V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Аппарат «Здравушка»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Человеческая цивилизация за тысячелетия своего развития выработала ряд универсальных жизненных ценностей, в том числе право человека на жизнь. Однако есть значительная группа людей, которые вследствие жестоких ударов судьбы оказались ограниченными в своих физических возможностях. В современной России количество инвалидов почти достигает цифры в 10 миллионов человек, а это около 7% населения страны.
Перед инвалидами всегда существовало множество барьеров, которые стоят на их жизненном пути, такие как: трудности с перемещением, проблемы с получением образования и работы, одиночество, негативное отношение здоровых людей, проблемы с заведением семьи и др. За последние десятилетия в мире, в целом, в России, в частности, было сделано много для создания доступной комфортной среды для деятельности инвалидов.
Мой младший брат - инвалид детства. Вся наша семья старается помочь ему адаптироваться в современном мире. Конечно, основную нагрузку несет наша мама. Одна из основных задач - это вовремя давать ему лекарства. Уже второй год я занимаюсь робототехникой в своей школе, и решил использовать свои умения, полученные на кружке, чтобы помочь маме в решении данной проблемы.
Проблема: при уходе за людьми с ограниченными возможностями не всегда удается вовремя организовать прием лекарств, а это очень важный компонент терапии.
Гипотеза: если создать аппарат по выдачи лекарств (таблеток), который будет формировать набор таблеток на один прием и голосовым сообщением напоминать о приеме, то это существенно облегчит процесс лечения, так как прием лекарств будет проходить своевременно.
Цель: создать аппарат, который поможет людям с ограниченными возможностями вовремя принимать лекарства, а, значит, поддерживать их жизненный тонус, то есть оставаться бодрым, энергичным и радостным.
Задачи:
Изучить возможности LEGO MINDSTORMS EV3 для решения поставленной задачи.
Разработать идею для создания аппарата.
Создать аппарат средствами LEGO MINDSTORMS EV3.
Разработать программу для робота.
Протестировать полученный аппарат.
Апробировать в домашних условиях.
Глава I Возможности LEGO Mindstorms Education EV3
LEGO Mindstorms Education EV3 - это конструкторский набор программируемой робототехники, который дает возможность создавать и управлять собственными роботами LEGO.
Этот набор, несомненно, вызовет интерес у учащихся, вдохновит их на совместное обсуждение реальных задач и поиск творческого решения, которые затем можно будет воплотить в жизнь, построив и протестировав робота, используя набор моторов, датчиков и строительных элементов LEGO.
Наборы LEGO Mindstorms Education EV3 обладают широчайшим учебным потенциалом и могут быть использованы на большинстве технических предметах для повышения эффективности учебного процесса и уровня мотивации обучающихся.
Информатика и программирование. Изучение ключевых принципов программирования, развитие алгоритмического мышления, создание и отладка сложных программ по управлению моделями.
Технология и проектирование. Исследование новейших технологических решений и технологий с помощью создания их аналогов в виде рабочих моделей роботов, изучение ключевых принципов проектирования, прототипирования и моделирования.
Физика. Подтверждение гипотез опытным путем, проведения опытов, всесторонний анализ полученных данных, включая анализ прогнозированных данных, изучение концептов механики, оптики, термодинамики, магнитных явлений, принципов радиосвязи.
Математика. Измерение времени, скорости, ускорения и расстояний, работа с переменными, случайными и пороговыми величинами, изучение геометрических, тригонометрических концепций.
Язык и грамотность. Развитие навыков описания процессов и технологий в повествовательной форме, их объяснения и интерпретирования, освоение навыка построения вербальных моделей различных систем и концепций.
Компоненты LEGO Mind storms Education EV3
Сердцем набора является программируемый интеллектуальный микрокомпьютер EV3, контролирующий работу моторов и датчиков. Он также поддерживает беспроводные протоколы связи Wi-Fi и Bluetooth. Базовый набор EV3 включают в себя:
Микрокомпьютер EV3
Автоматически определяет и управляет датчиками и моторами.
