Δευτέρα 19 Αυγούστου 2019
ΑΝΑΖΗΤΗΣΗ  

Όταν η ρομποτική συνάντησε τον Rubik

9ο Μαθητικό Συνέδριο Πληροφορικής 

Περίληψη

Όπως ο  Rubik προσπαθούσε για πολλά χρόνια να βρει μια συγκεκριμένη μέθοδο διδασκαλίας ώστε να βοηθήσει τους μαθητές του να καταλάβουν τα τρισδιάστατα αντικείμενα, έτσι κι ολόκληρη η ανθρωπότητα εδώ και πολλά χρόνια ασχολείται με τη λύση του περίφημου κύβου του. Αφορμή για τη συγκεκριμένη εργασία μας ήταν μία εμπειρία που είχαμε στη Διεθνή Έκθεση Θεσσαλονίκης με το ρομποτάκι που συναντήσαμε σε κάποιο περίπτερο, το οποίο υποσχόταν να λύσει τον κύβο πιο γρήγορα από έναν άνθρωπο. Η ιδέα μάς ήρθε αβίαστα, να μελετήσουμε και να ψάξουμε τρόπους λύσεις του κύβου. Και φυσικά, να φτιάξουμε το ίδιο το ρομποτάκι! Ήταν μία δραστηριότητα που κράτησε μήνες, αλλά μέσω αυτής καλύψαμε προχωρημένες έννοιες προγραμματισμού και είχαμε ορατό και «χειροπιαστό» αποτέλεσμα των όσων προγραμματίσαμε στην άμεση συμπεριφορά του ρομπότ.

Λέξεις κλειδιά: lego, ρομπότ, Rubik.

1. Εισαγωγή

Η ρομποτική αφενός, είναι μία διασκεδαστική και ενδιαφέρουσα δραστηριότητα που δίνει τη δυνατότητα στο μαθητή να εμπλακεί με τη δράση, αφετέρου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε όλες τις βαθμίδες εκπαίδευσης για τη διδασκαλία διαφόρων εννοιών, από τις Φυσικές Επιστήμες έως και άλλα γνωστικά αντικείμενα.

Η εκπαιδευτική Ρομποτική έχει θετικές επιπτώσεις τόσο στον γνωστικό τομέα όσο και στον συναισθηματικό (αυτοεκτίμηση, αυτοπεποίθηση) και κοινωνικό (κοινωνικοποίηση, απομυθοποίηση).  Aποτελεί ένα ταχύτατα αναπτυσσόμενο πεδίο, καθώς αποτελεί τη δημοφιλέστερη τεχνολογία στη διασκέδαση των νέων. Στην αρχή η χρήση των ρομπότ αφορούσε αποκλειστικά και μόνο τη νεολαία και τους ενήλικους νεαρής ηλικίας, οι οποίοι ήταν εξοικειωμένοι με την τεχνολογία των υπολογιστών. 

Εκτός όμως από την ρομποτική, που έχει πλέον δεσπόζουσα θέση στις σημερινές εκπαιδευτικές δραστηριότητες, υπάρχει και ένα άλλο παιχνίδι που θεωρείται ένα από τα πιο εμπορικά παγκοσμίως. Ο Κύβος του Ρούμπικ είναι ένα τρισδιάστατο μηχανικό παζλ. Επινοήθηκε το 1974 από τον Ούγγρο γλύπτη και καθηγητή αρχιτεκτονικής Έρνο Ρούμπικ ως μια μέθοδος για να βοηθηθούν οι μαθητές του να κατανοήσουν τα τρισδιάστατα αντικείμενα. Έως τον Ιανουάριο του 2009, 350 εκατομμύρια κύβοι είχαν πουληθεί παγκοσμίως κάνοντας τον το εμπορικότερο παιχνίδι παζλ παγκοσμίως, ενώ θεωρείται ευρέως το εμπορικότερο παιχνίδι στον κόσμο.

2. Αφόρμηση 

Η ιδέα της δημιουργίας του ρομπότ μάς ήρθε όταν ένας συμμαθητής μας επισκέφθηκε τη διεθνή έκθεση Θεσσαλονίκης και σε ένα περίπτερο της έκθεσης συνάντησε ένα ρομπότ που υποσχόταν να λύσει τον κύβο. Έτσι, ως γνώστης και ο ίδιος της λύσης του, αγωνίστηκε μαζί του και το νίκησε.

Τότε, μας ήρθε η ιδέα να φτιάξουμε και οι ίδιοι το ρομπότ στο μάθημα της Πληροφορικής του σχολείου μας διότι αρκετοί από εμάς ξέραμε ήδη πώς να λύνουμε τον κύβο. Αρχίσαμε να δουλεύουμε όλοι μαζί για να φτιάξουμε αυτήν την εντυπωσιακή κατασκευή που ίσως καταφέρει να λύσει τον κύβο γρηγορότερα από εμάς!

