XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Моделирование и создание интерактивного робота «Громозека»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Могилевский А.К. 1Козловский В.В. 1Калмыков М.А. 1

---

1ГБОУ Школа №199

Щукин А.М. 1Прудникова Т.В. 1

---

1ГБОУ Школа №199

Работа в формате PDF

3.3 MB

Цель проекта: создать интерактивного робота - игрушку «Громозека», управляемого с пульта или телефона, и изучить метапредметные связи (основы 3-д моделирования, черчения, электротехники и програмирования).

Задачи проекта:

- Изучить компоненты необходимые для создания проекта

- составить эскизы и чертежи для каждой части робота

- выбрать варианты использования камеры, блока управления, конструктора, прочие комплектующие двигающейся платформы

- изучить основы программирования

- изучить специфику 3-д моделирования

- изучить основы черчения

- познакомиться с работой 3-д принтера

Практическая значимость проекта определяется следующими факторами:

- Интерактивное использование программ для моделирования и создания готовых моделей

- Развитие пространственного мышления

- Систематизация знаний

- Создание плана изделия от наброска до готового проекта

- Дистанционное наблюдение за ребенком (видео-няня), домашними животными и обстановкой вокруг

Использованные материалы и оборудование и программное обеспечение: конструктор – аналог LEGO Technic, камера с разрешением 1080р, 3D Bulder, Creality print, T-Flex CAD, Blender

Теоретическая часть

В ходе изучения основ программирования и робототехники было решено создать робота, которого можно запрограммировать и наблюдать за его движением от «первого лица». Первый и очень важный этап любого проекта по созданию устройства – сбор материала по теме, анализ полученной информации и подготовка чертежей.

Для начала было решено изучить, какие варианты роботов доминируют в массовой культуре (игры, фильмы, книги, комиксы). В настоящее время роботы окружают нас буквально везде: дома, на производстве, на улице [1]. Из литературы и кино мы знаем, что робот – это автоматическое устройство, которое благодаря специальной встроенной программе способно выполнять вместо человека определенные умственные и физические задачи [1]. Мы поняли, что устройство, которое мы хотим создать, можно отнести к роботу, поскольку данное устройство не только позволяет осуществлять управление через пульт или смартфон, но и дает возможность программировать его движение или схематично рисовать маршрут.

Далее нужно было определиться с внешним обликом, как будет выглядеть наш будущий робот и мы приступили к рассмотрению вариантов роботов из массовой культуры.

Рисунок 1. Варианты роботов из сети интернет

Мы нашли большое количество изображений (рис.1). После чего приступили к созданию эскиза своей модели. Каждый из нас придумывал свою часть робота: голову, туловище, руки. Постепенно концепция будущего робота вырисовывалась, и начали работать раздельно, каждый над своей частью робота, а потом эти наработки объединили и получили единое целое.

Практическая часть

Начали работать над эскизами будущего робота. Мы рисовали их на бумаге, а потом создавали чертеж в программе Т-Flex CAD.

Рисунок 2. Мы рисуем эскизы робота

В первых эскизах мы выбирали, какая будет база у робота - на гусеницах или на колёсах. Рассматривали все их плюсы и минусы (проходимость, легкость сборки и т.д.) (рис.2). Также нужно было решить, какая будет у робота голова, круглая или квадратная. Разные варианты мы изобразили на эскизах. Вот некоторые из них (рис.3).

Рисунок 3. Эскизы робота.

Важно было понять, из чего мы будем делать нашу модель, какие нам понадобятся комплектующие. Стоит сказать, что в ходе работы изначальная концепция несколько изменилась и мы пришли к тому варианту, который понравился нам всем и позволил реализовать поставленные задачи. Мы решили, что некоторые части робота мы сможем создать методом печати на 3D принтере, предварительно смоделировав модель в 3D Builder и Blender [3, 4].

3D-принтер позволяет создавать физические объекты методом послойного наложения пластиковой «нити» в соответствии с заданной 3D моделью. Тут есть 3 основных этапа:

1. Подготовка модели — специальная программа (слайсер) преобразует 3D-модель в набор инструкций (G-код), которые указывают принтеру, куда и как подавать материал.

2. Нагрев и подача материала — пластиковая нить (филамент) подаётся в экструдер, где нагревается до жидкого состояния и выдавливается через тонкое сопло.

3. Послойное нанесение — сопло перемещается по заданным координатам (оси X и Y), формируя каждый слой объекта. После завершения слоя платформа или сопло смещаются по вертикали (ось Z), и процесс повторяется.

4. Охлаждение и затвердевание — нанесённый пластик быстро остывает, сохраняя форму. Вентиляторы помогают равномерному охлаждению, предотвращая деформации [2].

Для того, чтобы создать детали методом 3D-печати, нужно было сначала продумать каждый элемент, который будет печататься, и простроить их в специализированных программах, в частности, мы использовали программу 3D Builder (рис.4) и Blender (рис.5).

