Lego

Моё детство примерно на 20% состояло из Dungeons & Dragons (D&D) и на 80% из LEGO. Эти два занятия очень сильно пересекались. Мне, по разным причинам, не разрешали всё время играть в D&D. Но я, привлекая на помощь воображение, и достигнув в этом деле успехов, достойных плута 15 уровня, понял, что создание персонажей AD&D игрой не считается. Воссоздание вселенной DragonLance средствами LEGO очень хорошо помогало мне быть ближе к игре, которая мне очень нравилась.

Поэтому одним из моих любимых направлений в LEGO были замки. Я тратил многие часы, выдумывая подземелья для моих героев. Для того чтобы не терять свои находки, и из-за того, что я видел, как мои друзья в школе чертят карты подземелий, я составлял планы своих LEGO-моделей на миллиметровке. Кроме того, я пытался сохранить и сведения о том, как именно были устроены модели. Использование миллиметровки казалось логичным для изображения того, что, в основном, состояло из прямоугольных блоков. Но меня, в итоге, сгубило недостаточно хорошее понимание правил изометрической проекции.



Теперь, хоть я и стал старше, моя любовь к LEGO не угасла. И хотя я и не могу сказать, что очень уж горжусь своими моделями (их называют MOC-моделями), я почувствовал, что просто должен разобраться с тем, как мне документировать то, что создаю. Я никогда не умел очень уж хорошо рисовать. Поэтому я решил обратиться к компьютеру.

CAD для LEGO

Несколько лет я работал в сфере виртуального 3D-моделирования (а в сфере обычного 3D и того больше). Я хорошо владею 3D-приложениями, но всё, чем я пользовался, заточено под анимированную графику и под производство фильмов. Все эти программы, как, собственно, и фильмы, рассчитаны на то, чтобы создать красивую картинку. Как именно что-то сделано, до тех пор, пока всё выглядит хорошо, не так уж и важно. Если, ради того, чтобы что-то выглядело бы очень хорошо, нужно обмануть законы физики, то это вполне приемлемо, так как это будет существовать только в виртуальном пространстве.

А вот системы автоматизированного проектирования (Computer-Aided Design, CAD), это уже нечто другое. CAD-приложения пришли на смену обычным чертежам. В них создают спецификации, иллюстрирующие то, как нечто может быть создано в реальном мире. От этих программ ждут точности и реализма.

Так как невероятно много людей увлечено LEGO, существует активное сообщество тех, кто создаёт LEGO-модели, используя CAD-программы. Преимущества такого подхода очевидны: можно задокументировать подробные сведения о модели, описать то, какие детали нужны для её создания, и то, как именно их нужно соединить друг с другом. Это, конечно, не замена реальному конструктору LEGO (ну, разве что для тех, кто любит CAD больше, чем LEGO), но это отличное дополнение к хобби.

Для того чтобы построить виртуальную модель LEGO, нужны две вещи:

• Виртуальные детали LEGO.
• CAD-приложение.

Существуют разные способы этими двумя вещами обзавестись. Здесь я хочу рассказать о том подходе к виртуальному LEGO-моделированию, который удалось обнаружить мне. Его достоинства в том, что это опенсорсный и модульный подход.

Виртуальные детали LEGO

Для того чтобы раздобыть виртуальное представление практически любого из когда-либо созданных строительных блоков для LEGO-моделей, можете воспользоваться опенсорсным ресурсом LDraw. LDraw это открытый стандарт для цифровых моделей LEGO, который включает в себя возможности по описанию размеров и ориентации элементов. В дополнение к работе по описанию деталей средствами LDraw, силами сообщества подготовлены 3D-модели для каждой детали. Это значит, что все желающие могут загрузить тысячи определений деталей, истратив на это не особенно много трафика.

Установка набора деталей

Виртуальные детали очень похожи на изображения, которые используются на сайтах, или на шрифты, применяемые на компьютере. Собственно говоря, соответствующие файлы можно хранить где угодно. Главное, чтобы приложение, в котором планируется работать с деталями, знало о том, где эти файлы находятся. В Linux LDraw-файлы обычно размещают в папке /usr/share/LDRAW. В Windows это обычно C:\Users\Public\Documents\LDraw.

LDraw даёт в наше распоряжение лишь спецификации для каждой детали. Вот, например, как выглядит код описания кубика 1x1:

0 ~Brick 1 x 1 without Front Face0 Name: s\3005s01.dat0 Author: John Riley [jriley]0 !LDRAW_ORG Subpart UPDATE 2004-010 !LICENSE Redistributable under CCAL version 2.0 : see CAreadme.txt0 BFC CERTIFY CCW0 BFC INVERTNEXT1 16 0 24 0 0 0 6 0 -20 0 -6 0 0 box5.dat4 16 10 24 -10 6 24 -6 6 24 6 10 24 104 16 10 24 10 6 24 6 -6 24 6 -10 24 104 16 -10 24 10 -6 24 6 -6 24 -6 -10 24 -104 16 -10 24 -10 -6 24 -6 6 24 -6 10 24 -101 16 0 24 0 10 0 0 0 -24 0 0 0 10 box4t.dat1 16 0 0 0 0 0 1 0 1 0 -1 0 0 stud.dat0

Для того чтобы увидеть детали в более привычном облике, понадобится программа для их визуализации.

