Katedra řídící techniky fakulty elektrotechnické na pražském ČVUT využila uplynulou dobu pandemické uzávěry prezenční výuky velmi kreativně: Vyvinula vlastního robota postaveného na základech stavebnice MERKUR, kterého si studenti berou domů i na koleje, aby mohli provádět laboratorní pokusy s aplikací automatických řídicích systémů na několika úrovních. Výsledkem vývoje pedagogů i studentů vyšších ročníků je druhý prototyp vozítka s kyvadlem, které je vybaveno dvojicí motorů, několika čidly a programovatelnou řídicí jednotkou. Co znamená nasazení této výukové pomůcku v praxi popisoval docent Tomáš Haniš.
Jak a kdy vlastně vznikla myšlenka tvorby vlastní domácí robotické laboratoře?
Je to jednoduché. Celá myšlenka vznikla s příchodem kovidové krize. Vždycky se snažíme dát našim studentům kvalitní teoretický základ, ale tím, jak jsme technická škola, tak to vždycky musí být napojeno buď na hardware, nebo na praktickou ukázku v rámci laboratoří. Těch máme na fakultě několik a v nich si studenti mohou osahat a vyzkoušet teorii řízení, respektive výsledky z teorie na modelech, nicméně tyto modely jsou relativně drahé, obtížně přenosné a nedají se tak směrem k nim distribuovat jak by bylo potřeba. Při klasickém prezenčním studiu nám v laboratořích předvedou své výsledky, ale když přišel COVID a přešlo se komplet na distanční výuku, tak to už nebylo možné.
První rok jsme si mysleli, že to nebude nadlouho a nějak to přečkáme a udělali jsme to komplet virtuální formou, nic jiného nám totiž nezbylo, protože k zavření škol došlo krátce před začátkem semestru. Věděli jsme ale, že to není ono, protože je potřeba mít nějaký hardware, na který si můžou studenti sáhnout, takže jsme řešili, jak studenty dostat k „železu”. Když to nebylo možné, tak jsme se rozhodli, že „železo” dostaneme ke studentům a začali jsme se dívat, jaké jsou dostupné modely na trhu. Hodnotili jsme cenu, rozměry i nutnost infrastruktury, kterou by museli mít studenti doma a zjistili jsme, že toho k dispozici příliš není.
Buď je to všechno velké, nebo je potřeba složitá infrastruktura, licence, ale hlavně je to finančně nákladné: řádově se to pohybovalo ve stovkách tisíc za jeden kus. Pro celý základní kurz by to znamenalo desítky modelů a to prostě nebylo finančně možné. No a proto padlo rozhodnutí, že vyvineme něco malého, levného a také jednoduše distribuovatelného. Další motivací bylo to, že komerčně dostupné modely jsou jaksi sterilní, student tak má menší pocit vtažení do reality, takže jsme si řekli: pojďme vyvinout něco na úrovni jakési hračky, kterou se nebudou studenti bát rozebrat a důkladně prozkoumat a dokázali by si alespoň představit, že by si jí uměli sami „zbastlit” a takto je zatáhli do procesu samotného vývoje. A jak jsme řekli, tak jsme udělali. Výsledkem je náš robot.
Pro studium jakých oborů je robot určený?
Tento robot je určen pro studium Kybernetiky a robotiky v rámci teorie řízení a teorie systémů. Úkolem studentů je v první řadě pochopit, jak to celé funguje. My jim dáváme, coby template, matematický model a oni ho musí identifikovat a nadefinovat si jednotlivé fyzikální konstanty, aby si dokázali spustit simulaci a zvalidovat si, že ten jejich konkrétní model sedí s hardwarem. To je první krok, který je třeba udělat kdykoliv se řeší náběh nějakého řídícího systému. Druhý krok je takový, že do robota nahrají své řídící sekvence vytvořené v MatLab simulink a provádějí zadané úkoly. Upload řídících dat mohou provést buď přes USB, nebo v reálném čase můžou zařízení řídit pomocí WiFi.
Má už robot nějaké své jméno, nebo žertovnou přezdívku od studentů, o které byste věděl?
Je pravda, že jménem jsme ještě nijak nezabývali, robot je zatím noname, ale je to zajímavá připomínka a uděláme mezi studenty anketu. Já mu v tuto chvíli říkám ARi autíčko s kyvadlem. ARi totiž znamená označení předmětu automatizované řízení, kde ho používáme.
V první verze robota jste používali stavebnici LEGO. V čem se ukázaly její nevýhody oproti aktuálně použitému Merkuru?
Lego, zejména pokud se jedná o starší stavebnice, má mnohem větší vůle a jako druhá věc je, že šířka pásma senzorů nebyla dostatečná. Jednoduše: senzory nebyly dostatečně rychlé. Nedostačující byly i motory, je toho ale víc. LEGO Mindstorms má ve své starší verzi, kterou jsme měli k dispozici, podporu pouze pro MatLab 2016. Ten systém je zároveň relativně uzavřený, tak jsme se rozhodli pro Merkur.
Kolik robotů už je vlastně hotovo a nasazeno u studentů do domácí výuky?
Tyto modely se používají v letním semestru, který aktuálně končí. V něm jsme použili jedenáct těchto robotů v rámci pilotního projektu nasazení. Předmět, ve kterém se používají má zapsáno 80 studentů. Na modelu máme kyvadlo se zářezy, ke kterým se posouvá závaží, což je klíčové v simulacích. Díky tomu je tak možné, aby si jeden model střídalo více studentů bez možnosti, aby od sebe „opisovali”. V úlohách se měří výkyvy kyvadla, každý tak má trochu jiné podmínky. Studenti, kteří měli jednoho robota na pokoji na strahovských kolejích tak měli každý svůj unikátní model, každý si polohu kyvadla nastavil podle svých propozic.
Jak vlastně COVIDové období proměnilo výuku u vás na fakultě?
Vyrobili jsme ARi autíčko! (smích) Jinak se samozřejmě změnila spousta věcí. Mnoho předmětů přešla do formy vzdálené výuky. Musím zmínit kolegu Zdeňka Huráka, který zavedl už před COVIDem tzv. „převrácenou výuku”.Studenti zhlédnou výklad v podobě animovaných videí na YouTube doma a při hodinách s učitelem pouze společně řeší příklady a diskutují o tématu. Musím ale říct, že časová náročnost u pedagoga na přípravu této formy výkladu se strašně zvedá. Když se to dělá pečlivě, tak to jsou až desítky hodin na jedno video.
Bude mít domácí robotická laboratoř nějaké pokračování, respektive: plánujete, nebo už realizujete nějakou podobnou novinku ve výuce?
Robota chceme určitě používat dál, pilotní projekt se povedl a tato forma se osvědčila, nicméně v tuto chvíli se připravuju na zimní semestr a nový kurz, takže jsem plně zaměstnán. Konkrétní plány, které by znamenaly nějakou změnu v tuto chvíli zatím nemáme, což je možná škoda, ale uvidíme, jak se to vyvine a jestli se nějak v příštím semestru posuneme dál.
