IV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РОБОТЫ: ИСПЫТАНИЕ И ДЕМОНСТРАЦИЯ ЧЕЛОВЕЧЕСКОЙ МЫСЛИ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
В современном мире идёт активное внедрение роботов в нашу жизнь. В настоящее время функционирует около 2 млн. самых различных роботов: промышленных, исследовательских, транспортных, военных, медицинских, домашних, роботов-игрушек. Роботы – автоматические системы, преднaзначенные для воспроизведения интеллектуальных и двигательных функций человека и других живых существ. От традиционных установок отличаются большей универсальностью и способностью реагировать на выполнение различных задач, в том числе в изменяющейся обстановке. Следует отметить, что с каждым годом уровень выполняемых задач для роботов усложняется, происходит как дифференциация поставленной цели, так и объединение. Это означает, что роботы могут выполнять и монотонное однотипное действие, и сложный комплекс разнообразных задач.
Каждый год на планете проводится испытание нескольких тысяч моделей различных роботов, около половины из которых впоследствии успешно проходят испытания и приступают к выполнению своих обязанностей практически во всех областях человеческой жизни. Испытание и демонстрация возможностей человеческой мысли проводится и на других планетах посредством отправки роботов в открытый космос.
Актуальность данной темы связана с активным процессом роботизации, то есть внедрением роботов в жизнь современного человека.
Цель работы – исследовать основы робототехники для самостоятельного создания робота в домашних условиях.
Задачи:
Изучить процессы роботизации в историческом аспекте.
Изучить функциональные возможности и область применения роботов.
Рассмотреть обучающие платформы в робототехнике.
Мониторинг отношения к процессу роботизации двух поколений: родителей и детей (на основе соцопросов, проведенных в 2015г. и 2017г.)
Собрать модель робота-пожарного из конструктора Lego Mindstorms EV3, написать программу для робота и провести испытание, используя дистанционное управление и онлайн трансляцию.
Провести презентацию робота-пожарного в детском саду, школе и на интерактивной выставке РобоЛэнд.
Объект – роботы. Предмет – робот-пожарный DamRus.
В качестве гипотезы мы выдвигаем предположение, что можно самостоятельно собрать робота-пожарного в домашних условиях.
Теоретическая значимость данного научного исследования заключается в изучении истории возникновения роботов, современных возможностей применения роботов и прогнозирования развития робототехники.
Практическая значимость состоит в том, что работа может быть использована в системе дополнительного образования, на уроках технологии и робототехники и в повседневной жизни.
Методы исследования:
- изучение и анализ специальной литературы и специализированных Интернет-ресурсов;
- сбор эмпирических данных с помощью опроса (анкетирование);
- систематизация, сравнительный анализ полученных данных;
- эвристический метод;
- метод проектирования;
- моделирование и программирование;
- метод конструирования
- метод тестирования
- эксперимент.
База исследования – ученики 5В класса; набор конструктора Lego Mindstorms EV3.
Глава I. Развитие робототехники
Слово «робот» было придумано Карелом Чапеком и его братом Йозефом и впервые использовано в пьесе Чапека «Р.У.Р.» («Россумские универсальные роботы»,1920г.). А вот отрывок из статьи Карела Чапека, в которой вся эта история рассказывается в деталях самим Чапеком. «… это было так: идея пьесы пришла писателю в один неподходящий момент. Но, пока она была еще теплой, он поспешил к своему старшему брату Йозефу, художнику, который стоял перед мольбертом и рисовал так, что холст потрескивал.
- Слушай Йозеф, - сказал писатель, - у меня есть идея для пьесы.
- Какая? – пробормотал художник (он действительно пробормотал, потому, что в тот момент держал кисточку во рту). Автор рассказал ему идею так быстро, как только мог.
- Так напиши это, - заметил художник, вынув кисточку изо рта и остановив работу над холстом.
- Но, - сказал автор, - я не знаю, как назвать этих искусственных рабочих. Я хочу назвать Лабори (Labori), но это кажется мне слишком педантичным.
- Ну, назови их Роботы (Robots), - пробормотал художник с кисточкой во рту и подошел к холсту.
Вот так это было. Так родилось слово Робот...»
Таким образом, слово робот пришло к нам из чешского языка и означает "принудительная работа, тяжелый труд".1
I.1. Исторический экскурс
История робототехники уходит в глубокую древность. Уже в те времена появились идеи создания технических средств, похожих на человека, и были предприняты первые попытки по их конструированию. Статуи богов с подвижными частями тела появились еще в Древнем Египте, Вавилоне и Китае. В 3 веке до н. э. римский поэт Клавдий упоминал об автомате, изготовленном Архимедом. Он имел форму стеклянного шара с изображением небесного свода, на котором воспроизводилось движение всех известных в то время небесных светил. Шар приводился в движение водой. До нас дошли книги Герона Александрийского (I век н.э.), где описаны водяные часы и многие другие автоматы древности. В качестве источника энергии в них использовались вода, пар, гравитация (гири). В «Театре автоматов» описано даже устройство целого театра, представление в котором разыгрывали фигурки-куклы, приводимые в движение с помощью системы зубчатых колес, блоков и рычагов.