Приложение LDView для визуализации деталей

LDView это среда для 3D-рендеринга, напоминающая POV-Ray или Cycles из Blender. Это приложение создано специально для рендеринга .ldr-файлов, то есть CAD-файлов, содержащих данные в формате LDraw.

Если вы работаете на Linux, то, возможно, вы найдёте LDView в своём репозитории ПО. Если в репозитории этой программы не окажется вы можете скачать установщик с сайта проекта. Если вы пользуетесь macOS или Windows, то вам, опять же, нужно будет воспользоваться сайтом LDView.

Просмотр отдельной детали

Легче всего начать цифровое конструирование моделей LEGO, попытавшись визуализировать отдельную деталь.

Сначала откройте ваш любимый текстовый редактор. Это может быть любая программа. Главное чтобы она могла сохранять документы в виде обычного текста. Некоторые текстовые редакторы, в стремлении оказать пользователям добрую услугу, пытаются сохранять текстовые материалы в файлах, в которых, помимо текстов, есть ещё масса служебной информации (вроде .rtf и .doc). Существует множество хороших кросс-платформенных текстовых редакторов. Я, для наших дел, могу порекомендовать довольно-таки минималистичный редактор Geany.

Создадим новый файл с именем 1brick.ldr и введём в него следующий текст:

0 Name: 1brick.ldr0 Author: Seth Kenlon0 clr x y z a b c d e f  g h i <file>1  1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 -1 0 0 3001.dat

А теперь взглянем на наше скромное творение:

$ LDView 1brick.ldr

Кубик LEGO

Только что вы создали простой CAD-файл, описывающий один кубик (а именно модель номер 3001), цветовой индекс которого равняется 1 (это синий цвет), расположенный в позиции (0, 0, 0) по осям X, Y и Z. Поворот кубика регулируется с использованием средств матричного преобразования. Их применение, надо признать, не относится к простым математическим вычислениям. Правда, при конструировании LEGO-моделей произвольное вращение деталей требуется сравнительно редко, так как большинство деталей стыкуются друг с другом с использованием шипов.

Любая строка в файле, начинающаяся с 0, содержит либо комментарий, либо метаданные. Строка, начинающаяся с 1, содержит описание детали.

Вы можете попрактиковаться в перемещении и вращении деталей, внося изменения в свой CAD-файл. Обычный кубик имеет в высоту 24 LDU (LDraw Units). Это значит, что ставить детали друг на друга можно, меняя их координату Y с шагом в 24 единицы. Поворачивать детали можно, выполняя матричные преобразования.

Взгляните на этот код:

0 Name: 1brick.ldr0 Author: Seth Kenlon0 clr x y z a b c d e f  g h i file1  1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 -1 0 0 3001.dat1  2 0 24 0 -1 0 0 0 1 0  0 0 -1 3001.dat

Вот результат его визуализации.


Два кубика

Конечно, перемещать детали можно вдоль любой из трёх осей. В спецификации LDraw сказано, что кубик 1x1 имеет 20 LDU в ширину и 20 LDU в длину. А это значит, что расставлять такие кубики вдоль оси X можно, меняя их позиции с шагом в 20 LDU.

0 Name: 1brick.ldr0 Author: Seth Kenlon0 clr x y z a b c d e f  g h i file1  1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 -1 0 0 3001.dat1  2 0 24 0 -1 0 0 0 1 0  0 0 -1 3001.dat

Ещё два кубика

Порядок сборки модели

Чаще всего формат LDraw используется для того чтобы продемонстрировать порядок сборки модели. А это значит, что нужно описать последовательность шагов сборки. В LDraw это делается с использованием метакоманды STEP.

Для того чтобы испытать эту метакоманду, добавьте в свой файл, между описаниями деталей, следующее:

0 STEP

Готовый файл будет выглядеть так:

0 Name: 1brick.ldr0 Author: Seth Kenlon0 clr x y z a b c d e f  g h i file1  1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 -1 0 0 3001.dat0 STEP1  2 0 24 0 -1 0 0 0 1 0  0 0 -1 3001.dat

Теперь в вашем проекте описано два шага. На первом выводится первый кубик, на втором второй. Можно пошагово просматривать .ldr-файлы, пользуясь клавишами-стрелками в верхней панели инструментов LDView, находящимися около подписи Steps.


Панель инструментов для пошаговой визуализации моделей

На одном шаге необязательно должен выводиться лишь один кубик. Как и в случае с инструкциями к наборам LEGO, установку нескольких деталей можно объединить в один шаг. Главное, чтобы это не повредило понятности инструкции.

В LDraw есть и другие команды. Например тут можно рисовать линии, поясняющие расположение деталей, и делать прочие подобные вещи. Соответствующие сведения можно найти в спецификации.

Выяснение кодов деталей

Я хранил свою коллекцию LEGO в ящиках для рыболовных принадлежностей. Поэтому я мог быстро найти любую деталь из любого набора. Правда, по мере того, как росла коллекция, мне было нужно всё больше и больше ящиков. А в результате у меня стало уходить больше времени на поиск нужной детали.

Если учесть то, что в LEGO имеется более 11000 уникальных деталей, искать цифровые детали так же сложно, как и обычные. У каждой официальной детали LEGO есть собственный код. Например, тот кубик 2x4, который мы использовали в примере, имеет код 3001. Если вам известен код детали, вы можете просто использовать его в CAD-файле, и соответствующая деталь появится в вашей модели.

