XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботы, их история и роль в жизни человека
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Робототехника в современном мире является достаточно важной его частью. Это сфера, совершенствованию которой уделяется особое внимание ввиду пользы, которую она приносит человечеству. Промышленность, медицина, космос, военно-промышленный комплекс, сельское хозяйство – лишь немногие примеры сфер, где робототехнические механизмы нашли обширное применение. Однако робототехническая отрасль, несмотря на все достижения, не является совершенной. Мир совершенствуется каждый день, изобретая и открывая что-то новое, и без этих достижений мы бы не продвинулись такдалеко.
Не так давно у меня дома появился робот-пылесос. Я был очень удивлен его возможностям и так как всегда интересовался роботехникой - я задумался: а насколько роботы проникли в нашу жизнь? Какова их история? Родилась моя гипотеза: Могу ли я создать полезного в хозяйстве помощника или просто забавную игрушку своими руками в домашних условиях?
На эти и многие другие вопросы я постараюсь дать ответ в данной работе.
Тема: Роботы, их история и роль в жизни человека.
Цель: Сбор сведений касательно истории роботов и их роли в жизни людей. Опытная работа по конструированию и программированию робота в домашних условиях.
Актуальность в том, что сверстники практически не знакомы с реальной ролью роботов в нашей жизни. Именно в ознакомлении с этим и состоит главная задача работы.
Задачи:
провести опрос среди сверстников с целью выявления осведомленности;
изучить литературу и материалы интернет ресурсов по теме роботов;
изучить историю создания роботов;
изучить влияние роботов на жизнь людей;
рассмотреть сферы применения современных роботов;
провести опыт по конструированию и программированию роботов в домашних условиях;
сделать выводы.
Методы исследования: опрос – поиск информации – проведение опытов – наблюдение – анализ.
Объект исследований: разнообразные роботы, задачи, решаемые роботами и сферы их применения.
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Определение
В массовом сознании слово «робот» ассоциируется в основном с научными достижениями и идеями 20-21 веков. Особенно часто этот термин, мало разбирающийся в технических областях человек встречает в произведениях научной фантастики, мультфильмах и сериях фильмов «Трансформеры» и т.д.
На самом же деле робот - это автоматическое устройство, предназначенное для осуществления производственных и других операций, обычно выполняемых человеком. Робот может иметь какой угодно размер или форму и работать в каком угодно режиме.
Интерес также вызывает значение самого слова «робот» произошедшее от чешского слова robota, что в переводе означает «тяжелый труд», что само по себе несет практически исчерпывающее определение цели создания роботов.
Три закона робототехники
Как уже отмечалось выше развитие науки о роботах – робототехники, во многим обязано изобретателям и фантастам, которые своими трудами опережали развитие науки и техники на годы, а в случае с Леонардо да Винчи на столетия. Одним из таких писателей-фантастов, внесших огромный вклад в робототехнику стал Айзек Азимов сформулировавший в 1942 году три основных закона робототехники:
Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.
Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому или Второму Законам.
История происхождения и развития 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, например, герой детской книжки Железный Дровосек – не кто иной, как прототип современного робота.
1495 г. – Леонардо да Винчи создает проект механического рыцаря, чтобы показать, что машина может двигаться, как человек. Это изобретение эпохи Возрождения считается первым в истории роботом. (фото № 1)
1801 г. – Жозеф Жаккар представляет в Париже ткацкий станок, который сам изготавливает полотно. (фото № 2)
1927 г. – на Всемирной выставке в Нью-Йорке инженер Д. Уэксли продемонстрировал простейшего робота, способного выполнять команды человека.
1976 г. – космические зонды «Викинг-1» и «Викинг-2», оснащенные встроенными роботами-манипуляторами, берут на Марсе пробы грунта. (фото № 3)
2000 г. – японские компании «Хонда» и «Сони» выпускают роботов-гуманоидов, умеющих повторять движения людей. (фото № 4)
К настоящему времени роботы продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться, но и взбираться по лестницам 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.
