XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот-поводырь на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Антонов Дмитрий Иванович 1Михаханов Валерий Дмитриевич 1Сизикова Виктория Игоревна 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Охоткина Кристина Александровна 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

3.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Согласно опубликованной статистической информации Всемирной организации здравоохранения, в настоящее время примерно 39 миллионов людей страдают от потери зрительной функции и 1,3 миллиарда человек имеют ту или иную форму нарушения зрения. С каждым годом количество людей, страдающих от нарушений зрительной функции, становится все больше и больше. На это влияет, и рост наследственных заболеваний, и увеличение числа генетических нарушений зрения. А также улучшение качества и продолжительности жизни ведет к увеличению числа слабовидящих. В наше время никто не застрахован от снижения зрительной функции или полной потери зрения [4]. (Рисунок 1.1, Приложение)

Одной из основных проблем, с которой сталкиваются люди с ограниченной функцией зрения, является обеспечение им беспрепятственного доступа к объектам инженерной, транспортной, социальной и информационной инфраструктур. Без внешних пространственных ориентиров и различных помощников людям с ослабленным зрением непросто целенаправленно передвигаться и ориентироваться в городской среде.

Именно поэтому мы считаем, что создание робота-поводыря актуально в настоящее время. С его помощью слабовидящие или незрячие люди смогут свободно и безопасно передвигаться по городу.

Цель исследования: создание модели «Робот-поводырь» с помощью конструктора Mindstorms, которая продемонстрирует безопасный и удобный способ передвижение по городу для людей с ограниченной функцией зрения.

Задачи исследования:

Подробно изучить проблемы и трудности, с которыми сталкиваются слабовидящие или незрячие люди в обычной жизни.

Рассмотреть способы передвижения по городу для людей с ограниченной функцией зрения.

Создать модель «Робот-поводырь» с помощью конструктора Mindstorms.

Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать помощь робота-поводыря при передвижении незрячего человека.

При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3 [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава1. Теоретическое исследование основных проблем и способов передвижения людей с ограниченной функцией зрения.

Общие сведения

Зрение для человека – главный способ восприятия мира. Слепой человек - это человек, у которого зрение либо полностью отсутствует, либо сильно ослаблено. Человек может стать слепым или родиться таким. Те, кто утратил зрение, живут в мире, отличном от нашего. Они не представляют мир в зримых образах. Слепота бывает полной, когда человек не видит абсолютно ничего, и частичной – когда остаётся возможность различать свет и силуэты предметов [5]. (Рисунок 1.2, Приложение)

Совсем по иному представляют себе мир люди, которые никогда не видели солнечного зрения. Будучи слепыми от рождения или с младенческого возраста, они не знают ни образов мира, ни его красок. Для них зрение, как и визуальное восприятие ничего не значит, поскольку область мозга, отвечающая за преобразование визуальной информации в изображение, у них просто не работает. На вопрос о том, что они видят перед глазами, они, скорее всего, ответят, что ничего. Вернее, они просто не поймут вопрос, поскольку у них не развита ассоциация предмета с изображением. Они знают названия цветов и предметов, но им неизвестно, как они должны выглядеть. Это лишний раз доказывает неспособность слепых, которым удалось вернуть зрение, узнать знакомые им по осязаниям предметы, увидав их воочию. Поэтому слепой никогда не сможет объяснить, какого цвета настоящая тьма, потому что он ее не видит. Также люди, утратившие зрение в сознательном возрасте, по их собственным рассказам, еще какое-то время видят сны «с картинками». Но по прошествии времени, им на смену приходят звуки, запахи, осязательные ощущения. И это действительно так, ведь если человек теряет одно чувство, то другие обостряются, чтобы компенсировать данную потерю. Это означает, что если кто-то не может видеть, то его слух может стать острее, чем у человека с нормальным зрением.

Незрячие люди не «смотрят» на мир, а воспринимают его при помощи других органов чувств. Эти чувства — слух, осязание, вкус, обоняние. 