В дистрибутиве LDraw имеется файл parts.lst, в котором, с помощью grep, можно найти нужную деталь. Но детали там не всегда описаны по одной и той же схеме. Работая с этим файлом не всегда легко предугадать то, какие именно ключевые слова соответствуют тем или иным деталям. Например как понять, какое слово, curved sloped или angled, лучше всего характеризует некую деталь сложной формы?

Хотя искать детали можно и в parts.lst, в этом деле нам могут помочь некоторые специальные интернет-ресурсы:

• Lugnet это пользовательская группа, в которой есть база данных со сведениями о кодах деталей LEGO, построенная на основе сведений, взятых из LDraw.
• BrickLink хороший каталог деталей.
• Rebrickable ещё один ресурс, на котором есть каталог деталей.

Другие средства для рендеринга моделей

После того, как вы создали свой шедевр, LDView может экспортировать вашу модель, что позволит вам отрендерить её в высоком качестве. Для этого можно воспользоваться POV-Ray опенсорсной программой для фотореалистичного рендеринга трёхмерных моделей. В результате плоды ваших трудов можно будет представить в весьма привлекательном виде. Найти POV-Ray можно или в репозитории программ вашего дистрибутива Linux, или на сайте проекта.

Вот пример команды рендеринга:

$ povray +I1brick.pov +Q11 +W4196 +H2160 +O1brick-high.png

Ниже показан результат визуализации.


Высококачественная визуализация модели

Если вам нужна программа для формирования инструкций по сборке моделей попробуйте опенсорсную LPub3D. Эта программа выводит пошаговые инструкции и список деталей, необходимых на каждом шаге.


LPub3D

Исследование мира LEGO

Создание моделей из деталей LEGO это интересно. Разработка собственных моделей это воплощение той творческой энергии, которой фанаты LEGO заряжаются, занимаясь любимым делом. Теперь ваши LEGO-идеи больше не должны существовать лишь в форме бесплотных идей. Вы можете сохранить их в виде моделей и пошаговых инструкций.

Кроме того, эксперименты с цифровым вариантом LEGO позволяют создавать виртуальные модели, которые могут быть очень сложными, и могут включать в себя любые детали, даже такие, которых нет у создателя модели. Цифровые детали LEGO можно использовать для создания анимаций, для подготовки иллюстраций сложных моделей, или даже для проектирования собственных деталей. В Сети есть несколько сообществ любителей LEGO, и многие из них, вроде BrickHub.org, публикую прекрасные рендеры, в основе которых лежат LDraw-файлы.

Мир любителей LEGO это приятное и креативное место, которое стоит посетить всем тем, кому нравится создавать цифровые модели, разрабатывать собственные детали, или делать с кубиками LEGO что-то такое, чего никто больше с ними не делает. Если вам нравится LEGO, то сегодня самый лучший день для того чтобы стать частью LEGO-сообщества!

А вам нравится LEGO?

Сегодня мы хотим познакомить вас с проектом Lego Microscope. Цель этого проекта заключается в том, чтобы предоставить всем желающим инструкции и ресурсы по сборке собственного микроскопа из кубиков LEGO.
Микроскоп

Обзор проекта

В репозитории проекта можно найти следующую информацию, призванную помочь тем, кто хочет создать собственный микроскоп из кубиков LEGO:

• Инструкции по сборке микроскопа в формате PDF.
• Перечень кубиков LEGO в виде .LDR-файла. Если у вас дома нет нужных кубиков LEGO этот файл можно выгрузить на Bricklink.com для того чтобы быстро собрать необходимые кубики.
• Ссылки на страницы, на которых можно купить линзы для окуляра (Европа, Великобритания).
• Сведения о модуле камеры iPhone 5s, линза из которого используется в этом проекте.
• Набор исследователя (Explorer Kit), который призван помочь всем желающим расширить свои знания в области микроскопии и оптики.
• Научная статья, посвящённая Lego Microscope.

Сборка и использование микроскопа

Инструкции

Имеются два набора инструкций.

• Полный план работ, который можно использовать при сборке микроскопа за один заход.
• Пошаговый план, разделённый на 5 частей (A, B, C, D, E), который используется в том случае, если принято решение изучать материалы Набора исследователя и попутно собирать микроскоп. Если вы решите пойти именно таким путём вам понадобятся материалы из этой папки репозитория.

Инструкции созданы с использованием программы LDraw, которая позволяет готовить инструкции по сборке из кубиков LEGO конструкций практически любой сложности. Ссылки для загрузки этой программы и инструкцию по её установке можно найти здесь. Она позволит вам открыть CAD-файл плана сборки микроскопа. Вы, кроме того, сможете, если вам это будет нужно, изменить и улучшить конструкцию.


