XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«Сумасшедший будильник» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Асламин В.Н. 1Вдовин Е.А. 1Гонтов Д.М. 1Кривощеков М.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

С возрастом мы все чаще задумываемся над вопросом: как быстро проснуться, как сделать свое пробуждение легким и приятным? А ведь от того, как мы просыпаемся, зачастую зависит наше физическое состояние и настроение на весь день.

Чаще всего человек поднимается с большим трудом, после чего еще долгое время после сна чувствует себя разбитым и неспособным полноценно включиться в работу.

Сон представляет собой процесс отдыха организма, состоящий из нескольких стадий продолжительностью 60-90 минут. Специалисты выделяют следующие стадии сна:

• Дремота

• Поверхностный сон

• Глубокий сон.

Самый сложный период для пробуждения – это фаза глубокого сна. Поэтому, чтобы хорошо высыпаться и отлично себя чувствовать, отходить ко сну следует где-то за 7,5 часов до подъема. В этом случае пробуждение придется на конец цикла, когда человек уже готов перейти к бодрствованию. Оно будет легким, а человек – полностью отдохнувшим. Именно поэтому бывает легче подняться, например, в 5:30, чем в 6:00 или 7:00.

Ранний подъем имеет свои несомненные преимущества:

• можно не спеша собраться и полноценно позавтракать;

• сделать давно запланированные дополнительные дела;

• не волноваться по поводу опоздания на работу или учебу;

• высока вероятность доехать до места назначения без пробок;

• можно использовать высокую утреннюю производительность труда [6].

Таким образом, ранний подъем крайне полезен, и ему действительно стоит научиться.

Нам стала интересна эта тема. Мы решили разработать убегающий будильник, который точно поможет не проспать школу или другие важные занятия.

Цель исследования:ознакомление со способами пробуждения человека, разработка своего способа с помощью конструктора LeGo Mindstorms EV3.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о том, чем полезен сон;

2. Познакомится со способами пробуждения человека;

3. Рассмотреть виды будильников;

4. Создать свою модель будильника на базе конструктора LeGo Mindstorms EV3;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашей модели.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3, 4], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3, 5].

Глава 1. Общие сведения

Сон для человека

Сон занимает треть нашей жизни. Если вы проживёте 90 лет, 30 из них вы проспите. Немало, правда? Это состояние является предметом исследований множества учёных по всему миру (неврологов, психологов, антропологов, социологов). Всем интересно, сколько нужно спать? Как сон влияет на продуктивность? Что делать, если не можешь заснуть [7]?

Сон — это особое состояние сознания, а также естественный физиологический процесс, характеризующийся пониженной реакцией на окружающий мир и специфичной мозговой деятельностью (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Структура сна человека включает в себя две фазы: медленный сон и быстрый сон.

Медленный сон

Наступает сразу после засыпания. Состоит из четырёх стадий. Общая продолжительность фазы — около 90 минут. Дыхание спокойное, ровное, давление понижается, глаза сначала совершают медленные движения, а потом неподвижны, мозг малоактивен, тело расслаблено. Вы отдыхаете, восстанавливаете физические силы.

Быстрый сон

Следует за медленным сном и длится от 10 до 20 минут. Температура и давление повышаются, сердце бьётся чаще. Тело обездвижено, за исключением мышц, отвечающих за сердцебиение и дыхание. Под сомкнутыми веками быстрые движения совершают глазные яблоки. Мозг активно работает. Вы видите сны (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Фазы чередуются друг с другом. Сначала вы погружаетесь в медленный сон и проходите все его стадии. Это занимает порядка 90 минут. Затем наступает фаза быстрого сна. В первый раз она короткая, не больше 5 минут. Этот круг называется циклом сна. Циклы повторяются. Здоровый человек обычно единовременно проходит через пять циклов сна [7].

Несомненная польза сна заключается в возможности эффективно восстанавливать силы, черпать необходимые резервы для дневного времяпрепровождения. Спокойный, качественный сон позволяет восстанавливать клетки центральной нервной системы, он является мощной профилактикой многих заболеваний, укрепляет иммунитет. Поэтому этой части нашей жизни необходимо уделять пристальное внимание и заботиться о том, чтобы сон был здоровым и правильным.