Рисунок 4. Программа 3D Builder

Рисунок 5. Программа Blender

3D Builder — программа от Microsoft для создания 3D моделей.

Blender – это бесплатная открытая программа для создания трехмерной графики. Она объединяет моделирование, анимацию, симуляции, визуализацию, монтаж видео и даже создание интерактивных приложений.

Стоит отметить, что для 3D принтера нужна не только 3D модель, но и программа, по которой он будет работать (выбор температуры сопла, стола, скорость подачи, скорость печати и тд). А до этого нужно создать эскизы, которые потом будут перенесены в программу. Важно соблюсти размеры и их соответствие друг другу на соприкасающихся деталях, поэтому нам пришлось также осваивать основы черчения и ручной графики.

Важно было понять, сколько деталей понадобится на каждую часть робота. Началась серьезная работа по 3D-моделированию объектов: голова, туловище, руки робота. Мы работали в этой программе вместе в школе и потом продолжали работать дома. Итогом нашей работы стали проектные изображения всех частей робота, которые будут продемонстрированы далее.

Ходовая часть робота

В ходе создания эскизов и работы с программами по 3D моделированию мы решили, что нам для создания робота нужна некая подвижная база, которой можно управлять с применением пульта управления.

Рисунок 5. Конструктор в качестве базы робота

В качестве такой базу мы использовали конструктор – аналог LEGO Technic (рис. 5). Конструктор позволяет управлять роботом через пульт, а также через телефон по беспроводной связи. Это было прекрасным решением и базой, на которую мы могли бы смонтировать остальные элементы робота, которые хотели создать. Размеры базы робота 5.5 см на 10.3 см. Ширина гусениц 2.7 см.

Рисунок 6. База для нашего робота

Мы выбрали конструктор Cyber Girl (рис.5) и создали из него базу робота – устойчивую «опору» на гусеницах, обладающую достаточной маневренностью для реализации наших задач (рис.6). Специальное ПО, которое прилагалось к конструктору (рис.7), позволяет запрограммировать движения нашего робота различными способами через пульт и телефон.

Рисунок 7. Скрин-шоты ПО для базы робота

Данное программное обеспечение мы скачали по ссылке из конструктора. Оно позволяет управлять роботом, а также определять программу его действий на каком-то заданном расстоянии. Программа позволяет управлять роботом с телефона. Также роботом можно управлять при помощи пульта. Для обеспечения работы камеры и осуществления видео съёмки потребуется отдельный смартфон.

Корпус робота

В ходе обучения в школе на уроках труда мы освоили программу 3D Builder и сейчас она нам была как нельзя кстати, например, чтобы сделать, например, вот так (рис.8).

Рисунок 8. Первые варианты создания объемного «эскиза» в программе 3D Builder

Думая над тем, какое будет туловище у нашего робота, мы смотрели готовые ретро варианты (рис.9), а также рисовали свои в программе.

Рисунок 9. Варианты туловища робота из интернета

Рисунок 10. Эскизы и чертеж корпуса

Рисунок 11. Моделируем корпус в 3D-Builder, модель в 3D-Builder

В итоге мы нарисовали эскиз, а потом и чертеж. Туловище робота не должно было быть слишком массивным, чтобы оно не перевешивало всю конструкцию при движении, но при этом оно должно было быть достаточным по размеру для дальнейшего монтажа камеры. После создания эскиза была создана модель корпуса в 3D-Builder (рис.11).

Корпус был напечатан на 3д принтере. К ходовой части (база с гусеницами) он крепится при помощи деталей из LELO техник, который мы заложили в конструкцию и напечатали, а также специальных креплений, которые были заложены в конструкторе. Корпус закреплён на базе крепко и устойчиво, что обеспечивает целостность модели, даже при резких поворотах при движении на его максимальной скорости.

Голова робота

Рисунок 12. Эскизы головы робота

Мы нарисовали эскизы головы робота на бумаге (рис.12), чтобы потом перенести их в программу и построить 3D-модель (рис.13).

Рисунок 13. Моделируем голову в 3D-Builder, модель в 3D-Builder

Голова должна быть сбалансированной по весу с корпусом, чтобы избежать перевешивания или падения всей конструкции. Голова нашего робота - не подвижна, но мы хотим исправить это в будущем, в каком-то другом проекте. В глазах робота вставлены мини-экранчики, которые имитируют моргание и подмигивание реального человека. Эти экранчики были в комплектации конструктора, который мы использовали для создания базы, и мы решили использовать их для нашего робота, но длины проводов не хватало для подсоединения их к подвижной платформе, в которой располагается блок питания, для этого было необходимо так же изучить основы схемотехники и выполнить процесс удлинения проводом. При проектировании и печати на 3D- принтере шея конструктивно являлаcь частью «головы». К корпусу эта деталь прикреплена на клей.

Руки робота

Рисунок 14. Эскизы рук робота

Мы нарисовали эскизы рук робота на бумаге (рис.14), чтобы потом перенесли их в программу и сделали 3D-модель (рис.15).

