IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

РОБОТОТЕХНИКА – ПРОФЕССИЯ БУДУЩЕГО
Карабанович Г.К.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Введение

В мире современных технологий нас все больше и больше окружает робототехника. Робототехника является важной частью современного мира. В повседневной жизни - в школе, дома мы используем огромное количество технических устройств: мобильные телефоны, стиральные машины, компьютерную технику и многое другое, все это является роботами. С каждым годом наука развивается, исследования не стоят на месте. Эта отрасль усовершенствуется в мире очень быстро.

Мне нравится наблюдать за этим прогрессом. Поэтому я всерьез увлекаюсь робототехникой. Когда я собираю своих роботов, я узнаю много нового о программировании, физике, математике, логике. Робототехника, по моему мнению, именно этим и интересна - в ней соединяются многие науки - здесь надо знать информатику, разбираться в физике, математике. При конструировании робота развивается мышление, логика, математические способности, исследовательские навыки. Я принимал участие в VII региональной Олимпиаде по робототехнике, не занял призовое место, но получил большой опыт и узнал много интересного. Мне очень запомнились эти соревнования, ведь я там встретил столько ребят, это дети разного возраста от малышей до студентов, но все они имеют общие интересы.

Робототехника - это мое серьезное увлечение и в будущем я хочу стать успешным специалистом этой отрасли. Поэтому я решил посвятить свой исследовательский проект именно этой теме – «Робототехника – профессия будущего». Тема данной работы является актуальной, так как развитие робототехники происходит постоянно. С момента своего появления полвека назад, роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. Научная новизна проекта заключается в том, что в настоящее время развитие робототехники включено в программу «Развитие отрасли информационных технологий в Российской Федерации на 2014–2020 годы и на перспективу до 2025 года». Как сказал Председатель Правительства РФ Дмитрий Медведев: «Уже в школе дети должны получить возможность раскрыть свои способности, подготовиться к жизни в высокотехнологичном конкурентном мире».

Целью исследовательского проекта является - рассмотреть развитие робототехники в истории человечества, узнать, что она представляет собой на данный момент и какие перспективы ее дальнейшего развития. Я ставил перед собой следующие задачи - изучить историю роботов; узнать, где может пригодиться робототехника; провести анкетирование, чтобы выяснить насколько популярным является увлечение конструированием, среди ребят моего возраста; попробовать себя в роли инженера и собрать, спрограммировать подвижного робота из конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3. Объектом исследовательского проекта является робототехника как отрасль моей будущей профессии.Предметом исследования является робот LEGO MINDSTORMS Education EV3. Гипотеза исследовательского проекта: робототехника может быть не просто игрой, а серьезным занятием, которое может в дальнейшем стать профессией.

Исследовательская работа предусматривает несколько этапов: теоретический - заключается в изучении литературы по данной теме и практический - проведение анкетирования, создание и программирование робота, испытание робота. В ходе исследования были использованы следующие группы методов: теоретические (анализ литературы); эмпирические (анкетирование, моделирование, программирование); статистические (оценка значимости гипотезы и проекта в целом).

Практическая значимость исследования заключается в том, что знания и навыки, полученные при подготовке данного проекта, пригодятся мне в учебе и моем увлечении робототехникой, а в будущем помогут быть более грамотным специалистом. Предполагаю, что в результате исследовательской работы я удостоверюсь в правильности выбора своей будущей профессии - Инженер – проектировщик роботов. А впоследствии у меня получиться создать уникального робота, который поможет людям в бытовых условиях.

1. Теоретическое исследование роботов и робототехники

1.1 Что такое робот и робототехника?

По последним данным, сегодня в мире работают 1,8 миллионов самых различных роботов – промышленных, домашних, роботов-игрушек. При этом самое большое количество роботов используется в Южной Кореи, второе место занял Сингапур, третье – Япония, далее США, Китай. А в России роботов всего около 0,25% мирового рынка, что крайне мало.

Что же такое робот? Карел Чапек ввел в нашу речь слово «робот». Робот – это автоматическое устройство, имитирующее движения и действия человека, это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение.

Робототе́хника (от робот и техника) - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Понятие «робототехника» принадлежит Айзеку Азимову, впервые оно появилось в 1941 году. А в 1942 году он сформулировал 3 закона робототехники: - Робот не может навредить человеку или, бездействуя, допустить, чтобы человеку был нанесен вред; - Робот должен подчиняться приказам, которые дает ему человек за исключением случаев, когда такие приказы противоречат первому правилу; - Робот должен защищать свое существование до тех пор эта защита не противоречит первому или второму правилу.

Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную, военную, космическую робототехнику. При создании робототехники нужно руководствоваться правилами, дружественное отношение к человеку должно быть главным в программировании роботов.

1.2. История создания роботов

Роботы ассоциируются у большинства людей исключительно с новыми технологиями. Однако идее создавать машины подобные людям, уже сотни лет. Существа, напоминающие современных роботов, можно найти даже в мифологии и литературе.

Оказывается, первые мысли к созданию роботов возникли еще до нашей эры: в середине 3-го тысячелетия египтяне изобрели «думающих машин» - внутри статуй прятались жрецы, чтобы давать предсказания и советы. 1495 году Леонардо да Винчи создает проект механического рыцаря, чтобы показать, что машина может двигаться, как человек. Но Леонардо так его и не сконструировал. Это изобретение эпохи Возрождения считается первым в истории роботом.

Рис.1 – Робот рыцарь Леонардо да Винчи

Не остались в стороне и русские механики. Иван Петрович Кулибин в 1769 году сконструировал часы в оригинальной форме в виде гусиного яйца. Часы показывали не только секунды и часы, но также времена года и фазы Луны, при этом они каждый час открывались, а в полдень играла музыка.

Рис.2 – Часы И.П. Кулибина

Швейцарский часовщик Пьер-Жак Дро в 1770 году создал автомат чертежник. Это сидящая за столом девочка, которая выписывала аккуратным почерком буквы, слова и даже могла нарисовать собаку. При этом она плавно покачивала головой и опускала веки в такт движения руки.

Рис.3 – Механический человек Пьера-Жака Дро

1890 году Никола Тесла изобретает пульт дистанционного управления. Без этого устройства многих современных роботов невозможно было бы привести в движение. В 1898 г. Тесла испытал радиоуправляемое судно, после чего шествие роботов по миру было уже не остановить. Один из первых роботов был построен американским инженером Венсли в 1925 году. Автор дал ему имя мистер Телевокс. Телевокс обладал способностью слышать и исполнять несколько различных приказаний, отдаваемых человеком при помощи звуков свистка. Он мог выполнять некоторые домашние работы, заменяя домработницу.

Рис.4 – Робот Мистер Телевокс

В 1936 году советским школьником Вадимом Мацкевичем был создан настоящий робот, который мог поднимать правую руку – это первый робот андроид в России. В 1937 году был удостоен диплома Всемирной выставки в Париже.

Рис.5 – Робот андроид Вадима Мацкевича

1991 – 1993 года появились роботы Е4, Е5, Е6, которые могли ловко подниматься по лестнице. Асимо является отличным спутником, который может ходить достаточно продолжительное время, отвечать на 50 вопросов.

Рис.6 – Робот Асимо

В 2004 году Марк Тилден канадский физик создает игрушку «Робосапиен» - робота-гуманоида для массовой продажи. К настоящему времени роботы продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться, но и переносить грузы, играть на музыкальных инструментах, изображать домашних животных, собирать образцы породы на Марсе, обеспечивать работу международной космической станции, а также участвовать в поиске и спасении людей в чрезвычайных ситуациях.

1.3 Виды роботов

Конструкция роботов, их внешний вид и их назначения могут быть самыми разными. Одни роботы созданы, чтобы упростить человеку работу или сделать ее безопаснее. Другие – ради развлечения. Промышленные роботы составляют больше 80% от всех существующих на сегодня устройств. Выделяют роботов трех поколений. Роботы первого поколения - это роботы с программным управлением, предназначенные для выполнения определенной, жестоко запрограммированной последовательности операций.

Рис.7- Робот первого поколения

Роботы второго поколения – это «очувствленные» роботы, предназначенные для работы с объектами произвольной формы, осуществления сборочных операций, сбора информации о внешней среде с помощью большого количества сенсоров.

Рис.8 - Робот второго поколения

Роботы третьего поколения - это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы, предназначенные для воспроизведения физических и двигательных функций человека, для решения интеллектуальных задач.

Рис.9 – Робот третьего поколения

В последнее время роботы получают большое применение в медицине, разрабатываются модели хирургических роботов. Промышленные роботы выполняют такие задачи: сортировка, перемещение грузов, выполнение сварочных работ. При проведении под водой обследования опасных объектов службы МЧС России используют подводные роботы «Гном». Боевые роботы являются устройствами телеприсутствия, но немногие модели способны уже выполнять задачи без человека. Российские ученые разработали робота шахматиста, который смог обыграть известных гроссмейстеров. Роботы широко используются в образовании – японский гуманоид может общаться на разных языках, давать задания, менять мимику.

