Jak jsme testovali VEX IQ

Je to již déle než rok, co se na našem trhu objevila další robotická konstrukční stavebnice VEX IQ. O této stavebnici jste se mohli dočíst již v e-Molu č. 11, kde vyšel rozhovor s firmou AV MEDIA, českým distributorem stavebnic VEX („plastové“ VEX IQ a „kovové“ VEX EDR). Díky firmě AV MEDIA jsme měli možnost dlouhodobě testovat dvě stavebnice VEX IQ Super Kit. A abychom stavebnici otestovali skutečně v reálném školním provozu, dostali ji do rukou také žáci. Ti se se zapůjčeným VEXem nakonec zúčastnili soutěže Robotický den 2018. Chcete vědět, co se nám na stavebnici VEX IQ líbí a co naopak ne? Jak se se stavebnicí sžili žáci, kteří dosud pracovali především se stavebnicí LEGO Mindstorms NXT a s Arduinem? Zajímá vás, co všechno jsme během našeho testování zjistili? Pokud jste alespoň jednou odpověděli ano, tak si rozhodně přečtěte následující řádky.

1. Co jsme měli k dispozici?

Výrobcem stavebnic VEX je americká společnost Innovation First International, Inc. Stavebnice VEX IQ je dle výrobce určena pro věkovou kategorii 9–14 let. Podle našich zkušeností však stavebnice vyhoví i požadavkům na výuku výrazně starších žáků a studentů. Nabízí se tak srovnání se stavebnicí LEGO Mindstorms Education EV3/NXT (tam je nyní uváděna věková skupina 10+). Vzhledem ke značnému rozšíření stavebnic LEGO Mindstorms Education EV3/NXT (dále jen LEGO) na našich školách si dovolím použít LEGO jako určitou referenci. Nutno podotknout, že VEX má ještě kovovou stavebnici VEX EDR, která je směřovaná především na střední a vysoké školy. Stavebnici VEX EDR se zde dále věnovat nebudu, všude, kde bude uváděno VEX, je v tomto článku myšlena testovaná stavebnice VEX IQ Super Kit.

Na první pohled je úložný box VEX větší než LEGO. Souprava VEX je sice celkově obsáhlejší, ale také skoro o 3 tisíce dražší. Úložný box má vrchní a spodní patro. Na rozdíl od stavebnice LEGO jsem u stavebnice VEX nenašel žádnou organizační „kartu“, která by uživatelům ukázala, jak jednotlivé dílky v úložném boxu uspořádat (přiložený je pouze plakát s celkovým přehledem a počty dílků). To je škoda, protože i taková jednoduchá pomůcka výrazně usnadní nejen organizaci dílků, ale také kontrolu jejich počtu a objednávání náhradních dílků.

2. Co je uvnitř krabice?

Po rozbalení mne vedle přiložených textových materiálů a návodů hned zaujal dálkový ovladač. Obsahuje dva joysticky a několik tlačítek. Vše je přehledně popsáno, což se hodí při programování funkcí jednotlivých prvků ovladače – ovladač je totiž plně programovatelný. Komunikace probíhá na frekvenci 2,4 GHz.

Vlastní řídicí jednotka – „mozek“ – obsahuje procesor Texas Instruments Tiva LM4F (Stellaris), což je 32bitový ARM Cortex M4F procesor. Jednotka má celkem 12 stejných portů pro tzv. „chytrá“ zařízení (na rozdíl od stavebnice LEGO je jedno, co kam zapojíte). Napájení je řešeno NiMH baterií o kapacitě 2000 mAh (7,2 V). Baterie se nabíjí asi 2 hodiny. Výdrž baterie byla více než dostačující, s robotem jsme na jedno nabití jezdili bez problémů několik hodin.

Pomocí menu je k dispozici několik programů, které např. umožňují používat dálkový ovladač v kombinaci se základním robotem – např. Clawbot. S menšími dětmi se tak můžeme věnovat pouze konstrukci a programování si třeba ponechat na později. Samozřejmostí je také testování motorů a čidel přímo z menu řídicí jednotky. Pohyb v menu je poměrně intuitivní a i když jsme zvyklí na LEGO, neměli jsme s VEXem problémy.

