XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-информатор Infobot
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С появлением умных домашних систем и целой сферы бытовых роботов-помощников жизнь современного человека с каждым днём становится только лучше и лучше. То, что было для нас вполне привычно, рутинные ежедневные действия и алгоритмы, теперь совершенно не актуальны, а люди всё больше стремятся к созданию инновационных решений в целях экономии сил и времени. Эти решения привели нас к тому будущему, в котором мы живём уже сегодня, стремительно развивая и совершенствуя каждое новое изобретение человечества.
Актуальность темы:
Популярность домашних роботов с каждым днём возрастает с невероятной скоростью. Наличие собственного домашнего робота стало как полезным, так и модным. Они способны выполнять множество различных функций, от самых полезных в помощи по дому до развлекательных, в целях улучшения настроения своего хозяина. Также некоторые из таких роботов могут разбудить ребёнка на учёбу, напомнить план дня, сделать вместе с ним зарядку, помочь в выполнении домашнего задания или же просто составить хорошую компании и поддержать приятную беседу.
Но совсем недавно в связи с карантинными мерами жизнь многих людей на земле приняла совершенно неожиданный поворот. Мы оказались надолго закрыты в своих домах без возможности даже безопасно выйти в магазин, надеясь не подхватить быстро распространяющийся вирус. И в этот непростой период потребность человека в домашних роботах возросла, как никогда. Во избежание одиночества стал так необходим робот-собеседник, с которым отлично можно провести время, а чтобы не подвергать своё здоровье риску, разумнее всего отправить своего робота в магазин вместо себя. Именно одно из таких решений мы придумали, создав собственный проект с домашним роботом-информатором Infobot.
Цель исследования: Создание мобильного домашнего робота-информатора Infobot на базе конструктора Lego Mindstorms EV3, способного ориентироваться как дома, так и за его пределами, на Bluetooth связи с роботом-компаньоном Nester.
Задачи исследования:
Изучить сферу умных домашних систем и их функций;
Сформировать и описать список самых востребованных домашних роботов-помощников;
На основе изученной информации, показать необходимость домашних роботов в нашей повседневной жизни и создать мобильного домашнего робота-информатора Infobot на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 с роботом-компаньоном Nester.
Глава 1. Умные домашние системы.
Дом будущего больше не мечта
Как и наши мечты, дома меняются со временем. С улучшением уровня жизни они становятся все более и более комфортабельными, эргономичными, технологичными и «умными». При этом устанавливаются новые тренды и формы, которые отвечают потребностям нового стиля жизни [1]. Если, раньше говоря «умный дом», чаще всего имели в виду сложную и дорогостоящую систему дистанционного управления светом, отоплением и другими системами, то теперь это понятие расширилось. Появились «умные» отделочные материалы, приложения для iPhone, которые дают возможность выключать электроприборы на расстоянии (на случай, если вы забыли отключить утюг от розетки), и роботы, которые могут делать за вас уборку [2].
Существует несколько основных преимуществ «умного дома» перед обычными, где приходится обходиться самостоятельно, тратя при этом множество времени и сил:
Освещение
Задача: выходя из дома вспомнили, что не выключили свет в комнатах. Не хочется возвращаться?
Решение: свет можно выключить удаленно с телефона.
Климат
Задача: зашли утром в ванную и по ногам пробежал резкий холод?
Решение с умным домом: отопление и тёплый пол включатся автоматически за час до пробуждения. Утро будет тёплым.
Мультимедия
Задача: решили посмотреть фильм с семьей. Хотите приятную обстановку и нет желания вставать с дивана, искать пульты?
Решение: нажмите всего одну кнопку и включится телевизор, закроются шторы, выключится лишний свет.
Безопасность
Задача: никого нет дома. Боитесь воров или потопа?
Решение: мобильное приложение покажет, что происходит дома, информирует о протечках и движении. Система включит свет по расписанию - создаст иллюзию присутствия владельцев и отпугнет грабителей [3].
Появляется всё больше недорогих устройств для управления домашними коммуникациями, которые можно контролировать с помощью приложения для iPhone. Например, термостат Nest, разработанный бывшим сотрудником Apple, cтоит всего 249$ и предсказуемо напоминает технику компании Apple. Термостат помогает экономить энергию (он выключает отопление, когда дома никого нет), а с помощью мобильного приложения можно регулировать температурный режим на расстоянии. И это лишь одно из невероятного множества полезных устройств умного дома [4].
