XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Разработка роботизированного устройства доставки еды и напитков внутри медицинских учреждений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В мире современных технологий нас везде окружает робототехника. Промышленность, медицина, военно-промышленный комплекс, сельское хозяйство – лишь немногие сферы, где робототехнические механизмы нашли применение. Эта отрасль усовершенствуется в мире очень быстро. Мне нравится наблюдать за этим прогрессом.
Тема исследовательского проекта – Разработка роботизированного устройства доставки еды и напитков внутри медицинских учреждений. Все хотя бы раз в жизни пользовались стационарными аппаратами по продаже каких-либо товаров или услуг. Я решил сделать подобный аппарат, но с возможностью мобильного передвижения прямо до покупателя. Такой робот может служить удобным помощником в больницах, отелях, офисах, где постоянно находятся люди. Например, лежачий больной только лишь нажав на кнопку, сможет «позвать» такого робота и получить нужный ему товар или услугу. Робот доедет до «позвавшего» его и доставит все, что тому нужно. Этот робот позволяет человеку существенно сэкономить время, по сравнению со стационарным аппаратом, к которому нужно специально подходить (а дойдет ли до него человек – это еще вопрос). А люди с ограниченными возможностями вообще не могут самостоятельно добраться до подобного автомата в общественном месте и порадовать себя напитком.
Тема данной работы является актуальной, так как увеличивается количество людей с ограниченными возможностями. Только задумайтесь - в Барнауле проживает 66 тысяч инвалидов. То есть, каждый 10-й житель города имеет инвалидность. Из них – более 22 тысяч – дети. Кроме того медицинские работники в связи с нехваткой времени все чаще прибегают к автоматам общественного питания. Рабочий день сотрудников бывает настолько плотным, что нет возможности отлучиться от рабочего места для покупки кофе. Им поможет мой робот «РУ», который сам по вызову может подъехать к клиенту и привести напиток либо еду.
Как расшифровывается «РУ»? РУ - это роботизированное устройство. РУ - это лишь первая ступень в создании робота. Эта тестовая модель открывает большие перспективы в разработке роботов-помощников подобного типа.
Научная новизна проекта заключается в том, что в настоящее время стандартные кафе заменяются робокафе. Кроме того, РУ может заменить часть работы младшего мед персонала (измерение температуры тела, выдавать медицинские препараты и др), тем самым уменьшить нагрузку на специалистов.
Целью исследовательского проекта является – создать робота «РУ» на базе EV3, который может добираться самостоятельно до клиента по вызову и доставлять еду и напитки, медицинские препараты.
Я ставил перед собой следующие задачи - изучить историю роботов и основных законов робототехники; попробовать себя в роли инженера и собрать, спрограммировать подвижного робота из конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Объектом исследовательского проекта является создаваемый робот «РУ».Предметом исследования является конструктор LEGO MINDSTORMS Education EV3, программное обеспечение для адекватного функционирования робота.
Гипотеза исследовательского проекта: предполагаю, что мне удастся создать верно функционирующего робота, который самостоятельно может доезжать до клиента по вызову и доставлять еду, напитки, мед препараты.
Исследовательская работа предусматривает несколько этапов: теоретический - заключается в изучении материала по данной теме и практический - создание и программирование робота, испытание робота. В ходе исследования были использованы группы методов: теоретические (анализ литературы); эмпирические (моделирование, программирование); статистические (оценка значимости гипотезы и проекта в целом).
Практическая значимость заключается в том, что разработанный робот сможет удовлетворить потребность людей с ограниченными возможностями в покупке еды и напитков, либо сократить время на обеденный перерыв у медицинских сотрудников, разгрузить нагрузку мед персонала.
1. Теоретическое исследование роботов и робототехники
Что такое робот и робототехника?
По последним данным, сегодня в мире работают 2 миллиона самых различных роботов – промышленных, домашних, роботов-игрушек. При этом самое большое количество роботов используется в Южной Кореи, второе место Сингапур, третье – Япония, далее США, Китай. А в России роботов всего около 0,5% 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. У робота отсутствует мышление, нет любопытства – есть программа по накоплению информации, которая ему необходима.
Айзек Азимов в 1942 году 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.
Устройство роботов можно сравнить со строением человека. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы.
1.2. История создания роботов
Роботы ассоциируются у людей с новыми технологиями. Но идее создавать машины подобные людям, уже сотни лет. Существа, напоминающие современных роботов, встречаются 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. 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
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.
Рис.3 – Робот Мистер Телевокс
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.4 – Робот Асимо
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. Выделяют роботов трех поколений.
Роботы первого поколения - это роботы с программным управлением, предназначенные для выполнения определенной, жестоко запрограммированной последовательности операций.
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.
Роботы третьего поколения - это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы, предназначенные для воспроизведения физических и двигательных функций человека, для решения интеллектуальных задач.
В ходе моего исследования и сбора информации я выяснил, что роботы применяются практически во всех областях и сферах нашей жизни и их можно разделить на группы:
- строительные (это мобильные «роботы-строители», которые могут эффективно укладывать кирпичи, а также мобильные 3D-принтеры, которые могут реагировать на изменения окружающей среды);
- промышленные (выполняют такие задачи как сортировка, перемещение грузов, выполнение сварочных работ);
- бытовые (предназначены для помощи человеку в его повседневной жизни);
- транспортные (автобусы ULTra функционирует два года в аэропорте Хитроу в Великобритании, передвигаются по специальным путям, средняя скорость 40 км/ч.);
- сельскохозяйственные (системы для животноводческих фермы, беспилотные тракторы, роботы-уборщики урожая);
- боевые (являются устройствами телеприсутствия, но немногие модели способны уже выполнять задачи без человека);
- исследовательские (при проведении под водой обследования опасных объектов службы МЧС России используют подводные роботы «Гном»);
- медицинские (разрабатываются модели хирургических роботов).