3. Čidla a motory

Mezi „chytrá“ zařízení, která jsou ve stavebnici, patří: čtyři chytré motory, čidlo vzdálenosti, čidlo barev, gyroskop, dvě dotyková LED čidla, dvě tlačítka (alias spínač – nárazník). Všechna čidla s výjimkou nárazníku obsahují Texas Instruments MSP430 procesor a s řídicí jednotkou komunikují pomocí I2C. Se všemi zařízeními se nám pracovalo dobře a nenarazili jsme na nic, co by nás výrazně omezovalo. Ve srovnání s LEGO čidly jsou tu ale určité rozdíly. K propojování jednotlivých čidel a motorů s řídicí jednotkou se používají 6žilové kabely podobné kabelům LEGO (obdoba RJ11). Samotné VEX kabely jsou však levnější než ty LEGO. Pokud vás napadlo to samé co mne, tedy použít kabel VEX se stavebnicí LEGO, nepotěším vás – zámek konektoru je přesně na opačné straně.

Ultrazvukový dálkoměr měří oficiálně dle dokumentace v rozsahu 50 až 100 cm. Ve skutečnosti se nám ale dařilo měřit i vzdálenosti kolem 4 m. Velice užitečné pak je, že ve svém programu můžete nastavit maximální vzdálenost, kterou bude čidlo zaznamenávat. Čím méně, tím je měření přesnější. To se hodí třeba při robotickém sumu. Tlačítka jsou na rozdíl od LEGO tlačítek vybavena pěti otvory pro spojovací kolíčky (u LEGO je jeden středový bod). Další dvě dotyková LED tlačítka disponují možností nastavit barvu. Reagují na dotek rukou a mohou sloužit třeba jako ovládací prvky. My jsme toto tlačítko použili jako červené „stop“ tlačítko soutěžního robota. Čidlo barev je vedle barev (dají se nastavit tři barevné režimy) schopné detekovat také „blízký“ předmět. To usnadňuje např. detekci různých předmětů v herním poli. Nejdříve můžeme najít kostku, kuličku, … a až následně zjistit její barvu. V případě gyroskopu jsem se těšil na všechny tři osy. Bohužel stejně jako LEGO zařadil VEX mezi své základní senzory pouze jednoosý gyroskop. Na druhou stranu i s jednou osou se dá při výuce dostatečně vyhrát – zkoušel jsem např. průjezd bludištěm, ale k tomu později. Poslední chytrou komponentou je motor. A právě motor mne zaujal nejvíce. V zapůjčeném setu jsou hned čtyři motory, ale k jedné řídicí jednotce se jich dá připojit i více (zde např. 8 motorů). Motor můžeme použít jako kontinuální, nebo částečně jako servo (nemá absolutní pozici). Podobně jako LEGO motory může VEX motor sloužit jako „čidlo rotace“ – můžeme z něj udělat např. rotační ovladač. Nastavovat se dá nejen rychlost otáčení, ale také výkon motoru. Právě pomocí výkonu motoru jsme schopni detekovat např. uchopení předmětu pomocí drapáku/ruky, koncovou pozici při rotačním/lineárním pohybu, náraz do stěny nebo i změnu sklonu terénu u pojízdného robota atd. Při srovnání s velkým motorem LEGO je VEX „papírově“ asi o 40 otáček/min pomalejší. Ve skutečnosti ale hodně záleží na způsobu napájení (u motoru LEGO může být různé podle použité baterie/baterií) a na zátěži (velikost kol, převody, stoupání, …). Při přímém srovnání byla na rovině rychlost LEGO robota vyšší (standardní kola v sadě, VEX má kola větší). Síla motoru (krouticí moment) je přitom u VEX a LEGO motoru obdobný. Rozlišení enkodéru VEX motoru umožňuje zhruba 2× přesnější pozicování než jaké je u velkého motoru LEGO. VEX motory komunikují pomocí sběrnice I2C a existuje i knihovna k využití tohoto motoru s Arduinem. Vzhledem k tomu, že motor pořídíte již kolem 20 USD (cca 450 Kč), je motor docela zajímavou variantou třeba i pro roboty řízené Arduinem.