Геодезические купола — дома-сферы
В основе купольных домов — технология геодезический сферы (Рисунок 1.1.1 Приложения). Это архитектурная конструкция, у которой отличные несущие качества — чем больше размер строения, тем более оно устойчиво. Небольшие же сооружения создаются довольно быстро: дом собирается за неделю, а теплица — за один день. Сама конструкция проста и обходится недорого из-за своей популярности. Дома-сферы — не новость. Над созданием концепции работал с 1947 года американский архитектор Ричард Бакминстер Фуллер. Он до конца своей жизни интересовался геодезическими сферами. Страсть обернулась проектом «Девятое небо», согласно которому дома будущего будут летать за счет нагретого воздуха.
Прозрачный дом — Memu Meadows
Для дома Memu Meadows (Рисунок 1.1.2 Приложения) японский дизайнер Кенго Кума использовал максимально экологичные материалы. Так, каркас создан из обычной лиственницы, а для стен Кума использовал тефлон, стеклоткани и утеплитель, который изготовлен из переработанных пластиковых бутылок. Благодаря этим материалам стены дома достаточно прочные, чтобы не пропускать холод, но тонкие и пропускают свет, из-за чего дом напоминает китайский фонарик.
Дом для любителей конструктора — Kube
Как можно догадаться из названия, жилище выполнено в форме куба (Рисунок 1.1.3 Приложения). Весь домик сделан из стеклопластика. По словам разработчиков, конструкция выдерживает порывы ветра до 140 км/ч. Планировка дома также зависит лишь от предпочтений владельца: у жителей «куба» есть возможность делить пространство на комнаты при помощи модульных перегородок из того же стеклопластика.
Модульный дом — Modul Go
Концепт плавучего дома Modul Go (Рисунок 1.1.4 Приложения), по задумке автора, можно будет оборудовать не только в квартиру, но и в резиденцию или даже в ресторан: вариантов множество, все зависит от фантазии будущего владельца. Модульный дом размещается на плавучей платформе (Рисунок 1.1.5 Приложения) размером 9х4,5 м или 13х6,5 м. В движение ее приводят электродвигатели. Энергию обеспечит солнечная батарея, размещенная на крыше судна. Кроме того, разработчик пообещал установить систему очистки воды, но другие технические подробности пока что держатся в секрете.
Микроквартира — EcoCapsule
EcoCapsule — дом для минималистов и путешественников (Рисунок 1.1.6 Приложения). Владелец капсулы сможет перевозить её в обычном грузовом контейнере или тащить на буксире в любой уголок света. Если у счастливчика будет летающее авто, то капсулу можно поставить и на крышу многоэтажки. В капсуле есть все, что нужно для более-менее комфортной жизни: кровать, душ, туалет, маленькая кухня с канализацией и несколько отсеков для хранения одежды и других необходимых вещей. Причем, все эти удобства работают без использования электросети. Мини-квартира добывает энергию при помощи встроенной ветровой турбины и солнечных панелей на крыше. Также она оснащена системой двойной энергии и высокоемкостной батареей, чтобы наслаждаться благами цивилизации можно было даже в безветренную погоду. Капсула собирает дождевую воду и росу. Вся жидкость проходит двухступенчатую фильтрацию, после чего ее сразу же можно пить [5].
1.2 Безопасность дома
По статистике МВД, каждое 32-е зарегистрированное преступление — квартирная кража. При этом 80% всех краж совершается в то время, когда хозяева отсутствуют — в сезон отпусков и во время продолжительных праздников. Надежный способ обеспечить безопасность жилища — установка охранной системы. И если в квартире в основном применяется только один ее тип — защита от проникновения, — то в частном доме система безопасности может включать множество подсистем: наблюдение за подходами и подъездами к зданию, охрана периметра, охрана внутренних помещений.
На сегодняшний день существует четыре основных вида охранных систем:
СОТС — система охраны и тревожной сигнализации. При проникновении в помещение срабатывают тревожные датчики, и на пульт охранной службы поступает сигнал. Это самый распространенный вид охраны квартир и офисов в многоэтажных постройках.
СКУД — система контроля и управления доступом. С ее помощью можно управлять замками, приводами внешних ворот, осуществлять контроль доступа в помещения, куда вход посторонних нежелателен.
СОВН — система охранного видеонаблюдения, осуществляемого с помощью специальных камер.
СИТУ — система инженерно-технической укрепленности. К ней относится в том числе высота забора, прочность окон и ворот, надежность дверных замков, наличие бункера или потайных укрепленных комнат — все, что может осложнить злоумышленникам доступ в помещение.