В средние века большой популярностью пользовались различного рода автоматы, основанные на использовании часовых механизмов. Были созданы всевозможные часы с движущимися фигурами людей, ангелов. К этому периоду относятся сведения о создании первых подвижных человекоподобных механических фигур – андроидов. Так, андроид алхимика Альберта Великого (1193 – 1280) представлял собой куклу в рост человека, которая, когда стучали в дверь, открывала и закрывала ее, кланяясь при этом входящему. В 13 веке Альберт Великий создал автомат, ставший впоследствии известным как «говорящая голова», способный воспроизводить человеческий голос. В 1495 году Леонардо да Винчи разработал детальный проект механического человека, способного двигать руками и поворачивать голову. А в 1500 году он построил механического льва, который при въезде короля Франции в Милан выдвигался, раздирал когтями грудь и показывал герб Франции. Работы по созданию андроидов достигли наибольшего развития в XVIII в. одновременно с расцветом часового мастерства. Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон (1709-1789) создал в 1738 году первое работающее человекоподобное устройство, которое играло на флейте. «Флейтист» был ростом с человека. Подвижными пальцами он мог исполнять 11 мелодий по заложенной в него программе. Вокансон также создал механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать зерно и, перемалывая его маленькой внутренней мельницей, отправлять нужду на пол. Утка состояла из более чем 400 движущихся деталей и была однозначно признана венцом творения мастера. Созданием автоматов также занимались швейцарские часовщики Пьер-Жак Дро (1721-1790) и его сын Анри Дро (1752-1791). От имени последнего позднее было образовано и понятие «андроид». Пьер-Жак Дро создал несколько автоматов, из которых наибольшую известность получили писец и художник. Писец представлял собой сидящую за столом девочку, которая выписывала аккуратным почерком буквы, слова и даже могла нарисовать собаку. При этом она плавно покачивала головой и опускала веки в такт движения руки. Вместе с сыном они создали девушку, играющую на клавесине. Сохранилось восторженное описание этой фигуры современником: «Девушка играет, шевелит губами, грудь ее поднимается и опускается при «дыхании», она смотрит на клавиши, в ноты, а иногда бросает взгляд на публику, по окончании «номера» встает и кланяется». Эти человекоподобные игрушки представляли собой многопрограммные автоматы с оперативно сменяемыми программами.2
I.2. Функциональные возможности роботов.
Возникновение современных роботов следует отнести к 1959 г. В этом году в США были созданы первые промышленные манипуляторы с программным управлением, которые получили общепринятое название промышленных роботов и положили начало коммерческому производству. Во всем мире началось стремительное развитие робототехники. Технический прогресс в развитии роботов был направлен, прежде всего, на совершенствование систем управления. Промышленные роботы первого поколения имели программное управление, в основном заимствованное у станков с числовым управлением. Второе поколение роботов – это очувствленные роботы, т. е. снабженные сенсорными системами, главными из которых являются системы технического зрения.
Третье поколение роботов – это интеллектуальные роботы, т.е. с интеллектуальным управлением. Интеллектуальный робот – это робот конкретного назначения, в основных функциональных системах которого используются методы искусственного интеллекта. Возникновение интеллекта у роботов связано с развитием электронных вычислительных машин. В 1967 г. в США был создан лабораторный макет робота, снабженного техническим зрением и предназначенного для исследования и отработки системы «глаз – рука», способной распознавать объекты внешней среды и оперировать ими в соответствии с заданием. Ученые создают первые интегральные роботы, включающие манипуляторы, управляющие ЭВМ, различные средства очувствления и общения с человеком-оператором, которые предназначены для проведения исследований в области создания роботов следующих поколений, а также искусственного интеллекта.
Начало XXI века характеризуется постоянным совершенствованием робототехники, которая применяется в области освоения космоса, обороны, здравоохранения, науки, общественной безопасности, развлечений, а также других сферах жизни. Роботы значительно расширяют наши возможности и заменяют людей не только на опасных, тяжелых и монотонных работах, но и в качестве работников квалифицированного труда. В зависимости от функционального назначения, выделяют следующие типы роботов: андроид (человекообразный робот), биоробот, промышленный робот, транспортный робот, подводный робот, бытовой робот, боевой робот, зооробот, звероробот, летающий робот, медицинский робот, микроробот, наноробот, персональный робот, робот-игрушка, робот-программа.3 Именно функциональность роботов предопределяет развитие различных направлений робототехники:
медицинская робототехника - целью является создание медицинских роботов, которые лечат людей и выполняют операции. К примеру, с помощью робота-хирурга Давинчи проведено сотни тысяч операций
персональная робототехника, цель которой - разработка персональных роботов удобных в использовании. Уже существуют экзо-роботы или экзоскелеты, предназначенные для восполнения утраченных функций, увеличения силы мышц человека и расширения амплитуды движений за счёт внешнего каркаса и приводящих частей.