4. Mechanické části

U každé stavebnice je samozřejmě důležitý systém propojování dílků. VEX používá zajímavý systém, u kterého jsou propojovací otvory vzdáleny 12,7 mm, ale dílky často obsahují více řad otvorů, přičemž jednotlivé řady jsou posunuty o polovinu rozteče (6,35 mm). Variabilita propojování je tím pádem větší, případně je možné vytvořit výrazně pevnější spoj. Průměr otvorů VEX je 4,2 mm, což je menší než u stavebnice LEGO. Tloušťka dílků VEX je 6,1 mm. V jednom směru jsou tedy dílky většinou pevnější než LEGO, ve druhém jsou naopak méně pevné (jsou pružnější – konstrukce není v tomto směru tak tuhá). Propojovací kolíčky VEX jsou také plastové. Spoje VEX na mne působí pevnějším dojmem než u stavebnice LEGO. Zdánlivě je to plus, ale paradoxně právě toto dělalo žákům problémy. Rozpojení některých spojů bylo technicky dost náročné a vyžadovalo vymačkávání modrých kolíčků s použitím značné síly pomocí jedné z osiček.

Osičky jsou u stavebnice VEX čtyřhranné. Některé plastové, jiné kovové. Poněkud rozpačitý dojem jsem měl právě z těch kovových. Nebudou se otvory v plastu příliš opotřebovávat? Po třech měsících „ostrého provozu“ se ukázalo, že to není až tak kritické (opotřebení je vidět na fotografii). Nějakou tu kapku teflonového maziva bych ale pro příště na kovové osičky v místech průchodu plastovým dílem přece jen dal.
A co převody? V případě ozubených kol je LEGO univerzálnější tím, že má v základní sadě i kuželová ozubená kola umožňující spojení v úhlu 90°. V případě stavebnice VEX je možné dokoupit set „diferenciálu“, kde je jedna velikost kuželových ozubených kol také obsažena. Celkově mi přijde LEGO flexibilnější a variabilnější při stavbě malých konstrukčních celků. Naopak při stavbě větších konstrukcí má podle mne navrch VEX.

5. Programovací nástroje

Přesuňme se k možnostem programování. Nástrojů k programování nabízí VEX hned několik. Připomínám, že se v tomto článku věnujeme pouze VEX IQ, kde jsou hlavní programovací nástroje dva – Modkit for VEX a ROBOTC for VEX. Oba programovací nástroje jsou ke stavebnici k dispozici zdarma. Modkit for VEX je ke stáhnutí ve verzi pro MS Windows, macOS a iPad. ROBOTC for VEX pak pouze pro MS Windows. Modkit má navíc i cloudovou verzi, která se na první pohled tváří, že není zdarma. Dá se plnohodnotně používat v jakémsi testovacím režimu. Při snaze zakoupit licenci se dozvíme, že to zatím není možné. Předpokládaná cena pro školu je téměř 400 USD. Dole na stránce je ale další informace, která je v rozporu s tím výše uvedeným, a to sice, že k VEX IQ kitům je nyní cloudová verze zdarma, stačí si vytvořit účet. Tak nevím, co vlastně platí. Každopádně, cloudová verze fungovala po celou dobu našeho testování a žádná platba po nás nebyla požadována. Ať už budete používat lokálně nainstalovanou nebo cloudovou verzi Modkitu (používali jsme MS Windows), musíte si lokálně nainstalovat Modkit Link, což je komponenta, která vám umožní komunikovat s řídicí jednotkou VEX a zkompilovat a nahrát program do VEX „mozku“.

Programování v Modkitu je velice podobné programování ve Scratchi či Blockly. Pracujeme s vizuálními bloky, jejichž zásobník je k dispozici vlevo. Než se ale dostanete k programování, je třeba definovat, z čeho se váš robot skládá (pohled Robot). Zde z levého zásobníku vytaháme na pracovní plochu jednotlivé součásti (řídicí jednotku, dálkový ovladač, čidla, motory, …), které použijeme. Po vybrání příslušné jednotky se dostaneme k jejímu nastavení. K dispozici jsou tři speciální komponenty – podvozek pojízdného robota, sestava pro lineární pohyb, sestava pro rotační pohyb. Právě tyto komponenty jsou z mého pohledu výrazným plusem. I mladší žáci mohou snadno pracovat s robotem, který bude jezdit skutečně přesně (dialog nastavení podvozku podporuje i kalibraci). Jakmile je podvozek nastaven, objeví se nám v rozhraní Blocks (tam probíhá vlastní programování) nové bloky jako „jeď kupředu 30 cm“, „zatoč vlevo 45°“.