Во время сна значительно быстрее происходит заживление ран, ожогов. Полноценный сон позволяет мозгу восстановить химический, эмоциональный запас нервных клеток, особенно при прохождении медленной фазы сна. Регулярный недосып удивительно подрывает работоспособность человеческого организма. Во многих развитых странах широко распространено лечение сном для эффективного восстановления, активизации нервных клеток – нейронов. Считается, что польза сна в психоаналитической способности человека исцеляться или находить правильное решение во сне (Рисунок 1.1.3, Приложение).

Непосредственно в процессе сна мозг человека занят диагностикой всех систем организма, запускаются механизмы самовосстановления. Врачами замечено, что люди, постоянно высыпающиеся, в два раза меньше страдают от хронических заболеваний.

Именно бессонница является причиной многочисленных заболеваний. Если человек не может заснуть в течение получаса, то причина этого явления – эмоциональное напряжение или стресс (Рисунок 1.1.4, Приложение).

Сон - источник молодости. Сон способствует профилактике преждевременного старения, повышает сопротивляемость организма и сдерживает развитие некоторых видов опухолей. Как только мы погружаемся в фазу хорошего глубокого сна - начинает работать гипофиз, который выбрасывает большое количество гормона роста для детей, и гормона, стимулирующего процессы восстановления для взрослых.

Сон - лучшее лекарство для больного. Больной человек всегда спит значительно больше, чем здоровый человек. Во время сна восстанавливаются его жизненные силы, быстрей идет процесс выздоровления [10].

Польза сна, безусловно, не подлежит сомнению, но врачи-сомнологи считают, что излишне долго спать также вредно. Сон в течение десяти часов для взрослого человека опасен возможностью нарушения биоритмов, снижения энергетического тонуса организма, что также вполне может привести к депрессиям, апатии, головным болям. Необходимо соблюдать норму сна, которая равна приблизительно шести или восьми часам [11].

Выгоды от сна обширны и могут внести свой вклад в качество и продолжительность нашей жизни. Поэтому очень важно сделать приоритетным получение достаточного и качественного сна.

Способы пробуждения человека

Мы привыкли к популярным фразам: «Сон продлевает жизнь», «Здоровый сон – залог счастливой жизни». Спорить невозможно! Но уж если с первых строк мы обратились к цитатам, то не мешало бы вспомнить и еще одно мудрое утверждение: «Все хорошо, что в меру». Ко сну это заявление имеет прямое отношение. Глубокий, крепкий сон необходим для существования человека, не менее важно серьезное к нему отношение. Иначе, этот целебный физиологический процесс превратится в наказание и принесет множество проблем.

Оказывается, излишне продолжительный сон не приносит пользы для здоровья. Тогда возникает вопрос: а долго – это сколько? На него существует конкретный ответ. Здоровому взрослому человеку для восстановления сил достаточно спать 7 – 9 часов в сутки (Рисунок 1.2.1, Приложение) [13].

Чтобы сон приносил только пользу, необходимо во время просыпаться. Для этого придумано много способов разбудить человека:

Свет

Раздвиньте шторы или откройте жалюзи, так как естественный свет помогает лучше всего! Однако, если в комнате нет окон или снаружи все еще темно, просто включите верхний свет и любое другое освещение в комнате. Свет заставляет организм проснуться, запуская работу мозга (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Громкий голос

Громким голосом скажите человеку: «Доброе утро!». Этот простой и прямой метод является классическим не просто так. Звука вашего голоса должно быть достаточно, чтобы разбудить большинство людей. Кроме того, так вы коротко и ясно дадите понять, что пора просыпаться (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Телефон

Включите громкость на телефоне на максимум! Оставьте телефон в комнате спящего, а потом позвоните на него с другого аппарата (Рисунок 1.2.4, Приложение).

Телевизор

Если в комнате, где спит человек, есть телевизор, включите одну из своих любимых передач и увеличьте громкость. Можно также включить какой-нибудь мультфильм. В любом случае свет и шум, исходящие от телевизора, должны разбудить человека (Рисунок 1.2.5, Приложение).

Прикосновение

Можно осторожно дотронуться до плеча спящего человека, чтобы разбудить его. Если вы ищете более приятный способ разбудить человека, сделайте ему массаж. Помассируйте ему голову, шею или спину. Несмотря на то, что массаж расслабляет, ваши прикосновения помогут разбудить спящего человека (Рисунок 1.2.6, Приложение).