Фрагмент плана сборки микроскопа

Оптика

Хотя мы стремились к тому, чтобы всё, что можно, было бы собрано из кубиков LEGO, в том числе система освещения, мы вынуждены использовать линзы сторонних производителей, так как LEGO не продаёт оптику. Сейчас для сборки микроскопа нужно 3 вида линз:

• Окуляр: для него мы использовали две простые акриловые линзы (диаметр 34,5 мм, фокусное расстояние 106 мм). В частности, речь идёт о линзах 308.OM7. Линзы мы скрепили обычной прозрачной клейкой лентой. Вот ссылки на страницы, где их можно купить (Европа, Великобритания).
• Объектив с маленьким увеличением: тут мы воспользовались простой стеклянной линзой (диаметр 18 мм, фокусное расстояние 26,5 мм). Речь идёт о линзе 551.OA51 (Европа, Великобритания). Вы вполне можете использовать тут и какие-то другие линзы. Для того чтобы выбранная вами линза могла бы быть установлена так, как запланировано в инструкции, обращайте внимание на её размеры.
• Объектив с большим увеличением: его роль сыграла пластиковая линза из модуля камеры iPhone 5. В момент написания этого текста такой модуль можно было купить за 2-4. При этом вся электроника модуля нам не нужна, что печально, но нам требуется лишь линза, а не весь модуль.

Модуль камеры

Набор исследователя

Для того чтобы тому, кто решился собрать собственный микроскоп, было бы интереснее, мы создали небольшое справочное пособие, которое поможет раскрыть возможности LEGO-микроскопа. Узнать кое-что об оптике во время сборки микроскопа это простая и логичная идея. Знаете ли вы, например, в чём разница между увеличительным стеклом и микроскопом? Вы, возможно, удивитесь тому, как просты принципы, на которых основан микроскоп. Отметим, что Набор исследователя рассчитан на совместную работу взрослых и детей. LEGO-часть микроскопа вполне по силам собрать и ребёнку, а вот сборкой его оптической части лучше заниматься взрослому человеку. Конечно, если ребёнок, с которым собирают микроскоп, достаточно хорошо разбирается в технике, он и сам всё сделает, но при разборке модуля камеры придётся пользоваться чем-то острым. Поэтому разумная осторожность тут не повредит.


Пример наблюдений, выполненных с помощью микроскопа

Хотите собрать собственный LEGO-микроскоп?

Мы обожаем LEGO и Crazy Circuits [LEGO-совместимая электроника / прим. перев.], поэтому решили скомбинировать их в простого и интересного робота, умеющего обходить препятствия. Мы покажем, как собрать такого робота и подробно опишем этот процесс. Ваша версия робота может не полностью совпадать с нашей.

Приводим список необходимой электроники и деталек LEGO. Не бойтесь экспериментировать с ними.

Комплектующие

Электроника

• 1 x плата Robotics Board от Crazy Circuits
• 2 x совместимый с LEGO сервомотор полного вращения
• 1 x ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04
• 4 x джампер-кабеля мама-мама
• 1 x внешний источник питания с USB

Для нашего проекта мы подобрали небольшой внешний источник питания, уютно вписывающийся в нашего робота. Вам, возможно, придётся сконструировать свой вариант для своего внешнего источника питания, или для комплекта батареек.

LEGO

Мы использовали различные детальки, а вам рекомендуем сделать так, как вы считаете нужным, и из того, что есть у вас на руках. Важно, чтобы у вас был способ приделать сервомоторы снизу, ультразвуковой датчик так, чтобы он смотрел вперёд, и каким-то образом закрепить плату и источник питания. Для этого можно использовать двусторонний скотч, резинки, липучку. Приводим ссылки на наши детальки в магазине BrickOwl, однако вы можете купить их где угодно, где продаётся LEGO и совместимые наборы.

• 2 x LEGO Wedge Belt Wheel (4185 / 49750)
• 1 x LEGO EV3 Technic Ball Pivots Set 5003245
• 1 x LEGO Technic Cross Block Beam 3 with Four Pins (48989 / 65489)
• 1 x LEGO Technic Brick 1 x 6 with Holes (3894)
• 2 x LEGO Axle 4 with End Stop (87083)
• 4 x LEGO Half Bushing (32123 / 42136)
• 4 x LEGO Brick 2 x 2 Round (3941 / 6143)
• 1 x LEGO Plate 6 x 12 (3028)

Шаг 1: строим шасси из LEGO

Мы начали с пластинки LEGO 612, это был минимальный размер, который нас устроил. Можно использовать более крупную, однако мельче уже будет сложнее.

Ширина робота определялась имеющимся у нас в наличии внешним источником питания, поскольку нам была нужна возможность вставлять его на место. Для аккумулятора большего размера потребуется робот большего размера.

Шасси должно быть достаточно высоким, чтобы на нём разместилась и батарея, и плата сверху.

Шаг 2: добавляем колёса

Каждый сервомотор нужно разместить снизу шасси. В итоге нам понадобились следующие комплектующие:

• Ось 4 LEGO со стопором (87083)
• Втулка LEGO (32123 / 42136)
• Круглый кирпичик LEGO 2 x 2 (3941 / 6143)

Для закрепления двух моторов нужно по 4 штуки каждой из комплектующих. После их закрепления добавляем колесо: LEGO Wedge Belt Wheel (4185 / 49750).

Как и с другими модельками LEGO, вариантов тут масса! У нас получилось с теми комплектующими, что мы перечислили, а вы можете попробовать что-нибудь другое.

Шаг 3: добавляем ролик

Наш ролик позволяет роботу кататься по плоскости на двух моторизованных колёсах, играя роль третьего колеса так роботу легче поворачивать и двигаться.

