ربات آموزشی چیست؟ معرفی ربات تیمیو و همستر و کاربرد حسگرها

فرض کنید می خواهید به شهری سفر کنید که تا به حال آن را ندیده اید و هیچ اطلاعاتی درباره مسیرها و مکان های آن ندارید. برای پیدا کردن هتل یا موزه به یک نقشه یا راهنما نیاز دارید که موقعیت هر مکان را مشخص کند. ربات ها هم برای فعالیت در محیط به مجموعه ای از اطلاعات نیاز دارند و هرچه این اطلاعات دقیق تر باشد، احتمال رسیدن ربات به هدف بیشتر می شود.

در این مقاله با مفهوم ربات آموزشی، نحوه کار حسگرها و دو نمونه پرکاربرد یعنی تیمیو و ربات همستر اسکرچ آشنا می شوید. همچنین نمونه های واقعی برنامه نویسی این ربات ها توسط فراگیران یاسان را می بینید تا تفاوت میان یک دستور ساده و رفتار واقعی ربات روشن شود.

توضیح یکی از مربیان یاسان درباره نحوه کار ربات تیمیو

پیش از هر چیز بهتر است ببینید ربات تیمیو در عمل چگونه کار می کند. در این ویدیو یکی از مربیان آکادمی یاسان، طرز کار حسگرها و منطق برنامه نویسی تیمیو را مرحله به مرحله نشان می دهد.

ربات آموزشی چیست؟

ربات آموزشی یک دستگاه ماشینی یا سیستم الکترونیکی است که با استفاده از مجموعه ای از دستورهای کدنویسی شده، وظیفه مشخصی مانند حرکت روی مسیر از پیش تعیین شده را انجام می دهد. برخلاف ربات های صنعتی که در محیط ثابت کارخانه کار می کنند، ربات های آموزشی برای یادگیری کودکان و نوجوانان طراحی شده اند و معمولا ساده تر، ایمن تر و مقرون به صرفه تر هستند.

چالش اصلی ساخت ربات های قابل کنترل

هیچ رباتی نمی تواند حالت واقعی محیط اطراف خود را با اطمینان کامل درک کند. ربات فقط می تواند دنیای واقعی را بر اساس اندازه گیری های حسگرهای خود تخمین بزند و با تولید سیگنال های کنترلی روی آن تاثیر بگذارد.

یکی از اولین مراحل طراحی رفتار یک ربات، ساخت مدلی ساده از محیط واقعی است. این مدل باید اطلاعات دریافتی از حسگرها را تفسیر کند و بر اساس آن، واکنش مناسبی مانند توقف، تغییر مسیر یا کاهش سرعت را انتخاب کند.

اگر شرایط محیط با فرض هایی که در برنامه تعریف شده هماهنگ باشد، ربات می تواند تصمیم درستی بگیرد؛ اما در دنیای واقعی عواملی مانند نور، صدا، سطح زمین و موقعیت موانع دائما تغییر می کنند. به همین دلیل، آموزش برنامه نویسی کودکان با استفاده از ربات ها فقط به نوشتن چند دستور محدود نمی شود. کودک باید برنامه را آزمایش کند، خطاها را تشخیص دهد و منطق تصمیم گیری ربات را مرحله به مرحله بهبود دهد.

انواع حرکت ربات ها

ربات ها می توانند دو نوع حرکت را اجرا کنند:

• حرکت از پیش تعیین شده: مجموعه ای از حرکت ها از قبل در برنامه ذخیره می شود و ربات آنها را به ترتیب اجرا می کند.
• حرکت واکنشی: ربات در لحظه و بر اساس اطلاعاتی که از حسگرها دریافت می کند، نوع حرکت خود را انتخاب می کند.

حسگرهای ربات آموزشی

حسگرها واسط میان ربات و محیط واقعی هستند. چهار حسگر متداول در ربات های آموزشی عبارت اند از:

حسگر	کارکرد
حسگر صدا	دامنه صدای دریافت شده از طریق میکروفون را اندازه می گیرد.
حسگر نور	میزان روشنایی محیط را اندازه می گیرد.
حسگر فاصله	فاصله ربات تا یک شی نزدیک را تشخیص می دهد.
حسگر تماس	فشرده شدن یا نشدن یک دکمه را تشخیص می دهد.

