V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследование возможностей роботов на основе конструктора Лего
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
В настоящее время исследованию возможностей роботов уделяется большое внимание. Робототехника стала одним из ведущих направлений в науке и технике. Мы слышим про новые разработки робота военного, робота повара, робота шофера, робота сборщик. Проблемное поле очень большое. Не хватает математиков, программистов, разработчиков идей, конструкторов, рабочих сборщиков, преподавателей робототехники. В перечисленных областях не хватает квалифицированных специалистов. В связи с этим актуальность исследований в области робототехники и смежных с ней науками велика. За решение задач поставленных правительством Российской Федерации подключилось министерство образования РФ. Школы получают наборы конструкторов Лего. Это наборы LEGO Education WeDo 9580 и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544. Школьные предметы информатика, технология, внеурочная деятельность по моделированию, конструированию и робототехнике позволяют нам обучающимся делать интересные учебно-исследовательские проекты.
Технология — совокупность методов и инструментов для достижения желаемого результата; в широком смысле — применение научного знания для решения практических задач. Технология включает в себя способы работы, её режим, последовательность действий. Технология (от др.-греч. τέχνη — искусство, мастерство, умение; λόγος — мысль, причина; методика, способ производства) — в широком смысле — совокупность методов, процессов и материалов, используемых в какой-либо отрасли деятельности, а также научное описание способов технического производства; в узком — комплекс организационных мер, операций и приемов, направленных на изготовление, обслуживание, ремонт и/или эксплуатацию изделия с номинальным качеством и оптимальными затратами, и обусловленных текущим уровнем развития науки, техники и общества в целом. При этом:
под термином изделие следует понимать любой конечный продукт труда (материальный, интеллектуальный, моральный, политический и т. п.);
под термином номинальное качество следует понимать качество прогнозируемое или заранее заданное, например, оговоренное техническим заданием и согласованное техническим предложением;
под термином оптимальные затраты следует понимать минимально возможные затраты не влекущие за собой ухудшение условий труда, санитарных и экологических норм, норм технической и пожарной безопасности, сверхнормативный износ орудий труда, а также финансовых, экономических, политических и прочих рисков [1].
Моделирование — метод исследования объектов познания на их моделях; построение и изучение моделей реально существующих предметов и явлений (органич. инеорганич. систем, инженерныхустройств, разнообразныхпроцессов — физических, химических, биологических, социальных) и конструируемых объектов для определения либо улучшения их характеристик, рационализации способов их построения, управления ими. Формы моделирования разнообразны и зависят от используемых моделей и сферы применения моделирования. По характеру моделей выделяют предметное и знаковое (информац.) моделирование [2].
Моделирование, исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей; использование моделей для определения или уточнения характеристик и рационализации способов построения вновь конструируемых объектов. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования - как теоретический (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели; например, математическое моделирование), так и экспериментальный (использующий предметные модели) [3].
Объект исследования – роботы на основе имеющихся в школе конструкторов LEGO Education WeDo 9580 и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544. Предмет исследования – возможности роботов из наборов конструкторов LEGO Education WeDo 9580 и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544.
Цель работы – исследование возможностей роботов из наборов конструкторов LEGO Education WeDo 9580 и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544.
Задачи.
Написать краткий сценарий обучающей интерактивной игры с применением роботов из конструкторов Лего.
Собрать своими руками роботов из конструкторов LEGO Education WeDo 9580: а) робот «Ленивый крокодил», б) робот «Летающие попугаи», в) робот «Пушка защитница».
Собрать своими руками оригинального робота «Подъемника» из конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544.
Исследовать особенности конструкции собранных роботов.
Исследовать физические законы полета «Летающих попугаев», проанализировать полученные опытным путем данные в модели «Летающих попугаев» в табличном процессоре MS EXEL.
Написать программы в среде программирования для собранных роботов.
Исследовать алгоритмические конструкции написанных программ.
Гипотеза. Если мы выполним все поставленные нами задачи, то научимся собирать, конструировать, программировать, исследовать модели роботов LEGO в практическом применении. В результате мы добьемся поставленной цели исследования возможностей роботов из наборов конструкторов LEGO Education WeDo 9580 и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544.
Личный вклад и практическое применение. Технология. Самостоятельное конструирование практико-ориентированных моделей, изучение принципов работы ременной передачи, коронной передачи, кулачковой передачи, принципа рычага. Информатика. Моделирование натурных моделей и компьютерных моделей в табличном процессоре MS EXEL, алгоритмизация, написание программ для роботов. Физика. Исследование полета птицы по параболе, практическое экспериментальное исследование. Развивающее обучение. Позволяет придумывать новые интересные сюжеты, написание сценария интерактивной обучающей игры. Развитие личностных способностей, коммуникабельности, умения общаться с другими людьми.
