Cách lựa chọn sản phẩm Robotic để tiếp cận STEM Robotics

Hôm nay mình sẽ tóm gọn các thông tin cần thiết để giáo viên có thể lựa chọn đúng sản phẩm STEM Robotics phù hợp với nhu cầu và năng lực của các bạn.

Đầu tiên cần nói đến cấu tạo của robot. Cũng như con người, robot sẽ bao gồm 2 phần chính là bộ não và thân thể.

A/ Bộ não: là nơi tập trung các dòng code lập trình, là nơi quyết định mọi hành động của robot. Mỗi nhà sản xuất sẽ chọn riêng cho sản phẩm robot của họ mỗi loại công nghệ khác nhau để cấu tạo nên bộ não. Có nhà sản xuất thì sử dụng lại nguyên mẫu của các hãng nổi tiếng như Arduino, Microbit, Raspberry … có nhà sản xuất thì lại dùng nguyên mẫu đó chế biến lại thành bảng mạch riêng của họ rồi dán tem nhà sản xuất lên, có nhà sản xuất thì lại tự chế tạo riêng một nguyên mẫu khác biệt hoàn toàn.

B/ Thân thể robot: thông thường chúng ta thấy các robot ngoài đời thực sẽ có hình dạng giống con người. Nhưng để chế tạo ra giống vậy và lập trình được thì sẽ rất phức tạp, nên các nhà sản xuất thường chế tạo sản phẩm robotic theo hình dạng chiếc xe robot ( có thân xe, trục bánh xe, động cơ và các cảm biến xung quanh xe ), điều này nhằm làm đơn giản hóa robotic để học sinh dễ dàng tiếp cận từ mức cơ bản trước. Nên trong bài hướng dẫn này, mình chỉ đề cập đến việc lựa chọn mô hình “xe robot”. Xe robot thì sẽ bao gồm các thành phần chính:

• Thân xe robot: có thể là nguyên khối, có thể là ghép từ những vật liệu nhỏ tạo thành khối hoàn chỉnh.
• Động cơ và trục bánh xe: đa số các mẫu xe robot cơ bản sẽ gồm 2 trục bánh xe gắn với 2 bánh xe và 1 bánh xe đa hướng để giúp robot thay đổi hướng di chuyển.
• Module mạch điện dùng để điều khiển các động cơ ở trên.
• Nguồn điện hoạt động: là các viên pin có khả năng sạc lại năng lượng
• Các loại cảm biến gắn với robot: đối với các dòng robot cơ bản, chúng ta sẽ thấy cảm biến siêu âm để đo khoảng cách – dùng trong bài robot tránh vật cản, cảm biến hồng ngoại để phân biệt màu trắng/đen – dùng trong bài robot dò đi theo đường kẻ màu đen
• Module mạch điện hỗ trợ kết nối bluetooth và remote hồng ngoại: dùng trong các bài điều khiển robot bằng ứng dụng trên điện thoại hoặc bằng remote hồng ngoại
• Các thiết bị ngoại vi khác như đèn LED chiếu sáng, loa để phát nhạc …
• Dây kết nối giữa các thiết bị bên trên với bộ não ( cái này giống như các mạch máu trong cơ thể )

Dựa vào cấu tạo xe robot ở trên, bây giờ chúng ta sẽ đi lựa chọn các sản phẩm robotic của các nhà sản xuất. Việc lựa chọn sản phẩm sẽ dựa trên các tiêu chí:

1. Kiến thức yêu cầu về cơ – điện – điện tử
2. Cách lập trình
3. Giáo trình STEM Robotics giảng dạy đi kèm
4. Mức độ phổ biến và các cuộc thi
5. Giá thành sản phẩm
6. Khả năng mở rộng sản phẩm về sau

I/ Dòng STEM Robotics tự chế

Sử dụng các module mạch điện rời rạc, đi kèm thân xe bằng chất liệu mica hoặc nhôm nguyên khối, đây được xem là dòng xe robot được nhiều sinh viên lựa chọn vì giá thành rẻ nhất nhưng đòi hỏi kiến thức phức tạp nhất.

