XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот для поддержания безопасности на улицах города "КИБЕР-охранник" на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность работы
Безопасность школьников – актуальная тема на все времена. Мы живем в современном мире, где, как нам кажется, дети находятся под постоянным контролем. Однако существуют ситуации, когда ребенок может оказаться в опасности. Особенно такие ситуации вероятны по пути в школу, где никто не сможет проконтролировать и помочь. На городских улицах нужен особенный полицейский, который сможет защитить и подскажет ответ на многие вопросы.
Цель проектной работы:
- создать социального робота для поддержания безопасности на улицах города и помощи школьникам.
Задачи проектной работы:
-
Выделить основные опасности в городе для детей, узнать о способах поддержания безопасности;
-
узнать о роботах-полицейских и социальных роботах в помощь людям;
-
Подробно изучить конструкции, функционал и задачи современных социальных роботов;
-
Выделить главные особенности роботов-помощников, запланировать задачи для создания конструкции робота «КИБЕР-полицейского»;
-
Сконструировать и запрограммировать робота «КИБЕР-полицейского»;
-
Провести демонстрацию проекта.
В качестве источников информации мы использовали информационные журналы и сайты: www.cnews.ru, expertology.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой Книги идей LEGO MINDSTORMS EV3 [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [3]
Глава 1. Опасности в городе для детей: во дворе, рядом со школой, на улицах города. Современные способы поддержания безопасности.
В современном городе нам ошибочно кажется, что дети находятся в полной безопасности. Однако, даже по ежедневному маршруту «дом-школа-дом» ребенок должен быть осторожен и внимателен. Мы определили список основных опасностей на этом пути:
-
переход и/или движение вдоль проезжей части дорог;
-
опасный незнакомец;
-
неблагоприятные погодные явления;
-
заговорился с другом и заблудился;
-
потерял ключи/телефон;
-
покупка веществ и/или продуктов, запрещенных детям;
-
буллинг со стороны других школьников.
Конечно, эти и многие другие вопросы могут решить взрослые, например родители, однако в большинстве случаев взрослых, к кому можно обратиться за помощью, нет рядом в трудных ситуациях.
В настоящий момент есть ряд мер, направленных на поддержание безопасности:
-
охранник в школе и на территории школы;
-
видеонаблюдение;
-
отражающие сигналы на рюкзаках и одежде для безопасности на проезжей части дорог;
-
беседы с родителями, социальными педагогами, представителями полиции;
-
телефоны служб помощи, служб поддержки;
Однако не всегда дети знают к кому обратиться за помощью, не могут понять, что нужно делать, нужен постоянный помощник, к которому школьники бы могли обратиться без стеснения и экстренно. В этом может помочь робот!
Глава 2. Роботизированные устройства для контроля порядка на улицах города: в России, в мире
Робот-полицейский – это уже не фантазия, такие роботы появились на улицах Китая. Картинка из фильмов про будущее воплотилась на дорогах крупных городов Поднебесной. [4] Автомобильный трафик в городском округе Ханьдань китайской провинции Хэбэй начали патрулировать роботы (Рисунок 2.1 Приложения). По сути, они выполняют функции дорожных полицейских, и местное Министерство общественной безопасности назвало это первым этапом по активному внедрению робополиции. Китайские полицейские новой эры делятся на три категории в зависимости от выполняемых задач. Робот дорожного патрулирования сделан по образцу офицера дорожной полиции в желтом жилете и белой каске. Он занимается тем, что фотографирует нарушения ПДД и идентифицирует личности водителей-нарушителей. В общем, полноценный гаишник.
Для контроля порядка и помощи могут использоваться социальные роботы. Пассажиры Air New Zealand в аэропорту Сиднея могут воспользоваться услугами нового такого робота, который помогает зарегистрироваться на рейс и пройти посадку на борт (Рисунок 2.2 Приложения). [5] Гуманоидоподобного андроида авиакомпании предоставила австралийская финансовая группа Commbank. Цель включения такого робота в работу аэропорта - выяснить социальную и эмоциональную составляющие во взаимодействии людей и современных технологий в динамичной социальной среде, чтобы расширить предлагаемые клиентам варианты обслуживания.
