразвуковой , звуковой, сенсорный и световой ), 7 соединительных кабелей, интерфейсный кабель USB и интеллектуальный модуль NXT. Это позволяет роботу автономно выполнять различные операции. В комплект также входит NXT-G, графическая среда программирования, позволяющая создавать и загружать программы в NXT. В программе также есть инструкции для 4-х роботов: Альфа-Рекс (гуманоид), Три-Бот (автомобиль), Робо-Арм Т-56 (робот-рука) и Спайк (скорпион).
Разработка Lego Mindstorms NXT началась в 2004 году. В то время группа Lego находилась в разгаре финансового кризиса. В рамках усилий по реструктуризации линейка продуктов, разработанная для выпуска в 2006 году, будет включать относительно небольшое количество продуктов, которые гарантированно будут прибыльными. В качестве этих продуктов было выбрано возрождение системы изобретений робототехники Mindstorms, поскольку у Lego Mindstorms было много поклонников, а наборы продолжали хорошо продаваться без рекламы. [7] : 187–188.
Поклонники активно участвовали в разработке и продвижении Mindstorms NXT. Команда разработчиков сотрудничала с четырьмя любителями, которые считаются экспертами в сообществе фанатов Lego Mindstorms. Эти фанаты были известны как Панель пользователей Mindstorms (MUP). Им были отправлены первые прототипы комплекта Mindstorms, и они были переданы членам команды Mindstorms на частном интернет-форуме. MUP предоставил подробные отзывы об оборудовании и дизайне комплекта NXT. Особенности NXT, непосредственно основанные на запросах МУП, включают использование 32-битного процессора, более мощных двигателей и совместимость с Bluetooth. [7] : 194
Продвижение Lego Mindstorms NXT в основном основывалось на сарафанном радио, поскольку компания находилась в разгаре финансового кризиса и не имела достаточно денег для масштабной маркетинговой кампании. [7] : 189 Mindstorms NXT был представлен в январе 2006 года на выставке Consumer Electronics Show 2006. На выставке Lego запросила заявки на этап бета-тестирования, на котором 100 пользователей, известных как партнеры сообщества Mindstoms (MCP), получат комплекты NXT по сниженной цене за несколько месяцев до запуска. Целью программы MCP было обеспечить поддержку продукта до его запуска и получить отзывы о почти окончательном комплекте. [7] : 196–198 [5] Поклонники, участвовавшие в программе MCP, предоставили значительный объем пиара для набора после запуска, например, альтернативные модели, готовые черновики книг и веб-контент, например сообщения в блогах. [5] Такие новостные агентства, как Wired и CNN, также бесплатно рекламировали Mindstorms NXT, сообщая о привлечении фанатов к процессу его разработки. [7] : 199 Запуск Mindstorms NXT, измеряемый в часах эфирного времени, веб-контенте и страницах журналов; вызвало больше общественного интереса, чем вся компания накопила за всю свою жизнь. [5]
Lego Mindstorms NXT (номер продукта 8527) был выпущен 1 августа 2006 года. [5] За первый год было продано наборов на 30 миллионов долларов. [7] : 199
Lego Mindstorms NXT 2.0 был выпущен 5 августа 2009 года. Он состоит из 619 деталей и пяти датчиков; два сенсорных датчика и один звуковой, световой и ультразвуковой датчик расстояния. NXT 2.0 использует операции с плавающей запятой, тогда как более ранние версии используют операции с целыми числами. [25] Комплект стоит около 280 долларов США.
Lego Mindstorms EV3 — это продукт Lego Mindstorms третьего поколения. EV3 является дальнейшим развитием NXT. [26] [27] Система была выпущена 1 сентября 2013 года. В комплект Lego Mindstorms EV3 входят моторы (2 больших серводвигателя и 1 средний серводвигатель), датчики (2 датчика касания, ультразвуковой датчик, датчик цвета, инфракрасный датчик и новый гироскоп), программируемый блок EV3, более 550 элементов Lego Technic и пульт дистанционного управления (инфракрасный маяк, который доступен только в режиме «Дом/Торговый центр»). EV3 можно управлять с помощью смарт-устройств. Он может загружать альтернативную операционную систему с карты microSD, что позволяет запускать ev3dev, операционную систему на основе Debian .
Spike Prime был анонсирован в апреле 2019 года. [28] Несмотря на то, что базовый комплект не входит в линейку продуктов Mindstorms, он включает в себя три мотора (1 большой, 2 средних) и датчики расстояния, силы и цвета [29] блок контроллера на основе Микроконтроллер STM32F413 [30] и более 520 элементов Lego Technic. [31] Большинство этих двигателей и датчиков, включая концентратор, будут служить электрическими компонентами будущего набора Robot Inventor.
Lego Mindstorms Robot Inventor был анонсирован в июне 2020 года [32] и выпущен позднее осенью. Это последний коммерчески доступный набор Mindstorms до прекращения реализации темы, объявленной в октябре 2022 года. Он имеет четыре средних мотора от Spike Prime, два датчика (датчик расстояния и датчик цвета/света) также от Spike Prime, концентратора Spike Prime с шестиосевой гироскоп, акселерометр, поддержка контроллеров и управления с телефона. Он также содержит более 902 элементов Lego Technic. Производство этого набора было прекращено в 2022 году , поскольку Lego обещала поддержку приложений до 2024 года.
.jpg/1280px-Robotics_Camp_2018_(41276792080).jpg)
Наборы Mindstorms также продаются и используются в качестве образовательного инструмента, первоначально в рамках партнерства между Lego и Медиа-лабораторией Массачусетского технологического института . [35] [36] Образовательная версия продуктов называется Mindstorms for Schools или Mindstorms Education , а более поздние версии поставляются с программным обеспечением ROBOLAB на основе графического пользовательского интерфейса , разработанным в Университете Тафтса [37] с использованием National Instruments LabVIEW в качестве движка.
Благодаря удобству использования для детей, Lego Mindstorms использовался в качестве платформы для нескольких детских соревнований по робототехнике, в первую очередь ПЕРВОЙ Лиги Lego (FLL), а также Всемирной олимпиады роботов или Robocup Junior [38].
FIRST Lego League Challenge (основанная как FIRST Lego League) — это соревнование по робототехнике, в котором используются продукты Lego Mindstorms. [a] Она была основана в 1998 году одновременно с запуском LEGO Mindstorms и продолжает существовать по сей день. Это сотрудничество между FIRST и Lego Group, направленное на участие более низкой возрастной категории, 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 разных пакета программного обеспечения для систем сбора данных LabVIEW и Lego. Эти пакеты позволяют нам преподавать инженерное дело с использованием кубиков Lego и LabVIEW студентам от 5 до 50 лет. Универсальность аппаратного и программного обеспечения открывает широкие возможности для создания и программирования студентами: от роботов и устройств дистанционного зондирования до кинетических скульптур. Когда студенты проектируют и создают свои проекты, у них появляется мотивация изучать математику и естественные науки, необходимые для оптимизации их проекта. На этот мотиватор откликаются как студенты колледжей, так и детсадовцы. В статье мы объясняем, как мы разработали программное обеспечение, дополняющее эти проекты, обеспечивающее автоматизацию и анимацию. Программное обеспечение использует LabVIEW, расширяя его возможности до детских садов и кубиков Lego. Наконец, мы покажем, как мы использовали сбор данных LabVIEW и Lego для обучения естествознанию в начальной школе, инженерному делу первокурсников, приборостроению и экспериментированию, а также как старшеклассники и аспиранты использовали как аппаратное, так и программное обеспечение для решения различных задач сбора данных.