«Умный дом» — технология управления всеми охранными системами с помощью одного устройства.
Каждая из систем способна обеспечить безопасность и достаточно надежна, но всё же более остальных систем особенно выделяют вариант «Умного дома», являющегося самым надежным на данный момент. Она позволяет следить за состоянием дома практически отовсюду — требуется только любое устройство с выходом в интернет: планшет, смартфон или ноутбук. Контроль в рамках системы ведется круглосуточно, а сигнал поступает владельцу и на пульт охраны сразу же, как только происходит любая нештатная ситуация [6].
В итоге, изучив функции современного дома будущего, мы узнали, что на данный момент он включает в себя не только стильный фасад и различные удобства, помогающие значительно сэкономить время и силы, но и полезные устройства для улучшения потребления энергии, сохранения круглосуточной безопасности, экологичные материалы, а также возможности, которые пока кажутся даже за гранью нашей фантазии.
Глава 2. Робот – новый друг человека.
2.1 Роботы-помощники
Современные роботизированные машины умеют заказывать продукты, заботиться о домашних животных, вызывать скорую, мыть полы, убирать детские игрушки и находить потерянные вещи. Если совсем недавно мы только мечтали о роботах-домработницах из фантастических фильмов, то уже сегодня их можно с лёгкостью заказать через интернет. Похоже, будущее наконец, настало. Механические собратья с каждым годом берут на свои плечи всё больше наших рутинных ежедневных обязанностей. Благодаря последним технологическим разработкам, роботам-помощникам на сегодняшний день можно доверить как стандартные, так и более сложные и творческие задачи.
На данный момент рынок домашних роботов составляет $3,3 млрд, но уже к 2024 году он вырастет до $9,1 млрд. Согласно прогнозу, за 5 лет он увеличится в среднем на 22,4%. Технологические достижения позволяют домашним роботам становиться всё более практичными и удобными в использовании с каждым днём. Рост потребительского спроса — еще один фактор, который позволяет рынку бытовых роботов значительно развиваться. Представляем вам список самых востребованных бытовых роботов современности:
Cue Robot
Этот робот (Рисунок 2.1.1 Приложения) ростом 9,5 дюймов оснащен эмоциональным интеллектом, который позволяет ему развивать личность — вы можете запрограммировать его на один из трех типов. С ним возможно взаимодействовать с помощью текстовых сообщений, на что он ответит шуткой или мемом, а наличие искусственного интеллекта, с учетом таких человеческих качеств, как смелость, обаяние и настойчивость, сделает общение ещё более живым и забавным.
Мойщик окон Alfawise Magnetic
Робот работает совсем как пылесос (Рисунок 2.1.2 Приложения), но у него есть подушечки из микрофибры для очистки стекла и функции, подобные всасыванию, чтобы он не падал с окон. Наличие такого мойщика может сэкономить уйму времени, особенно, если окна в доме большие.
Роботизированная газонокосилка Worx Landroid
Вместо того, чтобы платить соседу за работу на газоне, лучше приобрести робота-газонокосилку (Рисунок 2.1.3 Приложения). Landroid Worx предназначен для ежедневного ухода за газоном. Устройство не громкое, в отличие от традиционных моделей. Оно может вернуться на свою зарядную станцию, когда разрядилась батарея или начался дождь.
Робот Beam — контроль, когда вас нет рядом
В то время как FaceTime и Skype позволяют легко общаться в чате, когда мы находимся вдалеке от дома, Beam System делает шаг вперед (Рисунок 2.1.4 Приложения). Боссы могут проверять сотрудников, когда их нет в офисе, родители — наблюдать, как дети делают домашнюю работу и многое другое. Такое изобретение позволит забыть о беспокойствах в моменты отсутствия дома.
Робот, который оживляет Amazon Alexa
Lynx (Рисунок 2.1.5 Приложения) обладает возможностями Amazon Alexa, поэтому робот способен предоставить прогноз погоды, воспроизвести музыку или составить список дел. По желанию хозяина Lynx также может научить йоге и показать несколько танцевальных движений. Кроме того, робот имеет функции безопасности: он записывает 30-секундное видео, если обнаруживает движение, когда хозяина нет дома, и отправляет его в приложение для смартфона.