В Пермском аэропорту «Большое Савино» начал работать механизированный сотрудник от компании Promobot. [6] Робот модели Promobot V.4. будет общаться с людьми и отвечать на их вопросы, облегчая работу сотрудникам аэропорта. Робот автономный — он свободно передвигается в помещении и не нуждается в контроле со стороны человека. Об этом CNews сообщили представители Promobot.
Promobot V.4 может осуществлять следующие задачи: интеграция с расписанием вылетов, печать чеков и купонов, консультирование посетителей на разных языках. В функционал робота также входит возможность взаимодействия с посетителями аэропорта: песни, танцы и другие активности.
Робот становится надежным сотрудником для организации: он никогда не опаздывает, не отвлекается, не уходит в отпуск и не болеет. Это помогает ему работать в четыре раза эффективнее обычного сотрудника. Новый сотрудник постоянно находится в центре внимания: людям интересно взаимодействовать с роботом — как взрослым, так и детям.
В аэропорту Симферополя также в 2021 г. начал работать робот-консультант (Рисунок 2.3 Приложения) компании Promobot.
В России также в скором будущем появятся роботы-полицейские.
Использовать роботов-полицейских на службе в МВД могут начать в течение 10 лет. Они будут снимать отпечатки пальцев, работать в миграционной службе, ГИБДД, аэропортах. Об этом сообщает ТАСС со ссылкой на представителя компании-разработчика. По его словам, уже продано более 200 их роботов Promobot последней, четвертой версии. К 2030 году организация планирует встроиться в концепцию «Цифровой полиции» и поставлять свою продукцию МВД.
Роботы смогут работать в местах скопления людей, консультировать граждан и решать различные задачи при наличии дополнительного оборудования. Например, при установке специальных сканеров устройство способно отсканировать отпечатки пальцев человека и сверить их с базой данных. Также он способен самостоятельно передвигаться, общаться, распознавать лица и речь, подключиться к любой базе данных, сайту, сервису и системе безопасности.
Глава 3. Роботы в помощь людям: задачи, функционал, особенности конструкции
Мы подробно рассмотрели 10 наиболее интересных социальных роботов, которые уже созданы в мире. [7-9] Нас интересовали особенности конструкции, задачи и функционал роботов. В итоге, мы составили таблицу для сравнения характеристик (Рисунок 3.1 Приложения). Фото роботов представлены на Рисунках 3.2-3.11 Приложения.
В результате сравнения всех характеристик современных роботов мы сделали вывод, что наиболее успешен в общении робот, созданный по подобию человека. Для передвижения роботов чаще всего устанавливается колесная база, реже робот – шагающий или стационарный. В большинстве роботов установлены датчики на движения, микрофоны, видеокамеры.
Все эти наблюдения нам помогли при планировании нашего робота.
Глава 4. Создание модели робота для контроля спокойствия на улицах города «КИБЕР-охранник» на базе конструктора LEGO MindstormsEV3
4.1 Задачи конструирования
Перед началом конструирования мы посмотрели карту нашего города и определили места, где желательно установить нашего робота «КИБЕР-охранник» для контроля порядка и помощи детям в любых ситуациях. На рисунке 4.1.1 приведен пример траектории движения робота возле школы №92 города Тюмени – это движение по прямоугольнику вперед и назад и 4 поворота.
Проанализировав конструкции современных роботов, оснащенность датчиками и учитывая желаемую траекторию движения нашего робота, мы определили перед собой следующие приоритетные задачи конструирования:
-
обеспечить перемещение робота с помощью широкой мобильной базы на колесах или гусеничном ходу на двух моторах с возможностью поворота;
-
силуэт робота сконструировать по образу человека: мобильная база, туловище, руки, готова;
-
установить туловище на мобильную базу таким образом, чтобы робот двигался боком влево и вправо для лучшего обзора и контроля пространства;
-
конструкцию робота сделать подвижной, но прочной, сохраняя равновесие;
-
оснастить робота датчиками для обнаружения человека, получения реакции из окружающей среды, сканирования команд;
Мы нарисовали эскиз нашего робота, учитывая все планируемые задачи конструирования (Рисунок 4.1.2 Приложения).
