XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Музыкальная шкатулка. Конструктор Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Аюпов И.Р. 1Файзуллов Д.С. 1Муслимов К.Р. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Садыкова Э.Р. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Все мы постоянно сталкиваемся в повседневной жизни с музыкой.
И это не только прослушивание любимых песен. Это и наши будильники, рингтоны для сообщений и звонков на телефонах и многое другое. И кто-то пишет эту музыку, а другие ее умеют извлекать с помощью музыкальных инструментов. А почему не мы? Ведь существует нотная грамота, и если в ней разобраться, то открываются безграничные возможности, начиная
с программирования музыки на компьютере в различных программах
до момента, когда мы уже возьмем в руки какой-то музыкальный инструмент. А пока не попробуешь – не поймешь, твое это или нет.

Цель: Получить знания азов нотного стана, научиться читать ноты
и применять эти знания на практике, научиться работать в команде в процессе изучения информации и самостоятельного создания проекта «Музыкальная шкатулка».

Задачи:

• самостоятельно изучить информацию о истории создания и видах музыкальных шкатулок;

• изучить с руководителем проекта основы нотной грамоты, найти несложные ноты для музыкальных шкатулок;

• самостоятельно разработать программу, состоящую из нот выбранных мелодий для шкатулки;

• самостоятельно разработать макет музыкальной шкатулки и создать модель с помощью конструктора Lego Mindstorms EV3;

• дописать программу, дополнив ее движением механизмов созданной шкатулки в такт музыке;

• провести демонстрацию модели «Музыкальная шкатулка».

Работа над проектом была проведена в 8 этапов:

1. Распределение общих тем про музыкальные шкатулки среди участников команды с целью поиска информации;

2. Обсуждение найденной информации и выбор формы и механизма музыкальной шкатулки;

3. Изучение темы нотного стана и расположения на нем основных нот и октав;

4. Поиск и выбор мелодий с простым набором нот для музыкальной шкатулки;

5. Распределение составных частей проекта среди участников команды с целью поэтапного конструирования, отладки и запуска;

6. Соединение всех составных частей и создание моделей в целом;

7. Создание программы для механизма и звука музыкальной шкатулки;

8. Отладка и демонстрация проекта «Музыкальная шкатулка».

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Курс программирования робота Lego Mindstorms EV3 в среде EV3 [1], информационные сайты с нотами (https://samesound.ru [7]
и https://babiki.ru/blog/kulturnoe-nasledie/214398.html[8]) и другие. При создании проекта мы руководствовались знаниями, полученными на занятиях «Основы робототехники» и «Соревновательная робототехника» в школе интеллектуального развития «Мистер Брейни» в городе Уфа. При изучении программирования нот мы пользовались книгой «Моё любимое сольфеджио»[3], при программировании мелодий шкатулок мы пользовались информационными сайтами (https://urokimuz.ru[5] и https://school.home-task.com/[6]) и каналом YouTube[9], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия Mindstorms EV3[2, 4],
при создании программ мы руководствовались учебным пособием
по образовательной робототехнике. [1].

Глава 1. Общие сведения о музыкальных шкатулках

1. 1. История музыкальной шкатулки

Несколько столетий назад наши предки не могли в любой момент просто так взять и послушать музыку. Тогда еще не существовало ни компьютеров,
ни магнитофонов, и даже патефонов еще не было изобретено. Музыку можно было послушать только вживую, она была недоступна для любого желающего. С изобретением музыкальной шкатулки ситуация поменялась, но шкатулки были очень дорогими и непростыми механизмами, и позволить себе ее купить мог даже не каждый господин, не говоря уже о простых людях.

Сначала слабые прототипы музыкальных шкатулок появились в эпоху раннего средневековья на арабском востоке и в Византии. Но первая настоящая музыкальная шкатулка появилась в Швейцарии в 1796 году. (Приложение, Рисунок 1.1) Ее изобрел часовщик Антуан Фавр из Женевы. Он смастерил уникальный на то время механизм, который воспроизводил мелодичные известные мелодии. Антуан Фавр устанавливал механизмы музыкальной шкатулки в настольные часы или флаконы из-под духов.

В 1815 году в Швейцарии открылся первый завод по производству музыкальных шкатулок. На нем выпускали шкатулки самого различного размера – от карманных, до габаритов размером с целый шкаф. Размер шкатулок влиял на звук, ведь чем больше размер шкатулки, тем более звучно
и громче звучала мелодия. В первых прототипах будущих музыкальных шкатулок использовались только колокольчики, но позднее их заменили металлические диски или цилиндрические валики (Приложение, Рисунок 1.2).

Позже шкатулки стали дополняться фигурками, которые вращались вокруг своей оси или по другой траектории. Это были балерины, животные
или птицы, могли быть люди различных профессий (Приложение, Рисунок 1.3).