Воспроизводит звуки и изображения, имеет встроенные светодиоды с возможностью управления.
Возможность программирования и регистрации данных непосредственно на микрокомпьютере EV3.
Встроенный Bluetooth контроллер.
Поддержка Wi-Fi.
Аккумуляторная батарея для микрокомпьютера EV3.
Большой серво мотор EV3, в наборе их два, предназначены для нового микрокомпьютора Mindstorms EV3
Встроенный датчик вращения производит измерения с точностью до одного градуса. С помощью этого датчика мотор можно присоединить к другим моторам, что позволит роботу передвигаться с постоянной скоростью. Помимо этого, датчик вращения можно использовать и во время проведения разных экспериментов с целью точного считывания данных о скорости и расстоянии.
Средний сервомотор для роботов LEGO Mindstorms EV3 лучше всего подходит для выполнения задач, при которых размер робота, быстрота отклика и его скорость важнее грузоподъемности. Точность измерения встроенным датчиком мотора составляет один градус. Идентификация устройств программным обеспечением EV3 происходит автоматически.
С помощью цифрового ультразвукового датчика EV3, который генерирует звуковые волны и фиксирует их отражение от объектов, можно измерять расстояние до объектов. Более того, испуская одиночные волны, его можно использовать в режиме сонара для определения наличия объектов. Также датчик улавливает звуковые волны, выступающие в качестве триггеров для запуска программ. Например, можно использовать датчик с целью построения системы мониторинга трафика, а также измерения расстояния между автомобилями.
Цифровой датчик цвета микрокомпьютера LEGO Mindstorms EV3 может определить восемь разных цветов. Кроме того, его можно использовать в качестве датчика освещенности. Используя такой датчик, пользователь получает возможность построить роботов-сортировщиков, которые в процессе сортировки используют цветовые индикаторы. Экспериментируя со световым отражением разных цветов, вы можете возыметь глубокое понимание технологии, которая широко используется в процессе переработки отходов, а также производстве упаковок в сельском хозяйстве.
С помощью гироскопического цифрового датчика LEGO Mindstorms EV3 можно измерять движение вращения робота и улавливать малейшие изменения в его положении и движении. Этот датчик позволяет легко измерять углы (точность режима измерения углов +/- 3 градуса), создать балансирующего робота, а также исследовать технологии, используемые, как в игровых контроллерах, так и в настоящих навигационных системах.
Аналоговый датчик касаний для LEGO Mindstorms EV3 является простым, но в то же время высокоточным инструментом, определяющим, нажата его кнопка или нет. Кроме того, он может определять количество как одиночных, так и множественных нажатий. Ученикам он пригодится для построения систем контроля запуска/остановки либо для создания роботов, которые способны выбраться из лабиринта. Все это позволяет глубоко понять технологии, используемые в кухонных устройствах, компьютерных клавиатурах и в цифровых музыкальных инструментах.
Кроме того, Базовый набор LEGO Mindstorms Education EV3 также включает 2 пластиковых лотка для хранения и сортировки деталей, и 541 тщательно подобранных элементов LEGO Technic.
Интерфейс микрокомпьютера EV3
Микрокомпьютер EV3 – это сердце роботов LEGO Mindstorms Education EV3. Используйте дисплей и 6 кнопок, расположенных на лицевой стороне микрокомпьютера, чтобы перемещаться по четырем основным экранам интерфейса системы, которые предоставят вам доступ к разнообразию функций микрокомпьютера EV3. Это может быть и простой запуск программ из памяти, так и возможность создания программы с помощью интерфейса микрокомпьютера.
Запуск программ. Запускайте недавно загруженные с настольного ПК программы.
Менеджер файлов. Доступ и управление всеми файлами, хранящимися в памяти микрокомпьютера, а также на карте памяти.