Зрячие люди получают 90% информации  благодаря своим глазам. Для слепого эти же 90% приходятся на слух. Слепые могут по-настоящему слышать и внимательно следить за звуками. Звуки, различные по громкости, дальности, отражаются  от предметов и,  таким образом, позволяют  их «видеть».  Иногда незрячие используют эхолакацию. То есть, они создают шум своим голосом и слушают эхо, отражающееся от объектов, что позволяет им понять, где они находятся [5].

Несмотря на то, что остальные чувства у незрячих работают хорошо, слепота все же приносит ряд проблем. Поскольку большая часть нашего мира создана для зрячих людей, слепым людям приходится искать способы решения этих проблем и справляться с вещами, которые остальной мир не замечает.

Основные трудности слабовидящих и незрячих людей в обычной жизни

Людей с ограниченными возможностями по зрению можно встретить в самых разных уголках мира, это и мужчины, и женщины. Все они стараются приспособиться к жизни в современном мире. Порой получается нелегко, ведь каждый из них ежедневно сталкивается с огромной массой трудностей:

Банкоматы - хотя все чаще банкоматы предлагают возможность использовать наушники, чтобы слушать голосовые подсказки, они еще невероятно редки. Если машина нема, тогда ею не могут воспользоваться слепые, потому что шрифт Брайля на кнопках не поможет, если вы не видите соответствующие сообщения и цифры на экране. Даже если банкомат подает звуковые сообщения, процесс установки карты и навигация с помощью различных голосовых подсказок могут занять несколько минут. (Рисунок 2.1, Приложение)

Наличные - хотя банковские карты сократили необходимость в наличных, все же обязательно наступит момент, когда без них не обойтись. Для слепых использование денег становится сплошной проблемой. Они могут воспользоваться метками, позволяющими отличить купюры, или складывать их по-разному для различных номиналов. Но если иметь дело с нечестным кассиром, который может взять купюру большего номинала или обсчитать клиента, то получение сдачи в большинстве случаев становится лотереей. (Рисунок 2.2, Приложение)

Стикеры - поскольку сегодня многие фермеры стремятся обозначить свою продукцию, придется попотеть, прежде чем можно будет насладиться фруктом или овощем. Эти ужасные наклейки так плотно прилегают к кожуре, что их трудно различить на ощупь. Иногда их можно выявить только визуально. (Рисунок 2.3, Приложение)

Большая часть интернета остается недоступной - Почти каждая крупная операционная система содержит программное обеспечение, которое помогает перевести слова на экране в голосовые сообщения. К сожалению, приложения такого рода не очень удобны. Когда вы заходите на сайт с помощью программы голосового сопровождения, вы услышите только количество строк и описание базовой структуры веб-страницы. Когда вы попадаете на переполненный сайт в поисках информации, расположенной на трехсотой строке, то построчные переходы могут занять слишком много времени. Другими словами, несмотря на все высокие технологии, приходится слушать содержание всей веб-страницы, если нельзя ее увидеть [6]. (Рисунок 2.4, Приложение)

Самая большая проблема для слепого человека, особенно с полной потерей зрения, — это ориентирование в пространстве. По собственному дому или квартире слепые люди передвигаются легко и без посторонней помощи, так как точно знают расположение всех предметов. Поэтому, люди, живущие со слепыми людьми и навещающие их, должны внимательно следить за тем, чтобы вещи оставались на своих местах и без разрешения не передвигали их. (Рисунок 2.5, Приложение)

Но помимо дома слабовидящим или незрячим людям приходится выходить на улицу. И вот тут возникают серьезные проблемы. Конечно «доступный город» при помощи тактильных индикаторов старается сделать городскую среду более доступной и безопасной. Но, к сожалению, в большинстве городов установка таких индикаторов просто не предусмотрена. (Рисунок 2.6, Приложение)

Средства и приемы для безопасного передвижения по городу слабовидящих и незрячих людей

Ориентирование и мобильность человека с ограниченной возможностью по зрению предпо­лагают его умение самостоятельно передвигаться в пространстве, зная собственное местоположение относительно ориентиров на пути и пункта назначения, а также перемещаясь безопасно и эстетично.

Навыки ориентирования незрячих включают умение воспри­нимать информацию об окружающем пространстве с помощью со­хранных анализаторов, таких как слух, осязание, обоняние, вестибулярный аппарат и, если есть, остаточное зре­ние, умение выбирать ориентиры, составлять мысленную карту пространства.

