XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследователь комнат
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Наверняка, каждый из нас уже не может дождаться того дня, когда сможет пойти в магазин и легко купить робота для уборки дома и прочих скучных дел. До этого момента еще далеко, но технологии не стоят на месте, развиваясь стремительнее с каждым днем. Некоторые компании уже разработали довольно впечатляющих роботов, которые позволяют нам почувствовать, что будущее уже совсем рядом. И это будущее строим сегодня именно мы!
Актуальность темы:
Роботы, способные во многом заменить человека, уже не удивление для нас на сегодняшний день. Мы стали жить с роботами повсюду рука об руку, соприкасаясь с ними на своей работе, учебе или в магазине буквально на каждом шагу. Они помогают нам по дому, доставляют посылки или еду, общаются с нами и выполняют ещё множество важных функций, без которых мы уже не можем представить свою жизнь.
Зачастую нам так необходимы роботы, которые смогли бы заменить нас дома в наше отсутствие, проследить за детьми или помочь найти потерянную вещь. Поэтому проанализировав данную потребность в подобном функционале, мы решили изучить сферы домашних роботов и роботов-исследователей в целях создания своего собственного робота, отвечающего нашим пожеланиям. В итоге, для более приятного восприятия нашего робота окружающими людьми, мы выбрали для него облик одного из животных в ярком цветном варианте, отчасти повторяющего даже его поведение.
Цель исследования: Создание робота-исследователя комнат на платформе новейшего образовательного набора Spike Prime, способного реагировать на объекты в зоне своей видимости и перемещаться с различной скоростью.
Задачи исследования:
Проанализировать сферу современных домашних роботов;
Изучить роботов, исследующих мир вокруг нас;
Описать существующих роботов-животных;
На основе изученной информации создать домашнюю роботизированную змею-исследователя комнат на платформе новейшего образовательного набора Spike Prime.
Глава 1. Невероятный мир роботов.
Домашние роботы на каждый день
Их делают в самых разных областях. Есть социальные роботы, которые помогают скрасить одиночество старикам, или роботы, которые помогают адаптации инвалидов. Очень много интерактивных роботов специально для детей, которые способны повторять движения детей, разговаривать с ними или выполнять различные задания. Есть роботы-официанты, роботы-мойщики машин, роботы-шпионы и еще множество других моделей. Это направление очень популярно и постоянно развивается, хотя до полноценного робота с некоторым подобием искусственного интеллекта еще далеко [1]. Мы решили познакомиться с этой увлекательной сферой домашних роботов.
Робот–туалет для котов
Litter Robot – уникальная самоочищающаяся модель (Рисунок 1.1.1 Приложения), упрощающая уход за кошками. Гаджет, больше похожий на отсек космического корабля, чем на горшок для питомца, оснащен системой фильтрования наполнителя, которая очищает лоток после каждого посещения туалета кошкой. От хозяина требуется лишь убирать содержимое из емкости один раз в несколько дней. В устройство можно засыпать любой наполнитель – это не повлияет на качество работы робота.
Робот-пылесос
Нельзя не упомянуть роботизированного помощника, который трудолюбиво очищает пол от пыли (Рисунок 1.1.2 Приложения). Такой робот-пылесос будет стоить приблизительно от 58 до 800 долларов и выше – окончательная сумма будет зависеть от дизайна, объема мусоросборника, количества производимого шума при работе, наличия моющего режима, функции построения карты помещения, возможности программировать график уборки и прочих параметров. Некоторые модели робопылесов по окончании уборки умеют самостоятельно возвращаться к зарядному устройству, а специальные датчики не позволят технике застрять в труднодоступном месте или врезаться на всем ходу в вашу любимую напольную вазу.
Робот-чемодан
Гаджет (Рисунок 1.1.3 Приложения) вмещает от 15 до 30 кг. и самостоятельно двигается за своим владельцем, ориентируясь на сигнал карманного радиомаячка. Если по какой-то причине робот теряет хозяина из зоны видимости, он тут же оповещает об этом громким сигналом, а цифровая камера и несколько сенсоров позволят избежать столкновения с пешеходами и падения с высоты.