планетарная робототехника - для исследования других планет создают роботов-планетоходов;
военная робототехника позволяет создать беспилотные летательные аппараты, наземные транспортные, морские надводные и подводные;
телеробототехника, целью является создание телероботов - роботов, дистанционно управляемых телеоператором. Такие роботы могут тушить пожары, спасать людей во время природных и техногенных катаклизмов;
промышленная робототехника активно используется уже много лет,среди всех роботов индустриальные роботы занимают лидирующее положение по количеству;
эволюционная робототехника изучает методы эволюционных вычислений для разработки искусственных нервных систем роботов;
биометрическая робототехника исследует биометрические возможности роботов, например, тактильные, т.е. с реакция на прикосновения;
биологическая робототехника, цель исследования и проектирование биороботов, или биоботов, они представляют собой искусственный интеллект с органическим телом;
наноробототехника, целью является создание нанороботов устройств размером в единицы и десятки нанометров, которые смогут самостоятельно манипулировать отдельными атомами вещества.
Этот перечень далеко не полный в связи с постоянным развитием робототехники.
Итак, робот - механическое устройство, наделенное разумом (искусственный интеллект), органами чувств (сенсорные системы) и имеющее внешнее и функциональное сходство с человеком или каким-либо другим живым существом. В процессе выполнения порученной работы разум робота воспринимает информацию об окружающей среде от органов чувств, анализирует ее с учетом полученного задания и вырабатывает команды, исполнение которых обеспечивает успешное завершение работы. Понятие "органы чувств" включает в себя: систему технического зрения, систему восприятия речи, систему различения запахов, датчики информации о касании и о величине давления руки робота на поверхность предмета. Сюда относятся также датчики для измерения усилий, возникающих в звеньях робота, подобно напряжениям в локтевых или коленных суставах человека при выполнении им какой-либо работы.4 (Приложение 1). Функциональные возможности робота во многом определяются "силой" его разума и наличием тех или иных органов чувств. Конечная цель робототехники - придумать и создать роботов, функциональные возможности которых максимально приближают их к человеку.
Бостонская исследовательская компания (BSG) в рамках глобального исследования рынка робототехники прогнозирует его неоспоримый рост. До 2025г. произойдёт увеличение объёмов производства, прежде всего персональных роботов – для обучения и образования, развлечений, безопасности, уборки помещений и других бытовых целей. Также увеличатся продажи роботов в сельском хозяйстве и строительстве, для медицинских, промышленных и военных целей. Все это будет происходить на фоне падения цен роботов и комплектующих с повышением их производительности и сложности, выполняемых ими работ, что в свою очередь будет вести к расширению спектра их использования.5
I.3. Образовательная робототехника
Робототехника - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства. Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехника и электротехника. Робототехника сейчас переходит на новый уровень динамичного роста. Главными факторами, способствующими развитию робототехники в ближайшие годы, будут снижение стоимости комплектующих роботизированных устройств и совершенствование доступных технологий, таких как навигация, распознавание речи.6
Самая быстроразвивающаяся робототехника это образовательная. Появились такие предметы в школах, пользуются спросом робототехнические кружки, организуются робофестивали и робовыставки.
Сегодня есть большое количество разнообразных конструкторов для обучения школьников навыкам программирования робототехнических платформ. Сейчас наиболее востребованы платформы таких производителей:
LEGO (группа компаний с основным офисом в Дании. Основана в 1932 году). Данная фирма предлагает для детей платформу LEGO Mindstorms Education EV3 и другие.
HUNA (корейская компания, недавно продвинувшаяся на рынке детских роботизированных конструкторов). Среди новинок можно отметить платформу Huna Class full kit 3.
ROBOTIS (корейская фирма). Она известна серией конструкторов Bioloid.
FISHERTECHNIK GmbH (немецкая фирма). Ею выпускаются конструкторы нескольких линеек для детей различного возраста.
VEX Robotics (американская компания, основанная двумя инженерами с главным офисом в Далласе). Ее разработками являются конструкторы серии VEX.
RoboRobo (еще одна корейская компания, созданная учеными Сеульского Национального университета в 2000 году). Популярной линейкой являются конструкторы: Robo Kit 1-6, Robo Kids, Electronic Kit, Animal Kit и UARO. Они используются для обучения робототехнике в школах азиатского региона.
DST Robot (корейский производитель конструкторов, фирма основана в 1999 году). Выпускает два вида конструкторов роботов: гуманоидные роботы HOVIS и роботы-собаки Genibo.
ООО «КиберТех» (Санкт-Петербург, Россия) выпускает конструктор «Трик».7
Остановимся подробнее на конструкторе LEGO Mindstorms.
Этот конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) предназначен для создания программируемого робота. Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году. Через 8 лет в свет вышла модель LEGO Mindstorms NXT 1.0, в 2009 - LEGO Mindstorms NXT 2.0, а в 2013 — LEGO Mindstorms EV3. Наборы LEGO Mindstorms комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни, сервомоторы) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока.
Набор LEGO Mindstorms EV3 подходит для проведения занятий по робототехнике в школе, на кружках дополнительного образования и в домашних условиях. Программное обеспечение позволяет программировать модели графическим языком LabVIEW. Он является хорошим инструментом для освоения школьниками основ составления алгоритмов и программирования. Программное обеспечение можно бесплатно использовать, скачав его с официального сайта LEGO Education. Также можно приобрести дополнительное ПО для программирования на основе языков Java или С++.
