Антипов, Д. Н. Трёхмерное моделирование Lego-роботов в Lego Digital Designer / Д. Н. Антипов, Н. В. Софронова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 27 (265). — С. 235-238. — URL: https://moluch.ru/archive/265/61340/ (дата обращения: 04.07.2023).
В статье рассматривается возможность автоматизированного проектирования Lego-роботов в Lego Digital Designer для использования в образовательной робототехнике.
Робототехника в образовании на сегодняшний день это инструмент инженерного образования школьников. Робототехника — это технология интеграции механики, электроники и программирования, позволяющая выявлять и проводить начальное воспитание инженерных талантов, в котором заинтересовано государство в рамках обеспечения новых инженерно-технических кадров [1] и глобального технического превосходства лидерства России к 2035 году [2].
Благодаря появлению массовых конструкторов с их модульными компонентами и простоте программирования стала широкодоступной возможность создания несложных учебных роботов. В настоящее время появилось множество робототехнических конструкторов от различных фирм [3], в том числе и от российских, ориентированных на определённый возраст детей, имеющих определённые плюсы и минусы. В жизни и образовании наиболее популярными наборами конструирования механизмов и роботов на данный момент являются продукты компании Lego, т. к. они охватывает весь контингент детей. Это очень качественный продукт, с которым дети играют с пользой для развития пространственного воображения и моторики пальцев.
Lego Digital Designer Apps #legodigitaldesigner
У педагогов и тренеров по робототехнике, да и самих обучающихся есть необходимость в моделировании роботов серии Lego, в последующем сохранении в виде трёхмерной модели, создании инструкции по сборке. Необходимость в моделировании также может быть обусловлена по причине нехватки технического оборудования из-за высокой стоимости наборов или отдельных компонентов и может стать существенной проблемой применения робототехнических наборов в учебном процессе, заключающейся в недостаточном количестве комплектов конструкторов.
Один Lego-набор серии Mindstorms рассчитан на 2-х человек. Возникает проблема, когда каждая группа может собирать робота не одно занятие, а это значит, что модель приходится разобрать, чтобы последующая группа могла собирать собственную модель.
Решением этой проблемы является изначальное трёхмерной моделирование конструкции робота, по которой ученики могут быстро строить робота и заниматься его программированием [6]. Кроме того, когда необходима демонстрация некоторых частей, конструкций робота, а детали Lego достаточно малы и это может затруднить наблюдение и понимание работы конструкции учениками. Снова для решения данной проблемы можно использовать заранее подготовленную конструкцию, которую можно продемонстрировать на большом экране проектора. И наконец, не стоит забывать, что подобные инструменты позволяют работать удалённо. Таким образом, актуальность статьи определена необходимостью в моделировании робототехнических систем продуктов Lego.
LEGO digital designer in 2021
Рис. 1. Окно программы Lego Digital Designer
Наиболее подходящим софтом для автоматизированного проектирования роботов Lego является CAD всё той же компании Lego — Lego Digital Designer (LDD), распространяющейся бесплатно. LDD — это огромный «сундук» с сотнями деталей Lego в одном месте, возможность собирать модели из тех деталей, которых просто не хватает или так и не получилось приобрести.
Отличает LDD от аналогов (например, LeoCad, SR 3D Builder, Konstruktor и LDraw) в том, что данный инструмент является наиболее простым для освоения. В LDD наиболее простой интерфейс, с которым справится любой пользователь, будь то ребёнок или взрослый человек.
Для юных робототехников LDD это лучший способ познакомить с трёхмерным моделированием, чтобы в последствии познакомиться с более серьёзными средами [5]. Стоит отметить момент, который может доставить неудобство русскоязычному пользователю: интерфейс не переведён на русский язык.
Окно программы можно условно поделить на три пространства: левая панель, верхняя панель и рабочее пространство. В левой панели расположены три вкладки, в которых спрятаны строительные элементы (bricks) сгруппированных по тематике, возможность работать с заготовками (templates) и группами (groups). В верхней панели находится меню и панель инструментов.