دو نمونه متداول از ربات های آموزشی، ربات همستر و ربات تیمیو هستند.

تیمیو چیست؟ آشنایی با ربات آموزشی تیمیو (Thymio)

تیمیو نتیجه همکاری میان دو دانشگاه سوئیسی EPFL، دانشکده فنی فدرال لوزان، و ECAL، دانشکده هنر لوزان، است. این ربات کاملا متن باز است. سخت افزار آن تحت مجوز Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 و نرم افزار آن تحت مجوز LGPL منتشر شده است؛ بنابراین توسعه دهندگان می توانند کد و طراحی آن را ببینند و تغییر دهند. تولید و توزیع تیمیو را انجمن غیرانتفاعی Mobsya بر عهده دارد.

خبر تازه درباره نسل بعدی تیمیو: نسخه فعلی این ربات که سال ها در مدارس و آکادمی های مختلف استفاده شده، Thymio II نام دارد. طبق اعلام فروشندگان رسمی، تولید Thymio II در حال متوقف شدن است و Mobsya نسل جدید این ربات، Thymio 3، را معرفی کرده که قرار است از سپتامبر ۲۰۲۶ در دسترس مدارس و آکادمی ها قرار بگیرد. تفاوت اصلی نسل جدید، پردازنده دوگانه ESP32 و STM32 است که پشتیبانی بلوتوث و اجرای برنامه های پایتون را قوی تر می کند؛ در حالی که ابعاد و طراحی کلی ربات، حدود ۱۱۰ در ۱۱۰ میلی متر، تغییر زیادی نکرده است.

تیمیو چگونه برنامه نویسی می شود؟

برای برنامه نویسی ربات تیمیو مسیرهای مختلفی وجود دارد. فراگیران مبتدی معمولا کار را با زبان بصری VPL3 یا اسکرچ شروع می کنند؛ محیط هایی که در آنها به جای نوشتن کدهای متنی، بلوک های رویداد و عمل کنار یکدیگر قرار می گیرند.

به همین دلیل، آموزش اسکرچ برای کودکان می تواند نقطه شروع مناسبی برای آشنایی با منطق برنامه نویسی ربات، شرط ها و واکنش به حسگرها باشد. فراگیران پیشرفته تر نیز می توانند تیمیو را با پایتون یا Blockly برنامه نویسی کنند. نرم افزار رسمی Thymio Suite این ابزارها را در یک محیط یکپارچه ارائه می دهد و برای ویندوز، مک، لینوکس، اندروید و آی پد در دسترس است.

با استفاده از VPL3 یا اسکرچ می توان به تیمیو دستورهایی مانند موارد زیر داد:

• از برخورد با موانع جلوگیری کن.
• یک خط را دنبال کن یا از افتادن از روی میز جلوگیری کن.
• بارکد را بخوان.
• صداها را ضبط و پخش کن.
• موقعیت خودت را با شتاب سنج سه محوره تشخیص بده.
• دمای هوای اطراف را اندازه بگیر.

حسگرها و کاربردهای عملی تیمیو

در تصاویر زیر، حسگرها و دو کاربرد عملی ربات تیمیو را می بینید.

ربات همستر اسکرچ چیست و چگونه برنامه نویسی می شود؟

عبارت ربات همستر اسکرچ به پروژه هایی اشاره دارد که در آنها کودک رفتار ربات همستر را با بلوک های تصویری اسکرچ برنامه ریزی می کند. ربات همستر نیز مانند تیمیو با هدف آموزش برنامه نویسی ساخته شده و از اسکرچ، پایتون، جاوااسکریپت و زبان هایی مانند سی، سی پلاس پلاس، جاوا و اندروید پشتیبانی می کند.