Bộ não: do lựa chọn dòng sản phẩm giá thành rẻ, nên bộ não sẽ được chọn là mẫu Arduino nguyên bản ( hoặc cũng có thể lựa chọn các loại bộ não khác như Microbit, tùy theo nhu cầu về giảng dạy )

Thân xe robot: nguyên khối không thể thay đổi hình dạng, việc lắp đặt các thiết bị trên thân xe cũng không thống nhất với nhau về vị trí và khó khăn do mỗi khung xe có thiết kế khác nhau.

1/ Kiến thức yêu cầu về cơ – điện – điện tử : mức độ khó 10/10 – đòi hỏi người hướng dẫn cần nắm rõ từng thiết bị trên xe robot để có thể cắm dây cho chính xác, chỉ cần sai 1 cọng dây, robot sẽ không hoạt động được cho dù đã lập trình chính xác 100%.

2/ Cách lập trình: đối với Arduino thì sẽ lập trình bằng dạng text-base ( tức là viết từng dòng code), và Arduino cũng có hỗ trợ dạng block-base ( tức là dạng viết code bằng việc kéo thả các khối lệnh và sắp xếp theo thứ tự ). Nếu dùng Microbit thì hỗ trợ block-base khá ổn.

• Textbase: mức độ khó 10/10 – phù hợp cho các bạn sinh viên hơn là cho học sinh
• Blockbase: mức độ khó 8/10 – tuy phù hợp cho học sinh, nhưng tất cả các chức năng của xe robot cần phải được lập trình trước ( ví dụ chức năng xe chạy tiến lên, lùi lại, rẽ trái, rẻ phải )

3/ Giáo trình STEM Robotics giảng dạy đi kèm: không có – giáo viên cần tự chuẩn bị

4/ Mức độ phổ biến và các cuộc thi: 4/10 vì đòi hỏi nhiều kiến thức nên số lượng giáo viên/học viên có thể tự làm 1 xe robot tự chế khá ít, khó triển khai đại trà.

5/ Giá thành sản phẩm: 2/10, giá thành khá rẻ. Để làm ra 1 xe robot như trên thì kinh phí khoảng từ 500.000 – 900.000

6/ Khả năng mở rộng sản phẩm về sau: 2/10 – do khung xe đã cố định không thể thay đổi, nên việc gắn thêm phụ kiện cho robot cũng rất hạn chế.

II/ Dòng STEM Robotics dạng nguyên khối

Được các nhà sản xuất thiết kế tinh gọn và đơn giản hóa việc lắp ráp nên có thể áp dụng cho các học sinh từ 7 tuổi trở lên sử dụng. Các linh kiện cảm biến, động cơ đi kèm được module hóa các cổng kết nối giúp việc thao tác trở nên dễ dàng và hạn chế sai sót.

Bộ não: thông thường là loại sử dụng nguyên mẫu arduino hoặc mạch tương tự, rồi sản xuất riêng thành bảng mạch của nhà sản xuất. Hoặc có thể thiết kế thành bảng mạch riêng rồi để trống vị trí bộ não để có thể gắn các mạch tương ứng vào, ví dụ arduino/microbit/raspberry …

Thân xe robot: nguyên khối không thể thay đổi hình dạng, các thiết bị động cơ, cảm biến được bố trí sẵn vị trí để lắp ráp trên thân xe.

1/ Kiến thức yêu cầu về cơ – điện – điện tử : độ khó 3/10 vì mọi thứ đã được đơn giản hóa hết mức có thể, chỉ cần đọc hướng dẫn sử dụng và lắp ráp đi kèm bộ sản phẩm là có thể ráp thành công bộ robot.

2/ Cách lập trình: các nhà sản xuất đều nhắm đến đối tượng là trẻ em nên tất cả sản phẩm đều hỗ trợ lập trình theo dạng block-base -  mức độ khó 6/10 – tất cả các tính năng trên xe robot đều đã được module hóa thành các block có sẵn, việc còn lại chỉ là tư duy logic sắp xếp cho đúng thứ tự.

Ngoài ra nhà sản xuất có hỗ trợ thêm tính năng text-base để phục vụ cho đối tượng học sinh trung học phổ thông hoặc sinh viên đại học – mức độ khó 6/10

3/ Giáo trình STEM Robotics giảng dạy đi kèm: đa phần các nhà sản xuất đều xây dựng sẵn bộ giáo trình đi kèm bộ sản phẩm giúp giáo viên có thể sử dụng ngay, không cần tốn thời gian biên soạn.