Appbot Riley — роботизированная охрана для вашего дома
У этого робота (Рисунок 2.1.6 Приложения) есть решение для стационарных систем охранной сигнализации и камер видеонаблюдения, которые не позволяют получить полный обзор дома. Подключенный к Wi-Fi, Райли путешествует по дому, используя камеру ночного видения и детекторы движения для поиска подозрительных действий и отправляет оповещения на телефон. Робот также имеет встроенный микрофон, который позволяет прослушивать, что происходит в доме, или проверять, кто дома.
MiP — ваш роботизированный личный помощник
Личный помощник MiP (Рисунок 2.1.7 Приложения) может принести что-нибудь из холодильника, или вообще книгу, которая находится в другой комнате. С ним даже не нужно разговаривать— он реагирует на жесты рук и команды из приложения для смартфона. MiP работает по Bluetooth, поэтому можно обойтись и без Wi-Fi. Робот носит вещи на своем встроенном лотке [7].
2.2 Роботы-информаторы
Иногда, их называют роботами для работы в общественных местах, но это наименование слишком широкое и не может считаться подходящим для данной категории. Роботы-информаторы предназначены для интерактивного взаимодействия с людьми, их информирования по интересующим людей вопросам. Также в функционал таких роботов могут входить способности "танцевать" и "петь", что позволяет говорить об их информационно-развлекательном назначении.
Они являются полуавтономными системами, некоторые из них используются в режиме телеуправления, но также они могут действовать автономно. В режиме телеуправления ответами робота и принимаемыми решениями занимается оператор. В автономном режиме робот действует сам на основе анализа речи и изображения с камеры. Говорит робот с помощью синтезатора речи. Некоторые из таких роботов снабжены функционалом распознавания лиц и памятью на лица тех, с кем уже были знакомы ранее.
Классификация роботов-информаторов
По внешнему виду
антропоморфные
другие
По размерам
ниже (меньше) человека
размером с человека
По системе движения
стационарные (киоск)
мобильные (ходящие, ездящие) [8]
Сформировав список самых востребованных роботов-помощников на сегодняшний день и проанализировав назначения роботов-информаторов, мы пришли к выводу, что данные роботы просто необходимы человеку, их функционал довольно объёмный и разнообразный, что значительно повышает их потенциал в ежедневном использовании человеком. Поэтому мы решили объединить некоторые функции роботов-помощников и информаторов в одном автономном домашнем роботе.
Глава 3. Мобильный робот-информатор Infobot и робот-компаньон Nester
Данный проект мы создали с идеей мобильного робота-информатора Infobot (Рисунок 3.1 Приложения), который может отлично передвигаться по дому (Рисунок 3.2 Приложения), проезжая при необходимости даже по разбросанным вещам или шероховатым поверхностям за счёт гусеничной платформы (Рисунок 3.3 Приложения), способной даже приподнимать корпус робота при столкновении с более сложной поверхностью. Также датчиковая система, расположенная на уровне корпуса модели, позволяет ему ориентироваться в пространстве, замечая ближайшие объекты, объезжая их, или же при столкновении, через некоторое время самостоятельно выезжать из тупика.
В дополнение к данному роботу без проблем можно присоединить переносную камеру, чтобы, к примеру, следить за расположением ребенка в доме, передавая видеоинформацию родителям по WiFi или Bluetooth, или же вести мониторинг за домашними животными в отсутствие хозяина. Кроме того, Infobot может запросто сходить за какой-нибудь вещью дома или же в магазин вместо человека по навигатору с переносной камерой, чтобы купить что-то не слишком тяжелое. Именно для этого мы решили сконструировать в помощь ему робота-компаньона Nester, способного следовать за Infobot по связи Bluetooth. Связавшись предварительно с нужным магазином, можно подключить консультанта, чтобы Nester получил желаемый товар, или же передать сообщение консультанту через Infobot на дисплее модуля EV3.Таким образом, покупка окажется без риска для здоровья в период карантина, а робот по прибытии домой может пройти соответствующую обработку.
Мы сконструировали каждую модель на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. В модели робота-информатора Infobot установлено:
1 модуль EV3 в качестве основной части корпуса робота и центра управления и запуска программы;
2 больших мотора, вращающих 2 гусеничных механизма с обеих сторон (Рисунок 3.4 Приложения);
3 датчика ультразвука в целях ориентирования в пространстве;
1 датчик касания для выезда из тупиков (Рисунок 3.5 Приложения).
Далее мы описали работу программы Infobot (Рисунок 3.6 Приложения).