Для его закрепления потребовались следующие детали:

• LEGO EV3 Technic Ball Pivots Set 5003245
• LEGO Technic Cross Block Beam 3 with Four Pins (48989 / 65489)
• LEGO Technic Brick 1 x 6 with Holes (3894)

В предыдущей версии мы использовали просто круглые детали LEGO в качестве ноги, и на гладкой поверхности это работало нормально. Но не работало на ковре или не гладком полу. Если у вас нет ролика, рассмотрите вариант с такой ногой.

Шаг 4: добавляем датчик расстояния

Ультразвуковой датчик расстояния нужно закрепить на передней части робота, чтобы он видел, куда едет, и понимал, когда нужно остановиться, чтобы не столкнуться с препятствием.

Для датчика мы распечатали совместимый с LEGO корпус на 3D-принтере. Модель выложена на сайте Thingiverse: www.thingiverse.com/thing:3171004

Если 3D-принтера у вас нет, придумайте, как удержать датчик при помощи деталек LEGO, клейкой ленты, резинок, хомутов и т.п. Важно, чтобы он смотрел прямо туда, куда едет робот, когда движется вперёд.

Шаг 5: добавляем плату

Плата мозг всей операции. Она размещается наверху кубиков LEGO, поэтому её крепить легко.

Обычно плата Robotics Board используется совместно с проводящей плёнкой, позволяющей мастерить электрические цепи прямо поверх LEGO, но поскольку у нас тут всего лишь два мотора и датчик расстояния, их можно подключить напрямую к штырькам на плате.

Плату размещаем так, чтобы USB-кабель питания было легко воткнуть. Нам повезло найти в коробке с кабелями очень короткий USB-кабель.

Теперь можно подключать датчик и моторы!

По датчику: разъём echo нужно подключить к контакту 3 на плате, разъём trigger к контакту 5, VCC к 5 В, Gnd к GND. Таким образом датчик будет получать питание и общаться с платой.

Затем нужно подключить каждый из моторов. Это сделать легко коричневые провода на GND, красные на 5 В, оранжевые к контакту D6 для левого мотора и D9 для правого.

Шаг 6: программируем Robotics Board

Перед тем, как робот сможет работать, нужно загрузить код в микроконтроллер. Перед этим убедитесь, что у вас на компьютере установлена последняя версия Arduino IDE.

Свой код мы выложили в репозиторий на GitHub:

github.com/BrownDogGadgets/CrazyCircuits/tree/master/Projects/Avoidance%20Robot

Код простой, в нём много комментариев, чтобы было понятно, что за что отвечает.

Вам также потребуется библиотека NewPing

bitbucket.org/teckel12/arduino-new-ping/wiki/Home

Шаг 7: пускаем робота погулять

Построив робота и загрузив в него код, можно переходить к испытаниям!

Проще всего подключить внешний источник питания и дать роботу возможность ехать вперёд. Если выставить перед ним руку, он должен отодвинуться назад, повернуться и снова поехать вперёд (смотрите, чтобы он не съехал со стола!)

Мы построили простую шестиугольную арену из картона, чтобы роботу было где поездить. Не бойтесь экспериментировать с тем, что есть у вас.

Шаг 8: дальнейшее развитие

Если вам интересно развивать этот проект, вот вам вопросы:

что вы узнали, собирая робота?
что повлияло на ваш выбор деталей?
поедет ли робот быстрее, если увеличить ему колёса?

В коде есть две переменных, исправив которые, вы измените время отката робота назад при обнаружении препятствия, и время, которое он будет поворачиваться. Попробуйте поменять goBackwardTime и turnRightTime и посмотреть, как это повлияет на поведение робота.

// сколько миллисекунд робот отъезжает назадint goBackwardTime = 1000;// сколько миллисекунд робот поворачиваетсяint turnRightTime = 1000;

Конструктор LEGO нередко используют для создания корпуса какого-нибудь механизма с движком на малинках. Чаще всего этот тандем используется в различных роботах, дронах, вездеходах. Энтузиаст Дэниел Уэст (Daniel West) пошел другим путем и создал машину с участием Raspberry Pi и LEGO для автоматической сортировки деталей этого конструктора. Естественно, на основе искусственного интеллекта. Без ИИ, наверное, и утюги скоро работать не смогут.

Под катом описание механизма работы сортировщика, а также еще несколько любопытных проектов на базе малинок.

Интересно, что сама машина для сортировки создана из 10 000 блоков LEGO! На ее создание ушло два года.


Эта машина настоящая Золушка от LEGO. Она в состоянии отсортировать любую деталь конструктора в один из 18 контейнеров со скоростью один кубик за две секунды. Более того, сортировщик в состоянии распознать каждый из когда-либо созданных блоков LEGO, включая те, которые ему еще не попадались. Эта универсальность отличает систему от ранее созданных машин похожего назначения.

Что под капотом

Машина работает на следующем железе:

• Raspberry Pi 3, модель B+;
• Модуль камеры Raspberry Pi V2;
• 9 движков (управляемых через мультиплексор сервопривода, взаимодействующего с Raspberry Pi по I^2C);
• 6 двигателей LEGO (управляемые контроллерами электромоторы L298N с использованием цифровых I/O-портов на Raspberry Pi).

Как уже было сказано, в основе сортировщика алгоритмы искусственного интеллекта. В целом, довольно классическая сверточная нейронная сеть, которая используется для классификации изображений. Мы уже описывали в блоге на Хабре, как это помогает ученым в работе.