Классификация и применение роботов
В современном мире множество производится огромное количество роботов разных форм, размеров и назначения, однако всё их многообразие можно условно разделить на крупные группы по типу решаемых ими задач или по способу управления. Так, например, по способу управления можно выделить лишь две группы:
Дистанционно управляемые роботы (управление которыми осуществляется оператором, которые выдает задания роботу, например, марсоход или военные беспилотные летательные аппараты)
Автономные роботы (робот самостоятельно выполняет полученную программу и оператор вмешивается в работу робота только в случае аварии или по завершению программы, например, промышленные роботы на конвейерной линии завода по производству автомобилей)
Основные виды роботов:
Промышленные роботы
Основной целью создания роботов, как и следует из самого определения, являет их применение в промышленности для выполнения разного рода технологических операций на производстве. Роботы заняты на производствах электроники, сварке и покраске автомобильных кузовов, упаковке готовой продукции. Огромные комплексы роботизированных станков позволяют изготавливать детали с невозможной ранее точностью и скоростью. Наиболее распространенные разновидности: сборочные, окрасочные, строительные, сортировочные, сельскохозяйственные. (фото № 5)
Медицинские роботы
В настоящее время активно развивается направление роботизированной медицины: для проведения хирургических операций (роботы-хирурги), диагностики заболеваний (роботы-диагносты), приготовления лекарственных препаратов (роботы-фармацевты), и другие. (фото № 6)
Бытовые роботы
Они в последнее время получили большую популярность. Выделяется несколько категорий: робот-домохозяйка (приготовление пищи, мойка, пылесосы и т. д.); универсальный робот-помощник по дому- «умный дом». Особую категорию составляют социальные роботы: «поводыри», «домашние животные», игрушки, универсальные роботы для общения. (фото № 7)
Роботы для обеспечения безопасности
Они используются подразделениями МЧС, среди прочего при тушении пожаров, разборе завалов, наводнениях, спасении людей в экстремальных условиях. (фото № 8)
Боевые роботы
Это техника для ведения боевых действий, разминировании, беспилотные летательные аппараты, самоходные танки, надводные и подводные аппараты, и т. д. (фото № 9)
Исследовательские роботы
Они необходимы при проведении исследований в экстремальных условиях: высокая температура, радиация. Они способны работать на земле и под землей, на воде и под водой, в воздухе и космосе. (фото № 10)
Трудно найти области, где не пригодятся роботы. Возможности роботизированных систем практически не ограничены.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ+
Опрос
Я провел опрос среди учеников 3 класса «А» Школы №10 (г. Жуковский), чтобы выяснить, знают ли мои ровесники что-нибудь о роботах и их происхождении, хотят ли заниматься Робототехникой, и какого робота они мечтают создать. В моем анкетировании приняло участие 27 человек.
По результатам опроса я вижу, что многим известно о существовании роботов, половина опрошенных знают где используются роботы, почти всех заинтересовал предмет «Робототехника» и желание собрать или придумать своего робота. Большинство хотело бы создать Робота-домашнего питомца и Робота-учителя, но почти все не знакомы с историей возникновения роботов. Поэтому свою работу считаю актуальной.
Эксперимент
Любые работы по проектированию механических устройств, в том числе и роботов, необходимо начинать с создания технического задания, т.е. необходимо придумать, что именно будет делать робот и какие функции он будет выполнять, а уже затем приступать к сборке и программированию.
С целью проведения опытного проектирования и сборки простейших роботов я выбрал Конструктор-робот RoboCar-1 двухколёсный с контроллером, совместимым со средой Arduino.
Данный конструктор помогает получить представление о механической и программной части процесса создания роботов и это прекрасная возможность познакомиться с основами робототехники. Из этого набора можно собрать собственного обучаемого робота, который будет выполнять различные команды и самостоятельно ориентироваться в окружающем пространстве. Благодаря тому, что у него есть ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04, робот способен во время движения обнаруживать и объезжать препятствия, встречающиеся на его пути. Похожий принцип работы у роботов-пылесосов.
В ходе эксперимента по сборке робота использовалось следующее оборудование:
Рабочий стол для сборки робота
Набор Конструктор-робот RoboCar-1 (фото № 11)
Персональный компьютер
Инструменты: паяльник, отвертки. (фото № 11)
Рассмотрим устройство нашего робота RoboCar-1:
Контроллер (UNO R3)
Программируемый логический контроллер – это своеобразный мозг любого робота, в котором содержится и обрабатывается вся необходимая для нормального функционирования информация. В контроллер загружается программа работы робота, а также происходит обработка сигналов, поступающих с внешних датчиков, в результате обработки контроллер формирует команды на совершение тех или иных действий роботом. Например, при поломке инструмента роботизированный станок с ЧПУ самостоятельно поменяет инструмент и продолжит работы без участия человека.