Podobné vizuální bloky byly k dispozici pro LEGO Mindstroms NXT s alternativním firmwarem LeJOS v programovacím prostředí Enchanting. Samotné LEGO ale ve svém grafickém vývojovém prostředí takovéto bloky nenabízí, což je škoda, protože právě přesné ježdění je pro mladší děti problematické a při výuce se dá zajímavým způsobem využít. Přesné ježdění funguje u VEX podvozku po kalibraci velice dobře. Testoval jsem průjezd bludištěm a měl jsem v plánu, že ke korekci zatáčení budu používat data z gyroskopu. Ukázalo se, že gyroskop ke korekcím vlastně nepotřebuji, průjezd se dal zvládnout jen s pomocí běžných příkazů k pohybu (VEX kola mají velice dobrou přilnavost a neprokluzují). Pro naše testování byl hlavním vývojovým nástrojem cloudový Modkit for VEX. Upřednostnil jsem ho proto, že díky cloudu si žáci mohou připravovat své projekty bez nutnosti nějaké další instalace prakticky na libovolném počítači ve škole i doma. Až na pár drobností splnil Modkit mé očekávání a byl jsem s ním spokojen.

ROBOTC jsem testoval pouze krátce. Toto pokročilé vývojové prostředí nabízí grafické programování pomocí bloků, nebo klasické textové programování. V obou případech programujeme v jazyku založeném na jazyku C. Pro budoucí programátory to může být výhodou. Součástí instalace je celá řada příkladů. Integrovaná je také řada pomůcek, např. dialog Motor and Sensor Setup vám umožní vybrat některý ze standardních „modelů“ robotů, které rovnou definují, které porty jsou použity a co je k nim připojeno. Hezky je řešený datalogging a jeho konfigurace. Pomocí této funkce můžete prakticky cokoli sledovat, třeba výkon/zatížení jednotlivých motorů při průjezdu soutěžní dráhou. Další nástroje usnadní práci s textovým kódem – kód se dá např. zkontrolovat a automaticky „opravit“. Jako učitel oceňuji i to, že ROBOTC umožňuje začít s výukou ve vizuálním módu a později se individuálně přesunout do čistě textového kódu.

Užitečný je ještě jeden program – VEX IQ Firmware Update Utility – který umožňuje aktualizovat firmware v řídicí jednotce a v jednotlivých čidlech.

Další oblast srovnání stavebnic VEX a LEGO by se mohla týkat možnosti využití různých programovacích jazyků, s čímž často úzce souvisí také případný alternativní firmware. Zde je LEGO o krok dál, protože poskytuje vývojářům kompletní technickou dokumentaci (např. schémata zapojení řídicí jednotky, motorů, čidel) i dokumentaci SDK. Právě z této otevřenosti stavebnice LEGO pramení celá řada různých čidel a dalších „rozšíření“ od třetích výrobců. Myslím si, že toto je také částečně důvodem velké obliby stavebnice LEGO na technických vysokých školách. Pro vzdělávací účely na úrovni základní školy (8–15 let) podle mne ovšem zmiňovaná „otevřenost“ nehraje zásadní roli.

6. Digitální modely a tvorba návodů

Pokud budu chtít žákům vytvořit nějaký stavební návod (nebo ho v rámci svého projektu budou tvořit samotní žáci), mohu k tomu využít SnapCAD. Jedná se o aplikaci, která je určená pro MS Windows a umožňuje vytvářet digitální 3D modely z VEX „kostiček“. Pokud vám připomíná MLCAD z balíku LDraw, nepletete se. SnapCAD je vlastně jeho „klonem“. Oproti LEGO Digital Designeru (LDD) je SnapCAD podstatně mocnějším nástrojem. Jeho zvládnutí ale není zdaleka tak intuitivní jako v případě LDD, zvláště pokud chcete, aby s ním pracovali samotní žáci. Tvorba tištěného stavebního návodu pak vyžaduje další nástroje jako je např. LPub. Když do této problematiky po nějakém čase proniknete, zjistíte, že můžete vytvářet skutečně profesionální návody ke stavbě vašich VEX modelů a robotů. V případě LEGO pak můžete totožným způsobem použít právě zmiňovaný LDraw.