4.2 Конструкция модели и её функционал
Всю конструкцию робота мы разделили на 3 части:
1 часть – мобильная база.
Мы выбрали гусеничный ход, так как он является широкой опорой для вертикальной конструкции робота, имеет максимальную площадь соприкосновения с поверхностью, по которой будет двигаться робот, что обеспечит ровность прямого движения вправо и влево по траектории.
Гусеничный ход приводят в движение 2 средних мотора. Ведущие колеса на двух гусеницах мы поставили с двух сторон для ровности движения в обе стороны.
Конструкцию мобильной базы мы представили на Рисунке 4.2.1 Приложения.
2 часть – туловище робота.
Туловище робота – это сам блок EV3 и руки (Рисунок 4.2.2 Приложения).
Блок EV3 прочно соединяется с мобильной базой с помощью рамок. Руки нашего робота имеют шарнирные соединения и очень подвижны. На руках установлены датчики касания для осуществления взаимодействия с тем, кто обращается к роботу: для рукопожатий, для привлечения внимания и т.д.
3 часть – голова робота
Голова робота- главный источник информации из окружающего пространства. В этой части робота мы установили ультразвуковой датчик для обнаружения собеседника/опасности и датчик цвета для получения сигнала/вопроса от собеседника. Конструкция головы представляет собой прямоугольный каркас с встроенным датчиком цвета и кепки черного цвета с встроенным ультразвуковым датчиком (Рисунок 4.2.3 Приложения).
Этапы конструирования представлены на Рисунке 4.2.4 Приложения.
4.3 Программа
Для запуска и тестирования нашего робота мы создали 2 программы. Они задействуют весь функционал нашей модели, отличие заключается в действиях робота при реакции датчиков.
Первая программа сразу активирует движение робота влево-вправо. Робот останавливается, как только ультразвуковой датчик обнаружит присутствие кого-либо. Далее при нажатии датчика касания робот здоровается и на экране EV3 появляется улыбка, при нажатии другого датчика касания на другой руке робот что-то рассказывает или показывает собеседнику. При сигнале разного цвета вблизи датчика цвета робот выполняет разные действия:
-
синий – поддерживает и одобряет
-
зеленый – удивляет и движется навстречу
-
желтый – радует и танцует
-
красный – показывает сердце и отправляет сигнал о помощи.
Первая программа состоит из двух подпрограмм, первая подпрограмма содержит 3 цикла, один из которых прерывается при срабатывании второй подпрограммы, ориентированной на реакцию ультразвукового датчика также в цикле (Рисунок 4.3.1 Приложения). В первой подпрограмме мы активируем свой блок «datchiki», он содержит в себе выбор команд по реакции датчика цвета. Основная программа повторяется бесконечно. Реакция датчиков касания и датчика цвета принимается только в присутствии собеседника, то есть робот всегда сканирует пространство ультразвуковым датчиком.
Вторая программа состоит также состоит из 2 подпрограмм, однако имеет возможность экстренной остановки робота (Рисунок 4.3.1 Приложения). Обе подпрограммы повторяются циклично, выбор действия происходит по реакциям датчиков с помощью блоков Переключатель. При реакции ультразвукового датчика робот также останавливается, на разные индикаторы датчик цвета выдает реакцию в виде изображения на экране блока EV3, при нажатии датчиков касания звучат разные звуки и на экран выводится текст.
4.4 .Презентация
Мы презентовали свой проект в Школе Мистер Брейни. При запуске робот сразу начинал движение по прямой вправо и влево. При приближении собеседника робот останавливался и ждал вопросов в виде цветовых индикаторов или рукопожатия. Дальнейшие действия робота определяются запросом собеседника: если вопрос о помощи, то робот поддерживает и отправляет сигнал тревоги в службы школы, если собеседнику нужна поддержка и хорошее настроение, то робот радует, танцует, демонстрирует положительные эмоции. Как только собеседник отошел от робота, КИБЕР-охранник продолжает движение по своей траектории и сканирует пространство в поисках нового собеседника.