Рисунок 15. Моделируем руки в 3D-Builder, модель в 3D-Builder

У нашего робота руки не несут функциональной нагрузки, но они двигаются вверх и вниз посредством внешнего воздействия. В дальнейшем мы планируем создать робота, у которого все части будут выполнять какую-нибудь полезную функцию. Руки крепятся к корпусу на магнитах, которые мы приклеили к углублениям внутри корпуса и к шарнирам на плечевых частях рук.

Двойной захват на одной руке – имитация магнита, а на второй руке имитация 4-лапкового захвата. Было бы интересно сделать в следующей модели эти элементы функциональными. То есть, в нашем проекте руки выполняют декоративную функцию, дополняя образ нашего «Громозеки».

Камера

На робота мы установили камеру, размером 34*34*34 мм (рис.16). Эта камера работает через внутреннюю точку доступа и обеспечивает разрешение съемки 1080p. Камера передает изображение в реальном времени, что позволяет вести наблюдение, не находясь в непосредственной близости от объекта наблюдения.

Рисунок 16. Камера

Для обеспечения работы камеры и осуществления видео съёмки потребуется отдельный смартфон, который будет подключен к камере. То есть, одним смартфоном или пультом мы управляем роботом, а со второго осуществляем видеосъемку.

Имя робота

Мы подумали, что у нашего робота обязательно должно быть имя и решили проголосовать, кому какое больше нравится (рис17). В итоге, все мы согласились назвать робота «Громозека». Это имя напечатано у него на корпусе.

Рисунок 17. Наше голосование

3D печать и сборка нашего робота

Детали робота мы печатали, используя белый пластик, аналогичный показанному на фото (рис.18).

Рисунок 18. Пластик

Финальная стадия – 3D печать и сборка нашего робота. Мы очень волновались, ведь уже много поработали над данным проектом и хотели получить долгожданный результат. И вот наш робот собран. Мы печатали его на таком 3D принтере. Время печати довольно длительное. Корпус печатался 9 часов, руки – 3 часа, голова – примерно 4 часа. Срок печати зависит от того, насколько большая и сложная деталь. При печати принтер нагревается и его надо охлаждать и только потом продолжать работу. Характерная особенность PLA пластика, что при печати не выделяется неприятных или едких запахов, что позволяет устанавливать такой принтер в детских учебных заведениях.

Рисунок 19. Наш робот готов

После сборки робота (рис 19) мы сфотографировали его со всех сторон, чтобы продемонстрировать в данном проекте (рис.20).

Рисунок 20. Наш робот с разных сторон

Пульт управления для нашего робота

Как мы писали выше, для управления роботом требуются два смартфона. Один для управления движением робота, а также для его программирования. Второй телефон требуется для того, чтобы видеть, что снимает камера, установленная на роботе. То есть, нужно 2 человека для управления одним роботом. Мы решили оптимизировать этот процесс и спроектировали и потом напечатали пульт управления, который представляет собой держатель, в который вставляются два смартфона (рис 21). Такой пульт позволяет производить управление роботом одному человеку.

Рисунок 21. Пульт управления роботом

Тестирование нашего робота

После стадии сборки на любом производстве проводят тестирование получившегося образца и потом пуско-наладочные работы. Мы решили тоже делать все правильно и протестировать нашего робота в нашей школе.

Рисунок 22. Тестируем пульт управления роботом

Оказалось, что управлять роботом и камерой с одного пульта гораздо удобнее. На рисунке видно (рис. 22), что нижний смартфон обеспечивает движение робота в направлении, заданном оператором. Радиус действия управления через пульт примерно 10 метров. Верхний смартфон показывает то, что фиксирует камера робота. Видно, что робот заехал в класс, на экране видно ребят у окна. Робот позволяет показать, что происходит в классе.

Рисунок 23. Управляем роботом

Наш робот проехался по всей школе (рис. 23) и позволил нам снять кадры из разных помещений.

Выводы:

• В ходе работы мы изучили компоненты, необходимые для создания проекта интерактивного робота игрушки Громозека.

• Мы составили эскизы и чертежи для каждой части робота.

• Мы продумали варианты использования камеры, мотора, конструктора, прочих комплектующих и подобрали оптимальный набор для нашего робота.

• Мы изучили азы программирования, 3-д моделирования и черчения и познакомились с работой 3д принтера.

• Мы создали интерактивного робота - игрушку “Громозеку», управляемого с пульта или телефона, а также реализовали цель по его использованию для изучения окружающей среды посредством видеосъемки в реальном времени. Мы готовы продемонстрировать нашего робота.

Использованная литература:

1. электронный ресурс https://letaibe.media/articles/vidy-robotov-i-oblasti-ih-primeneniya/

2. электронный ресурс https://dzen.ru/a/aCoOMqrCZmsVnLVJ

3.

4.Хесс Ф. «Практиктическое пособие Blender 4 для любителей и профессионалов. Моделинг, анимация, VRX, видеомонтаж Москва, 2025 год