Домашнее животное

Собака или кошка могут быть идеальным способом разбудить кого-либо. Если питомец обычно лает или забирается на человека, просто впустите его в комнату, и позвольте ему сделать остальное. Можно использовать лакомство или игрушку, чтобы заманить питомца в комнату (Рисунок 1.2.7, Приложение).

Холод

Если человек все еще спит без задних ног, попробуйте осторожно стащить с него покрывало. Холод поможет человеку проснуться. Можно также открыть окно, если на улице не очень холодно (Рисунок 1.2.8, Приложение).

Вода

Вылейте немного холодной воды на человека. Это довольно радикальный, но очень эффективный способ. Ничто так не будит человека, как немного ледяной воды на лице. Но будьте готовы к его гневу. Стойте рядом с полотенцем, чтобы помочь ему вернуться в хорошее расположение духа (Рисунок 1.2.9, Приложение)!

Еще один способ, который на сегодняшний день считается самым распространённым – пробуждение по будильнику (Рисунок 1.2.10, Приложение).

Будильник

Можно установить будильник на необходимое время. Если вы оставите будильник довольно далеко от кровати, то человеку придется встать, тогда он уже точно проснется [12].

Специалисты, которые исследуют сферу сна, с целью приучить себя рано вставать, советуют не держать будильник рядом собой в зоне досягаемости. Лучше всего, если он будет находиться не рядом с постелью — тогда, чтобы его выключить, человеку придется встать. Таким образом, не удастся обмануть время и «досыпать» несколько раз по 5 минут.

Виды будильников

Будильник — часы, в заданный момент времени подающие звуковой, световой и/или в редких случаях другой сигнал. Русское название «будильник» указывает на основное назначение таких часов — побудку хозяина или человека утром [15].

Первые будильники появились еще в древности, например, в древнем Китае для измерения времени использовали градуированные палочки. К палочке с помощью нитки привязывали груз. Когда палочку поджигали, то она догорала до основания нитки. Груз падал на металлическую подставку и издавал особый громкий звук. А для египетских правителей будильниками служили люди. Они прохаживались по территории, размеченной специальными символами. Когда насчитывали очередной круг, то подходили к специальному приспособлению и били в набат (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Позже стали появляться механические будильники. Основа механического звонка – это пружина, которая работает по принципу заводной игрушки. Конструкция характеризуется наличием двух независимых механизмов. Первый механический будильник придумал Леви Хатчинс в 1789 году. Его часы звонили только в 4 часа (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Но в механических будильниках были некоторые недостатки. Чтобы поставить побудку, необходимо было заранее заводить механизм. Поэтому появились электронные часы. Они решили многие проблемы:

-Есть специальный режим, когда хозяин устанавливает дополнительные режимы;

-Вместо звонка играет любимая мелодия;

-Громкость звонка нарастает постепенно;

-Время можно установить с точностью до секунды (Рисунок 1.3.3, Приложение) [14].

На сегодняшний день существует огромное количество интересных видов будильника, которые не только пробуждают с помощью звуковых сигналов, но также способны считывать разную информацию. Например:

Бесшумный будильник

Как же он работает? Перед сном вы надеваете на палец беспроводное кольцо со встроенным вибромотором, который в нужный момент начинает работать (Рисунок 1.3.4, Приложение).

Чтобы отключить его — достаточно немного дёрнуть рукой, однако же если Вы после этого не встаёте — мотор через определённые промежутки времени включается снова, только вот с каждым разом приходится всё сильнее и сильнее трясти рукой, чтобы он выключился! Чрезвычайно действенный способ, чтобы не проспать, не правда ли?

Clocky

Когда утром при первых сигналах будильника Вы нажимаете кнопку, чтобы он затих — Clocky спрыгивает с тумбочки и начинает кататься по комнате, ища место, где бы от Вас укрыться, например, под шкаф или под кровать. Так что, когда он зазвонит снова — вам придётся встать и найти его, чтобы выключить. Причём каждый день Clocky находит новое место, так что привыкнуть и кидать тапком туда, куда он приезжает — не получится (Рисунок 1.3.5, Приложение).

«Беконовый» будильник

Как считаете, хороший завтрак – достаточно весомая причина, чтобы проснуться пораньше? Тогда Вам может понравиться будильник Wake n’Baсon. Он будит Вас заманчивым ароматом бекона, перед которым просто невозможно устоять (а в нашем случае — «улежать»). Главное не забыть вечером положить в будильник замороженную полосу бекона — тогда утром, за 10 минут до желаемого времени будильник начнёт готовить вам вкусный и ароматный завтрак. Так что, когда вы услышите сигнал будильника — это будет означать не только то, что пора вставать, но и то, что ваш завтрак готов (Рисунок 1.3.6, Приложение)!