Обучение нейросети

Свою нейросеть Дэниел Уэст обучил, используя изображения 3D-моделей кубиков LEGO. При этом разработчик столкнулся с проблемой нехватки данных для обучения нейросети. Реальных качественных изображений было недостаточно, а синтетические изображения не давали корректных результатов. В итоге только комбинация синтетических и реальных изображений помогла добиться успеха. Нейросеть смогла с высокой точностью распознавать кубики LEGO, даже если ранее не взаимодействовала с ними.

К слову, для сбора данных энтузиаст оставил машину прогонять детальки через сканер на несколько дней. В итоге собрал датасет из приблизительно 300 000 изображений элементов LEGO без маркировки для обработки ИИ. Подробнее о работе ИИ и его обучении Дениэл рассказал в отдельном очень наглядном видео и описал процесс в тексте.

Лишь часть из 300 000 изображений, которые получил разработчик.

В качестве софта энтузиаст использовал Blender открытое ПО для создания трехмерной компьютерной графики и Tensor Flow, открытую программную библиотеку для машинного обучения от Google. Также в работе ему помогло сообщество мейкеров из конструктора LEGO Rebrickable.

Run, деталька, run

Разработка настоящая конвейерная машина в миниатюре. Масса деталек по гусеничному конвейеру поступает в так называемое входное ведро. Здесь детальки идут одна за другой, чтобы на опознание поступал строго один блок LEGO.


Порядок достигается за счет вибрирующей платформы, которая работает на моторчике LEGO. Вибрируя, платформа распределяет детальки, добиваясь, чтобы они не лежали друг на друге и поступали на сканирование по одной.

Модуль камеры Raspberry Pi захватывает видео каждого блока, которое обрабатывает Raspberry Pi 3 Model B+ и отправляет по беспроводной сети на более мощный компьютер, где оперирует нейронная сеть, классифицируя детальки. Обработанные нейросетью данные отправляются обратно в сортировочную машину, чтобы она могла вытолкнуть деталь в один из 18 контейнеров, используя ряд самоуправляемых шлюзов.

Пока проект больше подходит под рубрику Не пытайтесь повторить это дома, поскольку автор проделал огромную работу по обучению ИИ. Но, согласитесь, штука интересная.

Raspberry Pi в деле

А вот еще несколько последних интересных проектов с участием малинки.

Сканер пленки RoboScan

Работать с пленкой все сложнее сказывается все увеличивающаяся временная пропасть между технологиями. В проекте под названием RocoScan используется Raspberry Pi с цифровой зеркальной камерой. Устройство не только сканирует изображение со старой пленки, но и автоматизирует процесс записи изображений в отдельную папку.

Корпус для сервера в стиле Minecraft

Этот светящийся знакомый всем блок руды из игры Minecraft на самом деле является сервером Minecraft! Внутри Raspberry Pi 4 вместе с SSD на 128 ГБ, на котором работает Paper MC SMP. Красота!

Отрезатель корочек

Устройство, которое мы заслужили! Если вы любитель идеальных сэндвичей, вы знаете, что в них нет места поджаренным и твердым корочкам. Эта машина на малинке исключит из вашей жизни рутинное избавление от бутербродных несовершенств.

Автоматизированный курятник

Очевидно, что это можно использовать не только для курятников. Но один энтузиаст автоматизировал открытие и закрытие дверей курятника, чтобы защитить свое хозяйство ночью. В основе Raspberry Pi и несколько таймеров, которые инициируют открытие и закрытие дверей утром и вечером. А ваш курятник работает на питоне?

Есть ли у вас любимый проект на малинке? Делитесь в комментариях!

Вести океанское исследовательское судно или марсианский исследовательский шаттл дело серьёзное. Остаётся надеяться, что приборная панель будет высшего качества. Ширина в два шипа, уклон в 45, распространённая деталь из Lego 2x2 decorated slope это интерфейс этого игрового набора, связывающий его с внешним видом.

Эти легендарные рисунки в низком разрешении представляют собой идеальный инструмент изучения базовых принципов разработки интерфейсов. Давайте вооружимся 52-мя кирпичиками, и посмотрим, чему они смогут научить нас в области дизайна, расположения элементов и организации сложных интерфейсов.

Добро пожаловать в мир пользовательского восприятия от Lego.

Организованный хаос

На первый взгляд разнообразие картинок может привести в замешательство, однако вскоре становится видно, что некоторые из интерфейсов выглядят чуть хаотичнее других. Большинство интерфейсов в реальном мире представляют собой смесь цифровых экранов и аналоговых устройств ввода, типа переключателей и наборных дисков. Тому же принципу следуют и панели от Lego.

Если разместить панели по двум осям, хаотичная-организованная (снизу вверх) и экран на всю панель-без экрана (слева направо), получатся несколько отдельных скоплений. Слева вверху будут экраны, совмещённые с рядом кнопок. Справа вверху находится небольшое скопление высокоорганизованных коммутаторных панелей. Низ центра занят необычными концепциями, сложными для понимания.



Разработка сложного машинного интерфейса это жонглирование множеством различных факторов, от эргономики до инженерных соображений. Однако мы можем разделить эту проблему на два ключевых вопроса:

1. Как провести различия между функциями различных устройств ввода?
2. Как организовать множество устройств ввода и вывода так, чтобы было понятно их взаимное отношение?