Автоматический мойщик окон
Мойка окон – не самое приятное занятие, к тому же и травмоопасное. Роботы приходят на помощь и тут: отважно берут высоту и умело намыливают стекла. Есть два типа устройств для мойки окон (Рисунок 1.1.4 Приложения). Первый – когда робот состоит из двух частей, одна из которых представляет собой управляющую электронику, а другая – чистящий механизм. Обе части крепятся к оконному стеклу с двух сторон и удерживаются от падения за счет магнитов. Прежде чем начать уборку, мойщик составляет «карту местности», измеряя расстояние до краев стекла. Второй тип робота-мойщика окон крепится к одной из сторон стекла с помощью вакуумных присосок. Через специальное отверстие подается моющее средство, которое робот равномерно распределяет по поверхности посредством влажной салфетки.
Робот для чистки бассейна
Еще один хороший способ избавить себя от рутинной работы. Робот перемещается по стенкам и дну бассейна (Рисунок 1.1.5 Приложения). При помощи специальных щеток грязная вода забрасывается в отсек для фильтрования, в котором оседают инородные элементы. После процедуры остается только вымыть фильтр. С чисткой бассейна площадью 28 квадратных метров робот справится примерно за 2–3 часа. Гаджет, однако, не заменит собой систему очистки воды бассейна – он избавляет только от видимых загрязнений. Зато хозяину такого помощника не придется очищать стенки и дно самостоятельно.
Робоохранник
Rovio (Рисунок 1.1.6 Приложения) будет мониторить вверенную ему территорию. Робот передвигается с помощью колес, оснащен веб-камерой с Wi-Fi и фотоаппаратом, микрофоном с хорошей звукопередачей – полный набор для того, чтобы контролировать весь дом. Rovio выполняет команды хозяина на расстоянии, отлично ориентируется в пространстве и даже, благодаря инфракрасным камерам, видит в темноте. Если батарея разрядится, он самостоятельно отправляется на базу [2].
Робот-друг
Buddy (Рисунок 1.1.7 Приложения)создан для улучшения семейной жизни: развлекать семью, помогать в повседневных делах, делать напоминания, помогать с рецептами на кухне и многое другое. С ним можно следить за своим домом во время отсутствия, подключать все свои умные домашние устройства вместе и даже помогать детям учиться [3].
Роботы, способные исследовать мир вокруг нас
Как бы активно человечество ни узнавало о своей планете, Земля все еще хранит множество тайн. И значительная их часть скрывается под синей гладью. NASA не просто так ищет там ответы на загадки Вселенной, а ученые – затерянные подводные миры. Чтобы углубляться в подводный мир нашей планеты было легче, инженеры разных стран проектируют механических помощников, способных наблюдать за течением жизни, взаимодействуя с морской фауной. Нас особенно привлекли роботы, исследующие именно морские глубины по причине их причудливого вида, чаще похожие на некоторых знакомых нам животных.
Искусственная каракатица
Инженеры немецкой компании Festo любят природу. Они уже создавали робота-стрекозу и робота-паука. В этот раз они решили вдохновиться океаном. Разработчики спроектировали робота-каракатицу (Рисунок 1.2.1 Приложения), предназначенного для сбора и передачи данных о температуре и давлении воды, содержании в ней кислорода и других показателей. Каракатицу назвали Bionic Fin Wave. Робот оснащен двумя силиконовыми цельными плавниками, которые способны работать независимо друг от друга. Каждый из них крепится к 9 рычажкам, которые двигаются при помощи пары электромоторов. Еще один обеспечивает сгибание-разгибание корпуса. Таким образом, конструкция позволяет каракатице передвигаться под водой в любом направлении. Она может плыть вперед, назад, поворачивать и менять глубину погружения. Ориентироваться в пространстве ей помогают датчики давления и ультразвуковые сенсоры. Кроме того, Bionic Fin Wave оснащается батареями, поддерживающими работу, а управление роботом осуществляется дистанционно. Весит он всего 430 грамм, а длина составляет 37 см.