Будильник-мишень

Будильник под названием Laser Tag Alarm Clock состоит из двух частей: одна, главная, — часы с установленной на них мишенью, а вторая — стилизованная лазерная указка, с помощью которой нужно попасть точно в цель (Рисунок 1.3.7, Приложение).

Будильник Дарта Вейдера

Этот будильник не только необычно выглядит, но и обладает набором некоторых интересных функций, таких например, как показ времени в глазах, AM/FM тюнер и три звуковых эффекта, которые заставят вас проснуться.

После ознакомления с разными видами будильников, нам с командой тоже захотелось создать свой необычный будильник из LeGo, который также прекрасно будет справляться со своей задачей – разбудить человека (Рисунок 1.3.8, Приложение) [16].

Глава 2. Создание робота «Сумасшедший будильник»

2.1 Внешний вид модели

Перед тем, как создать нашего робота, мы с ребятами обговорили, как он должен выглядеть, какие функции выполнять. Создали несколько эскизов, по которым уже и начали конструировать (Рисунок 2.1.1, Приложение).

Наш робот «Сумасшедший будильник» имеет круглую форму, что позволяет ему без проблем кататься по полу, уезжая от человека (Рисунок 2.1.2, Приложение). Передвигается он при помощи гусениц, расположенных по бокам. Посередине гусеницы соединены балками, что позволяет им не деформироваться (Рисунок 2.1.3, Приложение).

Также роботу мы установили датчик касания. Он играет роль кнопки, после нажатия которой, будильник отключается (Рисунок, 2.1.4, Приложения).

У будильника обязательно есть панель управления, откуда можно управлять роботом вручную или передавать команды по сети, это блок EV3 (Рисунок 2.1.5, Приложение).

Робот «Сумасшедший будильник» достаточно компактный, его можно использовать дома или брать с собой в путешествия, чтобы и там соблюдать режим сна. Также, благодаря своей конструкции, он может съезжать с невысоких тумбочек.

2.2 Функционал и механические передачи робота

Перед созданием механических передач, мы с командой посмотрели некоторые видео в интернете по способам передвижения роботов. После обсудили предложенные варианты и выбрали наилучший для нашего робота (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Мы приступили к созданию механических передач. Сначала мы сконструировали две гусеницы и укрепили их балками. После мы взяли один большой мотор и по бокам, с помощью осей вращения, прикрепили данные гусеницы. Теперь они, благодаря мотору и сложному механизму – осевая передача, могут вращаться.

Мы с командой несколько раз запустили робота, чтобы проверить качество его работы. Из-за того, что ось вращения была длинная, она гнулась и, робот ездил плохо, колеса не всегда прокручивались. Поэтому мы с ребятами решили добавить укрепляющие детали – колеса для гусениц (4 штуки и 2 зубчатых колеса). Таким образом мы решили проблему и робот начал ездить исправно, ось больше не прогибалась (Рисунок 2.2.2, Приложение).

2.3 Программа для запуска робота

Перед созданием программы в среде Lego Mindstorms EV3 мы обсудили основную задачу робота «Сумасшедший будильник» - разбудить человека. Проговорили, как он должен это делать, и в какой последовательности работать.

Наша программа при запуске выполняет сразу 4 задачи.

Первая задача после запуска программы ожидает 3 секунды (можно поставить любое время, через которое вы бы хотели, чтобы сработал будильник). По истечению 3 секунд запускается цикл, который прерывается, если нажать на датчик касания. В цикле стоят блоки, которые отвечают за хаотичное движение нашего будильника, а также на экране блока EV3 появляется картинка спящих глазок. После того, как цикл прерывается, большой мотор останавливается, и на экране появляются открытые глазки. Они пробудут на экране 2 секунды (Рисунок 2.3.1, Приложение).

Вторая задача отвечает за сигнал будильника. Он также начинает громко играть, по истечению 3 секунд после запуска программы. Блок звука стоит в цикле, который прерывается, также нажатием на датчик касания (Рисунок 2.3.2, Приложение).