Мы также планируем добавить нашему роботу возможность отвечать на разные вопросы собеседников и возможность сопровождать собеседника до дома.
Заключение
В процессе нашей работы мы определили опасности, которые существуют на улицах города вблизи образовательных учреждений, особенно около школ. Не всегда дети могут обратиться к старшим за помощью, в такие моменты могут прийти на помощь роботы. Безопасность детей может быть дополнительно обеспечена контролем роботов. Мы подробно изучили конструкции, функционал и назначение существующих социальных роботов, в том числе роботов-полицейских (в Китае). В результате сравнения всех характеристик современных роботов мы сделали вывод, что наиболее успешен в общении робот, созданный по подобию человека. Для передвижения роботов чаще всего устанавливается колесная база, реже робот – шагающий или стационарный. В большинстве роботов установлены датчики на движения, микрофоны, видеокамеры.
Все изученные нами социальные роботы в основном помогают людям в эмоциональном плане и в поиске информации. Мы решили создать робота-полицейского, который дополнительно к этим функциям сможет обеспечить безопасность школьникам, придет на помощь в трудных ситуациях. Модель нашего робота «КИБЕР-охранник» выполнена на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Конструкция робота повторяет силуэт человека, в качестве мобильной базы мы установили гусеничный ход, для активного взаимодействия с собеседником и окружающим миром мы установили 4 датчика. Программа запускает робота по запланированной траектории пути вблизи школы, робот выполняет поставленные задачи и помогает школьникам решать любые вопросы, подбадривает, танцует, повышает настроение, а также обеспечивает их безопасность.
Наша работа может быть использована на уроках робототехники и внеклассных мероприятиях. А также мы надеемся, что наша идея будет реализована в ближайшем будущем и роботы «КИБЕР-охранники» появятся на улицах нашего города.
Список используемой литературы:
-
Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
-
Курс «Робототехнический Центр», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - Мистер Брейни ┃Школа интеллектуального развития (vk.com);
-
Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с.;
Интернет источники:
-
https://noi.md/ru/nauka-i-it/gaishniki-roboty-stali-realinostiyu-poka-v-kitae
-
https://livingintravels.com/v-aeroportu-sidneya-passazhirov-obsluzhivaet-robot/
-
https://www.cnews.ru/news/line/2022-06-06_v_permskom_aeroportu_poyavilsya
-
https://topor.info/tops/socialnyjj-robot
-
https://expertology.ru/luchshikh-umnykh-robotov-dlya-detey/?ysclid=liajjofwuv266089970
-
https://www.robot96.ru/pr_roboty/pepper/
Приложение
-
Рисунок 2.1 Робот-полицейский на дорогах китайской провинции Хэбэй
Рисунок 2.2.2 Социальный робот в аэропорту Сиднея
Рисунок 2.2.3 Робот-бакир в аэропорту Симферополя
Рисунок 3.1 Сравнительные характеристики социальных роботов
Рисунок 3.2 RBot
Рисунок 3.3 Kirobo
Рисунок 3.4 Zeno R25
Рисунок 3.5 Asimo
Рисунок 3.6 Nexi
Рисунок 3.7 WowWee CHiP
Рисунок 3.8 Робот Pudding S Емеля
Рисунок 3.9 ClicBot Full Kit
Рисунок 3.10 Jibo
Рисунок 3.11 Pepper
Рисунок 4.1.1 Траектория движения робота КИБЕР-охранник по улицам в районе школы №92 города Тюмени
Рисунок 4.1.2 Эскиз робота «КИБЕР-охранник» и его составных частей
Рисунок 4.2.1 Конструкция 1 части робота: мобильная база на гусеничном ходу
Рисунок 4.2.2 Конструкция 2 части робота: туловище и руки со встроенными датчиками
Рисунок 4.2.3 Конструкция 3 части робота: голова со встроенными датчиками
Рисунок 4.2.4 Этапы конструирования
Рисунок 4.3.1 Программа 1 для запуска робота «КИБЕР-охранник»
Рисунок 4.3.2 Программа 2 для запуска робота «КИБЕР-охранник»
Рисунок 4.4.1 Презентация проекта «Робот КИБЕР-охранник»