Плюсом LabVIEW является возможность составления графиков для регистрации экспериментальных данных. В базовое ПО уже включены занятия по освоению и практическому применению детьми программирования EV3. Можно загрузить дополнительное ПО образовательной версии для применения платформы на уроках информатики, физики, осуществления проектирования.
Конструктор состоит из 541 элемента. В состав входят пластиковые детали различной конфигурации, 3 сервомотора, датчики (ультразвуковой, гироскопический, цветовой, касания), соединительные кабели и миникомпьютер EV3. Инструкции по сборке и программированию находятся в ПО платформы.
Миникомпьютер EV3 совместим с планшетами и смартфонами, поддерживает Bluetooth и WiFi, имеет интерфейс для ручного ввода программ, USB-разъем, по 4 порта ввода и вывода, разъем для карты памяти.
Данную платформу рекомендуется использовать для детей старше 10 лет, но не исключается возможность обучения более юных учеников.
Во многих странах широко распространено обучение конструированию в школах и колледжах с использованием наборов LEGO Mindstorms. С развитием этого опыта стали популярны соревнования роботов, в котором каждое учебное учреждение выставляет на соревнования свои команды.
В России соревнования по робототехнике стали проводиться примерно с 2000 года. Сначала проходят соревнования в регионах, затем в Москве, где собираются победители всех регионов, а после финалисты Московского этапа едут в другие страны для участия в соревнованиях на мировом уровне. Это соревнование называется - Всемирная Олимпиада Роботов. Команды из России имеют достаточно хорошие результаты и не раз занимали призовые места.
Выводы по главе I
Роботы прошли путь от примитивных механизмов до сложных, эффективных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. Робототехника превратилась в развитую отрасль промышленности. Робототехнические системы продолжают развиваться и постепенно проникают во все сферы человеческой жизни, такие как производство, строительство, медицина, сельское хозяйство, а также сферы развлечений, безопасности и личной помощи. Существует более сотни научно-технических направлений, в первую очередь искусственный интеллект, на базе которого делается система управления роботами.
В ближайшие десятилетия всё более совершенные роботы станут незаменимыми помощниками людей и смогут взять на себя обеспечение большей части потребностей цивилизации. Процессы роботизации современного мира закономерны. Роботы станут таким же привычным девайсом, как планшеты, смартфоны, ноутбуки.
Глава II. DamRus
II.1. Мониторинг роботизации (сравнительный анализ результатов соцопроса 2015г. и 2017г.)
В 2015 году мы провели социологический опрос с целью определения степени готовности использования роботов в личной жизни. Метод сбора информации – анкетирование (Приложение 2). Стало интересно, изменилось ли мнение школьников за 2 года. Это можно выяснить, если провести мониторинг мнения школьников. В целях соблюдения чистоты эксперимента необходимо использовать тот же самый инструментарий, т.е. анкету. Главным условием является определение выборки, т.е. тех лиц, кого мы будем опрашивать. И так, мы раздали анкеты с точно такими же вопросами тем же людям – ученикам 5В класса.
Самым показательным прямым вопросом относительно взаимоотношений «человек – робот» является вопрос о возможности дружбы между ними. В 2015 году 95,8% детей ответили утвердительно. А в 2017 году эта цифра снизилась до 78,3% (Приложение 3, Диаграмма 1). На вопрос «Какого роботы ты бы выбрал для себя?» 75% детей желают иметь дело с программируемым роботом без кнопки, который больше похож на живого. В 2017 году на этот вопрос утвердительно ответила половина опрашиваемых. Анализ результатов вопроса о количестве совместного времяпрепровождения со своим будущим роботом наглядно демонстрирует желание детей общаться с роботом достаточно часто (Приложение 3, Диаграмма 2). Причем, в реальности ежедневное общение с друзьями как было редким явлением в 2015 году, так и осталось на сегодняшний день (12,5%). В основном, общение с друзьями приходится на выходной день – воскресенье. Можно сделать вывод, что младшее поколение готово заменить недостающее живое общение с друзьями на механического друга с искусственным интеллектом.
С ответом на следующий вопрос, с нашей точки зрения, было определиться нелегко. Как выбрать между робопёсом и живым пушистым комочком – котенком? Мнение ребят разделилось пополам. (Приложение 3, Диаграмма 3).
Веру в развитие новых технологий, а в целом – в силу человеческой мысли, мы вложили в суть вопроса о том, смогут ли роботы когда-нибудь заменить человека. Практически совпадают данные по годам в варианте ответа «в некоторых профессиях» (Приложение 3, Диаграмма 4). Однако в 2015 году ребята чаще отвечали положительно на этот вопрос (16,7% против 4,5% в 2017году). Возможно, ребята повзрослели и стали более скептически относиться к вопросам из области фантастики. В действительности еще не создан робот, который может заменить человека полностью.