1. 2. Музыкальная шкатулка как первый прибор с программой автоматического воспроизведения музыки

Но в конце XIX — начале XX века начали развивать производство автоматов на бумажной перфоленте (Приложение, Рисунок 1.6). Изначально это были некие специальные приставки к фортепиано, а вот позже уже были созданы автоматические пианино и рояли, которые позволяли воспроизводить игру знаменитых пианистов, записанную на бумажной перфоленте.
Из чего можно сделать вывод, что первым прибором по автоматическому
и запрограммированному произведению музыки была именно – музыкальная шкатулка.

1. 3. Механизм музыкальной шкатулки

Механизм музыкальной шкатулки состоит из (Приложение, Рисунок 1.5):

• Опорная плита или подставка. Тяжелое металлическое основание всего механизма, на котором закреплены все остальные части.

• Заводной ключ или рукоятка. Используется для того, чтобы завести механизм.

• Гребенка. Плоская металлическая часть, которая содержит множество зубьев различной длины.

• Цилиндр. Вращающаяся часть механизма, которая имеет специальные штыри, по сути выполняющие функцию нотного листа. Во время движения, они цепляют зубья гребенки, благодаря чему и рождается мелодия. От диаметра цилиндра напрямую зависит сложность
  и продолжительность мелодии.

• Пружинный механизм. В зависимости от своего размера, позволяет проигрывать музыкальное произведение от одной минуты
  до нескольких часов.

Глава 2. Основы нотной грамоты

1. 1. Семь нот и клавиши фортепиано

Все мы знаем, что существует 7 нот: до, ре, ми, фа, соль, ли и си.
Эти ноты идут друг за другом и расположены на клавиатуре фортепиано друг за другом – белые клавиши (Приложение, Рисунок 2.1). Далее снова идут те же семь нот, но уже чуть выше тональности и так до конца клавиатуры фортепиано. Эти части по 7 нот называются октавы (Приложение, Рисунок 2.2).

1. 2. Диез и бемоль

Между некоторыми нотами выше расположены черные клавиши, Каждая черная клавиша – это звук на полтона выше предыдущей ноты и так же
на полтона ниже последующей, называются они «предыдущая от черной клавиши нота диез» или «последующая соответственно бемоль». То есть, например, «до диез» и «ре бемоль» - это одна и та же клавиша, которая издает звук на полтона выше до и на полтона ниже ре (Приложение, Рисунок 2.3).

1. 3. Длительность звучания нот

Существует так же длительность звучания каждой ноты. Иначе многие мелодии не получится программировать, потому что где-то нота тянется долго, а где-то быстро замолкает, что дает возможность запрограммировать такт мелодии. Схема чтения длительности нот показана на рисунке (Приложение, Рисунок 2.4), длительность ноты в программировании можно определить,
как целая нота (самая длинная), половина ее, четверть и восьмая часть.
То есть если мы берем за длительность звучания целой ноты 1 секунда,
то половина будет 0,5 с; соответственно, одна четвертая – 0,25 с.

1. 4. Нотный стан

Нотный стан состоит из 5 полос, ноты на нем располагаются слева направо, как на клавишах фортепиано, и читаются они снизу вверх (Приложение, Рисунок 2.5). Для того, чтобы написать программу по простым нотам этих знаний вполне достаточно.

Глава 3. Создание проекта «Музыкальная шкатулка» из LegoMindstormsEV3

В ходе работы было создано две музыкальные шкатулки. Для более точной и согласованной работы по созданию нашего проекта, мы распределили все этапы на каждого из нашей команды, выбрав и использовав наиболее сильные стороны каждого участника проекта. Всего получилось 5 этапов:

1. Каркас музыкальных шкатулок с моторами. Муслимов Карим
и Файзуллов Давид.

В ходе сборки каркаса для шкатулки мы столкнулись с проблемой конструктора Lego Mindstorms EV3 в плане того, что собрать просто коробку
из таких деталей – дело не простое. Конструктор нацелен на сборку машинок, роботов с мелкими деталями, плюс ограничен в количестве деталей. А вот больших широких пластин, из которых можно быстро сконструировать стены шкатулки, – не присутствует. Поэтому в ход пошли и шестеренки (Приложение, рисунок 3.1)., и балки, и прочие детали. В итоге пока мы искали выход, было собрано две шкатулки, мы не смогли выбрать лучшую, так как каждая была особенная, и решили делать проект по двум музыкальным шкатулкам. Шкатулка №1 (Приложение, рисунок 3.2) и шкатулка №2 (Приложение, рисунок 3.3).

2. «Балерина» - движущийся под музыку объект внутри шкатулки.

Собрать из грубого квадратного конструктора изящную маленькую балерину – дело непростое. Мы выбрали самые мелкие детали
и сконструировали для шкатулок объекты, похожие на робото-балерин. (Приложение, рисунок 3.4 и 3.5).

В шкатулке №1 были использованы два больших мотора. Один управляет балериной, второй шестом для балерины. И средний мотор (Приложение, рисунок 3.6), который крутит шестеренки на задней стенке шкатулки. Передача момента в данном случае не имеет значения, потому что шестеренки крутятся для красоты.

В шкатулке №2 Использован один большой мотор, который управляет балериной.

