VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот – это не игрушка
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Однажды брату день рождения родители подарили конструктор, из которого можно собрать по инструкции несколько разновидностей роботов. Нам с братом стало интересно придумывать новые модели роботов, собирать и разбирать их. Увидев наше увлечение конструированием, в сентябре мама записала нас в творческое объединение Дворца «Робототехника». Нам очень нравится заниматься в кружке.
Для робота можно создавать программы, ставить ему сложные задачи и условия, создавать неожиданные препятствия, пробовать, экспериментировать. Когда мы собираем роботов, мы узнаем много нового о программировании, физике, математике. Робототехника именно этим и интересна.
Целью своей проектной работы поставили привлечение интереса всех детей к научно- техническому творчеству, робототехнике, высоким технологиям. Но я хочется предупредить ребят и объяснить им, что Робот – это не игрушка и Робототехника – это серьезная и перспективная наука, робототехника позволяет воплощать в моделях свои фантазии.
Задачи :
познакомиться с конструктором LEGO MINDSTORMS NXT 2.0.
изучить основы программирования в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0
сконструировать модель робота
создать программу для управления роботом
испытать полученного робота
Предмет исследования: конструктор со средой программирования LEGO MINDSTORMS NXT 2.0.
Быть технически грамотным специалистом это всегда актуально. Я думаю, что в будущем стану программистом, буду работать в сфере информационных технологий, и, может быть у меня получиться создать уникального робота, который поможет людям в сложных бытовых условиях или опасных профессиях или даже будет отправлен в космос для исследования других планет!!
Что такое РОБОТ?
Для начала мы расскажем, что слово «робот» было придумано чешским писателем Карелом Чапеком и его братом Йозефом и впервые использовано в пьесе Чапека «Р.У.Р.» («Россумские универсальные роботы») в 1920 году. В нем был описан процесс сборки роботов самими роботами на фабрике.[5]
В чешском языке «robota» значит тяжелый труд, каторга, барщина.
Герою пьесы - инженеру Россу, удалось изобрести сложную машину, которая могла выполнять все работы человека. Вот эту человекоподобную машину автор и назвал «роботом». Роботы имели полное внешнее сходство с человеком и могли выполнять всякую работу. Спрос на них был настолько велик, что завод вскоре перешел на их массовое производство. Хозяева роботов стали заменять ими живых людей на фабриках и заводах. Но однажды роботы набросились на людей и перебили их всех. Люди на Земле прекратили свое существование, а их место заняли разумные автоматы...
Такой финал первой пьесы о роботах оставил глубокий след в душах первых зрителей и сформировал негативное отношение общества к ним на многие десятилетия. Впрочем, техника продолжала развиваться, а люди - строить роботов вне зависимости от эмоций.
Первые РОБОТЫ
Из многих предположений возникает вопрос - когда же был изобретен первый робот.
Оказывается, первые мысли к созданию роботов возникли еще до нашей эры: в середине 3-го тысячелетия египтяне изобрели «думающих машин» - внутри статуй прятались жрецы, чтобы давать предсказания и советы.
А в 50-х 19 века были найдены чертежи человекоподобного робота, сделанные Леонардо да Винчи, примерно в 1495 году. На чертеже был детально изображен механический рыцарь, который мог сидеть, раздвигать руки, двигать головой, открывать и закрывать челюсти. По его замыслам работой рук должно было управлять механическое программируемое устройство в груди, ноги должны были управляться с помощью рукоятки, приводящий в движение трос, связанный с ногами. До появления промышленных роботов считалось, что роботы должны выглядеть подобно людям.
Один из первых роботов был построен американским инженером Венсли в 1925 году. Автор дал ему имя мистер Телевокс (Приложение, рис.1). Когда у Венсли спросили, откуда это странное имя, он ответил: «Первая половина слова — «теле» — греческая и означает «далекий», вторая — «вокс» — латинская и значит «голос». Своим названием я хотел подчеркнуть способность моего робота отвечать на команды, поданные голосом человека». Внешне мистер Телевокс был не очень привлекателен: квадратная голова с какими-то прямоугольниками вместо глаз и рта, женская шпилька вместо носа, открытое деревянное туловище со сложным переплетением проводов и механизмов внутри и, наконец, нелепые руки и ноги. Телевокс обладал способностью слышать и исполнять несколько различных приказаний, отдаваемых человеком при помощи звуков свистка. Подавая различное число повторных свистков, Венсли мог заставить робота открыть окна, закрыть дверь, пустить в ход вентилятор и пылесос, а также зажечь свет в комнате. Телевокс был не только слышащим и говорящим роботом. Он мог выполнять некоторые домашние работы, заменяя домработницу. При помощи свистков можно отдать соответствующее распоряжение, и механический слуга подогреет ужин. Как это он сделает? Очень просто. Уходя из дому, хозяйка должна поставить кастрюлю и сковороды с кушаньями на электрическую плиту. Телевокс тогда самостоятельно включит плиту в электросеть[2].
