LEGO Technic a robotika: Kompletní průvodce stavebnicí, elektronikou a alternativami

LEGO Technic představuje jednu z nejdůležitějších stavebnic v oblasti vzdělávací robotiky. Od svého vzniku v roce 1977 se vyvinula z jednoduchých mechanických konstrukcí až po sofistikované robotické platformy s pokročilými možnostmi programování.

Historie stavebnice LEGO Technic

Začátky (1977-1984)

LEGO Technic byla představena v roce 1977 pod názvem "Expert Builder" v Evropě a "Technical Sets" v USA. Tato nová produktová řada znamenala zásadní odklon od klasického stavění z kostek LEGO a přinesla revoluční prvky:^{1 2 3 4}

Základní technické součástky:

• Nosníky (beams) s díry místo výstupků, umožňující průchod os²
• Převody různých velikostí (8, 24 a 40 zubů)²
• Osy s křížovým průřezem pro přenos kroutícího momentu²
• Univerzální klouby pro přenos síly pod úhlem²
• Diferenciály pro realistické pohony vozidel²

První sady se zaměřovaly na mechanické základy:^{5 2}

• Set 850: Vysokozdvižný vozík
• Set 851: Traktor
• Set 852: Helikoptéra
• Set 853: Podvozek auta s funkčním 4válcovým motorem a převodovkou

Oficiální přejmenování (1982-1984)

Logo "LEGO Technic" bylo oficiálně zavedeno v roce 1982, ačkoliv sady již byly známé pod různými názvy. V roce 1984 došlo k oficiálnímu přejmenování celé produktové řady na LEGO Technic.^{4 6 7}

Éra motorizace (1985-2006)

V 80. letech 20. století se sady stávaly stále sofistikovanějšími:^{3 1}

• Zavedení pneumatických systémů
• Elektrické motory 4,5V a později 9V
• Komplexní modely jako Auto Chassis (8860) a Helicopter (8844)³

V roce 1986 byla představena figurka LEGO Technic, a v roce 1989 přišel první "liftarm" (nosník bez výstupků).⁶

Moderní éra (2000-současnost)

Od roku 2000 LEGO Technic přešlo na "studless construction" - konstrukci bez výstupků. Tato metoda využívá nosníky a kolíky místo tradičních kostek s výstupky, což umožňuje kompaktnější a realističtější modely.^{7 6}

V roce 2023 LEGO postavilo repliku závodního vozu PEUGEOT 9x8 v měřítku 1:1 obsahující 626 392 LEGO dílků.⁷

Elektronické robotické platformy LEGO

LEGO Mindstorms - Průlom v robotice

Mindstorms RCX (1998-2006)

LEGO Mindstorms bylo oficiálně představeno v roce 1998 jako výsledek spolupráce mezi LEGO a MIT Media Lab, která začala již v 80. letech.^{8 9 10}

RCX (Robotics Command eXplorer) byla první programovatelná kostka:^{9 10}

• Název "Mindstorms" odkazoval na knihu Seymoura Paperta⁹
• Programování pomocí RCX Code nebo ROBOLAB (založeného na LabVIEW)¹⁰
• 3 vstupní porty pro senzory
• 3 výstupní porty pro motory
• Infračervená komunikace s počítačem¹¹

Vývoj RCX:

• Prototyp "gray brick" (1987) - testování s žáky⁹
• "Red brick" (1994-1996) - 100 testovacích jednotek pro školy, hmotnost 368,5 g⁹
• "Yellow brick" - finální verze s LCD displejem, redukce na 3+3 porty kvůli snížení hmotnosti⁹

Mindstorms NXT (2006-2013)

V srpnu 2006 LEGO vydalo NXT jako nástupce RCX:^{12 10}

Technické specifikace:

• 577 dílků v základní sadě¹²
• 3 servomotory
• 4 senzory: ultrazvukový, zvukový, dotykový a světelný¹²
• ARM7 mikroprocesor¹³
• USB kabel pro připojení k počítači¹²
• Bluetooth komunikace¹²

Vývoj s komunitou: Čtyři experti z Mindstorms komunity tvořili "Mindstorms Users Panel" (MUP) a poskytovali zpětnou vazbu během vývoje. Jejich požadavky vedly k implementaci 32-bitového procesoru, výkonnějších motorů a Bluetooth kompatibility.¹²

NXT 2.0 (2009):

• 619 dílků (navýšení z 577)¹⁰
• Přidán druhý dotykový senzor
• Nový barevný senzor¹⁰

Mindstorms EV3 (2013-2022)