Рыба SOFI
Робот SoF i(Рисунок 1.2.2 Приложения) выглядит и двигается как рыба. Его корпус выполнен из гибкого пластика и силиконового каучука, а внутри размещены электронные датчики, модуль управления, камера и полимерный аккумулятор. В хвосте размещаются воздушно-шлюзовые камеры, которые обеспечивают плавучесть. Робот умеет двигаться прямо, совершать повороты и нырять. При этом он силен для того, чтобы справляться с подводным течением. Руководить SoFi должен водолаз при помощи водонепроницаемого пульта управления с джойстиком, как в игровых консолях. Сейчас рыба способна погружаться на глубину более 15 метров, но в будущем разработчики намерены увеличить этот показатель. Она умеет вести фото и видеосъемку, оставаясь под водой до 40 минут.
Медуза-робот
Чтобы наблюдать за коралловыми рифами и изучать их, не причиняя вреда экосистеме, ученые из Флоридского Атлантического университета создали мягкого робота, который повторяет движение медузы (Рисунок 1.2.3 Приложения). Он укомплектован 8 щупальцами и парой насосов. С помощью насоса робот закачивает воду из окружающей среды в щупальца для совершения рывка. Когда насосы отключаются, вода выводится обратно, а щупальца возвращаются в исходное положение. Ее диаметр составляет всего 20 см, но она может пробираться через более узкие участки. При этом, в отличие от маленьких подводных лодок, применимых для наблюдений за кораллами, у роботов нет пропеллеров, способных повредить их. Для производства механических медуз используется 3D-принтер [4].
Роботы-животные
Возможно, самыми уникальными из огромного множества роботов для человека являются роботы-животные, благодаря их развлекательному функционалу, что оценят как взрослые, так и дети. В этом параграфе мы опишем несколько наших самых любимых роботов-животных, о которых может мечтать каждый.
Новая модель собаки Aibo (Рисунок 1.3.1 Приложения) была представлена в этом году, но пока спрос удовлетворяется в основном в США и Японии. Aibo по всему корпусу оснащена различными датчиками, что позволяет ей чувствовать прикосновения и реагировать на них, распознавать лицо хозяина, учить команды и даже танцевать.
Более совершенная модель CHiP (Рисунок 1.3.2 Приложения) выполнена на вездеходных колесах. Знакомство c хозяином у нее стандартно начинается с получения клички (по умолчанию пес откликается на кличку «Чип»). CHiP самостоятельно подъезжает к док-станции, автоматически подключаясь к питанию. Время работы полностью заряженного аккумулятора — один час. А главное в нем — сенсоры в голове, благодаря которым пес обнаруживает предметы и людей, а также реагирует на ласковые поглаживания. В комплекте есть smart-мячик, за которым будет гоняться пес [5].
Также совсем недавно ученые создали робота-змею (Рисунок 1.3.3 Приложения), умеющую передвигаться по сложной местности — например, по обломкам зданий после землетрясения — они надеются, что роботы будут помогать людям в спасательных миссиях. Во время разработки робота исследователи наблюдали за тем, как двигаются настоящие змеи — эта информация помогла им научить робозмею карабкаться по большим ступенькам, не падая [6].
Таким образом, проанализировав домашних роботов, роботов-исследователей, -животных, мы пришли к выводу, что абсолютно каждый из них может быть по-своему полезен для человека в различных сферах, и решили объединить некоторые функции данных роботов в одну домашнюю роботизированную змею, способную исследовать комнаты в доме, реагировать на предметы или человека, без труда передвигаясь с различной скоростью.
Глава 2. Настоящий исследователь комнат.