Источник энергии
Как и любому другому механизму или живому существу роботам необходим источник энергии. Основная масса роботов подключены к источнику питания с помощью проводов. Некоторые роботы работают от батарей и являются автономными, т.е. могут свободно перемещаться, как например робот ASIMO. Другие оснащены солнечными батареями, которые преобразуют энергию солнечного свет в электрическую энергию, как например марсоходы. Автоматоны используют энергию пружинного механизма и заводятся как механические часы или музыкальные шкатулки. В нашем роботе используется набор из 6 батарей.
Внешние датчики
Именно с помощью датчиков роботы «ощущают» себя в пространстве и «видят». В отличие от человека, который ограничен в методах непосредственного восприятия окружающего мира – роботы могут быть оснащены практически неограниченным арсеналом приборов, которые помогают им выполнить заложенную в них программу. Так с помощью гироскопических датчиков роботы могут держать равновесие, а с помощью контактных датчиков давления определять усилие нажатие, что особенно важно роботам-хирургам. А голосовой датчик позволяет отдавать указания роботу с помощью голоса. В нашем роботе используется ультразвуковой модуль, похожий на голову с глазами.
Исполнительные механизмы
Для выполнения заложенных программой функций разным роботам требуется разный набор механизмов от обыкновенных колес до буровой установки или сверхточного манипулятора. Так роботу-хирургу требуется манипулятор с возможностью использовать скальпель, но совершенно не нужны гусеницы, которые крайне необходимы боевому роботу-саперу. Благодаря тому, что конструкции роботов проектируются исходя из поставленной перед ними задачи, можно оптимальным образом подобрать состав исполнительных механизмом конкретного роботам так, чтобы он мог выполнить задачу максимально эффективно. В нашем роботе используется два мотора, приводящие в действие колеса и один сервопривод, позволяющий поворачивать так называемую голову робота.
Последовательность моих действий была следующая:
Выполняем сборку механической части робота; (фото № 12)
Подключаем программируемый логический контролер (далее - ПЛК) к датчикам и исполнительным механизмам; (фото № 13)
Формируем программу работы робота (скорость движения, расстояние до предмета и тд) в среде Arduino; (фото № 14)
Устанавливаем источник питания (6 батареек АА);
Загружаем программу в ПЛК робота;
Проводим испытания робота и отладку программы управления роботом.
В результате данной практической части работы выполнено следующее:
собрана модель робота RoboCar-1 (фото № 15-17);
используя графический язык программирования, разработана программа управления роботом;
получены знания и умения о настройке команд и практическом использовании датчиков.
ВЫВОДЫ
В ходе проведения работы я сделал следующие выводы:
Многие вещи невозможно сделать без привлечения роботов, например, изучение дна океана и космоса, куда человек не может добраться физически;
В настоящее время огромное количество роботов трудится в разных отраслях, выполняя важную и ответственную работу, например, в области медицины нельзя обойтись без робота-диагноста и хирурга, которые своей точностью превосходят возможности человека в несколько раз.
С каждым годом жизнь человека становится легче благодаря появлению новых роботов;
Разрабатывать и строить роботов увлекательно и познавательно, это можно начать делать даже в домашних условиях.
На основе полученных мной данных можно сделать вывод, что наша жизнь без роботов была бы гораздо сложнее или вовсе другой. Каждый, и даже школьник, может внести свой вклад в развитие такой интересной науки как робототехника.
Список литературы
Википедия. (2017г.). Робот. https://ru.wikipedia.org/wiki/Робот
Интернет ресурс (2020г.). https://robo-sapiens.ru
Кругосвет (2016г.). Энциклопедия Кругосвет - Робот. http://www.krugosvet.ru/enc/nauka_i_tehnika/tehnologiya_i_promyshlennost/ROBOT.html
«С чего начинаются роботы?» (2011г.), Гололобов В.
Детская энциклопедия. Техника будущего., (2007 г.), изд. Литера.
Приложение (фото)