Lego, Speechi, Artec et moi : comment nous avons conçu nos robots pédagogiques

Souvenirs de Lego…

Autant qu’il m’en souvienne, j’ai toujours joué avec des Lego étant petit. Quand Lego a sorti sa gamme de robots Lego Mindstorm, j’ai été très admiratif de l’initiative et du résultat obtenu.

J’ai écrit comment j’ai acquis la conviction, il y a 6 ou 7 ans, que la robotique devait être intégrée à l’enseignement en fin d’école primaire et au collège. À l’époque, mon objectif était de l’introduire sous forme de « Legos simplifiés » – je trouvais en effet que les kits de robotique Lego Mindstorms étaient un peu trop complexes.

J’ai lancé diverses recherches mais, pendant des années, je n’ai rien trouvé de mieux que Lego – et donc, il n’y avait aucun intérêt pour Speechi à lancer une offre de robotique nouvelle, si elle restait en dessous de l’offre existante.

Les principes de design de nos robots

La brique de base du robot Lego : de haut en bas

Ce n’est que lorsque l’année dernière j’ai pris connaissance des briques de construction de la société japonaise Artec que je me suis dit qu’on pouvait sans doute aller plus loin. Les briques de construction Artec, en effet, m’ont semblé meilleures que les briques Lego pour enseigner simplement la robotique. Je vais essayer d’expliquer pourquoi dans la suite de cet article. J’expliquerai aussi la source des principaux choix que nous avons faits.

Avant de comprendre les avantages / inconvénients des différentes technologies, il faut voir en quoi les briques diffèrent. Tout le monde connaît parfaitement la brique de base qui a fait le succès de Lego : elle se connecte par le bas et par le haut, de façon extrêmement simple. À vocation universelle, elle est utilisée dans tous les robots, soit sous sa forme complète, soit sous forme de variantes (demi-brique, tiers de brique, etc).

La brique de base du robot Artec : multidirectionnelle

Apprendre à programmer n’a rien à voir avec créer un nouveau jeu de construction

La brique Artec est de conception complètement différente. Sa principale caractéristique est qu’elle se connecte dans toutes les directions : en haut, en bas, mais aussi en diagonale. Du coup, il est possible très facilement de partir dans toutes les directions quand on effectue sa construction et ceci rend, je l’ai constaté, le processus de construction beaucoup plus simple et plus rapide car, en règle générale, beaucoup moins de briques sont nécessaires.

Or, quand on enseigne l’informatique au collège en utilisant la robotique, le temps passé à construire le robot est pris sur le temps passé à apprendre à coder – l’apprentissage du code étant le tout premier objectif. Il est donc contre-productif de passer du temps sur la construction elle-même, non pas que la construction ne soit pas intéressante, non pas qu’elle lasse l’élève, mais par rapport à la matière enseignée, elle est tout simplement « hors sujet ». Pour moi, la conception originale de la brique Artec est donc un grand avantage par rapport à la brique Lego (ou Lego Mindstorm).

Quantitativement : moins de briques, des robots plus faciles à construire avec Artec

Si on effectue des comparaisons en prenant des robots Lego et Artec de complexité comparable, on constate que ce gain est réellement important. Sur les robots comparés (traceur de ligne et bras robotique, voir ci-dessous), le robot Artec est 2 à 3 fois plus rapide à construire que le robot Lego. Et il nécessite à peu près deux fois moins de briques.

La conséquence première est que les enfants vont avoir plus de temps à consacrer à la programmation elle-même. Nous pensons que plus le robot devient complexe sur le plan mécanique, plus cet avantage va croître en faveur de la technologie Artec. Ainsi, le robot « Transformer » que tout élève de collège peut réaliser avec la brique Artec nous semble presque impossible à réaliser avec Lego – sauf à rajouter de multiples pièces spécifiques. Je reviendrai sur ce point.

Qualitativement : Simplifier le chemin qui mène de l’idée à la réalisation

De façon qualitative, on sent l’avantage qu’apportent les briques Artec sur le plan de la créativité à partir de quelques exemples très simples.

Plus de points de connexion

Moins de briques Artec sont nécessaires pour construire le même robot

Sur l’exemple ci-dessus, (traceur de lignes Lego Mindstorm), 5 points de connexion sont disponibles pour des briques, à partir desquelles la construction évolue de façon privilégiée dans une seule direction du fait de l’architecture de la brique. Mais 17 points de connexion sur le robot « équivalent » construit avec Artec, et à partir de ces 17 points, on peut partir dans absolument toutes les directions sans contrainte (en haut, en bas, en diagonale).

Ainsi, on peut construire un robot Artec autour d’un grand nombre de thèmes différents sans problème, toujours en n’utilisant que les 3 briques de base (ci-dessous, un tank et un oiseau…). Pour obtenir un résultat identique avec Lego, il faut en général utiliser des pièces spécifiques, c’est-à-dire créées pour un dessin précis, ce qui à mon avis limite la créativité.

Les briques spécifiques / les briques universelles (des philosophies « produit » différentes)

Lego a effectué un travail splendide pour « contourner » la limitation de sa brique de base et en faire un avantage. De fait, Lego propose de multiples boîtes Lego Mindstorms conçues « sur mesure » pour développer un robot spécifique. Ces boîtes contiennent alors des pièces spécifiques qui serviront à la réalisation d’un seul robot, certes, mais ce robot pourra alors être spectaculaire puisque les pièces nécessaires à sa construction auront été conçues sur mesure. Ainsi en est-il du dernier robot Lego Boost : le résultat est magnifique, la finition est parfaite.