7. 3D tisk

V dnešní době je již na řadě škol 3D tiskárna. Zajímalo mě, jak je to u stavebnice VEX s podporou 3D tisku. A zde si VEX zaslouží velkou pochvalu. Výrobce totiž neuvolnil dílky v STL formátu, ale dal ke stáhnutí rovnou obecný CAD formát STEP. Tím pádem můžete stávající dílky nejen snadno tisknout, ale také upravovat a vytvářet třeba jejich varianty, a to prakticky v libovolném CADu. Pokud žádný CAD nepoužíváte, stačí využít některou z cloudových aplikací, třeba MakeXYZ Converter. V něm si STEP soubor snadno zkonvertujete do STL souboru. Zajímavým zdrojem inspirace pro použití SnapCAD může být SnapCAD repozitář. Pokud je mi známo, LEGO žádný oficiální zdroj svých dílků k 3D tisku neposkytuje, využít se ale dají alternativní neoficiální zdroje, např. printabrick.org.

8. Výukové materiály a vzdělávací kurzy

Nakonec se podíváme na materiály, které může učitel při výuce využívat. Pro většinu učitelů bude asi základním rozcestníkem stránka VEX IQ Curriculum. Zde je ve dvanácti lekcích velice přehledně probráno vše potřebné, abyste se s kurikulem detailně seznámili. Po úvodní části s představením konceptu STEM se postupně seznámíte se stavebnicí formou textu, obrázků a názorných videolekcí. Na konci každé kapitoly jsou zde k dispozici různé materiály pro žáky a samozřejmě i pro učitele (ve formátu PDF). V případě, že byste chtěli materiály vytištěné, je možné je zakoupit jako VEX IQ Robotics Education Guide a případně VEX IQ Robotics Education Guide & Teacher's Supplement. Další materiály jsou k dispozici na stránce Educational Tools. Některé z nich jsou ale již placené. Rozcestník k dalším zdrojům pak najdete v jiné čási webu VEX.

Vzhledem k tomu, že je VEX celosvětově rozšířenou platformou pro výuku programování a STEM výuku, najdeme na internetu celou řadu dalších zdrojů. Z nich bych chtěl uvést alespoň jeden zaměřený na programování v prostředí ROBOTC.

Přesuňme se k českým výukovým zdrojům. Většina dostupných zdrojů je v angličtině. Pokud budeme hledat materiály v češtině, najdeme základ na stránkách českého distributora. Zde je např. celé, již dříve zmiňované, volně dostupné „VEX kurikulum“ v české verzi. Bohužel, zatím je překlad označený jako „koncept“, a to zcela oprávněně. Hodně práce je nejen na překladu, který občas působí jako zkopírovaný z Překladače Google, ale i na grafice a typografii („rozsypaný“ text, …). To platí i pro ostatní zveřejněné lokalizované materiály. Chápu snahu distributora dát učitelům do rukou materiály v češtině co nejdříve. Myslím si ale, že měl raději počkat a zveřejnit až hotové materiály, a ne jejich rozpracované verze. Zveřejnění takovýchto materiálů, se kterými mají pracovat žáci, je hodně nešťastné. Pro žáky je to totiž další signál, že „to, co děláme, nemusíme přece dělat pořádně…“, vždyť se podívejte, z čeho se učíme…