Рис. 10 – Гуманоид с мимикой для образовательных целей

Человек постоянно контролирует роботов и определяет, чем и как они будут заниматься.

1.4 Робототехника в современном мире

Сфера робототехники - это активно развивающаяся и подающая надежды сфера. Робототехника мир действительно высоких технологий. Современные роботы кажутся фантастическими и нереальными, рассмотрим самые новейшие разработки робототехники. Робот NAO - это человекоподобный робот, разработанный во Франции в 2012 году, применяется в более чем 200 образовательных учреждениях по всему миру. Он помогает учащимся в освоении компьютерных наук, математики и физики, а также в области взаимодействия робота и человека.

Рис.11 – Робот NAO

Робот Паро - робот в виде детёныша тюленя для оказания успокаивающего эффекта и положительных эмоций у пациентов больниц и домов престарелых. ПАРО попал в книгу рекордов Гиннеса, как самое эффективное средство от депрессии и болезней.

Рис.12 – Робот Паро

Идея создания микроботов, которые «жили» бы в человеческом теле и следили за состоянием здоровья, с каждым годом кажется все менее фантастической. Группа ученых из США, Китая и Израиля представила микробот, который может быть внедрен в организм человека. «Доктор» состоит из трех золотых частей способных доставить в «больное место» препараты.

Рис. 13 - Микробот

Робот Flippy служит одной цели — жарить мясо на гриле для бургеров, определяя степень его готовности с помощью машинного обучения и компьютерного зрения.

Рис. 14 - Робот Flippy

Российский гуманоид робот "Федор" станет одним из членов экипажа, который отправится в пилотируемую экспедицию на Луну. Робот может действовать как внутри космического корабля, так и в открытом космосе.

Рис. 15 - Российский гуманоид робот "Федор"

За беспилотными транспортными средствами будущее. Полицейские машины-роботы в автоматическом режиме в ближайшее время будут патрулировать улицы города Дубая, следить за соблюдением правил правопорядка.

Рис.16 - Полицейские машины-роботы

Робот - патрульный Robocop получил полицейский значок, зачислен в полицию Дубая. Робокоп распознает выражения лиц, жесты.

Рис. 17 – Робот - патрульный Robocop

«Странный» отель на юго-западе Японии заменил работников на роботов. Говорящий по-японски гуманоидный робот и по-английски дино-бот заняли стойку администратора гостиницы для обслуживания иностранных туристов.

Рис. 18 - Гуманоидный робот и дино-бот

Робот Robear предназначен для ухода за пожилыми людьми и для помощи тяжелобольным пациентам, и уже скоро он появится в японских клиниках.

Рис. 19 - Робот Robear

Робот-носильщик, робот-чемодан Gita - двухколесный робот, который может самостоятельно нести до 18 килограмм груза. Он будет следовать за вами по пятам, способен самостоятельно подняться и продолжить движение после неожиданного столкновения с препятствием или падения.

Рис.20 - Робот-носильщик, робот-чемодан Gita

Согласно исследованию Cisco в 2020-х годах роботы станут привычной частью интерьера квартиры и городских пространств. А исследования учёных Оксфордского университета показали, что в ближайшие 10-20 лет ряд популярных профессий или исчезнет, или этой работой займется искусственный интеллект. Роботы заменят людей там, где им приходилось выполнять однообразную работу, нередко тяжелую и опасную, и в таких профессиях, как солдат, врач, риелтор, учитель. Робототехника – профессия будущего! 2. Практическое исследование и его результаты

2.1 Экспериментальное анкетирование учащихся

Учитывая актуальность выбранной темы и широкое применение роботов в повседневной жизни, я предположил, что тема роботов интересна не только мне, но и многим ребятам. Для подтверждения своей гипотезы я провёл анкетирование среди одноклассников (учеников 3Г класса школы №126) и ребят из студии робототехники Легодети, в которой я занимаюсь. Для этого мною была составлена анкета (Приложение 1). Было опрошено 38 ребят, среди них мальчиков - 22, девочек - 16. Результаты анкетирования показали, что тема роботов и робототехники интересна 27 человекам.

Диаграмма 1. Интересна ли Вам тема роботов и робототехники?

Ребята считают, что основное применение роботов в медицине (18 человек), науке (16 человек), в производстве (15 человек).

Диаграмма 2. Где, по Вашему мнению, применяются роботы?

Большинство ребят не знают, как создаются роботы.

Диаграмма 3. Знаете ли Вы, как создаются роботы?

Ребята считают, что роботы нужны в современном мире, они нам помогают выполнять тяжелый труд (23 человека), в медицине (22 человека), обеспечивают нашу безопасность (15 человек).