3. Το πακέτο εκπαιδευτικής ρομποτικής Lego Mindstorms EV3 

Η εκπαιδευτική ρομποτική αποτελεί μία ολοκληρωμένη λύση εκπαίδευσης STEM (Science Technology Engineering Mathematics) βασισμένη στην τεχνολογία ρομποτικής. Η εναλλακτική αυτή προσέγγιση της διδασκαλίας του προγραμματισμού βασίζεται στη χρήση του πακέτου εκπαιδευτικής ρομποτικής Lego® Mindstorms® EV3 και του προγραμματιστικού περιβάλλοντος που το συνοδεύει.

Lego Mindstorms EV3 είναι το κιτ ρομποτικής τρίτης γενιάς στην γραμμή Mindstorms της Lego. Είναι ο διάδοχος της δεύτερης γενιάς Lego Mindstorms NXT kit 2.0. Η ονομασία "EV3" αναφέρεται στην "εξέλιξη" της σειράς προϊόντων Mindstorms. To "3" αναφέρεται στο γεγονός ότι είναι η τρίτη γενιά των μονάδων υπολογιστή - πρώτη ήταν η RCX και το δεύτερο είναι το ΝΧΤ. Ανακοινώθηκε επίσημα στις 4 Ιανουαρίου, 2013 και κυκλοφόρησε στα καταστήματα την 1η Σεπτεμβρίου του 2013. Η έκδοση «education» κυκλοφόρησε στις 1 Αυγούστου του 2013.

Τα Lego Mindstorms είναι μια γραμμή παραγωγής της Lego που συνδυάζει προγραμματιζόμενα τούβλα με ηλεκτρικές μηχανές, αισθητήρες, τούβλα Lego, και τεχνικά κομμάτια Lego (όπως εργαλεία, άξονες, ακτίνες, και υδραυλικά μέρη) κατάλληλα για να χτίσει ο χρήστης ρομπότ και άλλα αυτοματοποιημένα ή αλληλεπιδραστικά συστήματα. Η αρχική έκδοση Mindstorms Robotics Invention System περιείχε δύο μηχανές, δύο αισθητήρες αφής και έναν αισθητήρα φωτός. Η έκδοση NXT έχει τρεις σερβομηχανές και τέσσερις αισθητήρες για την αφή, το φως, τον ήχο, και την απόσταση. Η τελευταία έκδοση EV3 έχει τρεις σερβομηχανές με ενσωματωμένους αισθητήρες περιστροφής, αισθητήρα χρώματος, γυροσκόπιο, αισθητήρα υπερήχων (απόστασης) και 2 αισθητήρες αφής.

4. Δημιουργία του Robot

Αρχικά, παραγγείλαμε τα εκπαιδευτικά πακέτα της Lego με τα κομμάτια του ρομπότ και ξεκινήσαμε να το συναρμολογούμε. Χρειάστηκε ένα πακέτο Lego EV3 education και ένα πακέτο επέκτασης (expansion set) με επιπλέον κομμάτια. Τις οδηγίες τις βρήκαμε στο Διαδίκτυο, καθώς είναι ένα ρομπότ που έχει απασχολήσει κι άλλους προγραμματιστές οι οποίοι παρέχουν δωρεάν τις οδηγίες. Η συναρμολόγηση ήταν δύσκολη,  με αποτέλεσμα να κρατήσει αρκετές εβδομάδες.

Εικόνα 1 - Στάδια συναρμολόγησης

Εικόνα 1 - Στάδια συναρμολόγησης

Εικόνα 2 - Τελικά στάδια συναρμολόγησης

Εικόνα 2 - Τελικά στάδια συναρμολόγησης

Όταν τελειώσαμε με τη συναρμολόγηση, είχε έρθει η ώρα του προγραμματισμού.

4.1 Η έννοια του προγραμματισμού

Όταν πια μπήκαμε να δουλέψουμε στο περιβάλλον του Lego EV3 καταλάβαμε πως, όπως τα παιχνίδια, έτσι και τα ρομπότ δεν κινούνται χωρίς να τους δώσουμε τις σωστές εντολές εμείς οι ίδιοι.

Από την εμπειρία μας με το προγραμματισμό, ήταν σχετικά εύκολο να καταλάβουμε πως το κυρίως ζητούμενο ήταν να βρούμε έναν τρόπο λύσης του κύβου. Αρχικά, αναζητήσαμε στο internet αλγορίθμους επίλυσης του κύβου.

