Na Střední odborné škole v Ledči nad Sázavou, již od letošního září jsou realizovány volnočasové aktivity se zaměřením na robotiku, programování a 3D tisk. Jedná se o komplexní problematiku zahrnující současné trendy v digitálním světě. V souladu s heslem „Kdo si hraje, nezlobí“ si aktivní žáci osvojují a prohlubují dovednosti a návyky, které jim zpestřují výuku a pomocí kterých lépe pochopí, jak funguje dnešní svět z hlediska technologií a to nejen digitálních.
Programování robotických ramen je v současnosti významná úloha ve strojírenství, vzhledem k čím dál většímu důrazu na automatizaci a robotizaci. Někteří tvrdí, že žijeme v době 4. průmyslové revoluce. Zde si dovolím připomenout, že s 1. průmyslovou revolucí je spojeno využití parního stroje, 2. průmyslová revoluce přinesla masovou výrobu a 3. průmyslová revoluce zahrnovala rozvoj elektroniky s využitím počítačů. Zpět do naší současné doby. V moderním světe jsme obklopeni všemožnými přístroji a nástroji pro zvýšení efektivity výroby nebo ulehčení namáhavé práce. Může se jednat například o dnes již zcela běžné věci, jako robot na úklid, které můžeme ovládat přes chytrý mobil pomocí vhodné aplikace a sítě na dálku. Připomínka – slovo ROBOT se objevilo poprvé v díle Karla Čapka již v roce 1924.
V průmyslové výrobě se robotická ramena řízená mikroprocesorem začala prosazovat v 80. letech 20. století. Jak se ukázalo, tito pomocníci mohou značně urychlit výrobní proces a uspořit celkové náklady na výrobu. Od té doby se uskutečnil značný pokrok, co se týká schopností, možností, zpětné vazby nebo ovládání a programování těchto pomocníků. Dnešní roboti mají příjemné uživatelské rozhraní pro ovládání, často pomocí dotykových panelů a blokového programování. Kromě toho mají schopnost učit se a do budoucna třeba budou mít možnost přiblížit se alespoň vzdáleně lidskému myšlení při řešení problému (umělá inteligence).
Proto, když naše škola v Ledči nad Sázavou získala robotické rameno, byl to velký přínos jak pro naše žáky, tak pro pedagogy. Naskytla se možnost naučit se jedno z takovýchto robotických ramen programovat, ovládat, řešit různé situace a úkoly. Samotné rameno od společnosti UNIVERSAL ROBOTS ve verzi UR5 dlouhodobě uchopí a může přemisťovat 5 kg břemeno. Tento robot může být využit kromě manipulace s materiálem na montážích, v technologii svařování nebo pro obsluhu obráběcích a tvářecích strojů. Přesnost (opakovatelnost) robota se pohybuje ± 0,03 mm.
Žáci se nejprve seznamují s jednotlivými částmi včetně základního uživatelského rozhraní. Robot je ovládán pomocí dotykového displeje, může se pohybovat ve směru všech třech základních os včetně možnosti rotace kolem každé osy. Programovaní robota lze provádět pomocí zápisu souřadnic v prostoru, kam se robot má pohybovat nebo lze robota do dané polohy z ručně a snadno umístit pouhou rukou. Druhý způsob nevyžaduje zápis souřadnic, po ustavení do dané polohy si robot uloží souřadnice do paměti sám. Co se týká pracovních parametrů, lze nastavit různé druhy pohybů (například lineární), rychlosti pohybů, paletizaci, prodlevy, hmotnost břemene nebo bezpečností parametry. Pokud robot detekuje malý odpor kladený na rameno, ihned se zastaví a čeká na další pokyn. Po osvojení základů žáci řeší různé úlohy, s tím, že je jasně zadaný cíl (například transport kostky z bodu A do bodu B po co nejvýhodnější trajektorii). Samozřejmostí je mít určitou představu pro řešení daného úkolu a dostatek prostoru.
V rámci výuky základů robotiky hravou formou sestavují žáci LEGO roboty ze stavebnic Lego Mindstorms EV3, případně starších Lego NXT. Při sestavování se buďto řídí návodem, kde postupují přesně podle daného postupu a osvojují si dovednosti práce s textem a obrazovou dokumentací, nebo kreativně vymýšlí vlastní řešení. Sestavené roboty poté oživují pomocí blokového programování v systému EV3 Classroom. Pro zautomatizování některých činností omezující potřebu obsluhy jsou roboty vybavovány různými senzory a čidly, například dotykovým, světelným, ultrasonic vzdálenostním a dalšími. Sestavené a naprogramované roboty jsou poté schopny například pohybovat v omezeném prostoru bezpečně, bez rizika nárazu do překážky nebo dokáží třídit součástky podle barev. Žáci se tak nenásilnou formou dozvídají principy fungování skutečných strojů.