Třetí generace byla oznámena 4. ledna 2013 a uvedena na trh 1. září 2013:¹³¹¹

Technologické pokroky:

• ARM9 procesor s operačním systémem Linux (místo ARM7 v NXT)¹³
• USB konektor a slot pro Micro SD kartu (až 32 GB)¹³
• Vylepšené senzory včetně gyroskopického¹³

Domácí edice (31313):

• 1 EV3 kostka
• 2 velké motory, 1 střední motor
• 1 dotykový senzor, 1 barevný senzor, 1 infračervený senzor
• 1 dálkové ovládání
• 585 TECHNIC prvků¹³

Programování:

• LEGO Mindstorms EV3 Home Edition (založeno na LabVIEW)¹³
• Blokové programování
• Podpora MicroPythonu¹³

Konec produkce: V říjnu 2022 LEGO oficiálně oznámilo ukončení produkce Mindstorms k roku 2022.¹³

LEGO Boost (2017-současnost)

LEGO Boost bylo představeno na CES 2017 v Las Vegas jako kreativní nástroj pro děti od 7 let:^{14 15 16}

Obsah sady 17101:

• Více než 840 LEGO dílků¹⁷
• Move Hub (hlavní řídicí jednotka) s 2 integrovanými motory¹⁴
• 1 externí motor¹⁷
• Senzor barvy a vzdálenosti¹⁷

Pět hlavních modelů:

1. Vernie - mluvící robot
2. Frankie the Cat - interaktivní kočka
3. Guitar 4000 - hudební nástroj
4. M.T.R.4 (Multi-Tooled Rover 4) - vozidlo se čtyřmi nástroji
5. AutoBuilder - automatická výrobní linka^{14 17}

Programování:

• Intuitivní blokové programování založené na ikonách^{17 14}
• Aplikace pro iOS, Android a Kindle¹⁷
• Postupné odemykání programovacích bloků při plnění aktivit¹⁷

LEGO SPIKE Prime (2019-současnost)

SPIKE Prime je vzdělávací platforma určená pro žáky 6.-8. tříd základních škol:^{18 19}

Hub specifikace:

• 5×5 světelná matice¹⁸
• 6 vstupních/výstupních portů¹⁸
• Integrovaný 6-osý gyroskop¹⁸
• Reproduktor¹⁸
• Bluetooth připojení¹⁸
• Dobíjecí baterie¹⁸
• 20 slotů pro ukládání programů (pozice 0-19)¹⁹

Programování:

• Jazyk typu drag-and-drop založený na Scratch¹⁸
• Aplikace s 3 jednotkovými výukovými plány¹⁸
• Optimalizováno pro 45minutové lekce¹⁸

Vzdělávací zaměření: Komplexní online učební plány se zaměřením na inženýrství a informatiku. Množství interaktivních podpůrných materiálů pro učitele bez předchozích zkušeností.¹⁸

Robot Inventor (2020)

Nástupce Mindstorms EV3 vydaný v říjnu 2020:⁷

• Založen na studless konstrukci⁷
• Kompatibilita s PS4 DUALSHOCK a Xbox kontrolery²⁰
• Integrované dálkové ovládání v aplikaci²⁰
• Možnost vytváření vlastních ovládacích rozhraní²⁰

Kompatibilní stavebnice a alternativy

BitBeam a m-BITBEAM

BitBeam je open-source konstrukční systém kompatibilní s LEGO Technic:^{21 22 23}

Historie:

• 2011: Jason Huggins (USA) představil BitBeam jako miniaturizovanou verzi Grid Beam systému^{22 23 24}
• 2015+: Tomáš Feltl (ČR) vytvořil m-BITBEAM s rozšířeními pro Arduino a senzory^{25 23 24}
• 2019+: Ondřej Tůma vytvořil bitbeam-lib pro OpenSCAD^{23 24}

Technické parametry:

• Základní rastr: kostka 8 mm²⁴
• Průměr otvorů: 4,8 mm - kompatibilní s LEGO kolíky a osami²⁴
• Spojování: šrouby M4 nebo 10-32²³
• Výroba: 3D tisk^{22 23}

Výhody:

• Plně open-source hardware (Creative Commons BY-NC-SA 4.0)^{25 23}
• Levnější materiál než LEGO²²
• Možnost vytváření vlastních rozměrů²²
• Kompatibilita s LEGO Technic^{24 22}
• Držáky pro Arduino, senzory a mikrokontroléry^{26 24}