На рабочем пространстве пользователь собирает модели по кирпичикам или разбирает уже готовые, чтобы увидеть структуру модели. Для комфортной работы есть практически все инструменты. Единственное что не хватает, это возможность зеркально клонировать элементы. В отличие от аналогичных программ, детали тут присоединяются друг к другу автоматически. Трехмерные модели сохраняются во внутреннем формате LXF, но возможность экспорта модели в другие форматы, дружественные для программ-аналогов всё же имеется.
LDD умеет создавать инструкции в нескольких вариантах. Первый вариант инструкции генерируется в самой программе (Building guide mode). В этом режиме шаг за шагом детали с анимацией соединяются вместе и можно интерактивно вращать, разглядывать со всех сторон для полного понимания сборки.
Единственное, что не редки моменты, когда инструкция сгенерировалась с некими ошибками, связанными с последовательностью сборки, но возможности самому пользователю как-то перестроить, объединить шаги или выбрать иную вариацию сборки некоторых шагов просто нет. Второй вариант (HTML building guide) инструкции генерируется в виде HTML-странички с ресурсными файлами и получается менее удобным, где на странице по нажатию на кнопки управления просто меняются картинки.
Более того встречаются все те же самые «болячки», что и в режиме «Building guide mode», которые не лечатся, а инструкция получается менее интерактивной. Нахожу, что интерактивные инструкции, когда можно что-то вращать и рассматривать, являются наиболее удобными для юных робототехников, нежели это были бы просто картинки, например, в виде пошаговых pdf инструкций. Убеждён, что дети с развитым конструкторским навыком, пространственным мышлением могут повторить сборку робота просто смотря на него с разных сторон. Никак не учитывается физика и полностью отсутствует возможность симуляция работы механизмов, которая, например, есть в SR 3D Builder.
Рис. 2. Варианты инструкций модели (слева — «Building guide mode», справа — HTML building guide)
В итоге получаем инструментарий, который без труда позволяет создавать трёхмерные модели роботов, хранить в интерактивном формате и обмениваться моделью с единомышленниками.
Рис. 3. Модель робота (Riley Rover BI), использованная в эксперименте
При работе с трёхмерным редактором возникла следующая гипотеза: не тратится ли больше времени на сборку трёхмерной модели робота в LDD, чем для реальной модели? Для этого был проведён следующий эксперимент. По регламенту эксперимента необходимо было каждому учащемуся не спеша собрать одну и ту же модель робота (представленной в pdf инструкции на компьютере — рис.
3) в виде реальной модели и трёхмерной в LDD. В эксперименте участвовало 10 обучающихся объединения «Робоквантум» детского технопарка «Кванториум» города Чебоксары уже владеющих навыками сборки и моделирования роботов в LDD Lego-роботов. При сборке реальной (материальной) модели робота все детали, которые необходимо было использовать при сборке были разложены в наборе конструктора подобающим образом (т. е. исходя из брошюры правил размещения деталей). Для обработки эксперимента был выбран критерий знаков, где происходит сравнение величин двух попарно сопряжённых совокупностей (зависимых выборок), т. е. таких совокупностей, которые объединены некоторой связью, общим свойством. Это могут быть результаты одних и тех же испытуемых по двум каким-то разным видам деятельности, балловые оценки, выставленные учителем за двукратное выполнение одной и той же или различных работ одной и той же группой учащихся [7].
Проверяется гипотеза H0: время сборки трёхмерной модели робота в LDD занимает больше времени, чем время сборки реальной модели, при альтернативе H1: время сборки виртуальной модели в LDD изменилось в отличии от времени сборки реальной (материальной) модели. Данные задачи представлены в таблице 1. Нулевая гипотеза принимается на уровне значимости 0,05. Подсчитаем число минусов, как встречающихся наименее часто: Zнабл=2, что говорит о преимущественном преобладании величин чисел второго столбца. По таблице «Критические значения статистики критерия знаков находим значение Z0,05(10) = 2. Получили, что эмпирическое (наблюдаемое) значение не больше критического, а это значит мы отклоняем нулевую гипотезу и принимаем альтернативную, что позволяет сделать вывод о том, что скорость разработки робота с применением трёхмерного-моделирования в LLD превосходит сборку с использованием набора-конструктора.