Zájemci o elektroniku a skutečné programování mohou využít stavebnice Arduino Uno, pomocí nichž sestavují ze základních elektrotechnických součástek (LED, rezistory, potenciometry, tlačítka, LCD displeje, servo motor, …), připojených k ovládací desce Arduina, obvody a měřící sestavy, které následně programují pomocí speciálního programovacího jazyka Wiring. Právě Arduino je vhodným nástrojem pro pochopení praktického využití některých, mezi žáky ne vždy oblíbených, teoretických pouček, mezi které neodmyslitelně patří například Ohmův zákon a Kirchhoffovy zákony.
Ti, kteří se nechtějí zabývat hardwarem a fyzickým sestavováním obvodů, mohou zvolit programování desktopových aplikací pro OS Windows v objektově orientovaném jazyce C# (sí šárp). Žáci si nejprve vytvoří projekt pro konkrétní aplikaci, navrhnou grafický vzhled poskládaný ze základních objektů (okno, tlačítka, textová pole, kreslicí panel, časovač, …), přiřadí a naprogramují události a metody (funkce) jednotlivým objektům, a nakonec celou aplikaci odladí, zkompilují a otestují její funkčnost.
Další aktivitou probíhající na naší škole je 3D tisk objektů. 3D tisk je oblast stále se vyvíjející a rozšiřují oblast. Má široké uplatnění nejen na domácí použití (tisknutí z plastových hmot), ale také ve strojírenské výrobě (kovové prášky či různé směsi). Experimentuje se s touto technologií například v gastronomii (tisk čokolády), stavebnictví (stavba zdí) nebo lékařství (implantáty). Poprvé jsem se osobně setkal a začal pracovat s 3D tiskárnou v roce 2016. Od té doby je zajímavé sledovat neustále se zdokonalují 3D tiskárny, software pro 3D tisk včetně sortimentu materiálů, ze kterých lze tisknout. Základem je mít virtuální model budoucího objektu. Model lze relativně snadno a rychle vytvořit v některém ze 3D softwaru (Autodesk Invertor, SolidWorks apod.). 3D objekty se připravují ve formátu STL a následně jsou nahrány do programu, kterému tiskárna rozumí (například PrusaSlicer). V tomto programu po nastavení několika parametrů (např. typ materiálu, ze kterého se bude tisknout, hustota výplně apod.) dojde k „rozřezání“ virtuálního modelu na jednotlivé vrstvy (např. běžná výška vrstvy je 0,2 mm). Poté lze prohlédnout postup tisku vrstvu po vrstvě a provést případně změny a úpravy před samotným tiskem. Metoda 3D tisku (FDM) je založena na stavění jednotlivých vrstev na předchozích. Tato skutečnost může být někdy frustrující, jelikož jsou situace jako například převýšení či různá osazení, kdy bychom neměli na co stavět. Proto je nezbytné tuto situaci vyřešit dočasnými podpěrami, které se po tisku odstraní a nebudou tak vidět na finálním výtisku. Žáci máji možnost stáhnout připravené modely ve formátu STL z internetu nebo si mohou sami připravit a vytvořit svůj virtuální model, který si následně nechají vytisknout na 3D tiskárně. Druhý způsob je časově náročnější jak časově, tak pro uživatele, protože musí umět modelovat (schopnost vytvářet a pracovat s 3D modely). Zde se projevuje kreativita a fantazie některých žáků. Pokud žák má skutečnou předlohu, máme na škole možnost využití 3D skeneru a reálný objekt nasnímat (metodou proužkové projekce), následně vytvořit ze skenu model a tisknout. Lze takto tisknou různé části (ozubená kola, držáky, mechanismy, sestavy, hračky apod.) Čím jsme limitováni, tak je materiál (nejčastěji plast) a také pracovní stůl (deska) 3D tiskárny s určitou maximální výškou tisku. Na škole nejčastěji vyžíváme tiskárnu Prusa MK3S+ s pracovními rozsahem 21x21x25 cm.
Uvedené aktivity a oblasti jsou určitě značně rozsáhlé a je těžké stručně popsat možnosti současné doby na pár řádků. Nicméně je důležité, aby vzdělávací instituce reflektovaly současné trendy a pracovaly s prostředky plynoucí ze současných požadavků trhu. Naši žáci si v rámci těchto aktivit osvojují základní znalosti, na kterých následně mohou stavět.
Ing. Vít Dlouhý, IWE
Ing. Jan Roubíček