Současný stav: Od roku 2020 existuje online katalog, aktuálně s více než 400 díly (bez kolíků a os). V roce 2021 byl publikován první volně dostupný model Egg Bot na Printables.com.²³

Fischertechnik

Německá stavebnice založená v roce 1965, považovaná za prémiovou alternativu k LEGO Technic:^{27 28}

Charakteristiky:

• Systém "jazýček a drážka" místo klapání²⁸
• Zaměření na přesné inženýrství²⁷
• Realistické funkce s minimem kosmetických dílů²⁹
• Předmontované převodovky (1 díl místo 5-6 u LEGO)²⁹

Robotika:

• 4 motory a 8 senzorů v profesionálních sadách²⁹
• 2roční záruka na neelektrické díly, 6 měsíců na elektrické²⁹
• Interface pro programování přes PC²⁹

Srovnání s LEGO Technic:

• Fischertechnik: Realistický vzhled, náročnější stavba, vyšší cena²⁷
• LEGO Technic: Pestré barvy, přístupnější, větší variabilita²⁷
• Kompatibilita: Vzájemně nekompatibilní systémy²⁷

VEX Robotics

Profesionální systém pro robotické soutěže:^{30 31}

VEX IQ:

• Plastový snap-together systém bez nástrojů³⁰
• 3D mřížkový systém s rozestupem 12,7 mm (0,5")³⁰
• Elektronika: Brain, baterie, motory, senzory³⁰
• Součástky: nosníky, destičky, kolíky, stojánky, rohové spojky³⁰

VEX V5:

• Kovové strukturální díly (C-profily, U-profily, úhelníky)³¹
• Šrouby s hvězdicovou hlavou místo šestihranu³¹
• Řetězy a tankové pásy s vlastní délkou³¹
• Programování přes VEXcode³¹

Meccano (Erector)

Klasická britská stavebnice založená v roce 1901:^{32 33}

Systém:

• Kovové pásky, destičky, úhelníky a kola³²
• Spojování pomocí matic a šroubů³²
• Plastové díly v modernějších sadách³²

Robotika:

• Meccano Tech roboty s LED, servomotory, hlasovým rozpoznáváním³⁴
• Více než 1000 předprogramovaných vět v robotech Meccanoid³⁴
• Dálkové ovládání³⁴

Robot Spykee (2007):

• Ovládání přes WiFi³²
• Integrovaná webkamera³²
• Možnost použití jako bezpečnostní kamera³²

K'NEX

Americká stavebnice se systémem tyčí a konektorů:^{35 36}

Charakteristiky:

• Flexibilní tyče a spojky umožňující 3D konstrukce³⁵
• Ideální pro velké pohyblivé struktury (horské dráhy, věže)^{36 37}
• Výhodnější cena než LEGO^{37 36}
• Méně realistický vzhled než LEGO³⁶

STEM vzdělávání:

• Zaměření na technické principy a inženýrství³⁷
• Vhodné pro děti od 5 let³⁷
• Rychlá stavba velkých konstrukcí³⁶

Kompatibilita: K'NEX vyrábí kostek kompatibilní s LEGO. Universal Construction Kit umožňuje propojení obou systémů.³⁵

Další kompatibilní značky

CaDA:

• Vysoce kvalitní technic sady³⁸
• Vlastní výroba dílů³⁸
• Lepší motorizace než LEGO u některých modelů³⁸
• Spolupráce s MOC designéry³⁸

Mould King:

• Dálkově ovládané modely vozidel³⁹
• Ovládání přes smartphone nebo dálkový ovladač³⁹
• Kompatibilní s LEGO³⁹

Alternativní elektronika pro rozhýbání stavebnic

BrickPi

BrickPi je HAT deska pro Raspberry Pi umožňující připojení LEGO Mindstorms senzorů a motorů:^{40 41 42}

Specifikace:

• Připojení až 4 motorů NXT nebo EV3⁴¹
• Připojení až 4 senzorů (digitální i analogové)⁴¹
• Napájení z baterie (8× AA nebo Li-ion baterie)^{43 41}
• Akrylový kryt⁴¹

Výhody:

• Více výpočetního výkonu než EV3 kostka^{42 41}
• WiFi připojení^{42 43}
• Programování v Pythonu, Scratchi nebo Javě^{42 41}
• Možnost připojení k webovým službám⁴²
• Síťové propojení více robotů⁴²

Cena:

• Základní kit: \$99⁴³
• Starter kit s Raspberry Pi 3: \$179⁴³

Programování: VNC vzdálený přístup umožňuje programování a ovládání robota bez přímého připojení k monitoru.⁴³