Диаграмма 4. Для чего нужны роботы в современном мире?

Из числа опрошенных учеников 17 человек не знают, что в повседневной жизни их окружают роботы (это очень печально!), 6 человек отметили, что это – сотовые телефоны, 5 считают роботом игрушки, 3 ребят – машины, пылесос, лего, 2 обратили внимание на телевизор в качестве домашнего робота.

Диаграмма 5. Какие роботы окружают Вас в повседневной жизни?

Оказывается, что из моего класса никто кроме меня не занимается в студии Робототехники, а ребята (8 человек) из группы Легодети посещают занятия с огромным удовольствием.

Диаграмма 6. Занимаетесь ли Вы в студии Робототехники?

Отмечу, что только 12 человек из опрошенных учеников самостоятельно собирали и программировали робота.

Диаграмма 7. Вы самостоятельно собирали и программировали робота?

Еще я решил выяснить: «Хотели бы вы, чтобы в школе появился предмет Робототехника?». На этот вопрос 24 человека ответили - да, и только 4 - нет.

Диаграмма 8. Хотели бы Вы чтобы в школе был предмет Робототехника?

Ответ на важный вопрос для исследовательского проекта «Робототехника – профессия будущего» - «Хотели бы вы в будущем иметь профессию, связанную с робототехникой?» подтвердил мою гипотезу. Мои одноклассники, которые не посещают студий по робототехнике ответили так – 20 человек хотели бы, а 8 нет. Однако, ребята из студии робототехники Легодети, которые серьезно увлекаются роботостроением и программированием, абсолютно все хотят иметь профессию, связанную с данной отраслью, для чего собственно и посещают занятия.

Диаграмма 9. Хотели бы вы в будущем иметь профессию, связанную с робототехникой?

На последний вопрос: «Если бы вы стали инженером робототехники то какого робота бы создали?» ребята ответили так - 19 человек хотели бы создать Робота – помощника в учебе, 14 - Робота – защитника, 13 человек – Робота домашнего питомца.

Диаграмма 10. Если бы вы стали инженером робототехники то какого робота бы создали?

Следовательно, тема роботов и робототехники актуальна среди детей. Из этого опроса я вижу, что многих бы заинтересовал такой школьный предмет, как «Робототехника», а самое главное, что робототехника для некоторых ребят не просто игра, а серьезное занятие, которое в дальнейшем может стать их профессией.

2.2 Создание и программирование робота из конструктораLEGO MINDSTORMS Education EV3

Для робототехники лучше использовать конструктор Lego Mindstorms EV3, это самая последняя модель обучающего конструктора, все его детали подходят друг к другу и можно соединять несколько наборов. Для меня любое конструирование роботов, это не просто четкая сборка по инструкциям, я люблю придумывать, каким будет мой робот сам. Для проекта я придумал, собрал и запрограммировал робота – ROBOT CLEANING по имени МИСТЕР ЧИСТ, который двигается самостоятельно без моей помощи. Его задача делать влажную уборку помещений, искать упавший металлический предмет (игла, булавка). Мой робот ROBOT CLEANING «МИСТЕР ЧИСТ» собран из робототехнического конструктора нового поколения, компании Lego - LEGO MINDSTORMS Education EV3. «Мозгом» модели является микрокомпьютер. К портам этого микрокомпьютера подсоединяются датчики и механизмы. Было использовано 3 больших мотора – 2 мотора вводят в действие колеса, а третий мотор опускает и поднимает швабру. Также датчик Ultra Conic, который видит препятствие (стена, человек либо другой объект) и передает команду моторам, чтобы они выполняли действия программы. (В приложении 2 представлены фотографии внешнего вида робота). Поведение робота задается программой, которую можно создавать при помощи специального программного обеспечения на компьютере. Чтобы составить программу я, в первую очередь, создаю алгоритм. Это набор блоков команд, которыми я могу пользоваться при программировании. Сначала я решаю, какую хочу поставить перед роботом задачу. Например, робот должен опустить швабру (чтобы намочить тряпку), поднять, развернуться, опустить швабру, ехать вперед до тех пор пока не увидит препятствие, развернуться на 90 градусов, ехать вперед пока не увидит препятствие снова. Необходимо также зациклить программу. Далее создаю программу на компьютере. (В Приложении 3 представлена программа для ROBOT CLEANING «МИСТЕР ЧИСТ»). Запускаю робота. Кроме того, можно заменить тряпку для мытья пола на мягкий магнит и таким образом использовать робота для поиска потерявшихся игл и булавок.