Навыки мобильности подразумевают умелое выполнение приемов передвижения с каким-либо средством мобильности для своевременного обнаружения препятствий (например, столбов) и изменений уровня пути (например, при подъ­еме или спуске по лестницам). Для того, чтобы безопасно передви­гаться и вовремя обнаруживать препятствия и помехи на пути, люди с нарушением зрения используют различные средства и приемы, которые условно можно назвать системами мобильности. Таких сис­тем шесть [7].

Первая система предполагает передвижение без каких-либо специальных средств. Человек с нарушением зрения может исполь­зовать такие техники, как слежение рукой по стене (чтобы не поте­рять нужное направление движения или найти искомый ориентир вдоль стены), пробы ногой (чтобы вовремя найти лестницу или бор­дюр), защитные техники рукой (чтобы не наткнуться на возможное препятствие, а заблаговременно обнаружить его рукой). Обыч­но такое передвижение замедленно, поэтому используется только на небольших расстояниях. Человек с остаточным зрением исполь­зует еще и зрительную информацию о препятствиях, дополняя ее тактильными ощущениями рук и ног, а иногда, пользуясь только зрительной информацией. (Рисунок 3.1, Приложение)

Вторая система предполагает передвижение инвалида по зрению с сопровождающим. В этой системе человек с нарушением зрения держится за руку сопровождающего. Если незрячий че­ловек держит руку сопровождающего чуть выше локтя, оставаясь при этом на полшага позади, то такая позиция дает возможность вовремя отреагировать на движения сопровождающего: остано­виться, замедлить или ускорить шаг, приготовиться к спуску по ле­стнице или прохождению через узкое место (например, в дверь). Сопровождающим незрячего может быть кто-либо из друзей или родственников, а может быть совершенно незнакомый человек, по­могающий незрячему перейти через дорогу или найти нужный отдел в магазине. (Рисунок 3.2, Приложение)

Третья система мобильности - это передвижение с помощью трости. Человек с нарушением зрения использует различные техни­ки и приемы работы длинной тростью для того, чтобы вовремя об­наружить на пути препятствия, лестницы, спуски, подъемы. (Рисунок 3.3, Приложение)

Четвертая система мобильности предполагает использова­ние электронных средств передвижения. Такие средства чаще всего построены на использовании ультразвука или инфракрасного излу­чения и предупреждают за 5-10 метров о приближении к препятст­вию или нависающей помехе на пути, что может значительно повы­шать безопасность и скорость передвижения. Поскольку большинство таких приборов не распознает спуск вниз (лестницу или бордюр), то чаще всего их используют совмест­но с тростью. Иногда такой прибор крепится на трость у основания ручки. Другие модели приспособлены для того, чтобы держать их в руке, монтировать в очки или надевать на голову. Заметим, что в России этой системой пользуются только отдельные инвалиды по зрению. Объясняется это целым рядом причин: дороговизной соот­ветствующих технических средств, слабой пропагандой даже среди специалистов-тифлологов их эффективности, отсутствием государ­ственной поддержки в обеспечении инвалидов по зрению электрон­ными средствами контроля передвижения. (Рисунок 3.4, Приложение)

Пятая система мобильности ориентировки в пространстве предполагает использование раз­личных оптических средств коррекции. Этой системой могут нау­читься пользоваться незрячие, имеющие форменное остаточное зрение. Для ориентировки в пространстве можно использовать такие оптические средства как монокуляры, бинокли, подзорные трубы. С их помощью можно провести осмотр местности, составить о ней оп­ределенное представление, наметить ориентиры. Монокуляры дают возможность инвалидам даже с потерей зрения до 0,02 не только смотреть телевизор, разглядывать спроецированные на экран слайды, но и читать дорожные знаки, вывески, а также получать информацию с электронных табло на вокзалах и в аэропортах. Вместе с тем оптические приборы имеют специфические не­достатки, которые мешают их применению: небольшой угол обзора, что затрудняет поиск зрительной цели; искажение восприятия глу­бины пространства, затрудняющее определение местонахождения объектов в пространстве; необходимость постоянной коррекции фо­кусировки. (Рисунок 3.5, Приложение)