Cependant, le parti que nous avons pris dans notre offre robotique est exactement contraire. Nos boîtes sont conçues pour être universelles, c’est-à-dire qu’elles peuvent être utilisées pour construire tous types de robots sans acheter de kit complémentaire ou de pièces sur mesure, réalisées pour un modèle de robot précis. Aussi notre boîte robotique « Éducation Nationale » peut-elle être utilisée sans modification ni ajout du CM1 au Lycée. Et elle permet de construire tous les types de robots possibles, du feu rouge au bras robotisé. Nous pensons que cette approche (peu de pièces, beaucoup de robots) est plus efficace aussi bien pour apprendre à programmer que pour développer la créativité de l’enfant.

L’approche logicielle : le langage Scratch

Voici donc pour les briques, mais il y a aussi une différence d’approche au niveau de l’environnement logiciel entre la solution que nous proposons pour nos robots et celle de Lego.

Lego propose son environnement logiciel de programmation EV3 qui est propriétaire et séparé des autres langages de programmation. Le passage d’EV3 à des langages connus comme le C ou le Java n’est pas continu. Il n’y a pas de passerelle de l’un vers l’autre.

La solution principale que nous proposons, du CM1 au collège, est une solution ouverte basée sur l’environnement Open Source Scratch (programmation par blocs). Mais la solution proposée permet aussi d’utiliser l’environnement Open Source de la carte Arduino (un environnement utilisé par des dizaines de milliers de développeurs), ainsi que du C. Dans sa version la plus simple, pour les débutants, l’environnement Speechi / Artec permet de programmer à partir d’icônes, sans langage. Il y a donc de façon « native » à travers la solution proposée un passage continu de la programmation par icônes, à la programmation par blocs et aux langages « réels » (C, Java…).

D’autre part, comme notre environnement de programmation des robots  est construit autour de Scratch et que Scratch est une solution Open Source, nous bénéficions en permanence des évolutions de l’environnement Scratch, qui est le plus utilisé au monde pour l’apprentissage de l’informatique. Le dynamisme de la communauté nous permet d’avancer très rapidement pour développer de nouvelles fonctionnalités logicielles, plus rapidement a priori que ne peut le faire une équipe de développeurs travaillant sur le développement de son propre environnement.

L’approche matérielle (Arduino): un environnement ouvert et standardisé pour la robotique

La carte électronique qui est le « cerveau » des robots est, dans la solution Speechi / Artec, une carte Arduino. Le tracé de cette carte est public (Open Source) ce qui fait que des milliers de capteurs, de moteurs, de périphériques ont été développés pour cette carte, qui est sans doute le circuit électronique le plus diffusé au monde pour ce genre d’applications. Nous avons ajouté à la carte Arduino un emballage en plastique, pour la protéger et la rendre plus facilement manipulable par des enfants, mais nous n’avons pas changé ses connecteurs ni son dessin. En conséquence, la connectique est standardisée.

Sortir du cadre

Il est ainsi possible de connecter immédiatement aux robots Artec / Speechi, en plus des solutions que nous proposons dans nos boîtes, toutes les solutions qui ont pu être développées autour d’Arduino (moteurs, moniteurs, écrans, GPS, connexions BlueTooth, etc – des milliers de solutions). La possibilité de créer et de développer de nouvelles fonctionnalités est sans fin.

Par exemple, lorsque nous avons voulu réaliser des robots plus grands que ceux habituellement proposés dans nos boîtes, pour pouvoir les exposer sur un stand, nous avons dû rechercher des moteurs plus puissants pour faire bouger ces robots. Cela a été instantanément possible de les acheter – leur coût est modique – en recherchant au sein du « catalogue » Arduino et nous avons pu instantanément connecter et programmer ces nouveaux moteurs.

L’architecture des robots Lego

Lego a choisi une architecture fermée. Les connecteurs ne sont pas les connecteurs courants utilisés en électronique, mais des connecteurs RJ12, conçus pour les produits Lego. Il reste probablement possible de connecter des périphériques tiers, mais il va falloir recâbler ceux-ci, ce qui est long et fastidieux à réaliser – la solution Lego (environnement EV3) n’a tout simplement pas été conçue dans cet esprit.

Une offre générique permettant de réaliser tous types de robots

De fait, l’offre que nous proposons dans nos boîtes de base est conçue immédiatement avec un grand nombre de capteurs et d’effecteurs (moteurs), car nos boîtes de base ont pour objectif de permettre aux enfants de créer un grand nombre de robots différents.

Ci-dessous une comparaison de l’électronique (capteurs / effecteurs) des boîtes du Kit Lego Éducation Mindstorms , d’une boîte Artec Robo de base (Robots élémentaires) et d’une boîte Artec de robots avancés.

Un cursus éducatif complet pour apprendre la robotique au collège

Notre kit de robotique Éducation Nationale n’est pas une simple mallette de pièces accompagnée de guides de montage. Il est bien plus que ça, puisque, avec cette boîte, le professeur dispose également d’un cursus complet de cours pour enseigner la programmation à ses élèves. Ce cursus de cours est réparti sur 4 manuels téléchargeables depuis notre site École Robots et donne lieu à 16 heures de cours minimum. Chaque manuel prend pour sujet un objet de la vie quotidienne que l’élève construira et pour lequel il élaborera des programmes à la difficulté progressive.

[Cet article a été publié initialement via le blog de Speechi. ]

Article diffusé dans le cadre d’un partenariat