2. Основная часть
2.1 Краткий сценарий обучающей интерактивной игры с применением роботов из конструкторов Лего.
В игре участвуют роботы: «Ленивый крокодил», «Летающие попугаи», «Пушка защитница», робот «Подъемник».
Сюжет игры основан на событиях, происходящих в частном парке «Роботех».
Основные аттракционы: качели «Ленивый крокодил», тир «Летающие попугаи», кинозал «Подъемник».
Аттракцион «Ленивый крокодил» позволяет провести интерактивные игры: «залезь в пасть крокодила», «покатайся на носу у крокодила», «спаси друга, который попал в пасть крокодила», «спящий крокодил», «защити крокодила, спаси его от браконьеров». И много других. «Ленивый крокодил» это интересная модель, доработанная автором с применением ноу-хау. Ноу-хау заключается в том, что рот крокодила можно открывать и закрывать не только когда захочется крокодилу, но и когда это будет необходимо. Служитель аттракциона, подойдя к крокодилу, воспользовавшись механическим кулачком, может открыть или закрыть его рот.
Аттракцион «Летающие попугаи» позволяет организовать стрельбу по мишени попугаями. Причем аттракцион имеет возможность стрелять как в ручном режиме, так и в автоматическом. Заряжается автоматически при помощи электрического мотора.
Кинозал «Подъемник» в дневное время предназначен в основном для показа мультфильмов и фильмов про роботов. Для VIP клиентов предусмотрена возможность покататься на роботе «Подъемнике» по специальному полигону, управляя им по «блютуз» со смартфона. В ночное время аттракцион «Ленивый крокодил» погружается на платформу робота «Подъемника» и поднимается высоко над землей, чтобы ночью по крокодилу не лазили незваные гости. Ночью охрану парка «Роботех» ведет «Пушка защитница».
2.2 Робот «Ленивый крокодил»
Ленивый крокодил – это такой робот. Он работает по программе, но иногда не срабатывает датчик расстояния или проскальзывает ремень в ременной передаче и крокодил попадает в затруднительное положение. Тут ему на помощь приходит робот-человек. Он вручную может закрыть или открыть пасть крокодилу.
Если модель увеличить в пропорции 1:43, то получится прекрасный детский аттракцион «Прокатись у крокодила на носу», при этом свесив и болтая ножками.
|
Есть кулачковый механизм для ручного управления пастью ленивого крокодила и возвращения её в нужное положение. Сам он не хочет открыть или закрыть свою пасть, поэтому он зовется «ленивый крокодил» |
Крокодилу счет дают. (выставляют вперед ладони) В этом счете десять блюд: (загибают все пальцы в кулак) Блюдо первое – суп с фрикадельками. (поочередно разгибают пальцы из кулака) На второе – картошка с сардельками. Третье блюдо – рыбный пирог. На четвертое – сладкий творог. очень вкусное было четвертое! Пятым подана редька потертая. На шестое он съел винегрет, (облизывают губы) На седьмое - с грибами омлет. (попеременно ударяют кулак о кулак и ладонь о ладонь) На восьмое – салат из печенки, (проводят тыльной стороной ладони по лбу) На девятое – банку сгущенки, (сводят руки перед собой – «живот»)На десятое - выпил компот. (удивленно пожимают плечами) На компоте закончился счет. (делают маховое движение правой рукой сверху вниз) |
2.2.1Описание принципа работы
Мы использовали ременную передачу. Ремни и шкивы. Маленький (втулка) – ведущий, потому что он подсоединен к двигателю, а большой – ведомый. Вид ременной передачи, который мы использовали, понижающая передача. Как ременная передача взаимодействует с коронной передачей? Коронное колесо может вращать зубчатое не только при взаимном положении колес, но и под углом. Коронная шестеренка вращает зубчатую шестеренку, к которой прикреплен ведущий шкив. Так он задает движение большому ведомому шкиву. Зачем это нашему крокодилу? С ее помощью он может открывать и закрывать свою пасть. При срабатывании датчика движения, крокодил закрывает свою пасть.
2.2.2 Программы для «Ленивого крокодила»
Вот самый простой вариант программы.
Напишем программу для нашего крокодила, где он открывает и закрывает пасть.
Первым делом зададим направление вращения мотора. На открытие и закрытие пасти крокодилу требуется меньше одной секунды.