Шестая система мобильности незрячих предполагает ориен­тировку и передвижение в пространстве с помощью собаки-поводыря. (Рисунок 3.6, Приложение) Таких собак дрессируют в течение 4-6 месяцев в спе­циальной школе собак-проводников (в России такая школа всего одна). В качестве поводырей в основном используют лабрадор-ретриверов, золотистых ретриверов, немецких овчарок, ризеншнауцеров. (Рисунок 3.7, 3.8, 3.9, 3.10, Приложение) Будущие хозяева собак приезжают в эту школу для подбора собаки и специального совме­стного двухнедельного обучения ориентировке в пространстве. Такая система передвижения очень эффективна, но подходит далеко не всем. Собаку-проводника могут иметь только совершен­нолетние люди, ведущие достаточно активный образ жизни, любя­щие собак и готовые кормить своего поводыря и ухаживать за ним. Кроме того, получить собаку-проводника - дело непростое, несмот­ря на то, что это средство передвижения включено в федеральный перечень предоставляемых государством инвалиду льгот.

Также существуют еще два помощника при ориентировании людей с недостаточным зрением в пространстве:

Звук. К звуковому ориентированию относятся, к примеру, звуковые маяки, являющиеся универсальным ориентиром для людей с остаточным зрением. Такие маяки могут быть установлены на перекрестках и переходах, в лифтах, в автотранспорте. (Рисунок 3.11, Приложение)

Тактильность. Тактильный способ ориентирования людей с ослабленным зрением заключается в получении информации через осязание. Тактильные указатели, разметка, различные специализированные устройства позволяют незрячим без посторонней помощи ориентироваться в незнакомом месте [4]. (Рисунок 3.12, Приложение)

Все перечисленные системы мобильности в целом обеспечи­вают инвалидам по зрению возможность своевременно обнаружи­вать помехи на пути и преодолевать их. Но также, каждый из них имеет ряд серьезных недостатков. Именно поэтому мы предлагаем создать робота-поводыря. Их можно будет производить, и дарить, нуждающимся в помощи людям с плохим зрением, бесплатно. Робот – поводырь будет прост в обслуживании, его нужно будет только заряжать.

Глава 2. Модель «Робот-поводырь» на базе конструктора Lego Mindstorms.

2.1 Внешний вид конструкции, особенности ее движения

После рассмотрения всех способов передвижения для слабовидящих или незрячих людей, мы с командой решили создать свой способ для безопасного передвижения. За основу мы взяли собаку-поводыря, так как она является самым эффективным помощником. (Рисунок 4.1, Приложение)

В нашем проекте «Робот-поводырь» может отлично передвигаться по местности, проезжая при необходимости даже по шероховатым поверхностям за счёт гусеничной платформы. (Рисунок 4.2, Приложение) Также датчиковая система, расположенная на уровне корпуса модели, позволяет ему ориентироваться в пространстве (ехать по линии), замечать различные объекты и останавливаться перед ними. (Рисунок 4.3, Приложение)

В дополнение к данному роботу мы создали человека, который нуждается в помощи при передвижении. Внизу, на ноги, мы прикрепили колесики, для того, чтобы он лучше передвигался по поверхности. (Рисунок 4.4, Приложение)

Данную модель мы сконструировали на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. В модели «Робота-поводыря» 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;

1 датчик ультразвука в целях обнаружения препятствия;

1 датчик цвета для ориентирования в пространстве.

После того, как мы сконструировали «Робота-поводыря». Мы также создали различные локации для передвижения человека по городу – магазин и парк. (Рисунок 4.5, Приложение)

2.2 Управление моделью «Робот-поводырь» с помощью ПО LegoMindstorms

Наша модель «Робот-поводырь» является автоматизированной. Управление происходит с помощью программы Lego Mindstorms EV3. (Рисунок 5.1, Приложение)

Задача робота помочь слабовидящему человеку дойти до магазина и парка. Ориентиром служит черная линия, по которой и передвигается робот с помощью датчика цвета. Препятствия видит ультразвуковой датчик, перед ними он останавливается. (Рисунок 5.2, Приложение)

Программа работает следующим образом:

Робот ждет нажатия кнопки на блоке EV3 (вверх или вниз).

