XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботы в протезировании
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
С самого раннего детства у меня был большой интерес к конструированию, роботам – трансформерам, разного рода изобретениям и техническим открытиям, именно поэтому тема моей практической работы «Роботы в нашей жизни – необходимость?».
Ответьте себе на один простой вопрос: «У кого в повседневной жизни отсутствуют роботы?». Я уверен таких людей совсем мало. Несмотря на то, что наш организм признан самым сложным механизмом, который обладает превосходной приспосабливаемостью и выносливостью, человеку все же нужны роботы.
Целью моей научно-практической работы является изучение роботов и их значимости в современном мире, необходимости.
Для достижения результата были поставлены следующие задачи:
1) ознакомиться с историей происхождения роботов;
2) рассмотреть различные виды роботов;
3) определить масштаб их распространения в окружающем мире;
4) создать свое изобретение;
5) провести анкетирование среди одноклассников.
Методы исследования: изучение литературы и интернет-ресурсов, техническое моделирование, опрос.
Объектом исследования работы является изучение робототехники, в том числе кибернетики, механики, электроники и программирования.
Предметом послужило создание, из конструктора Lego Mindstorms EV3, своего механического устройства, для ежедневной помощи человеку.
Гипотеза исследования: присутствие роботов в нашей жизни необходимость.
Работа состоит из введения, где определяется актуальность интересующей темы, цели и задачи, методы работы; основного содержания, где рассматриваются исторические и практические вопросы; технического эксперимента, результата работы, заключения, списка литературы и приложений.
Данный материал представляет огромный интерес для детей и взрослых, полученные знания могут быть использованы учителями и учащимися на уроках и на дополнительных занятиях.
1. Что такое робот?
В 1920 году чешский писатель Карел Чапек придумал слово «робот» (по-чешски означает «тяжелая работа»). Так он назвал механических существ, похожих на людей, которых изготавливали на заводе. В течение последующих десятилетий произошли выдающиеся открытия в различных дисциплинах – кибернетика, мехатроника, информатика, электроника, механика, а именно на них опирается вся робототехника.
На рубеже 1930-40-х годов в СССР появились автоматические линии для обработки деталей подшипников, немногим позднее впервые в мире было создано комплексное производство поршней для тракторных двигателей с автоматизацией всех процессов.
Двадцать первый век принес невиданные успехи в развитии робототехники, однако люди так и не придумали единого определения этому изобретению, но существуют главные отличительные признаки робота:
- это любое искусственно созданное устройство или механизм для выполнения определенной работы;
- робот действует по заранее заложенной программе;
- робот обязательно имеет обратную связь с миром, посредством камер, микрофонов, датчиков давления или движения и прочих устройств.
2. Виды роботов в современном мире.
С каждым годом умные механизмы расширяют круг своих возможностей, осваивая все большее количество самой разной работы. К примеру, в 2017 году в одном из банков нашей страны открылся так называемый «офис будущего», где желающие могли ознакомиться с обновленным сервисом по обслуживанию клиентов.
Робот стал не просто работником, но и превосходным другом, многие дети и взрослые сегодня не прочь завести себе такого друга. На прилавках магазинов немало разнообразных детских игрушек (в том числе радиоуправляемых), которые умеют петь, танцевать, рассказывать сказки и даже летать.
Создаются роботы в качестве компьютерных изобретений, их нельзя потрогать, они существуют в виде электрических сигналов, но могут писать тексты, читать стихи, рисовать, отвечать на вопросы.
Для меня одними из наиболее интересных являются Андроиды, что в переводе с греческого языка означает «человекоподобный», он выглядит как человек или животное и действует, как живое существо. Вершина современных разработок – роботы гуманоидного типа, которые умеют поддерживать беседу и даже шутить.
Чтобы иметь более полное представление о всем многообразии роботов, необходимо разбираться в их классификации по различным признакам:
1) По управлению:
- жесткопрограммируемые, которые управляются при помощи программы, не изменяющейся в процессе работы;
- адаптивнопрограммируемые роботы распознают состояние внешнего мира и изменяют режим работы, в зависимости от условий.
- гибкопрограммируемые – это роботы последнего поколения, которые способны изменять свою программу учитывая только итоговую цель.
2) По позиционированию:
- стационарные, они крепятся к потолку или несущим стенам, устанавливаются на фундамент;
- передвижные роботы могут передвигаться при помощи шасси или по ограниченной рельсовой территории.
Сферы применения роботов расширяются с каждым годом. Мы рассмотрим несколько популярных видов по назначению.
2.1. Бытовые роботы.
Роботы гораздо ближе к людям, чем кажется, многие из них успешно используются в быту – робот-пылесос, робот-газонокосильщик, а также массажер и даже чистильщик бассейна. (Приложение 1).
В последнее время пользуется все большей популярностью «умный дом» – это автоматизированная сеть, контролирующая безопасность жилища, электричество, водоснабжение и другие системы.
2.2. Военные роботы.
Существуют военные базы, где используют роботов, имитирующих действия противника. Такие тренировочные механизмы могут воспроизводить повадки человека. Помимо этого, разведывательные и боевые модели приносят большую пользу на поле военных действий. Применение таких моделей дает армии существенное преимущество, так как механизмы сложно вывести из строя. (Приложение 2).
2.3. Промышленные роботы.
Заводы, предприятия и фабрики различной направленности уже давно используют труд и возможности современных роботов. Автоматизированные промышленные роботы применяются для сварки, укладки, покраски и прочих операций, требующих многократного повторения, высокой точности и являющихся опасными для человеческого организма. Чаще всего такие механизмы выполнены в виде устройства, похожего на человеческую руку. (Приложение 3).
2.4. Роботы в сфере безопасности.