2.1 Роботизированная змея
Вдохновившись новейшими разработками по различным роботам, описанным в нашей работе, мы придумали свою роботизированную змеюм (Рисунок 2.1.1 Приложения), которая может без проблем передвигаться даже по неровной поверхности пола дома с различной скоростью (Рисунок 2.1.2 Приложения). С помощью ультразвукового датчика она может заметить какой-либо предмет или человека в зоне своей видимости и подать сигнал, дав знать хозяину об обнаружении объекта (Рисунок 2.1.3 Приложения). Найти потерянную вещь ей тоже не составит труда, или же стоять на охране какой-либо комнаты в доме.
Мы сконструировали модель Исследователя комнат на базе новейшего набора Spike Prime. В нашей модели установлено:
1 Хаб (программируемый модуль управления) как часть корпуса змеи (Рисунок 2.1.4 Приложения);
1 большой мотор для движения головой, закреплённой на рычагах (Рисунок 2.1.5 Приложения);
1 средний мотор для движения хвостом с помощью рычагов (Рисунок 2.1.6 Приложения);
1 ультразвуковой датчик в качестве головы змеи для обнаружения объектов.
При запуске Хаба (Рисунок 2.1.7 Приложения) змея начинает работать в цикле без ограничений, ехать с заданной скорость вперед, махая своим хвостом, пока не окажется перед объектом на расстоянии меньше 20 см., после мотор C, отвечающий за движение по полу, остановится, и змея начнёт махать головой, сигналя об обнаружении объекта. Как только объект оказывается дальше, она продолжает движение по дому (Рисунок 2.1.8 Приложения).
Заключение
Проанализировав сферу современных домашних роботов, мы выявили их эффективность на многих уровнях, что делает их ещё более востребованными. И каждому человеку понравилась бы идея своего личного робота для помощи в той или иной сфере по дому.
Изучив несколько роботов-исследователей, мы подчеркнули важность их использования в целях выполнения рутинной или даже трудновыполнимой работы, а также их удивительные сложные конструкции, оснащённые всем необходимым в выполнении своих функций.
А в результате описания некоторых существующих роботов-животных, мы решили сделать своего робота похожим на одно из животных в целях интереса детей, которые могут быть в семье хозяев, и для более привычного восприятия человеком.
В итоге, на основе изученной информации, мы спроектировали и создали домашнюю роботизированную змею-исследователя комнат на платформе новейшего образовательного набора Spike Prime, которая может стать отличным компаньоном для человека, выполняя необходимые функции, а также другом и самому ребенку.
Список используемой литературы:
https://shopcarry.ru/top/editorial/roboti-pomoscniki-v-bitu/
https://zen.yandex.ru/media/id/5a20825dad0f22233a285e05/domrabotnicy-s-ii-ili-bytovye-roboty-dlia-doma-5acdfffedcaf8e42c2ae3644
https://joy-pup.com/techno/roboty-dlya-doma/
https://tech.informator.ua/2018/11/25/udivitelnyj-mir-roboty-kotorye-pomogut-issledovat-morskie-glubiny/
https://habr.com/ru/company/mvideo/blog/420791/
https://rb.ru/story/robosnake/
Приложение
Рисунок 1.1.1 – Litter Robot Рисунок 1.1.2 – Робот-пылесос
Рисунок 1.1.3 – Робот-чемодан Рисунок 1.1.4 – Мойщик окон
Рисунок 1.1.5 – Робот для чистки бассейна Рисунок 1.1.6 – Робоохранник
Рисунок 1.1.7 – Робот-друг
Рисунок 1.2.1 – Bionic Fin Wave Рисунок 1.2.2 – Рыба SoFi
Рисунок 1.2.3 – Медуза-робот
Рисунок 1.3.1 – Aibo Рисунок 1.3.2 – CHiP
Рисунок 1.3.3 – Робот-змея
Рисунок 2.1.1 – Роботизированная змея
Рисунок 2.1.2 – Конструирование Рисунок 2.1.3 – Датчик ультразвука
Рисунок 2.1.4 – Хаб Рисунок 2.1.5 – Большой мотор
Рисунок 2.1.6 – Укрепление среднего мотора Рисунок 2.1.7 – Проверка
Рисунок 2.1.8 – Программа
11