Приложения микрокомпьютера. Пять предустановленных приложений: менеджер портов, управление моторами, ИК интерфейс, программирование с помощью интерфейса микрокомпьютера и программа по регистрации данных.
Настройки. Настраивайте основные функции микрокомпьютера EV3.
LEGO Mindstoms Education EV3 создан для применения при работе в классе:
Прочная пластиковая коробка обеспечивает надежное хранение деталей наборов EV3.
Сортировочный лоток поможет оптимизировать процесс конструирования и обеспечить правильный порядок хранения деталей.
Перезаряжаемая аккумуляторная батарея обеспечивает продолжительную автономную работу, снимая необходимость постоянно тратить бюджет на покупку одноразовых батареек.
С помощью некоторых новых элементов, например нового колеса-шарнира, удалось значительно сократить время, затрачиваемое на сборку базовых моделей (по сравнению с предыдущей версией конструктора).
Конструировать роботов - это увлекательное занятие, однако, главное в робототехнике - «вдохнуть в них жизнь», заставить их двигаться и выполнять задачи. Вы обнаружите, что программное обеспечение LEGO Mindstoms Education EV3 - это:
Наглядное и интуитивно понятное введение в программирование.
Полезный комплексный инструмент журналирования данных.
Электронная тетрадь, в которой содержатся инструкции и регистрируются полученные результаты.
Естественная возможность вдохновить и проявить интерес в областях науки, техники, конструирования и математики.
Программное обеспечение LEGO Mindstoms Education EV3 основано на LabVIEW, графическом языке программирования, которым пользуются ученые и инженеры по всему миру. Оно оптимизировано для работы на уроках и учитывает все последние тенденции в создании интуитивно понятных интерфейсов пользователя. Программное обеспечение обеспечивает интуитивное визуальное программирование с помощью графических программных блоков, позволяет создавать. В помощь учителю программное обеспечение содержит полное руководство пользователя и другие дополнительные материалы.
Программное обеспечение EV3 можно использовать, как мощный инструмент для научных исследований. Ученики могут использовать его для создания прогнозов, сбора, анализа и управления данными во время проведения экспериментов.
В программное обеспечение встроен редактор контента педагога, который даёт возможность редактировать весь, предоставляемый в рамках ПО EV3, контент адаптируя его под свои цели и задачи разрабатываемых учебных курсов. Также можно создавать и добавлять свои собственные учебные материалы.
В версию ПО для учеников встроены электронные тетради, в которых учащиеся смогут фиксировать свои успехи с помощью добавления текстовых комментариев, изображений, звуковых файлов и видеоконтента, они превращают простое задание в творческую проектную работу. Электронные тетради дают множество возможностей для создания потрясающих отчетов о созданных проектах, документов и презентаций существующих работ. Благодаря электронным тетрадям каждый ученик сможет легко создать свое портфолио для демонстрации другим ученикам, учителям или родителям. Электронные тетради также позволяют упростить процесс проверки выполнения и оценки работ учеников.
Используя конструкторы LEGO Mindstoms Education EV3, ученики получат возможность мыслить, как настоящие ученые и инженеры. Создав команду из подготовленных учеников, можно принимать участие в различных соревнованиях по робототехнике, в том числе и в самых крупных во «Всемирной Олимпиаде роботов» WRO или в лиге FIRST LEGO League.
Ресурсныйнабор LEGO Mindstorms Education EV3 (45560)
Это набор содержит множество дополнительных элементов и является идеальным дополнением для Базового набора Lego Mindstorms Education EV3. В него входят более 800 деталей, которых нет в Базовом наборе, в том числе специальных элементов, например, шестерни, большие поворотные элементы, элементы для персонализации роботов и другие уникальные строительные элементы. Набор поставляется в большой и удобной пластиковой коробке. Ресурсный набор позволит вам построить более сложных и функциональных роботов.