Так как робот выполняет все программные блоки по очереди, а на каждый блок отведено определенное время, после нажатия на кнопку робот не всегда сразу отключался и останавливался. Например, робот проигрывал мелодию до конца, а только потом проверял, нажат ли датчик. Поэтому приходилось удерживать датчик касания, чтобы робот прекращал свой цикл. Нам с командой это совсем не нравилось, поэтому мы придумали еще две задачи в программе.

Третья и четвертая задачи отвечали за прерывание 1 и 2 циклов сразу после нажатия на кнопку. То есть программа не ждала, пока робот выполнит определенное действие, а сразу прерывала цикл (Рисунок 2.3.3, Приложение).

Наша программа получилась небольшая, но она в полной мере помогает роботу выполнить все его основные задачи (Рисунок 2.3.4, Приложение)!

2.4 Демонстрация работы роботом «Сумасшедший будильник»

Для демонстрации выполнения заданий роботом «Сумасшедший будильник» мы сконструировали из LegoSoft дополнение: прикроватная тумбочка, с которой робот мог спокойно съезжать, после начала работы и звукового сигнала (Рисунок 2.4.1, Приложение).

Итоговый вид нашей работы представлен на (Рисунок 2.4.2, Приложение). Видео запуска проекта ««Сумасшедший будильник» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3» вы можете посмотреть по ссылке: https://vk.com/away.php?to=https%3A%2F%2Fdrive.google.com%2Ffile%2Fd%2F14b1TrThCWbVt5dHUer5xgt_hDpgSRjwW%2Fview%3Fusp%3Ddrivesdk&cc_key=

Запускаем робота через программу Lego Mindstorms EV3, робот начинает движение через 3 секунды. Движется быстро и хаотично, издавая при этом громкие звуки, для того чтобы человек точно проснулся. Ожидает нажатия на датчик касания, после прекращает свою работу. Значит человек проснулся, встал и поймал убегающий будильник. Задача выполнена!

Заключение

Мы внимательно изучили информацию о пользе сна. Он помогает восстанавливать силы, позволяет восстанавливать клетки центральной нервной системы, является мощной профилактикой многих заболеваний, укрепляет иммунитет. Но необходимо уделять пристальное внимание и заботиться о том, чтобы сон был здоровым и правильным!

Чтобы не навредить своему организму, необходимо во время просыпаться. Существует достаточно способов, чтобы разбудить человека, но самым распространённым на сегодняшний день является будильник.

Будильники бывают разных видов. От простых настольных, где необходимо просто нажать на кнопку, до тех, которые готовят тебе завтрак.

Мы с командой решили тоже создать свой интересный будильник, который точно сможет разбудить человека. Наш робот «Сумасшедший будильник» подходит для тех, кому очень сложно просыпаться по утрам. Благодаря своим функциям, он будет издавать сигнал и ловко убегать от хозяина, что заставит соню встать с кровати и окончательно проснуться.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego Mindstorms EV3 и LegoSoft. В нашей работе были простые механизмы: ось, большая коническая шестерня. А также сложная механическая передача: осевая. Для запуска проекты мы создали программу в среде Lego Mindstorms EV3, одновременно подключая к компьютеру 1 большой мотор, 1 датчик касания и блок EV3.

Наш робот «Сумасшедший будильник» - это отличный способ, чтобы разбудить человека. Он передвигается быстро, издает громкий сигнал, необходимо приложить достаточно усилий, чтобы отключить его.

Список используемой литературы

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

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

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://medaboutme.ru/articles/kak_nauchitsya_rano_vstavat_fazy_sna_i_plyusy_rannego_podema/

https://lifehacker.ru/special/sleep/

http://megion-pnb.ru/info/novosti-i-stati/stati/104/

https://www.surgut-pnd.ru/deyatelnost-uchrezhdeniya/publikatsii/aktualnaya-informatsiya/671-khoroshij-son-neobkhodimoe-uslovie-zdorovogo-obraza-zhizni

https://cmphmao.ru/node/132159

https://infourok.ru/prezentaciya-po-okruzhayuschemu-miru-chto-takoe-son-3267726.html

https://ru.wikihow.com/кого-нибудь-разбудить

https://www.anatomiyasna.ru/journal/chem-opasen-dolgij-son/

https://history-doc.ru/istoriya-veshhej/predmety/kto-pridumal-budilnik/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Будильник

https://lifeglobe.net/blogs/details?id=981

Приложение