این ربات حسگرهای متنوعی مانند نور، دما و شتاب سنج دارد. حسگرهای زیر بدنه آن برای دنبال کردن خطوط استفاده می شوند و امکان افزودن حسگرها و محرک های خارجی به پورت های اضافی آن نیز وجود دارد. به همین دلیل می توان پروژه های متنوعی با آن ساخت.

نمونه واقعی ربات همستر اسکرچ: پروژه امیرارسلان

یکی از راه های فهم کاربرد ربات همستر اسکرچ، دیدن کار یک فراگیر واقعی یاسان است. امیرارسلان تقی راونجی، از دانش آموزان آکادمی یاسان، با ترکیب ربات همستر و برنامه نویسی اسکرچ پروژه ای طراحی کرده که در آن به ربات دستور می دهد ماموریت های مشخصی را دنبال کند.

نکته مهم پروژه او فقط حرکت دادن ربات نیست؛ بلکه منطق پشت هر ماموریت را خودش تعریف کرده است. این همان روند حل مسئله ای است که در آکادمی یاسان، برنامه نویسی به عنوان ابزار آن استفاده می شود، نه هدف نهایی.

در ویدیوی زیر امیرارسلان پروژه خود را ارائه می دهد و مرحله به مرحله توضیح می دهد که چگونه دستورهای اسکرچ را به رفتار واقعی ربات همستر تبدیل کرده است. ارائه پروژه مقابل دوربین نیز بخشی از مهارت های نرمی است که یاسان در کنار برنامه نویسی روی آن کار می کند؛ یعنی توانایی توضیح یک ایده فنی با زبان ساده و اعتماد به نفس.

پروژه کامل امیرارسلان همراه با توضیح بیشتر، در صفحه پروژه های فراگیران یاسانی قابل مشاهده است.

تجربه واقعی بچه های مدرسه ستوده با ربات تیمیو

تئوری زمانی کامل می شود که نتیجه آن در یک کلاس واقعی دیده شود. در این ویدیو گروهی از دانش آموزان مدرسه ستوده را می بینید که با ربات تیمیو کدنویسی می کنند و یک چالش واقعی را حل می کنند؛ همان چیزی که ما در یاسان آن را «تفکر الگوریتمی در عمل» می نامیم.

این تجربه نشان می دهد آموزش برنامه نویسی ربات زمانی موثرتر است که فراگیر فقط فرمان ها را حفظ نکند، بلکه نتیجه هر دستور را روی حرکت واقعی تیمیو ببیند، خطا را پیدا کند و برنامه را دوباره اصلاح کند.

سوالات متداول درباره تیمیو و ربات همستر اسکرچ

آیا تیمیو با اسکرچ برنامه نویسی می شود؟

بله. تیمیو را می توان با محیط های تصویری مانند اسکرچ و VPL3 برنامه نویسی کرد. کودک می تواند بدون درگیر شدن با کدنویسی متنی، برای حسگرها رویداد تعریف کند و واکنش هایی مانند توقف، تغییر مسیر یا دنبال کردن خط را بسازد.

ربات همستر اسکرچ برای چه سنی مناسب است؟

ربات همستر اسکرچ برای کودکانی مناسب است که با مفاهیم پایه اسکرچ مانند رویداد، شرط و تکرار آشنا شده اند. سطح پروژه باید بر اساس تجربه کودک تنظیم شود. پروژه های ساده می توانند از حرکت و توقف شروع شوند و سپس به دنبال کردن خط و واکنش به حسگرها برسند.

تفاوت تیمیو و ربات همستر اسکرچ چیست؟

هر دو ربات برای آموزش برنامه نویسی و حل مسئله به کودکان استفاده می شوند. تیمیو حسگرها و مسیرهای برنامه نویسی گسترده تری دارد و برای پروژه های متنوع مناسب است. ربات همستر ابعاد کوچک تری دارد و ترکیب آن با اسکرچ، شروعی قابل فهم برای تبدیل بلوک های برنامه نویسی به حرکت واقعی فراهم می کند.