Результаты эксперимента
Обучающийся №
Время сборки трёхмерной модели (сек)
Время сборки реальной модели (сек)
Знак разности отметок
Источник: moluch.ru
Модели для программы lego digital designer
To open .lxf flies, download LEGO Digital Designer (LDD). EV3Lessons does not take responsibility for the quality of build instructions provided. If you use any of these designs as a base for a competition or in a class, you need to cite the source.
- EV3 Training Robots
- NXT Training Robots
- Sumo Robots
- Other Robots
This is replacement for DroidBot 1.0. It has all the features of 1.0 and then a few more.
DroidBot 2.0 is a robot build using only parts from 45544 LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 Core Set + 1 color sensor. There is also an optional handle that can be added when the robots are used in camps or classrooms.
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
This is a base robot built with one EV3 Education Core Set (45544). This robot can be used as a learning tool as well as a basic design for FIRST LEGO League.
Designed by: Michael Buss Anderson
Droid Bot JR is a robot build using only parts from 31313 LEGO® MINDSTORMS® EV3 Set. This build is slightly smaller than Droid Bot 2.0, but still has many similar features. An optional handle allows for easy carrying in classrooms. It has been designed to allow the builder to easily replace the infrared sensor with the ultrasonic, use a rechargeable battery, and add a gyro sensor if needed.
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
- Instructions: LDD, PDF (infrared missing)
This is a base robot built with one EV3 Retail Set (31313). This robot can be used as a learning tool.
Designed by: Markus Böge, Team SAPfinity
EV3 Enterprise is a robot built using parts from the 31313 LEGO® MINDSTORMS® EV3 Set. This robot has a base that only uses 82 pieces. Sensor and motor modules easily snap on to the base robot as the student needs. (The robot has optional instructions for adding a gyro and second color sensor. The infrared can also replaced with the ultrasonic if needed.) This robot has been tested and approved by EV3Lessons.com
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
Endeavour is a basic robot build using only one 45544 LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 Core Set.
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
Driving Bas3 is designed to look like the EV3 Education Core set base robot. However, it is constructed just with parts available in one Retail (#31313) Set.
EV3 Discovery is a robot built using parts from the 45544 LEGO® MINDSTORMS® EV3 Set. Sensor and motor modules easily snap on to the base robot as the student needs. (The robot has optional instructions for adding a second color sensor.)
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
Compact Bot is a basic robot build using the 45544 LEGO® MINDSTORMS® Education EV3 Core Set + 1 motor. It has a back bumper for aligning (straightening the robot by bumping into walls and objects) and a third large motor for attachments. There are a few variations on the build available on this site.
Designed by: Brian Wheeler, Hoosier Girlz
- Instructions: Caster Wheel LXF, Wheel LXFWith NXT Motor
This new NXT robot design is compact and very sturdy — ideal for classroom usage. It has been designed for use in our lessons and also works well on our Training Mats. We name it Cyberbot because of its distinctive handle which makes it look like a Cyberman from Dr. Who. The robot features a shielded color sensor as well as modular/easy to add sensors and a third motor.
Designed by: Sanjay and Arvind Seshan
This is a base robot similar to the one available in the Educational EV3 set (45544), but constructed with parts available in the NXT set.
This is great starting robot design that uses the NXT. It features an outer wall as well as two touch sensors. This robot can also line follow.
Designed by: Tim, Team Cassapeia
This is a base robot similar to the one available in the Educational EV3 set (45544), but constructed with the NXT.
Designed by: Muhannad Al-Khodari, roboticarena.net
This is a simple, quick-build design that can be built easily by students in a camp.
Designed by: Sam Last
This is a basic robot using the NXT that is good for classrooms. Since the brick is low to the ground, this design is a very stable build. The design incorporates all the basic sensors needed for classroom activities.
Designed by: Dr. Damien Kee.