Я очень люблю заниматься робототехникой, создавать роботов. Это развивает навыки информатики, математики, технологии, умение объемно видеть предмет и творческие способности. Я считаю это очень полезным, ведь за инженерами, программистами - будущее нашей страны.

Заключение

В наши дни робототехника применяется абсолютно во всех областях и профессиях: в промышленности, в медицине, на войне, в космосе, роботы помогают нам по дому, везде присутствует хоть малая, но доля робототехники, а возможно в будущем и заменят многие профессии человека вообще. Роботы в будущем упростят нашу жизнь, сделают ее комфортнее и доступнее. Роботы всегда будут нужны людям с ограниченными возможностями, а также тем людям, чьи профессии сопряжены с риском. С каждым годом робототехника совершенствуется и развивается, но все же искусственный интеллект не сравнится с человеческим. Создают его люди! И может быть в будущем я. Я считаю, что выполнил поставленные цели и задачи исследовательского проекта, а самое главное подтвердил гипотезу.

В ходе моих исследований, я хотел показать, что изготовление робота очень интересный, увлекательный и познавательный процесс. Над созданием роботов трудятся настоящие ученые и инженеры, но каждый школьник может придумать дизайн одного из них. Выполнив этот проект, я попробовал себя в роли инженера-изобретателя и на практике познакомился с современными технологиями, получил дополнительные знания, полезные для своего дальнейшего профессионального и личностного развития. Я очень хочу, чтобы мое увлечение робототехникой стало моей профессией, но если я не стану инженер-проектировщиком роботов (инженером, программистом и кибернетиком в одном лице), я знаю, что навыки, приобретенные при занятиях робототехникой, пригодятся мне в дальнейшем и в учебе, и в работе.

Мне всего восемь лет, а я уже управляю роботом, который придумал и сделал сам. Представьте себе, что я смогу успеть, ведь у меня впереди вся жизнь, которую я точно хочу связать с робототехникой.

В заключение хочу сказать, что за робототехникой и создателями роботов – будущее!

Список литературы и интернет - ресурсов

  1. Большая энциклопедия «Почемучек». – Москва: Дрофа, 2011.

  2. Большая энциклопедия школьника. – Москва: АСТ-пресс, 2008.

  3. Детская энциклопедия. Техника будущего., М; изд.Литера, 2007 г.

  4. Книга: Легенды и мифы Древней Греции, автор Н.А. Кун, год издания 1985, Издательство: Народная асвета;

  5. Макаров И. М., Топчеев Ю. И. Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003.

  6. Роботы будущего - Петр Шадрин ,М.; изд . Махаон, 2014 г.

  7. "Искуственный интелект" - http://machine-intelligence.ru/robots-types

  8. «История развития робототехники» - http://roboreview.ru/nauka-o-robotah/istoriya-razvitiya-robototehniki.html

  9. "Мой робот" - http://www.myrobot.ru/articles/hist.php

  10. «Развитие робототехники в будущем» - http://robot-ex.ru/ru/newscontent/razvitie-robototehniki-v-budushchem

  11. "Роботы от А до Я" - http://www.joho.ru/medicina.htm

  12. «ProRobot" - http://www.prorobot.ru/12/robot-it-is.php

  13. http://itpoznanie.ru/robotics

Приложение 1. Экспериментальное анкетирование учащихся

Анкета

  1. Интересна ли вам тема роботов и робототехники?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Где по вашему мнению применяются роботы?

В быту, производстве, медицине, образовании, военной сфере, науке, развлечениях

Свой ответ_________________________________________________

  1. Знаете ли вы как создаются роботы?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Для чего нужны роботы в современном мире?

Для улучшения уровня жизни в быту, развития космоса, медицины, для выполнения тяжелого труда, обеспечения безопасности, образования, развлечений

Свой ответ_________________________________________________

  1. Какие роботы окружают вас в повседневной жизни?

Свой ответ_________________________________________________

  1. Занимаетесь ли вы в студии Робототехники?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Вы когда-нибудь самостоятельно собирали и программировали робота?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Хотели бы вы чтобы в школе появился предмет Робототехника?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Хотели бы вы в будущем иметь профессию, связанную с робототехникой?

Да Нет

Свой ответ_________________________________________________

  1. Если бы вы стали инженером робототехники то какого робота бы создали?

Домашний питомец, учитель, уборщик, строитель, повар, защитник, помощник в учебе

Свой ответ_________________________________________________

Большое спасибо!

Приложение 2. ROBOT CLEANING «МИСТЕР ЧИСТ»

   
   

Приложение 3. Программа для ROBOT CLEANING «МИСТЕР ЧИСТ»