Достаточно показательным является распределение ответов по сферам жизнедеятельности человека, в которых необходимо применение роботов, по мнению респондентов. Промышленная, бытовая, развлекательная и научная сферы лидируют в анкетах. Следует отметить, что в несколько раз сократилось количество ответов напротив пунктов: промышленная сфера и во всех сферах В открытый вариант ответа одноклассники вписали робота-почтальона и роботов, применяемых в строительстве и на «опасных миссиях» - это роботы-спасатели (Приложение 3, Диаграмма 5).
Как мы видим, в некоторых вопросах ребята изменили своё мнение по тем или иным вопросам. Однако в ключевых моментах мнение ребят осталось стабильным. Сравнительный анализ полученных данных в 2015 и 2017 году позволяет утверждать, что школьники с высокой степенью готовности ожидают процесса роботизации. Наш исследовательский интерес удовлетворен. Мониторинг предполагает дальнейшее изучение данного вопроса с сохранением методики проведения опроса.
II.2 Мои роботы-помощники
Во втором классе родители отвели меня в кружок робототехники. За этот период я постиг основы робототехники, узнал о трехмерном моделировании и проектировании, научился проводить самостоятельно схемотехнические работы и паять. Самостоятельно своего первого робота с рабочим названием «светофор» собрал в 9лет. Основная его особенность – наличие датчика цвета, который распознаёт цвета и их яркость. В случае распознавания жёлтого цвета робот начинает движение с 10%-ной мощностью большого мотора, повышая её автоматически до 100% при появлении зеленого цвета в «поле зрения» датчика. При нажатии датчика касания цикл завершается.
Следующую модель TRACK3R сконструировал для того, чтобы позабавить сестренку. Это робот высокой проходимости на гусеничном ходу с захватной клешнёй. Движение осуществляется по заранее заданной программе: прямолинейно, захват предмета, поворот направо, разжим клешни, возврат задним ходом, прямолинейно, захват второго предмета, поворот направо, разжим клешни, возврат задним ходом на исходную позицию, звуковые аплодисменты удачному маневру. Маленький ребенок нажимает на кнопку, и робот самостоятельно выполняет весь алгоритм. Моей сестренке он принес столько положительных эмоций, что в его пользе не пришлось сомневаться ни минуты.
Каким ещё образом моё увлечение робототехникой помогло порадовать близких? Ко дню рождения папы я создал танцующего робота, после заданных программой двигательных маневров робот останавливался, и из динамика звучала песня «С днем рождения, папа!» в нашем исполнении, а затем на экране модуля появлялся улыбающийся смайлик. Предварительно мы с сестренкой пропели песню в микрофон, и эту запись я внедрил в программу робота.
Было решено создать еще одного полезного робота. Уборка игрушек в комнате после игр - для нас с сестренкой утомительное и скучное занятие. Первым делом мы придумали имя роботу, образованное из букв имен Дамир и Асель. Так появился на свет робот-сборщик игрушек ДамАс.
Собрал модель, написал программу, с помощью пульта дистанционного управления задал ему следующие команды: подъезжает к игрушке и поднимает её с помощью захватывающего механизма («клешня»), далее перевозит ее в назначенное место. Робот полностью подчиняется дистанционному управлению, он не устаёт и не выражает недовольство от монотонного, однообразного процесса. Сбор игрушек после игр превратился в увлекательное и захватывающее занятие! Это функциональный механизм, т.е. он заменяет определенные функции человека и приносит реальную пользу, а именно собирает игрушки.
II.3. Робот-пожарный: создание и испытание.
На создание нового робота меня вдохновил разговор взрослых о случившемся пожаре. Такие обсуждения в нашей семье не редкость. Дело в том, что мой родной дядя Руслан - капитан. Всю жизнь проработал пожарным, сейчас он пенсионер. Но дядя Руслан очень энергичный и не может сидеть без дела, поэтому он работает ведущим инженером по пожарной безопасности в системе здравоохранения - руководит пожарно-профилактической работой.
Действительно, работа пожарных очень опасна, каждый выезд на пожар может закончиться трагично. А если сделать так, чтобы в самые опасные очаги возгорания первым шел робот - помощник пожарного? Итак, решено создать робота-пожарного, и назвать его в честь создателя и моего дяди Руслана - DamRus.
Для этой цели выбран конструктор LEGO MINDSTORMS EV3. При соответствующей его настройке при помощи планшета или компьютера, он сможет выполнять любые команды! Для этого нужно собрать его в задуманной версии и «оживить» при помощи построенного на значках интерфейса программирования.
Общий вид конструктора:
Для робота-пожарного используем следующие основные части конструктора:
«Модуль EV3» служит центром управления и энергетической станцией для робота.
порты для подключения датчиков к модулю EV3
мини USB PC порт для подключения «модуля EV3» к компьютеру
USB порт для подключения Wi-Fi-адаптера и «организации последовательного опроса»
встроенный динамик
Инфракрасный маяк. Дистанционно управляет роботом, а также может быть использован в качестве отслеживающего устройства
Чтобы приводить робота в движение используются 3 электромотора:
2 больших: 1 средний:
В качестве приводной платформы на них устанавливаются гусеницы для лучшей маневренности
В механизме захватывающего устройства используются коническая передача, зубчатая передача и кулачковый механизм
Итак, конструирование завершено – модель робота-пожарного DamRus готова (Приложение 5). Но мало собрать робота. Надо научить его двигаться, «жить». Для этого он должен быть «обучен», запрограммирован. С этой целью в конструкторе существует возможность программирования с помощью следующих Блоков (схем).