- Instructions: Build Instructions
This LEGO MINDTORMS EV3 Sumo Bot uses three EV3 Large Motors, two of which have “triple torque” due to gearing. In the false-colored picture, the pink 12-tooth gear that is directly connected to the EV3 Large Motor touches the turquoise 36-tooth gear. This “gearing down” increases its torque three times, for increased pushing power. The center motor operates the yellow “flipper” arms for upending opposing robots in a Lego Sumo or Battlebot competition. Parts from the EV3 45544 Education Set are supplemented by the third motor and EV3 Color Sensor (for detecting the edge of a Lego Sumo arena).
You can use your spare parts to make the flipper larger; with it in the “up” position, it measures ~7”x7” (~22×22 studs). The EV3 Ultrasonic Sensor detects the opposing robot, or it can be replaced by a Mindsensors “Sumo Eyes” sensor for SuGObot competitions.
Designed by: David Luders
This is an EV3 Sumo Bot design by Mr. Phil. It uses Mindsensor’s SumoEyes. It is shared here with his permission. For more information on this design as well as lots of resources and documentation on the SuGO competitions visit the GEARS website devoted to SuGO .
Designed by: Phil Malone, GEARS
- Instructions: Website for rules, PDF
SamBot is an EV3 Sumobot design by Anderson Harayashiki Moreira. It features two ultrasonic sensors and a ramp made of LEGO Brick Separators.
Designed by: Anderson Harayashiki Moreira
This is a four-wheel drive LEGO MINDSTORMS NXT Sumo Bot.
Designed by:Sam Last
This Sumo Bot can be built using the LEGO Mindstorms EV3 31313 retail set’s parts. It features a front flipper, wide rubber tires for good traction, and the EV3 Infrared Sensor for manual operation via the EV3 Remote Control. Download the “Custom Remote” .ev3 project file for Remote Control operation. The EV3 Color Sensor allows for the robot to back up when “seeing” the perimeter line around the Lego Sumo ring. As an option, the pair of red 2L Technic Axles allow for mounting the Mindsensors “Sumo Eyes” to run the SuGObot program.
Designed by: David Luders
- Instructions: LDD, Custom Remote ev3 file
These designs are contributed by the community. While they are not designed to go with our lessons, we believe that you will be able to learn some new building and programming skills through these projects. If you wish to contribute a design to this page, please contact us.
This is a quadcopter model for teaching Physics with Edu Core set plus extra motors.
Designed by: Seshan Brothers
Источник: ev3lessons.com
Моделирование в программе Lego Digital Designer
Глава 1. Немного истории программы Lego Digital Designer.
Глава 2. Знакомство, изучение 3D-графики с использованием программы Lego Digital Designer.
Глава 3. Создание 3D моделей с помощью 3D-конструктора Lego Digital Designer.
III. Заключение.
IV. Список литературы.
V. Приложения.
Введение.
Мой проект представляет собой 3 файла 3D–моделей объектов формата .lxf:
Домик с двориком, двухэтажный коттедж, и железная дорога с поездами.
Мною выбрана эта тема, потому что использование 3D графики очень актуально и интересно. Мне захотелось исследовать эту тему, потому, что на уроках информатики мы начали изучать 3D редакторы, в том числе 3D – конструктор Lego.
Очень люблю играть в лего игрушки, и люблю строить лего-дома, лего-человечков для своего братишки, лего-сити и т.д. поэтому мне захотелось некоторые объекты построить с помощью 3D редактора Lego Digital Designer на компьютере.
На сегодняшний день использование 3D технологий прочно вошли в нашу жизнь. Без них мы не могли смотреть 3D фильмы, мультфильмы, картинки и т.д.
Возможности 3D редакторов не могут не вызывать изумления.
Когда, только начали появляться первые компьютеры никто еще не знал, что через сколько-то лет нашу жизнь не возможно будет представить без 3D-графических редакторов.
3D Анимационные мультфильмы, фильмы, реклама на щитах, компьютерные 3D игры – все это сделано с помощью 3D редакторов.
Цель проекта:
- Попробовать себя в роли архитектора и дизайнера.
- Изучить программный продукт 3D-моделирование.
Актуальность:
Изучая 3D конструктор я поняла, что в LEGO можно не только играть в реальной жизни, но и можно строить проекты в 3D-конструкторе LEGO, на компьютере.