Нажимая кнопку вверх, робот начинает двигаться по черной линии. Данная программа поставлена в цикл, который прерывается красной отметкой. Данная отметка обозначает, что человек прибыл в магазин. После нее робот останавливается, издает звук места назначения «Магазин» и немного съезжает с черной линии, чтобы потом вновь ее найти.

По черной линии робот двигается с помощью датчика цвета и двух больших моторов. В то время, когда датчик цвета видит белую линию, робот поворачивает налево, для обнаружения черной линии, как только он находит черную, сразу поворачивает вправо для обнаружения белой. Таким образом, робот смело передвигается по назначенному маршруту.

Также во время передвижения по линии робот может остановиться, если с помощью ультразвукового датчика увидит перед собой препятствие на расстояние 15 см и меньше. После того, как робот видит препятствие, он издает звук и немного съезжает с черной линии, чтобы после ее снова обнаружить. После того, как путь становится свободен, робот продолжает свое движение. (Рисунок 5.3, Приложение)

Нажимая кнопку вниз, робот начинает двигаться по черной линии. Данная программа поставлена в цикл, который прерывается зеленой отметкой. Данная отметка обозначает, что человек прибыл в парк. После нее робот останавливается, издает звук места прибытия «Парк» и немного съезжает с черной линии, чтобы потом вновь ее найти.

По черной линии робот двигается с помощью датчика цвета и двух больших моторов. В то время, когда датчик цвета видит белую линию, робот поворачивает налево, для обнаружения черной линии, как только он находит черную, сразу поворачивает вправо для обнаружения белой. Таким образом, робот смело передвигается по назначенному маршруту.

Также во время передвижения по линии робот может остановиться, если с помощью ультразвукового датчика увидит перед собой препятствие на расстояние 15 см и меньше. После того, как робот видит препятствие, он издает звук и немного съезжает с черной линии, чтобы после ее снова обнаружить. После того, как путь становится свободен, робот продолжает свое движение. (Рисунок 5.4, Приложение)

Чтобы программа смотрелась более лаконично, мы с командой создали «мои блоки». Первый блок «Stop» - туда мы поместили программу по остановке при обнаружении препятствий. Второй блок - «Ezda_po_linii». В этом блоке мы разместили программу езды по черной линии. С данными блоками программа смотрится лучше и более удобна в просмотре и использовании.(Рисунок 5.5, Приложение)

Заключение

Изучив основные трудности слабовидящих и незрячих людей в обычной жизни, мы выявили наиболее распространенную и опасную для жизни таких людей проблему – передвижение по городу. Да, в современном мире существует немало способов передвижения по местности для людей с ограниченной функцией зрения. Это и передвижение с сопровождающим, и использование трости, электронных средств, оптических средств коррекции (монокуляры, бинокли). Также проект «доступный город» старается сделать городскую среду более доступной и безопасной при помощи тактильных и звуковых индикаторов. Но, к сожалению, все эти способы имеют недостатки. И даже самый эффективный способ передвижения, собака-поводырь, не может помочь всем нуждающимся.

Проанализировав данную информацию, мы с командой пришли к выводу, что необходимо создать новый, удобный, а главное доступный для всех, способ передвижения по городу для слабовидящих и незрячих людей.

В итоге нам удалось создать проект «Робот-поводырь». Такой робот очень прост в использовании, не нуждается в особом обслуживании, а главное им смогут пользоваться все нуждающиеся. (Рисунок 6.1, Приложение)

Для проекта мы использовали конструктор из набора Lego Mindstorms. Для запуска робота мы создали программу в среде Lego Mindstorms EV3, одновременно подключая к компьютеру 2 больших мотора и 2 датчика – ультразвуковой и датчик цвета..

Создав довольно объемный проект, мы считаем его актуальным в настоящее время и вполне применимым на городских улицах нашего города.

Список используемой литературы

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

Интернет источники

https://nko-expert.ru/trained/lectures/lecture-1.html

https://infourok.ru/proekt-progulka-v-temnote-ili-kak-nezryachie-vosprinimayut-mir-5090579.html

https://syl-ru.turbopages.org/syl.ru/s/post/health/30739

https://lektsii.org/2-80688.html

Приложение