Теперь давайте усложним программу:
Блоки, используемые в этой программе: Начало, Вращение мотора против часовой стрелки, Вращение мотора по часовой, Мощность мотора, Время работы мотора. Что будет делать эта программа? Вращает мотор против часовой стрелки с максимальной мощностью 10 в течение 2 секунд. Затем вращает 2 секунды с мощностью 5, а потом еще 1 секунду снова с максимальной мощностью 10.
Пусть наш крокодил научится хрустеть.
Изменим программу так, чтобы крокодил открыл свою пасть, потом закрыл ее и после закрытия мы услышали хруст! Для этого нам потребуется звук под номером 17.
Давайте модифицируем нашу программу. Пусть крокодил откроет пасть, подождет одну секунду, а потом закроет.
2.3 Робот «Летающие попугаи»
2.3.1Описание принципа работы
Мы использовали в модели: Спусковой механизм и реечную передачу. Жёлтые ремни создают натяжение, достаточное для отправки попугая в полёт. У нашей модели рычаг будет участвовать в спусковом механизме. С помощью реечной передачи мотор натягивал корзину. Когда корзина натянется до конца, мы должны опустить рычаг назад, и наш попугай полетит. Вот тут мы и можем встретить наш спусковой механизм. Только вместо людей натягивать ремни будет мотор.
2.3.2 Программирование робота «Летающие попугаи»
В программе мы использовали блоки: Начало; Цикл; Картинка; Направление вращения; Мощность; Ждать; Музыка.
Составим программу, с помощью которой наш мотор будет натягивать корзину. Важно выбрать направление вращение мотора и мощность. Нужно помнить, что Мощность 10 сломает конструкцию. Нужно быть аккуратными.
При запуске программы модель показывала картинку № 5, вращала мотор против часовой стрелки, играла звук № 5. Что можно сделать, чтобы музыка не играла так часто, но программа при этом не останавливалась? Добавить блок «ждать».
В программе мы использовали блоки: начало, цикл, картинка, направление вращения, мощность, ждать, музыка.
2.3.3 Исследование физического процесса полета попугаев
Теория отображается в таблице 1 [4].
Табл. 1
|
Движение тела, брошенного под углом к горизонту |
|
|
Решим задачу для случая х0=0 и y0=0. |
|
|
Докажем, что траекторией движения и в этом случае будет парабола. Для этого выразим координату Y через X (получим уравнение траектории): . Мы получили квадратичную зависимость между координатами. Значит траектория - парабола. |
|
|
Найдем время полета тела от начальной точки до точки падения. В точке падения координата по вертикальной оси у=0. Следовательно, для решения этой задачи необходимо решить уравнение . Оно будет иметь решение при t=0 (начало движения) и |
Время полета: |
|
Зная время полета, найдем максимальное расстояние, которое пролетит тело: |
Дальность полета: |
|
Из этой формулы следует, что: - максимальная дальность полета будет наблюдаться при бросании тела (при стрельбе, например) под углом 450; |
|
Практическая исследовательская часть
Было сделано 30 выстрелов. Были замерены расстояния в сантиметрах, на которые улетали «Летающие попугаи».
Вначале было сделано 10 выстрелов, угол наклона = 35 град.
После было сделано еще 10 выстрелов, угол наклона = 40 град.
Затем было сделано еще 10 выстрелов, угол наклона = 45 град.
Данные приведены в таблице 2.
Табл. 2
|
Угол (град.) |
Номер попытки, расстояние (см.) |
сред. знач. |
||||||||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|||
|
35 |
39 |
39,5 |
46 |
32 |
38 |
32,5 |
32,5 |
23,5 |
28 |
33,5 |
34,45 |
|
|
40 |
42,5 |
32,5 |
46 |
43 |
55 |
34 |
34 |
46,5 |
48 |
48 |
42,95 |
|
|
45 |
55 |
60 |
65 |
58 |
47 |
60 |
60 |
46,5 |
66 |
53,5 |
57,1 |
|
|
Коэф. коррел. |
0,95 |
0,71 |
0,87 |
0,99 |
0,53 |
0,89 |
0,89 |
0,87 |
0,99 |
0,97 |
0,99 |
|
В табличном процессоре MS EXEL была построена модель полета.