Давайте подробнее разберёмся с ответами на эти вопросы в Lego.

Различаем устройства ввода

Из-за чего 400 пилотов во время Второй Мировой войны стали бы убирать шасси на бомбардировщике Б-17 перед самой посадкой? Что это катастрофическая ошибка человека или нечто более фундаментальное?

Психолог Альфонис Чапанис первым предположил, что большое число неудачных посадок может быть связано с неудачно спроектированным интерфейсом. Рукоятки выпуска шасси и управления закрылками были расположены рядом и имели одинаковую форму. У пилотов просто не было шансов.


Севший на брюхо Б-17 и кодирование функций формой, позволившее избежать проблем

Предложенное им временное решение состояло в том, чтобы приклеить резиновые полоски разной формы на каждую из рукояток, что позволило бы управлять самолётом наощупь. В результате родилась идея кодирования формой, и системе дифференциации до сих пор следуют при разработке кабин самолётов.

Сравним три интерфейса, показанных ниже, чтобы увидеть, как это работает. Не обращайте внимания на общую схему расположения элементов сейчас для нас важны отдельные кнопки. Представьте, что вы пытаетесь нащупать одну из них, не глядя. При работе с левой панелью, Slope 45 2 x 2 with 12 Buttons, понадобится чёткая координация рук и глаз. На правой панели, Aircraft Multiple Flight Controls, проводится чёткое различие между рычагом управления (размашистое вертикальное движение по прямой), переключателями (круглые вертикальные тумблеры) и кнопками (квадратики).


Слева направо: ужасное, плохое и неплохое различие между элементами управления

Подобная дифференциация и по сей день остаётся серьёзной проблемой. В 2015 году Ford отозвала 13 500 кроссоверов Lincoln MKC, поскольку водители, двигаясь с большой скоростью по шоссе, по ошибке постоянно отключали двигатель, пытаясь активировать спортивный режим. Сможете ли вы понять, отчего так происходило?


Панель управления Ford Lincoln MKC до того, как кнопку запуска/останова двигателя перенесли.

Кодирование функции формой один из подходов к дифференциации, но есть и другие. У нас в повседневной жизни на слуху есть, пожалуй, только цветовое кодирование. Но бывают и другие: кодирование размером, текстурой, расположением и методом работы. Вся эта шестёрка наши союзники в деле проектирования защищённых от ошибок интерфейсов.


Шесть базовых методов кодирования функции. Обратите внимание, как некоторые из приведённых примеров используют несколько вариантов кодирования одновременно.
Слева направо, сверху вниз: размером, формой, цветом, текстурой, местоположением, методом работы.

Основой служат методы кодирования размером, цветом и формой они позволяют быстро решать многие проблемы интерфейса. Также для работы вслепую отлично подходит использование текстуры в особенности на мелких крутилках для точной подстройки.

Кодирование расположением кажется вещью очевидной, однако часто не используется в полную силу. Устройства с очевидной эргономической формой (вроде бинокля или игрового контроллера) могут использовать естественное расположение рук для дифференциации между основными и второстепенными действиями.

Наконец, кодирование методом работы назначает различным устройствам ввода различные виды движения (например, поворот или вертикальное скольжение). Подобный подход может отлично сработать, когда тип движения устройства ввода совпадает с управляемой им операцией к примеру, кран поднимает груз при поднятии рычага.


Шесть различных типов кодирования в интерфейсах Lego (слева направо, сверху вниз): размер, форма, цвет, текстура, расположение, метод работы.

Дифференциация хороший первый шаг, не позволяющий перепутать соседние переключатели. Однако только хорошая организация устройств ввода позволит нам передать пользователю чёткие и точные ментальные модели интерфейсов.

Организация устройств ввода

Сравните три следующие панели. Расположение элементов управления идентично, однако синяя панель выглядит гораздо понятнее белой. Здесь работают принципы гештальта, объединяющие на одном участке связанные между собой сущности.


Базовая дифференциация методом группировки

Довольно просто. Но как нам решить, какие устройства ввода нужно группировать?

В качестве отправной точки мне нравится использовать советские панели управления. Эти прекрасные стены бессмысленных крутилок и рычагов оживают, будучи организованными в гигантские схемы фабрик. Было бы трудно придумать более буквальную организацию информации.



Такие панели я назвал бы консолидированным интерфейсом. Все элементы ввода и обратной связи собраны на одной панели. Такой подход избрал Дайсон для своего автомобиля. Теперь представьте себе противоположный пример мы перенесли все эти переключатели и лампочки на места расположения реальных клапанов на фабрике. Звучит смехотворно однако эти решётки вентиляции на Audi TT показывают, что распределённый подход тоже может прекрасно подойти пользователям. Я подробно писал о распределённых интерфейсах в прошлом году.


Панели от машин Lego: распределённый интерфейс (слева) против консолидированного (справа)

Вернёмся к советским фабрикам. Их интерфейсные панели отлично отвечали на вопрос пропускает ли этот клапан воду в резервуар Б? Вместе с тем они совершенно не подходили для поиска ответа на вопрос типа все ли водяные клапаны закрыты? или где находятся все переключатели, которые мне надо подготовить для передачи смены?