3. Программирование мелодий для шкатулок. Аюпов Искандер.

Для обоих шкатулок мы доверили писать подпрограмму музыкальной части Искандеру. Мы выбрали две мелодии:

• «Аллилуйя», написанную канадским композитором Леонардом Коэном в 1984 году, одна из версий этой мелодии прозвучала
  в мультфильме «Шрек». Ноты приложены на рисунке (Приложение, рисунок 3.7).

• «Колыбельная медведицы», написанная советским композитором Евгением Крылатовым в 1969 году к мультфильму «Умка». Ноты приложены на рисунке (Приложение, рисунок 3.8).

4. Установка датчиков на открытие шкатулки.

В наших шкатулках музыка начинает звучать не по заводу механизма ручкой. А при открытии крышки.

Шкатулка №1 срабатывает на отпускание кнопки датчика касания (Приложение, рисунок 3.9). То есть пока крышка закрыта, кнопка нажата,
и ничего не происходит. Как только мы открываем крышку – кнопка отжимается, и начинается музыка и кружение балерины, шеста и шестеренок
на задней стенке. Минус такой шкатулки в том, что, если недозакрыть крышку, шкатулка будет работать. Но мы утяжелили крышку деталями, и она успешно нажимает кнопку при закрытии.

Шкатулка №2 срабатывает по датчику цвета в режиме освещения (Приложение, рисунок 3.10). Пока крышка закрыта, датчику «темно», то есть освещение минимальное. Минус такой шкатулки в том, что она не будет работать в темноте. Это будет «дневная шкатулка» решили мы и доделали эту модель тоже для разнообразия.

5. Окончательная программа для музыкальных шкатулок.

На последнем этапе мы (Приложение, рисунок 3.19) дописывали программу для музыкальных шкатулок (Приложение, рисунок 3.11 и 3.12). Применили соответствующие датчики в каждой шкатулке, как условие на открытие крышки. Дописали к мелодиям кручение моторов в такт (Приложение, рисунок 3.13).

Демонстрация проектов:

Музыкальная шкатулка №1. Шкатулка стоит с закрытой крышкой, мелодия не воспроизводится, моторы не работают. Открываем крышку: отжимается кнопка датчика касания, запускается мелодия «Аллилуйя»
и моторы, к которым прикреплена балерина, шест и шестеренки на задней стенке. (Приложение, рисунок 3.14)

Музыкальная шкатулка №2. Шкатулка стоит с закрытой крышкой, мелодия не воспроизводится, моторы не работают. Открываем крышку: освещается датчик цвета, запускается мелодия «Колыбельная медведицы»
и мотор, к которому прикреплена балерина. (Приложение, рисунок 3.15)

Заключение

В процессе изучения информации мы познакомились с нотами
и расположением нот на нотной сетке. Научились читать ноты и программировать их в виде мелодий для Lego Mindstorms EV3. Мы узнали
о истории создания первого автоматического устройства для воспроизведения музыки – музыкальной шкатулкой, узнали историю ее создания.

В итоге мы сконструировали две музыкальные шкатулки,
обе срабатывают на открытие крышки. Одна из которых запускает программу музыки и движения балерины от датчика касания (Приложение, рисунок 3.18), а вторая – от датчика цвета (Приложение, рисунок 3.17). Для успешной демонстрации проекта мы использовали 3 мотора в шкатулке №1 и 1 мотор
в шкатулке №2. Мы успешно выполнили наш проект. Наш проект можно использовать на уроках робототехники и уроках музыки, как комплексный подход к изучению нотной грамоты и программирования.

Список литературы и интернет источники

1. Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота Lego Mindstorms EV3 в среде EV3: изд. второе, перераб. и допол. / Л.Ю. Овсяницкая,
   Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. – М.: «Перо», 2016. – 296 с.;

2. Большая книга LEGOMINDSTORMS EV3 / Лоренс Валк ; [пер. с англ.
   С. В. Черникова]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 408 с.
   ил. – (Подарочные издания. Компьютер);

3. Осколова Е. Л. «Моё любимое сольфеджио», В 5 ч. — М., 2017. —
   Ч. 1. — 128 с., ноты, ил.

4. Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3. 181 удивительный механизм и устройство / Йошихито Исогава ; [пер. с англ. О.В. Обручева]. – Москва : Издательство «Э», 2017. – 232 с. : ил. – (Подарочные издания. Компьютер).;

Интернет источники:

5. Сайт «Уроки музыки». Ноты для мелодии «Аллилуйя»https://urokimuz.ru/narodnye-duhovye/flejta-pana/flejta-pana-urok-3/

6. Ноты для мелодии «Колыбельная медведицы» https://school.home-task.com/zimnie-sny/

7. https://samesound.ru/music/2818-muzykalnaya-shkatulka-istoriya-volshebnoj-korobki

8. https://babiki.ru/blog/kulturnoe-nasledie/214398.html

9. https://youtu.be/fr22xJwpD00?si=unjbMiKbdngpX0Sp

Приложение