Raspberry Pi Build HAT

Oficiální produkt z partnerství Raspberry Pi a LEGO Education (2021):⁴⁰

Specifikace:

• Připojení až 4 motorů a senzorů LEGO Technic⁴⁰
• Kompatibilní s LEGO Education SPIKE Portfolio⁴⁰
• RP2040 čip (stejný jako Raspberry Pi Pico)⁴⁰
• Komponenty na spodní straně - prostor nahoře pro Minifigurky⁴⁰

Kompatibilita:

• Všechny 40-pin GPIO Raspberry Pi desky⁴⁰
• Raspberry Pi 4, Zero, 400 (s prodlužovacím kabelem)⁴⁰

Cena: \$25⁴⁰

Elecfreaks

Elecfreaks je přední výrobce modulů a rozšíření pro micro:bit, Arduino a Raspberry Pi Pico:⁴⁴⁴⁵

LEGO kompatibilní produkty:

Ring:bit Bricks:

• Stavebnice kompatibilní s LEGO pro micro:bit⁴⁶
• 6 projektů: semafor, auto, ventilátor, lampa, stěrač, trebuchet⁴⁶
• Více než 200 kostek⁴⁶
• Bluetooth ovládání⁴⁶

TPBot Car Kit:

• Programovatelné auto pro micro:bit⁴⁷
• LEGO kompatibilní⁴⁷
• Více než 400 stavebních bloků⁴⁴
• Funkce: vyhýbání překážkám, sledování čáry, gestové ovládání⁴⁸

Nezha Breakout Board V2:

• 4× IO porty⁴⁵
• 4× motory⁴⁵
• 4× I2C připojení⁴⁵
• 900mAh Li-ion baterie (4 hodiny provozu)⁴⁵
• Kompatibilní s LEGO Technic a Fischertechnik⁴⁵

GeekServo motory:

• Cross-axis osa kompatibilní s LEGO^{49 44}
• 360° rotace s nastavitelným směrem a rychlostí⁵⁰

Space Science Kit:

• Kompletní robotická sada s LEGO kompatibilními díly⁴⁵
• Senzory: vlhkost, teplota (DHT11), ultrazvuk, UV, sledování čáry⁴⁵
• OLED displej, Wi-Fi modul⁴⁵

Open-Cube

Český open-source projekt z ČVUT zaměřený na náhradu kostek LEGO NXT a EV3:^{51 52}

Technické údaje:

• Založeno na Raspberry Pi Pico (ARM RP2040)^{52 51}
• Programování v MicroPythonu^{51 52}
• 4 porty pro senzory⁵¹
• 4 porty pro motory⁵¹

Komunikace:

• ESP-32 modul pro Bluetooth a WiFi⁵²
• Rychlost přenosu: 200× za sekundu přes Bluetooth⁵²

Kompatibilita:

• LEGO NXT senzory a motory^{52 51}
• LEGO EV3 senzory a motory^{51 52}

Napájení:

• 2× 18650 Li-ion baterie⁵¹
• Ochrana proti přebití, vybití a zkratu⁵¹
• Dobíjecí obvod (MP2615A)⁵¹

Stav projektu: Projekt je stále ve fázi beta testování. API není stabilní a může obsahovat změny mezi verzemi firmwaru.⁵³

Brian

Brian je další český projekt z ČVUT jako náhrada za LEGO EV3 a NXT kostky:^{54 53}

Technické parametry:

• 4 porty pro LEGO senzory^{53 54}
• 4 porty pro LEGO motory^{54 53}
• SD karta pro ukládání programů (nezbytná součást)^{53 54}
• 3,5mm jack pro externí reproduktor^{54 53}

Kompletní sada pro 1 skupinu:

• 1384 konstrukčních a spojovacích dílů⁵⁴
• 3 motory (2× velký, 1× střední)⁵⁴
• 2 dotykové senzory⁵⁴
• 1 ultrazvukový senzor⁵⁴
• 1 gyroskopický senzor⁵⁴
• 1 světelný senzor⁵⁴
• Kostka Brian⁵⁴
• USB-C kabel a spojovací kabely různých délek⁵⁴

Programování:

• MicroPython^{53 54}
• Scratch (BriVis) - blokové programování⁵⁴

Možnosti:

• Připojení více kostek Brian dohromady^{53 54}
• WiFi připojení k počítačům nebo telefonům (HW podpora, SW zatím nepodporováno)^{53 54}
• Přístup k souborům na SD kartě^{53 54}