Это Блоки действий. Они управляют действиями в рамках программы, контролируют вращение моторов, а также изображения, звук и подсветку модуля EV3. Из блоков действий будем использовать программные блоки, большой мотор и средний мотор
Программные блоки - операторы. Они управляют процессом выполнения программ. Все создаваемые нами программы будут начинаться со стартового блока. Нам понадобятся цикл, начало программы и переключатель
Это Блоки датчиков. Они позволяют программе считывать входящие данные с датчика света, ИК-датчика, датчика касания и многое другое. Нам понадобится инфракрасный датчик
Таким образом, осознавая и полностью вникнув в задачу, которую ставим перед собой при конструировании робота, получаем необходимый результат.
Как же программируется робот? Для этого необходимо скачать специальную программу LEGO MINDSTORMS EV3 Home Edition на планшет или компьютер. С помощью подключения Модуля EV3 к компьютеру через порт мини USB и используя необходимый набор Блоков, задаем алгоритм действий нашего робота. Такое программирование называется графическим или визуальным. Пример программирования Блока среднего мотора: с помощью переключателя задается режим двухступенчатого опускания стрелы.
Мощность привода программируется с помощью ползунка. К примеру, в блоке большого мотора нашей программы установлена мощность привода 75% от максимальной.
Каждый программный Блок заставляет робота реагировать определённым образом, то есть выполнять команды. Используя различные сочетания Блоков, я научил своего робота ходить, управляя им с помощью пульта. В итоге получилась довольно сложная программа (Приложение 4). Внутри цикла расположены переключатели, которые привязаны к инфракрасному датчику. Каждый переключатель привязан к определенной кнопке или комбинации кнопок инфракрасного пульта управления. Их нажатие приводит к определенным действиям: вращению мотора, включению приводной платформы, двухступенчатому опусканию стрелы. Учитывая то, что цикл неограниченный, робот будет работать до тех пор, пока его не отключат или не сядут элементы питания. Мы создали робота, который управляется дистанционно с помощью пульта управления, а не действует по заранее заложенной программе.
Решено оснастить робота-пожарного сигнализацией. Для этого создал блок воспроизведения звуков: скачал аудиозапись с Интернета и импортировал ее в программу.
Так как продолжительность аудиозаписи превысила допустимый лимит, пришлось разбить ее на 3 фрагмента и поочередно вставить их в схему. Отредактировал и сохранил звуковой файл. Теперь во время движения робота из динамика звучит предупреждение: «Осторожно! Пожар! Всем покинуть помещение!» и пожарная сигнализация.
В целях обнаружения пламени мы установили на робота смартфон с веб-камерой. Изображение выводится на экран планшета или другого девайса. Первоначально планировалось установить приложение Скайп для передачи видеоизображения, однако для его использования необходимо подключение к Интернету. Поэтому мы нашли другой способ для ведения онлайн-трансляции без использования сети. На смартфон загрузили приложение IP Webcam, на планшет - tinyCam FREE. Связали устройства через мобильную точку доступа и произвели необходимые настройки. Таким образом, мы достигли желаемого результата: роботом можно управлять дистанционно, используя видеоизображение в реальном времени. Робот обходит преграды, находит пламя и тушит его. Цель достигнута. Робот-пожарный DamRus готов к работе!
Испытательный процесс оказался не менее увлекательным, чем конструирование робота. Возникали сложности с установкой и креплением модуля и стрелы. Испытание подтвердило, что все узлы нашего робота индивидуально работают исправно. На втором этапе тестирования робота установлена проблема передачи видеоизображения на экран планшета - при трансляции кадры зависают. Задача решена изменением настроек видео в приложении IP Webcam.
Анализ возникших неисправностей позволяет утверждать, что правильное, корректное, эргономично сбалансированное построение механической части является важным элементом в роботостроении. В то же время без успешной и грамотно построенной программы любой робот является просто набором бесполезных деталей.
II.4. Презентация робота-пожарного: детский сад, школа, интерактивная выставка РобоЛэнд
Одним из приятных моментов исследовательского проекта является демонстрация своего творения. Настал ответственный момент и вот я лично даю мастер-класс «Создай робота сам» четвероклассникам школы №7 г.Туймазы. Для начала я показал ребятам, что умеет мой робот. Установив искусственное препятствие из картона и расставив две горящие свечи, я взял пульт и планшет и отвернулся от робота. Все поняли, что мне не нужно наблюдать за роботом, чтобы управлять им, потому что я вижу происходящее на испытательном полигоне через экран планшета. Мой робот DamRus, обходя препятствие, нашел свечу, приблизился к ней и потушил пламя. Такой же манёвр я повторил и со второй свечой. Бурные аплодисменты стали наградой для меня и моего послушного робота DamRus. Я рассказал ребятам о платформе LEGO Mindstorms Education EV3, наглядно показал все детали собранного мною робота, пояснил, какие части конструктора отвечают за перемещение и опускание стрелы. Ребята задавали вопросы, пробовали управлять роботом. С полной уверенностью можно утверждать, что цель мастер-класса - заинтересовать школьников, побудить их к занятиям робототехникой - достигнута. К сожалению, в школах нашего города нет предмета по робототехнике, но уже появились кружки дополнительного образования. Я посещал кружок робототехники 2,5 года, теперь самостоятельно могу собрать робота и готов обучить своим умениям заинтересованных ребят.