Infobot начинает ехать вперед, пока передним датчиком ультразвука не увидит какой-либо предмет на расстоянии 15 см., в случае обнаружения объектов этим или другими датчиками ультразвука на корпусе, он будет в цикле поворачиваться от объекта в сторону свободного движения. А если передний датчик ультразвука не успеет среагировать на объект перед ним, то при соприкосновении с объектом будет нажат датчик касания, и робот самостоятельно сможет выехать из тупика.
В модели робота-компаньона Nester установлено:
1 модуль EV3 (Рисунок 3.7 Приложения) в качестве основной части корпуса робота и центра управления и запуска программы;
2 больших мотора, вращающих 2 гусеничных механизма с обеих сторон;
1 датчик ультразвука для следования за роботом Infobot (Рисунок 3.8 Приложения).
В процессе работы программы (Рисунок 3.9 Приложения), он начинает ехать, после старта робота-информатора за ним, но как только расстояние между ним и Infobot становится меньше 20 см., то он останавливается, в случае увеличения расстояния, вновь продолжает движение. Также нами были проведены эксперименты (Рисунок 3.10 Приложения) по движению роботов совместно по связи Bluetooth (Рисунок 3.11 Приложения), что получилось отлично, но только в процессе совершенствования проекта мы сможем объединить следование по связи (Рисунок 3.12 Приложения) и весь функционал для полноценной работы нашего проекта.
Заключение
Сейчас мы не живем в футуристическом мире, основанном на летающих автомобилях или отдыхе на просторах космоса. Но значительные изменения в жизни всё-таки происходят. Несмотря на представления о том, что образ дома не претерпел существенных изменений в течение десятилетий, наша домашняя жизнь в XXI веке радикально изменилась. Роботы для дома постепенно входят в наш быт — будущее наступает, даже если мы этого не осознаем.
Уже сейчас существуют роботы, которые занимаются уборкой по дому, сушкой и глажкой белья, проведением экскурсий для гостей и многим другим. Футурологи уверяют, что такими темпами к 2050 году роботы полностью возьмут на себя рабочие функции женщин-домохозяек и нянь для детей.
Таким образом, показав необходимость домашних роботов в нашей повседневной жизни, мы создали мобильного домашнего робота-информатора Infobot на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 с роботом-компаньоном Nester, как одно из решений наступившей эпидемиологической ситуации. Поэтому мы считаем, что наш проект можно смело вводить в реализацию в целях обеспечения безопасности здоровья человека и помощи по дому!
Список используемой литературы:
1. https://design-mate.ru/read/objects/house-of-future-form-and-format-of-life-in-golden-age-of-design
2. http://www.lookatme.ru/mag/live/future-research/194385-smart-home
3. http://lp.xn--90agbca1bhi6bfb6e.xn--p1ai/
4. http://www.lookatme.ru/mag/live/future-research/194385-smart-home
5. https://hi-tech.mail.ru/review/vybiraem-zhilishche-budushchego/
6. https://www.kp.ru/guide/sistemy-bezopasnosti.html
7. https://mentamore.com/robototexnika/rejting-luchshix-robotov.html
8. http://robotrends.ru/robopedia/promoboty
Приложение
Рисунок 1.1.1 – Геодезические купола — дома-сферы
Рисунок 1.1.2 – Прозрачный дом — Memu Meadows
Рисунок 1.1.3 – Дом для любителей конструктора — Kube
Рисунок 1.1.4 – Модульный дом — Modul Go
Рисунок 1.1.5 – Модульный дом — Modul Go
Рисунок 1.1.6 – Микроквартира — EcoCapsule
Рисунок 2.1.1 – Cue Robot Рисунок 2.1.2 – Мойщик окон
Рисунок 2.1.3 – Роботизированная газонокосилка Worx Landroid
Рисунок 2.1.4 – Робот Beam
Рисунок 2.1.5 – Lynx
Рисунок 2.1.6 – Appbot Riley Рисунок 2.1.7 – MiP
Рисунок 3.1 – Infobot
Рисунок 3.2 – Передвижение Infobot Рисунок 3.3 – Сборка платформы
Рисунок 3.4 – Большие моторы с гусеничными механизмами
Рисунок 3.5 – 3 датчика ультразвука и 1 датчик касания
Рисунок 3.6 – Программа Infobot
Рисунок 3.7 – Модуль Nester Рисунок 3.8 – Проверка датчика
Рисунок 3.9 – Программа Nester
Рисунок 3.10 –Эксперименты
Рисунок 3.11 – Передача по связи Bluetooth
Рисунок 3.12 – Прием по связи Bluetooth