Задачи:
1. Изучить 3D редактор;
2. Создание моделей с помощью программы 3D-конструктор Lego Digital Designer;
Методы работы:
- Изучение 3D редактора на уроке информатики;
- Консультация с учителями информатики;
Основная часть
Глава 1. Немного истории создания LEGO.
В 1932 г. Оле Кирк Кристиансен основал свою компанию, которая начинала с производства стремянок, гладильных досок и деревянных игрушек. Его сын Готфрид принимал участие в бизнесе отца с 12 лет. В 1934 г. появилось на свет слово LEGO, которое образовалось от выражения «LEg GOdt», что в переводе с датского означает «увлекательная игра». В настоящее время LEGO — название компании и ее продукции. Позднее было установлено, что в переводе с латыни данное выражение означает «я учусь», «я складываю».
К концу 1998 года компанией LEGO Media International были выпущены три компьютерные игры — LEGO Creator, LEGO Chess и LEGO Loco. В марте 1999 года открылся парк LEGOLAND в США. Наборы LEGO Звездные войны стали самым продаваемым товаром в мире. В серии LEGO ДУПЛО появился набор «Винни-Пух и его друзья». Впервые использование программы в компьютерной технологии 3D-конструктора Lego Digital Designer было 2009 году.
Глава 2. Знакомство, изучение, использование 3D-конструктора Lego Digital Designer.
3D-конструктор Lego Digital Designer – программа для создания различных 3D – объектов на основе виртуальных объектов. В этой программе использовать огромное разнообразие существующих Lego-элементов. Включено порядка 760 типов элементов.
Как и в обычных 3D-редакторах, рабочую область программы можно приближать и удалять, разворачивать под любым углом, свободно перемещаться по ней. Также можно посмотреть объекты с трех сторон. Задний фон можно добавить или поменять в режиме просмотра готовой виртуальной модели LEGO. Интерфейс программы очень прост и удобен, поэтому даже самому маленькому ребенку будет несложно разобраться с Виртуальным конструктором LEGO. Программа поддерживает два режима конструирования: вы можете начать все «с нуля» и воплотить свои даже немыслимые фантазии в созданных моделях или дополнить почти готовые модели, что рекомендуется начинающим пользователям, а также загружать некоторые готовые объекты.
Эта программа бесплатная и имеет очень удобный интерфейс, и освоить ее не составит большого труда.
В ЛЕГО Диджитал Дизайнер отсутствует русский язык, но это никак не мешает использовать приложение, т.к. оно в первую очередь предназначено для детей и учеников, а встроенный каталог готовых фигур позволит быстрее освоить программу.
Глава 2. Создание 3D Lego-проектов.
Я решила построить домик с двориком, 2-х этажный коттедж, и железную дорогу с поездами. Потому что, в будущем хочу увлекаться архитектурой или создавать 3D мультфильмы.
Прежде чем, приступить к моделированию дома, сначала я установила фундамент, затем, достроила стены с окнами, полы крышу и установила двери. Также и в реальной жизни строят жилые дома. Далее создала ограждение вокруг дома, сделала озеленение участка. Моим вторым проектом стал двухэтажный дом с двориком.
Этот проект для меня был более сложным, потому что понадобилось очень много элементов времени и терпения. Третий проект, решила создать железную дорогу, т.к. у меня есть двоюродный братишка который, очень любит играть в лего-конструкторы. Таким образом, он тоже научился строить лего объект в программе на компьютере с помощью этой программы. Сохранила эти проекты под форматом LXF. С таким расширением сохраняются файлы в программе Lego Digital Designer
Заключение.
Технический прогресс шагнул далеко вперед. Человек фантазирует, думает и по-прежнему мечтает строить, создавать и познавать. Я рада, что смогла создать проект, который помог мне совершить увлекательное путешествие в мир 3D конструирования и узнать много интересного о, компьютерном 3D LEGO-конструкторе. Думаю, что моя исследовательская работа будет интересна многим людям.
Литература
1. Комарова Л.Г. «Строим лего». 2013г.
2. Леготина С.Н. «3D Графические редакторы».2012.г.
3. Леготина С.Н. «Мультимедийная презентация».2012г.
Источник: nsportal.ru