С помощью этой модели были рассчитаны средние значения дальности полета попугаев. В результате расчетов можно сделать вывод, что теория подтверждается экспериментальными исследованиями: при угле в 45 град. дальность полета максимальная. Анализ расчетов коэффициента корреляции показывает: 1) что зависимость дальности полета от угла вылета попугая очень велика, 2) эта зависимость приближается к «1» когда эта зависимость отражена соответствующими закономерными данными (попытки: 1,4 9, 10), 3) имеются случаи, когда есть сомнения в такой зависимости (попытка 5). Независимо от имеющихся разбросов среднее значение коэффициента корреляции средних значений дальности полета от угла вылета = 0,99, что очень близко к «1».
Диаграмма также хорошо отражает эту зависимость
2.4 Модель пушки «Защитницы»
Пушка «Защитница» предназначена ля защиты всех роботов парка «Роботех». Особенно в ночное время. Пушка стреляет снарядами, управляет ей лего-человечек. Приведение её в готовность, автоматическое, с помощью мотора.
Робот «Подъемник
2.5.1Описание принципа работы
Робот собран из деталей набораLEGO MINDSTORMS Education EV3 45544. Конструкция разработана нами самостоятельно. Использованы три больших мотора, два резиновых и два гусеничных колеса, подключены датчики цвета расстояния и два концевых датчика. Основное назначение робота это подъем «Ленивого крокодила» ночью, чтобы по нему не лазали дети. Днем же основное назначение робота это показ мультфильмов в электронном блоке или катание VIP клиентов на специальной плошадке. Робот управляется по блютуз со смартфона через приложение.
2.5.2 Программирование робота «Подъемник»
Варианты заданий и их решение:
Ехать вперед пока не увидим линию, остановится, отъехать на 3.5 оборота назад, развернутся на 120 градусов, повторять бесконечно.
Скорость любая, линия синего цвета.
Ехать вперед пока не пересечем линию, потом остановится и ехать назад пока не увидим линию, повторять бесконечно. Скорость любая, линия черного цвета.
Крутиться на месте, пока робот не увидит препятствие на расстоянии 30 см, после чего ехать на препятствие 1 секунду.
Заключение
В ходе работы над проектом мы приобрели опыт проектной деятельности как особой формы учебной работы, способствующей воспитанию самостоятельности, инициативности, ответственности, повышению мотивации и эффективности учебной деятельности; в ходе реализации исходного замысла на практическом уровне. Овладели умением выбирать адекватные стоящей задаче средства, принимать решения, в том числе и в ситуациях неопределенности. Мы получили возможность развить способность к разработке нескольких вариантов решений, к поиску нестандартных решений, поиску и осуществлению наиболее приемлемого решения. Также мы научились переходить от идеи к конструированию, моделированию и изготовлению макета или модели; обмену опытом среди обучающихся в образовательной области технического творчества и технологий.
Выполнены поставленные задачи: написан краткий сценарий обучающей интерактивной игры с применением роботов из конструкторов Лего; собраны своими руками роботы из конструкторов LEGO Education; исследованы особенности конструкции собранных роботов; исследован физический закон полета физического тела «Летающих попугаев» под углом к горизонту; проанализированы полученные опытным путем результаты в модели «Летающих попугаев» в табличном процессоре MS EXEL; вычислены средние значения дальности полета и коэффициент корреляции зависимости дальности полета от угла вылета, значение которого близко к единице; написаны программы в среде программирования для собранных роботов; на практике исследованы алгоритмические конструкции написанных программ. Считаем, что поставленные задачи выполнены и цель - исследование возможностей роботов из наборов конструкторов LEGO Education WeDo 9580 [5] и LEGO MINDSTORMS Education EV3 45544 достигнута [6].
Используемые источники
Академик. Википедия. Технология. [Электронный ресурс]. Режим доступа: свободный. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/4842 (дата обращения: 13.03.2018).
Академик. Философский словарь. Моделирование. [Электронный ресурс]. Режим доступа: свободный. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_philosophy/4534 дата обращения: 13.03.2018).
Академик. Современная энциклопедия 2000. Моделирование. [Электронный ресурс]. Режим доступа: свободный. URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc1p/30714 дата обращения: 13.03.2018).
Санкт-Петербургская школа [Электронный ресурс]. ULR: http://www.eduspb.com/node/1669 (дата обращения: 18.03.2018).
LEGO Education Инструкции по сборке WeDo [Электронный ресурс]. ULR: https://education.lego.com/ru-ru/support/wedo/building-instructions (дата обращения: 18.03.2018).
LEGO MINDSTORMS Education EV3 Инструкции по сборке [Электронный ресурс]. ULR: https://education.lego.com/ru-ru/support/mindstorms-ev3/building-instructions (дата обращения: 18.03.2018).