Не менее успешно роботизированные системы применяют в сфере безопасности: устройства оснащены набором чувствительных датчиков, которые оперативно обнаруживают пожароопасные ситуации и успешно предотвращают их. (Приложение 4).
2.5. Сельскохозяйственные роботы.
Большая часть действий, производимых на полях, отлично подходят для выполнения роботами. Теперь посадкой культур, прополкой от сорняков, поливом, обработкой и подготовкой земли, а также сбором урожая занимаются специальные устройства. Роботы могут заниматься даже стрижкой шерсти, а также доением и обслуживанием скота. Статичные и подвижные они прекрасно справляются с возложенными обязанностями. (Приложение 5).
2.6. Космические роботы.
Большой вклад внесли изобретения в исследования безграничного межпланетного пространства и разорвав цепи земного тяготения в 1957 году Советский Союз запустил на околоземную орбиту первый искусственный спутник М1-1ПС. (Приложение 6).
Сейчас к нам на помощь приходят специальные космороботы, которые способны работать в условиях, не подходящих для живого человека. Например, при высоком уровне радиационного излучения и экстремальных температурах.
2.7. Медицинские роботы.
Здравоохранение – одна из самых прогрессивных сфер, в которой применяется труд роботов. В настоящее время активно развивается роботизированная хирургия. Высокая точность и уникальные возможности позволяют им идеально справляться с операциями, в том числе и внутриполостными.
3. Мои исследования и разработки.
Одной из самых первых моих разработок в начале 2021 года был Автоподатчик-катапульта «ROKET 01» — это катапульта с реечным механизмом, который подает патроны, а зубчатый механизм их запускает (Приложение 7). На данный момент усовершенствование этой модели было приостановлено, в связи с увеличением моего интереса к кибернетике.
Киборги – это биологический организм, содержащий механические или электронные компоненты, другими словами – это люди, у которых какие-то органы заменены бионические протезами, которыми он может управлять при помощи собственной нервной системы. Травмы, разного рода несчастные случаи и болезни зачастую приводят к ампутации конечностей, что оказывает разрушительное воздействие на человека, именно в этот момент приходит на помощь бионический протез.
К сожалению, в современном мире не все могут позволить себе такие протезы. Именно поэтому я стремлюсь изучать и познавать эти технологии, чтобы как можно больше людей стало счастливее и смогло вернуться в свою прежнюю жизнь без ограничений.
Идти к достижению поставленной цели я решил через создание механической клешни, половинки которой могут вращаться синхронно и асинхронно. Дизайн был ориентирован на имеющиеся знания и доступность материалов, в моем случае это конструктор Lego Mindstorms EV3 (Приложение 8).
В результате получилось устройство, предназначенное для захвата предметов, грузов, их удержания при перемещении и последующей разгрузки. Помимо кнопок в корпусе, может быть предусмотрено беспроводное удаленное управление с помощью ножной педали для людей с проблемами движения пальцев рук.
Электромеханическая клешня может выполнять роль протеза для инвалидов, а также служить экзоскелетом для руки человека. На ней предусмотрены датчики для предотвращения чрезмерного сжатия хватаемых предметов. Питание электродвигателей поступает от аккумулятора, которым оснащен микроконтроллер EV3.
Грузозахваты бывают ручными и автоматическими. Для моего механизма – это базовое обхватывающее движение и способность поднимать небольшие легкие предметы. Обычно для непосредственного захвата груза используют крюки, которые при необходимости дополняются другими приспособлениями. Вариаций такого устройства может быть большое количество и применять его можно практически в любой сфере нашей жизни.
Заключение.
Сейчас разница между роботом и живым человеком огромна, хотя некоторые ученные утверждают, что через несколько десятилетий роботы будут обладать более сложным разумом, существенно превосходящим мышление своих создателей.
Главное преимущество робота – это отсутствие эмоций. Они никогда не сомневаются и принимают решение, основываясь исключительно на заданной программе. Но не стоит ли задуматься человечеству при их совершенствовании? К чему может привести повсеместное массовое внедрение роботов?
- безработица – замена людей роботами может привести к сокращению на рабочих местах;
- деградация – существует мнение, согласно которому современные роботы и их применение может негативно сказаться на человеке в будущем. Если всю тяжелую и мыслительную в том числе работу будет выполнять искусственный интеллект, человек может перестать развиваться.
Опрос, проведенный среди моих одноклассников, дал 100% результат! На вопрос готовы ли они отказаться от роботов в их жизни? Ответом было единогласное: «НЕТ». И все же нам не стоит забывать, что роботы, наделены недостатками и у них есть свои пробелы:
- хрупкость – как и любые другие механизмы, роботы нуждаются в техническом обслуживании и ремонте, настройках и обновлениях;
- энергопотребление – работоспособность механизмов полностью зависит от источников питания, и объемы потребления энергии довольно велики.
Сложно отрицать тот факт, что робот – это умная машина, интерес к новейшим разработкам и технологиям, как никогда актуален для меня на сегодняшний день. Уберите из нашей жизни роботов и человеку придется учится всему заново, но я думаю, что мы успешно справимся и с этим, ведь робота все же придумали люди.
Список литературы.
1. М. Я. Маров, У.Т. Хантресс «Советские роботы в солнечной системе. Технологии и открытия», 2018г..
2. С. В. Милянчиков «Энциклопедия. Роботы 100 фактов.», 2020г..
3. М. Прейко, «Устройства управления роботами: схемотехника и программирование», 2004г..
4. Сайт: Ваш для создания Instructables - www.instructables.com
5. А.В. Корягин, «Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов», 2016г..
6. Выражаем благодарность за содействие в подготовке технических материалов педагогу дополнительного образования Исхакову Ильнуру Флюровичу.
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение №4
Приложение №5
Приложение №6
Приложение №7
Приложение №8