Εικόνα 3 - Μελέτη επεξήγησης βασικών κινήσεων

Εικόνα 3 - Μελέτη επεξήγησης βασικών κινήσεων

Ο προγραμματισμός μάς πήρε περισσότερο από την συναρμολόγηση, μιας και ήταν πιο δύσκολος και είχαμε να βρούμε όλοι από έναν διαφορετικό αλγόριθμο για να διαλέξουμε τον καλύτερο ή να δούμε αν οι αλγόριθμοί μας έχουν κοινά στοιχεία μεταξύ τους.  Αυτό, λοιπόν, που καταλάβαμε είναι ότι το ρομπότ δεν μπορεί να κάνει τις ίδιες κινήσεις που κάνει ένας άνθρωπος. Οι μόνες κινήσεις που μπορεί να πραγματοποιήσει είναι οι flip (όταν το «χέρι» αναποδογυρίζει τον κύβο), turn (όταν ο κύβος περιστρέφεται ολόκληρος) και bottom turn (όταν περιστρέφεται μόνο η βάση του).

Ο αισθητήρας υπερύθρων ελέγχει εάν έχει τοποθετηθεί ο κύβος στη βάση. Ο αισθητήρας χρώματος σκανάρει όλες τις πλευρές του κύβου και βλέπει ποιο χρώμα υπάρχει στο κέντρο της κάθε πλευράς και τι χρώματα έχουν τα κουτάκια περιμετρικά του κέντρου. Αφού ολοκληρώσει το σκανάρισμα, προσπαθεί να δημιουργήσει ένα τετράγωνο ίδιου χρώματος 2x2 σε κάθε πλευρά, σε αντίθεση με τον άνθρωπο που σχηματίζει έναν σταυρό στην «άσπρη» πλευρά. Αυτό γίνεται γιατί, όπως είπαμε προηγουμένως, το ρομπότ δεν μπορεί να κινήσει όλες τις πλευρές του κύβου όπως ο άνθρωπος.

Αφού δημιουργήσει το τετράγωνο 2x2, ολοκληρώνει το ορθογώνιο ίδιου χρώματος 3x2 και αυτό που του μένει είναι να ολοκληρώσει τον κύβο βρίσκοντας και το σωστό χρώμα της κάτω σειράς σε κάθε πλευρά.

Όταν τελειώσαμε και τον προγραμματισμό και είδαμε ότι το ρομπότ έλυνε όντως τον κύβο του rubik 3x3x3 “ξετρελαθήκαμε” όλοι.

Εικόνα 4 - Επίλυση του κύβου από το ρομπότ της Lego

Εικόνα 4 - Επίλυση του κύβου από το ρομπότ της Lego

Ένα από τα σημαντικότερα πράγματα που έπρεπε να προσέξουμε ήταν πως έπρεπε να βρούμε κύβο με καθαρά και έντονα χρώματα. Αυτό το καταλάβαμε διότι, όταν βάλαμε το ρομπότ να λύσει έναν παλιό κύβο που τα χρώματα του ήταν ξεθωριασμένα, τον έλυσε λάθος!

5.  Συμπεράσματα 

Μετά από την κατασκευή και τον προγραμματισμό του ρομπότ νιώσαμε μεγάλη ανακούφιση διότι το ρομπότ έλυνε με ευκολία τον κύβο και δεν παρουσιαζόταν κανένα πρόβλημα ούτε στο ρομπότ αλλά ούτε και στον κύβο. Στην αρχή η ιδέα του ρομπότ μας τρόμαξε διότι οι οδηγίες κατασκευής είχαν πολλές σελίδες και δεν ξέραμε αν θα διαχειριστούμε σωστά ο χρόνο μας ώστε να μπορέσουμε να το προγραμματίσουμε σωστά. Οι περισσότεροι από εμάς, ενώ ξέραμε προγραμματισμό  και νομίζαμε πως θα ήταν εύκολο, είδαμε τελικά πως ήταν πολύ πιο δύσκολο από ό,τι περιμέναμε. Όμως, μέσα από σκληρή δουλειά, αναζήτηση και σκέψη κατασκευάσαμε αυτό το ρομπότ και το προγραμματίσαμε μέσα στον χρόνο που μας δινόταν. Αυτή η εμπειρία μας βοήθησε να μάθουμε πώς να υλοποιούμε ένα σχέδιο μέσω συνεργασίας.

Βιβλιογραφία
1. User Guide LEGO MINDSTORMS EV3, Οδηγός χρήσης του εκπαιδευτικού πακέτου Lego EV3
2. ΣΕΠ Χίου, Αλγόριθμοι επίλυσης του κύβου 3x3x3
3. http://ludusmentis.blogspot.gr/2012/04/rubik-3x3.html
4. http://www.infokids.gr/poio-einai-to-mystiko-tis-lysis-toy-kyv/
5. http://edurobotics.weebly.com/epsilonkappapialphaiotadeltaepsilonupsilontauiotakappa942- rhoomicronmupiomicrontauiotakappa942.html
6. http://stem.edu.gr/el/