Человек постоянно контролирует роботов и определяет, чем и как они будут заниматься.
1.4 Робототехника в современном мире
По мнению ученых развитие роботов и робототехники с каждым годом всё больше будет развиваться и множество различных операций будет роботизироваться. Рестораны с роботами вместо персонала открываются по всему миру. В них клиентов обслуживают железные и пластиковые бармены и официанты, а пищу готовят механические повара. Это делает заведение очень интересным.
В начале февраля 2018 года в Токио, открылось кафе, где в качестве бариста работает однорукий робот по имени Сойер.
Рис. 5 – Робот бариста Сойер в Токио
В Москве открыли кофейню MontyCafe. Работник в ней один — робот-бариста Monty, который делает кофе с сиропами, предлагает молочные коктейли и сладости.
Рис. 6 – Робот Monty бариста в Москве
Кики - сервисный робо-киоск нового поколения. Способен поддерживать диалог и вести беседу с клиентами, принимать заказы и оплату, готовить кофе, мороженное. Есть даже в нашем городе Барнауле.
Рис.7 - Кики - сервисный робо-киоск
Преимущества робо-кафе очевидны - роботы - официанты никогда не делают ошибок, они не обманывают, не обсчитывают посетителей ресторана и не берут чаевые, заменив людей роботами, можно значительно сэкономить на зарплате.
2. Практическое исследование и его результаты
2.1 Создание, программирование и практическое тестирование робота из конструктораLEGO MINDSTORMS Education EV3
Для практического ознакомления с конструкцией и принципами работы роботов я принял решение создать модель Lego-робота. В качестве платформы для создания робота я использовал конструктор Lego Mindstorms EV3. Для создания программы, по которой будет действовать модель, используется специальный графический язык программирования.
Lego-робот помогает понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией различных процессов.
Откуда появилась идея? Искал, что можно сделать, полезное человеку. В голову пришла мысль об аппарате по доставки еды и напитков, медицинских препаратов. Новым в моем аппарате должно было стать то, что он будет мобильным – будет добираться до потребителя сам.
Как он работает сейчас?
Вызывается при помощи нажатия на датчик касания, подключенный к блоку EV3.
Блок EV3 по bluetooth соединен с передвижной платформой робота.
Передвижная платформа получает сигнал и движется к точке, откуда он был послан.
Осуществляется движение робота до клиента.
Аппарат представляет из себя конструкцию с подачей еды, напитков, медицинских препаратов.
Первая задача - дизайн аппарата и материал, из которого он будет сделан. Сделал корпус из картона - выбрал этот материал, так как он достаточно легкий, легко скрепляется и режется.
В процессе работы вставали вопросы, как объединить работу контроллеров между собой, какие использовать датчики, как прикрепить механизм внутри корпуса аппарата, куда крепить стаканы для покупателей.
Корпус аппарата стоит на платформе, которая передвигает всю конструкцию. Платформа должна быть устойчивой, прочной, но подвижной. В итоге передвижная платформа имеет колесный привод и состоит из контроллера, двух больших моторов, одной валокуши.
Так же сложным этапом стало соединение всех контроллеров Lego EV3 при помощи беспроводной сети Bluetooth. Над данным вопросом стоит еще поработать. Из-за нехватки контролеров все подключено к движущейся платформе.
И все таки данная цель была достигнута. Кнопки вызова аппарата стали взаимодействовать с передвижной платформой без проводов, а так же доставлять еду, напитки и медицинские препараты в 4 помещения. Программа позволяющая функционировать роботу, представлена в Приложении 1.
Заключение
В наши дни робототехника применяется абсолютно во всех областях и профессиях. 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.
Я считаю, что выполнил поставленные цели и задачи исследовательского проекта, а самое главное подтвердил гипотезу.
В ходе моих исследований, я хотел создать робота, который будет приносить пользу людям. Выполнив этот проект, я попробовал себя в роли инженера-изобретателя и на практике познакомился с современными технологиями, получил дополнительные знания, полезные для своего дальнейшего личностного развития.
«РУ» - это лишь первая ступень в создании робота. Эта тестовая модель открывает большие перспективы в разработке роботов-помощников подобного типа.
С каждым годом робототехника совершенствуется и развивается, но все же искусственный интеллект не сравнится с человеческим. Создают его люди! В заключение хочу сказать, что за робототехникой и создателями роботов – будущее!
Список литературы и интернет – ресурсов
Большая энциклопедия школьника. – Москва: АСТ-пресс, 2008.
Детская энциклопедия. Техника будущего., М; изд.Литера, 2007 г.
Макаров И. М., Топчеев Ю. И. Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003.
Роботы будущего - Петр Шадрин ,М.; изд . Махаон, 2014 г.
"Искуственный интелект" - http://machine-intelligence.ru/robots-types
«История развития робототехники» - http://roboreview.ru/nauka-o-robotah/istoriya-razvitiya-robototehniki.html
"Мой робот" - http://www.myrobot.ru/articles/hist.php
«Развитие робототехники в будущем» - http://robot-ex.ru/ru/newscontent/razvitie-robototehniki-v-budushchem
"Роботы от А до Я" - http://www.joho.ru/medicina.htm
«ProRobot" - http://www.prorobot.ru/12/robot-it-is.php
http://itpoznanie.ru/robotics
http://androbots.ru/
https://geektimes.ru/
www.tadviser.ru
https://near-future.ru/restorany-mira-gde-vas-obsluzhat-roboty/
https://robo-hunter.com/news/biznes-vmeste-s-robotom-robokafe-vpervie-otkrilo-franshizu-v-rossii12325
Приложение 1. Программа для робота «РУ»