Další české zdroje vznikly v rámci projektu „METODIKA A VZOROVÉ ÚLOHY V ROBOTICE (VEX IQ A VEX EDR)“ financovaného z prostředků Evropského fondu pro regionální rozvoj – OP Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost a realizovaného společností AV MEDIA, a. s., ve spolupráci s Přírodovědeckou fakultou Univerzity Hradec Králové. Zveřejněno je sedm samostatných žákovských „projektů“, které zajímavým způsobem rozšiřují základní VEX kurikulum. U každého projektu je přiložena příručka učitele, pracovní list žáka, ukázkové kódy pro Modkit a případně i další materiály (např. SnapCAD model, pravidla určité soutěže). Mezi projekty najdeme: Robot Sumo, Robot s mostem, Robotická ruka, Třídicí robot, Kreslicí robot, Robotický hudebník a 3D modelování robotů. Samotné projekty jsou tematicky i obsahově zajímavé, ale jejich zpracování se nese v duchu školních projektových výstupů poslední doby. Asi největší výtku bych měl k „foceným“ stavebním návodům. Ty jsou nejednoznačné až nesrozumitelné, někde zredukované na nafocení robota z různých stran. Podle čeho pak má žák na 2. stupni ZŠ, což je cílová skupina, robota postavit? Velká škoda, že se v rámci projektu nenašly prostředky na finální zpracování materiálů, včetně kvalitnějších fotografií (ty jsou často na úrovni, za kterou by se styděl nejeden žák) a kvalitního typografického zpracování textů (jejichž kvalita zpracování je podobná jako u fotografií). Je to opravdu velká škoda, protože jinak kvalitní materiály jsou tímto přístupem zbytečně degradovány. Doufejme, že bude nejen přibývat dalších zajímavých českých materiálů, ale že se dočkáme i lepší „finalizace“. Doufejme také, že se postupně objeví více vzdělávacích akcí v rámci systému DVPP MŠMT, které budou zaměřené právě na VEX. Zatím jsem nalezl pouze kurzy českého distributora.

9. Soutěže

Se stavebnicí VEX můžete samozřejmě také soutěžit. VEX má ve své nabídce velice pěkné soutěžní hřiště a k němu tzv. „Game kit“ (herní sadu). Podobně jako LEGO pořádá svoji FIRST LEGO League, VEX pořádá VEX IQ CHALLENGE. Není třeba se bát, že nebude s kým poměřovat síly, vždyť se stavebnicí VEX v loňském roce soutěžilo údajně více jak 8500 týmů ze 45 zemí světa. Více o průběhu posledního ročníku soutěže (2018–2019), včetně úspěchů českých týmů, si můžete přečíst na stránkách veskole.cz.

10. Závěr

Protože jsem si na začátku našeho testování stavebnice VEX vybral jako referenci LEGO Mindstorms, jistě čekáte také nějaké závěrečné shrnutí a doporučení z tohoto pohledu. Která stavebnice je tedy do výuky lepší? Bohužel, v tomto bodě vás asi zklamu. Myslím si, že obě stavebnice jsou ve výuce (tj. pro žáky věkové kategorie 8–15 let) stejně dobře použitelné. Obě stavebnice mohou dobře posloužit jak při výuce algoritmizace a programování, tak při výuce ve stylu STEM či STREAM. Zvolit si LEGO či VEX je podle mne především otázkou osobních preferencí. Jak se bude stavebnice ve výuce využívat? Budeme spíše konstruovat, nebo programovat? Který programovací jazyk preferujeme? S jakou věkovou skupinou budeme pracovat? Bude to ve třídě se všemi žáky, nebo v nějakém kroužku či klubu s určitým výběrem? Chceme se s žáky účastnit různých soutěží? Chceme pořizovat nějaká další rozšiřující čidla? Máme v plánu s žáky využívat vlastní 3D tištěné dílky nebo použijeme 3D tisk k výrobě náhradních dílů? Chcete jako učitel vytvářet stavební návody s využitím počítačových 3D modelů? Nevadí vám využívat anglické materiály? Požadujete pro své žáky české materiály? Chcete absolvovat DVPP školení s tematikou využití stavebnice VEX ve výuce? A jistě vás napadnou i další otázky, které mohou váš výběr ovlivnit… Doufám, že jsme vám naším testem přiblížili, co můžete od stavebnice VEX IQ Super Kit očekávat, a snad jsme i trochu pomohli s orientací v rozdílech mezi stavebnicí LEGO Mindstorms Education a stavebnicí VEX IQ.

Autor: Tomáš Feltl, Gymnázium Polička & e-Mole.cz 3. 3. 2019
Stavebnice testovali: Tomáš Feltl, Matouš Pokorný, žáci Gymnázia Polička, žáci ZŠ Heureka