Глава II От идеи до разработки 2.1. Генерация идей
Изобретение относится к медицине и предназначено для выдачи таблеток. Все устройства, которые существуют сейчас, содержат кнопки для выдавливания таблеток и голосовое напоминание. Мы считаем, что данные устройства не всегда подходят для людей с ограниченными возможностями. Поэтому наше устройство намного проще.
Наше устройство должно выдавать таблетки по времени, при этом он должен выдавать различные наборы таблеток в каждый отрезок времени.
2.2. Создание аппарата «Здравушка» средствами LEGO MINDSTORMS EV3
Для создания аппарата был разработан план:
Построить основание робота.
Поставить программируемый интеллектуальный микрокомпьютер EV3.
Поставить два больших серво моторов EV3.
Провести проводы от командного блока до больших серво моторов EV3.
Установить контейнеры.
Поставить дно для контейнеров.
Сделать регуляторы выдачи таблеток.
Установить регуляторы.
Сделать передачу для второго ряда регуляторов выдачи таблеток.
Создать программу для дневного курса приема таблеток.
Запрограммировать микрокомпьютер EV3.
Проверить работоспособность аппарата.
Выявить недостатки и если они есть, устранить их.
Апробировать аппарат в домашних условиях.
Проанализировав количество лекарственных препаратов, которые принимает мой брат, мы вычислили, что максимальное количество их не превышает пяти в день, поэтому было сделано пять лотков для таблеток.
Работая по данному плану, мы разработали разные конструкции. В частности, передача вращения ко второму ряду регуляторов выдачи таблеток была осуществлена с помощью ременной передачи, но данная передача оказалась недееспособной. Поэтому пришлось пересмотреть данную концепцию и передачу пришлось сделать с помощью трех шестеренок.
После апробации в домашних условиях были выявлены следующие недостатки в конструкции: податчики таблеток предусматривали выдачу только одной таблетки данного вида в сутки, в то время как данное лекарственное средство должно приниматься два и более раз в день. В наборе таких деталей нет. И было принято решение напечатать их на 3D принтере. Но так как программа Компас мной еще не изучена, то производство данных деталей было отложено до того момента, когда я это могу сделать самостоятельно.
2.3. Разработка программы
В программе я использовал блок, который называется независимое управление моторами. В настройках я выбрал включить количество градусов. Место 360 градусов нужно было поставить 90 градусов. Скорость я поставил -50 с обеих сторон.
Следующий блок, который я использовал, называется звук. Он нужен, чтобы люди знали, когда им пить таблетки. Я поставил звук okay, но в будущем можно будет записывать свои голоса и вставлять в программу для того, чтобы слышать голос близкого человека, а не голос робота. Громкость стоит на максимуме, но вы можете поставить меньше.
Третий блок, который я использовал, называется ожидание. Время ожидания поставлено на 5 секунд для демонстрации. Вы можете регулировать, во сколько вам нужно выпить таблетки.
Моя программа рассчитана на четыре приёма разных таблеток.
Вывод
В ходе работы над проектом был создан опытный образец аппарата по выдачи таблеток «Здравушка». Выявленные недостатки решено исправить с помощью печати недостающих деталей на 3D принтере. Апробация в домашних условиях показала, что данный аппарат просто необходим для людей с ограниченными возможностями. С помощью его они смогут своевременно принимать лекарственные средства, чтобы терапевтический эффект от лечения был максимальным.
Литература
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота Lego Mnidstorms EV3 в среде EV3: изд. второе, перераб. и допол./Л.Ю.Овсяницкая, Д.Н.Овсяницкий, А.Д.Овсяницкий. – М.: «Перо», 2016, - 296с.
Приложение 1
Приложение 2
Вторая версия передачи ко второму ряду податчиков таблеток с помощью шестеренок
Приложение 3
Аппарат «Здравушка»
Приложение 4
Программа для аппарата «Здравушка»