4/ Mức độ phổ biến và các cuộc thi: do nhà sản xuất đẩy mạnh việc quảng bá sản phẩm bằng các cuộc thi robotic nên sẽ có nhiều trường học sử dụng các sản phẩm này – mức độ 8/10

5/ Giá thành sản phẩm: 5/10 – giá thành ở mức trung bình có thể đầu tư cho học sinh. Những mẫu cơ bản giá thành khoảng 1.000.000 – 1.300.000, những mẫu cao cấp giá thành khoảng 2.000.000

6/ Khả năng mở rộng sản phẩm về sau: 5/10 – nhà sản xuất sẽ thường để trống vài vị trí trên thân xe robot giúp sau này có thể mở rộng thêm tính năng ( ví dụ lắp ráp thêm tay kẹp) để nhằm đa dạng nội dung cuộc thi khi tổ chức.

III / Dòng STEM Robotics dạng lắp ráp từ các chi tiết nhỏ

Được xem là lựa chọn tối ưu khi triển khai STEM Robotics bởi vì hình dạng robot có thể linh hoạt thay đổi phù hợp với từng nội dung bài học. Việc lắp ráp robot từ các chi tiết nhỏ gộp lại thành sản phẩm lớn sẽ giúp học sinh tăng thêm tính sáng tạo và phát triển nhiều khả năng tư duy khác.

Bộ não: sẽ là dạng do nhà sản xuất thiết kế riêng ( ví dụ lego education hoặc vex robotics) hoặc cũng có thể thiết kế thành bảng mạch riêng rồi để trống vị trí bộ não để có thể gắn các mạch tương ứng vào ( ví dụ microbit )

Thân robot: được ráp bằng các chi tiết nhỏ - được gọi là gạch (brick) với nhiều hình dạng khác nhau, có thể thay đổi hình dạng robot tùy theo mục đích sử dụng.

1/ Kiến thức yêu cầu về cơ – điện – điện tử : mức độ khó 5/10 – tuy các thiết bị điện tử cũng đã được đơn giản hóa trong việc lắp ráp kết nối nhưng sẽ cần kiến thức về cơ khí để có thể hiểu rõ việc lắp ráp robot – để giải quyết vấn đề này, các nhà sản xuất thường xây dựng đi kèm các giáo trình cơ bản về cơ khí để giúp người sử dụng có thể xây dựng kiến thức nền tảng.

2/ Cách lập trình: tương tự dòng robot II ở trên, tất cả đều dễ dàng lập trình với block base và text base.

3/ Giáo trình STEM Robotics giảng dạy đi kèm: có sẵn với nhiều chủ đề khác nhau đi kèm hàng trăm hướng dẫn lắp ráp

4/ Mức độ phổ biến và các cuộc thi: mức độ 10/10 – vì là dạng tối ưu nên rất nhiều cuộc thi & trường học sử dụng.

5/ Giá thành sản phẩm: 8/10 – giá thành ở mức khá cao. Để sở hữu 1 bộ sản phẩm STEM Robotics sẽ cần chi phí thấp nhất khoảng 2.500.000  và cao nhất khoảng vài chục triệu đồng.

6/ Khả năng mở rộng sản phẩm về sau: 10/10 – tùy vào việc sử dụng sản phẩm của hãng nào, bạn có thể mở rộng sản phẩm sau này: thay đổi về hình dạng & thêm các tính năng khác. Nếu sử dụng các hãng như lego education / vex robotics thì sẽ bị hạn chế về thiết bị điện tử mở rộng do phải chờ nhà sản xuất phát hành riêng, vì bộ não của nhà sản xuất là ở dạng đóng (closed), không tương thích với các thiết bị của hãng khác. Hoặc nếu sử dụng các sản phẩm có tính năng mở (open) như microbit -> bạn không những có thể thay đổi về hình dạng mà còn có thể mở rộng thêm các linh kiện điện tử đi kèm, ví dụ sử dụng mạch camera hỗ trợ tính năng AI