Глядя на то, какой интерес к моим роботам проявляет сестренка, мы решили посетить детский сад и показать возможности робота-пожарного малышам. В детском саду «Калинка» г. Туймазы с восторгом приняли наше предложение провести лекцию для дошкольников «Спички детям не игрушки». Такими же отзывчивыми на нашу просьбу оказались работники Федерального государственного казенного учреждения "12 отряд Федеральной противопожарной службы по Республике Башкортостан". В план лекции мы включили 3 вопроса: напомнить детям о правилах поведения при пожаре, рассказать историю развития пожарного дела и продемонстрировать робота-пожарного DamRus. Пожарные интересно и наглядно объяснили жизненно необходимые правила, закрепили озвученную теорию в игровой форме. Рассказали будущим школьникам историю развития пожарной техники: водяная пушка, паровой насос, пожарная автоцистерна, пожарные машины и вертолеты, робототехнические установки. Презентация робота-пожарного DamRus прошла успешно. Мальчишки и девчонки с интересом разглядывали, осторожно прикасались к роботу, не скрывая восторга. Не было ни одного скучающего ребенка, лекция понравилась всем. И мы уверены, что в ближайшее время кто-то из этих ребят попросит своих родителей отвести их в кружок робототехники.
Грандиозное событие случилось в моей жизни! С 10 по 19 ноября в г.Октябрьский состоялась интерактивная выставка роботов РобоЛэнд, где были представлены роботы со всего мира. По договоренности с организатором выставки робот-пожарный DamRus наравне с другими роботами находился на экспозиции. У нас появилась замечательная возможность продемонстрировать посетителям выставки робота-пожарного. Мне выделили отдельный стенд - моё рабочее место. И работа «закипела». Отметим удачное расположение нашей экспозиции - практически на входе, то есть весь поток людей проходил возле нашего стенда, и надо сказать, ни один человек не прошел мимо. Это был звёздный миг DamRusa! Мой робот пользовался ошеломительным успехом. Ребята расспрашивали подробности создания робота-пожарного, пробовали управлять им, мы обсуждали нюансы и даже немного спорили. Неподдельный интерес возник и у взрослых посетителей выставки. Я познакомился с интересными людьми, которые, как и я, увлекаются робототехникой. Работа на этой выставке вдохновила меня на новые свершения в области робототехники.
Выводы по главе II
Согласно результатам проведенного исследования, можно сказать, что школьники с высокой степенью готовности готовы к процессу роботизации, в том числе в личной жизни. Роботов-помощников можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Наша гипотеза подтвердилась. Чтобы одолеть путь от деталей конструктора до управляемого робота, необходимо пройти 4 важных этапа: конструирование модели, программирование, испытание и демонстрацию.
Заключение
Современные роботы третьего поколения - это роботы с искусственным интеллектом. Они создают условия для полной замены человека в области квалифицированного труда, обладают способностью к обучению и адаптации в процессе решения поставленных задач. Эти роботы способны понимать язык и вести диалог с человеком, формировать в себе модель внешней среды с той или иной степенью детализации, распознавать и анализировать сложные ситуации, планировать поведение и осуществлять необходимые действия в зависимости от обстоятельств.
На данный момент в мире создано великое множество роботов в разных сферах деятельности человека. По моему мнению, самые важные из них те, кто реально может оказать помощь человеку. Надеюсь, робот-пожарный DamRus станет прототипом настоящего реального робота, который будет помогать на пожарах профессиональным пожарным, для которых подвиг - это работа. В таких опасных чрезвычайных ситуациях на службе у человека должны быть роботы-помощники. Планирую создать микророботов, которые будут выполнять роль разведчиков и помогать спасать людей во время пожаров, землетрясениях и других катаклизмов.
Моё решение - стать инженером или нанотехнологом. Через несколько лет я создам оригинальных роботов, которые станут помощниками человека во всех сферах жизнедеятельности. Мы должны жить и развиваться. Нельзя останавливаться на достигнутом. Человек - существо разумное и должен использовать свой интеллект во имя благих целей: творчество, наука, мораль. И тогда, возможно, не будет кровопролитных войн на Земле, лжи, зависти и ненависти. Разум должен победить. И спасти себя можем только мы сами - самые разумные существа на планете.
Список литературы
Филиппов С.А. «Робототехника для детей и родителей». – СПб.: Наука, 2013 - 319.
Шеска Дж. «Франк Эйнштейн и живые роботы» (пер.с англ. А. Блейз). – М.:АСТ, 2015 – 192с.
