LEGO: Путь от деревянных кубиков до робототехники

Все начиналось в Дании

В 1932 г. плотник Оле Кирк Кристиансен открыл мастерскую, в которой занимался производством деревянных предметов домашнего обихода. Лестницы и гладильные доски пользовались слабым спросом, и предприниматель, заметивший всплеск рождаемости в стране, решил переквалифицировать бизнес на выпуск детских кубиков. Название компании LEGO происходит от датских слов leg (играть) и godt (хорошо). Первоначальная товарная линейка, помимо кубиков, была представлена деревянными машинками и уточками на колесах.

По мере расширения возможностей химической промышленности в середине XX века все большее количество производителей потребительских товаров стали использовать синтетические материалы в процессе изготовления продукции. Не остался в стороне и Оле Кристиансен, в 1947 г. создавший знаменитые пластмассовые кирпичики LEGO со штырьками. После смерти основателя компании руководство фирмой взял на себя его сын Готфрид, разработавший современный дизайн деталек. Кирпичики были официально запатентованы предприятием в 1958 г.

В 1967 году были представлены зубчатые передачи и маленькие электромоторы, интегрируемые в наборы – по сути, это был первый шаг к LEGO Technic.

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.

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 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.

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.

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

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 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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.

Материал подготовлен педагогом по направлению «Программирование роботов» -Потаповой Дарьей Анатольевной.