Stav: Projekt je ve fázi beta testování. Používá se pro ROBOSOUTĚŽ na ČVUT.⁵⁴

PiStorms

PiStorms-v2 je další Raspberry Pi Brain pro LEGO roboty od Mindsensors:⁵⁵

• Alternativa k BrickPi
• Kompatibilní s LEGO Mindstorms senzory a motory
• Vlastní programovací prostředí

Další alternativní řadiče

Hummingbird Bit Controller:

• Určen pro micro:bit⁵⁶
• Kompatibilní se senzory a servomotory⁵⁷
• Používán ve vzdělávacích projektech⁵⁷

Wukong Board:

• Rozšiřující modul pro LEGO micro:bit robota⁵⁸
• Kompatibilní s LEGO systémem⁵⁸

Crowbits Inventor Kit:

• Navržen pro micro:bit⁴⁸
• 10 senzorů a balíček LEGO kompatibilních bloků⁴⁸
• Možnost vytvoření 10+ LEGO projektů⁴⁸
• Grafické programování⁴⁸

Srovnání elektronických platforem

Hardwarové požadavky

LEGO oficiální:

• Mindstorms EV3: ARM9 s Linuxem, 16 MB Flash, 64 MB RAM¹³
• SPIKE Prime: RP2040, dobíjecí baterie, 6 portů¹⁸
• Boost: Move Hub s 2 motory, 1 externí motor, senzor barvy/vzdálenosti¹⁷

Alternativní řešení:

• BrickPi: Raspberry Pi (jakákoli verze), 8× AA baterie nebo Li-ion⁴¹
• Build HAT: Raspberry Pi s 40-pin GPIO, RP2040 čip⁴⁰
• Open-Cube: Raspberry Pi Pico, 2× 18650 baterie^{52 51}
• Brian: Vlastní HW, SD karta povinná^{53 54}

Programovací jazyky

LEGO oficiální:

• Blokové programování (Scratch-like)^{17 18}
• LabVIEW (EV3)¹³
• MicroPython (EV3 s rozšířeními)¹³

Alternativní:

• Python, Scratch, Java (BrickPi)^{41 42}
• MicroPython (Open-Cube, Brian)^{51 53}
• C, C++, Arduino IDE (různé platformy)⁵⁹

Konektivita

LEGO oficiální:

• Bluetooth^{17 18}
• USB¹³
• WiFi (limitovaně)¹⁸

Alternativní:

• WiFi (BrickPi, Open-Cube, Brian)^{42 52 53}
• Bluetooth (všechny platformy)
• VNC vzdálený přístup (BrickPi)⁴³
• Webové rozhraní (některé platformy)

Praktické aplikace a příklady

Vzdělávací využití

SPIKE Prime v hodinách:

• 45minutové lekce optimalizované pro školy¹⁸
• STEAM vzdělávání (věda, technologie, inženýrství, umění, matematika)¹⁸
• Kritické myšlení a řešení problémů¹⁸

Robosoutěže:

• FIRST LEGO League Challenge¹³
• World Robot Olympiad¹³
• ROBOSOUTĚŽ ČVUT s kostkou Brian⁵⁴

Pokročilé projekty

Rubikova kostka:

• Robot řešící Rubikovu kostku pod 1 sekundu s LEGO motory⁶⁰
• Využití corner cutting moderních kostek⁶⁰
• Optimalizovaný algoritmus rob-twophase⁶⁰
• LEGO Technic robot s Pyicks firmware⁶¹

Průmyslové aplikace:

• Automatizace výroby⁶²
• Testování (robot tester)²¹
• Výzkum a vývoj⁶²

Budoucnost LEGO Technic v robotice

Trendy:

• Integrace s AI a strojovým učením⁶³
• Cloudové služby a vzdálené ovládání⁴²
• Open-source hardware jako BitBeam^{23 22}
• Komunitní vývoj firmwarů (Pyicks)⁶¹

Výzvy:

• Ukončení Mindstorms (2022)¹³
• Vysoká cena oficiálních LEGO řešení
• Rostoucí popularita open-source alternativ

Možnosti: Robot Inventor jako nástupce Mindstorms, rozšíření kompatibility s herními ovladači, integrace s moderními mikrokontroléry (ESP32, Raspberry Pi Pico), a růst českých projektů jako Open-Cube a Brian.^{20 7 52 53 51 54}

LEGO Technic zůstává klíčovou platformou pro vzdělávací robotiku s bohatým ekosystémem kompatibilních stavebnic a alternativní elektroniky. Kombinace oficiálních řešení a open-source alternativ poskytuje široké možnosti pro výuku, hobby projekty i profesionální aplikace.