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%B0
http://pixanews.com/hi-tech/roboty-na-sluzhbe-cheloveka.html
http://www.blogbaster.org/post107134305/
http://androbots.ru/istoriya_robototehniki/proishozdenie_slova_robot/slovo_robot.php
http://utmagazine.ru/posts/7550-robototehnika-globalnye-perspektivy-samye-perspektivnye-kompanii-i-proekty
http://utmagazine.ru/posts/7550-robototehnika-globalnye-perspektivy-samye-perspektivnye-kompanii-i-proekty
http://roboreview.ru/nauka-o-robotah/istoriya-razvitiya-robototehniki.html
http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000016/st010.shtml
http://pedsovet.su/robotics/6603_obzor_platform_dlya_robototechniki
Понятийный аппарат
Роботы – автоматические системы, предназначенные для воспроизведения интеллектуальных и двигательных функций человека и других живых существ.
Манипулятор – механизм для управления положением предметов.
Искусственный интеллект – наука и технология создания интеллектуальных машин, особенно интеллектуальных компьютерных программ. Решаются задачи аппаратного или программного моделирования тех видов человеческой деятельности, которые традиционно считаются интеллектуальными.
Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.
Сенсорная система – совокупность периферических и центральных структур нервной системы, ответственных за восприятие сигналов различных модальностей из окружающей или внутренней среды. Сенсорная система состоит из рецепторов, нейронных проводящих путей и отделов головного мозга, ответственных за обработку полученных сигналов. Наиболее известными сенсорными системами являются зрение, слух, осязание, вкус и обоняние. С помощью сенсорной системы можно почувствовать такие физические свойства, как температура, вкус, звук или давление.
Респондент – лицо, принимающее участие в социологическом или другом опросе, анкетировании.
Зубчатая передача – это механизм или часть механизма механической передачи, в состав которого входят зубчатые колёса.
Коническая зубчатая передача называется так из-за конструктивных особенностей пар шестерен. Они имеют форму срезанного конуса и сопрягаются своими боковыми плоскостями, на которых нарезаются зубья.
Кулачковым механизмом называется механизм, в состав которого входит кулачок (звено, рабочая поверхность которого имеет переменную кривизну).
Эргономичный – приспособленный для наиболее удобной и безопасной работы
Приложение 1
Основные функции робота
Рис. 2.1. Функциональные возможности робота, соответствующие аналогичным возможностям человека. 1 - искусственное обоняние; 2 - синтезатор речи; 3 - искусственный интеллект; 4 - техническое зрение, распознавание образов; 5 - анализатор речи; 6 - механические руки (манипуляторы); 7 - искусственная кисть (захватное устройство); 8 - манипуляционные устройства роботов; 9 - корпус; 10 - искусственные конечности, мобильные роботы-тележки, шагающие аппараты (педипуляторы)
Приложение 2
Анкета
Дорогой друг! Просим принять участие в опросе «Человек и робот». Выбери и поставь галочку или обведи в кружок вариант ответа или несколько вариантов, как указано в вопросе. Анкета анонимная. Фамилию указывать не нужно.
Как часто ты играешь с друзьями во дворе или дома?
Каждый день
На выходных
Только на каникулах
Не играю
Если бы у тебя был свой робот, как часто ты играл бы с ним?
Каждый день
На выходных
На каникулах
Не играл бы
Какого робота ты выбрал бы для себя?
С кнопкой-выключателем
Программируемого робота без кнопки выключателя
Как ты считаешь, робот может стать твоим другом?
Да
Нет
Кого бы ты выбрал в качестве домашнего питомца?
Робота-собаку или робота-кошку
Собаку или кошку
Выбери, в каких сферах жизнедеятельности человека необходимы роботы
Игровая, развлекательная
Интеллектуальная, научная
Промышленная (роботы на производстве)
Медицинская (роботы на операциях, при уходе за больными)
Бытовая (роботы-помощники в домашнем хозяйстве)
Военная
Другие, напишите какие__________________________
Во всех сферах жизнедеятельности
Как ты думаешь, смогут ли роботы заменить человека?
Да
Нет
В некоторых профессиях
Благодарим за участие!
Приложение 3
Приложение 4
Программа робота-пожарного DamRus
Приложение 5.
Лекция в детском саду на тему: «Спички детям не игрушки»
Приложение 6
Мастер-класс в школе «Создай робота сам»
Приложение 6
Экспозиция на интерактивной выставке роботов РобоЛэнд,
г. Октябрьский
1 http://androbots.ru/istoriya_robototehniki/proishozdenie_slova_robot/slovo_robot.php
2 http://roboreview.ru/nauka-o-robotah/istoriya-razvitiya-robototehniki.html
3 https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82
4 http://roboticslib.ru/books/item/f00/s00/z0000016/st010.shtml
5 http://utmagazine.ru/posts/7550-robototehnika-globalnye-perspektivy-samye-perspektivnye-kompanii-i-proekty
6 https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennaya-robototehnika-v-rossii-realii-i-perspektivy-obzor
7 http://pedsovet.su/robotics/6603_obzor_platform_dlya_robototechniki