Lego использует советский подход для фантастических панелей, поскольку схематика отлично передаёт ментальную модель принципов работы чужой системы. Однако для повседневного использования существует несколько других, более удобных подходов.


Интерфейсы Insectoid и UFO от Lego. Интересно, за что конкретно отвечают эти кнопки?

Наиболее популярная философия дизайна, которую, наверно, можно назвать философией по умолчанию это организация на основе функциональных особенностей. Сгруппируйте вместе все устройства ввода и вывода по каждой из функциональных особенностей продукта. Прекрасным примером такого подхода будет следующий аппарат искусственной вентиляции лёгких при коронавирусе от компании Cambridge Consultants однако мы часто видим подобное и в автомобилях, когда группируют наборы устройств ввода для управления вентиляцией, и размещают всё управление бортовыми огнями на одном рычажке.


Аппарат искусственной вентиляции лёгких при коронавирусе от компании Cambridge Consultants с явной организацией по функциональным особенностям.

Организация по методу работы помещает все работающие определённым образом переключатели в одно место. Понятия не имею, для чего нужны все эти клапаны на фото, но могу поспорить, что не все они открывают связанные между собой вещи. Каждый раз, когда вы видите ряд переключателей, выглядящих и работающих одинаково, однако контролирующих несопоставимые части системы, вы сталкиваетесь с организацией по методу работы.



Сегодня большинство интерфейсов представляют собой, по сути, электродистанционные системы управления, однако исторически рычаг, который вы тянули, например, находясь в кабине трактора, реально двигал гидравлические поршни, расположенные под сиденьем. Разведение всех этих разных электрических, механических и гидравлических систем может серьёзно навредить группировке интерфейса и привести к организации по технологиям.

Современный эквивалент такого подхода встречается удивительно часто. Его использует любой сенсорный экран с расположенными рядом с ним кнопками. В будущем SpaceX, возможно, разместит эти физические элементы управления прямо рядом с той информацией, на которую они влияют, а пока они неловко расположились рядом с экраном, как будто так и надо.


Боб и Даг в капсуле SpaceX Dragon

В Lego мы встречаемся с организацией на базе функциональных особенностей на панели Monitor with -19 pattern. Две явных группы элементов управления возможно, для контроля температуры и для отслеживания показателей жизнетеятельности. Не знаю, что делают все эти переключатели на второй панели, однако они явно сгруппированы по методу работы, а не по функциональности.

Существует много панелей от Lego с таким разделением технологий, которое наблюдается в капсуле SpaceX Dragon, но мне нравится представлять, как в этом полицейском модуле из начала 90-х пришлось разделять воспроизведение аудио и видео, поскольку новая катушечная технология была несовместимой с аналоговой телефонной линией. Тут работает организация по технологиям.


Слева направо: организация по функциональным особенностям, методу работы, технологиям и ситуациям

Пока что все наши подходы организация по функциональным особенностям, методу работы или технологиям были завязаны на свойства системы, а не пользователя. Альтернативой этому является организация по ситуациям использования группировка по ежедневным задачам пользователя.

Представьте, что рабочие ежедневно с утра прибывают на фабрику Lego, где сканируют людей. Группировка элементов управления по задачам (подготовка машины, загрузка тела, запуск сканирования) предполагает разнесение кнопок облучения и сканера по многим участкам панели. Для компьютера это будет сложнее, а для оператора удобное. Только разработчик и пользователи будут решать, что им лучше подойдёт.

Но какой же интерфейс лучше?

Я часто говорю, что лучшего интерфейса быть не может, а вот примеров худших интерфейсов полно.

Однако есть у меня три любимых примера. Красивое и визуально понятное расположение элементов управления с хорошей дифференциацией устройств ввода и простой, чёткой организацией. Я бы с гордостью сидел за любой из этих консолей:

Новость, способная избавить от депрессии

В честь 40-летия запуска первого космического шаттла, компания Lego в сотрудничестве с НАСА выпускает новый набор космический корабль Дискавери. Дискавери не был первым шаттлом, отправившимся в полет (первым стал корабль Колумбия, но, вероятно, если выпустить такой набор Lego, это вызовет слишком много грустных переживаний), однако именно шаттл Дискавери запустил космический телескоп Хаббл, который также включен в набор.


Только посмотрите на эти блестящие двери! Источник: Lego

В продажу набор поступит 1 апреля, его стоимость составляет 200 долларов. Набор состоит из 2354 деталей, среди них и три новые, недавно разработанные детали для лобового стекла и отсека полезной нагрузки. Дискавери от Lego содержит также 108 лакированных серебряных деталей больше, чем в любом другом наборе Lego.



В масштабе 1:70 собранный шаттл имеет высоту около 22 сантиметров, длину 53,5 сантиметров и ширину 34,3 сантиметра. В комплект входят две стойки, которые позволяют поставить шаттл и телескоп по отдельности или вместе так, как будто телескоп выходит из отсека полезной нагрузки.


Космические друзья! Источник: Lego

Этот набор Дискавери большой шаг вперед по сравнению с предыдущими наборами Lego Space Shuttle, такими как Lego 10231 и 7470, не только по количеству деталей, но и по уровню детализации. Элевоны на крыльях можно наклонять вверх и вниз, поворачивая средний двигатель; при поднятии кабины экипажа открывается средняя палуба для крошечных космонавтов.


Источник: Lego


Источник: Lego


Источник: Lego