Очень скоро у мистера Телевокса появились братья. Первым из них был робот Эрик, построенный в 1928 году английским инженером Ричардсом. Этот робот выступил перед публикой 15 сентября 1928 года в Лондоне на открытии ежегодной выставки Общества инженеров. Он произнес речь об итогах истекшего года. Эрика показывали и во многих других городах Великобритании.
Самыми первыми были изобретены именно промышленные роботы. В 1980 году в СССР создан центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики (ЦНИИ РТК) и изобретен первый пневматический промышленный робот МП-8 с позиционным управлением.[2]
Слово робот прочно вошло в нашу жизнь.
Для маленьких детей создано немало игрушек-роботов, в которые с удовольствием играют не только мальчики, но и девочки.
Виды РОБОТОВ
За время своего развития – роботы пережили эволюцию, как сферы использования, так и функциональных возможностей.
Роботы первого поколения - это роботы с программным управлением, предназначенные для выполнения определенной, жестоко запрограммированной последовательности операций, диктуемой соответствующим технологическим процессом.
Роботы второго поколения – это «очувствленные» роботы, предназначенные для работы с неориентированными объектами произвольной формы, осуществления сборочных и монтажных операций, сбора информации о внешней среде с помощью большого количества сенсоров.
Роботы третьего поколения - это так называемые интеллектуальные, или разумные, роботы, предназначенные не столько для воспроизведения физических и двигательных функций человека, сколько для автоматизации его интеллектуальной деятельности, т.е. для решения интеллектуальных задач. Они принципиально отличаются от роботов второго поколения сложностью функций и совершенством управляющей системы, включающей в себя элементы искусственного интеллекта.[1]
По области использования роботы делятся на виды:
промышленные,
бытовые,
медицинские,
обучающие,
военные,
охранные роботы,
биороботы,
роботы-игрушки,
нанороботы,
также андроиды и киборги.
Существуют роботы и для развлечений. Ежегодно проводит турнир роботов по футболу по упрощенным правилам. А также роботы способны играть в шахматы. Чемпион мира Гарри Каспаров проиграл в шахматном поединке роботу.
Миссия РОБОТА
У робототехники есть свои законы.
Их придумал американский писатель-фантаст, биохимик, автор около 500 художественных книг Айзек Азимов.
При создании робототехники нужно руководствоваться правилами, по которым робот не может причинить вред человеку, даже если он бездействует; задача робота – подчиняться приказам человека, если они не несут вред людям. Дружественное отношение к человеку должно быть главным в программировании роботов:
1. Робот не должен вредить человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
2. Робот должен выполнять приказы человека, кроме приказов, противоречащих первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, если это не противоречит первому и второму законам.
Что такое Робототехника?
Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.[4] Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование.
Робототехника является одним из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.
Человечество остро нуждается в роботах, которые могут без помощи оператора тушить пожары, самостоятельно передвигаться по заранее неизвестной, реальной пересеченной местности, выполнять спасательные операции во время стихийных бедствий, аварий атомных электростанций, в борьбе с терроризмом. Кроме того, по мере развития и совершенствования робототехнических устройств возникла необходимость в мобильных роботах, предназначенных для удовлетворения каждодневных потребностей людей: роботах-сиделках, роботах-нянечках, роботах-домработницах, роботах - всевозможных детских и взрослых игрушках и т.д. И уже сейчас в современном производстве и промышленности востребованы специалисты обладающие знаниями в этой области. Начинать готовить таких специалистов нужно с самого младшего возраста.
LEGO Mindstorms NXT
LEGO Mindstorms — конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота. Впервые представлен компанией LEGO в 1998 году. Через 8 лет (2006) в свет вышла модель LEGO Mindstorms NXT 1.0, в 2009 — LEGO Mindstorms NXT 2.0, а в 2013 — LEGO Mindstorms EV3.[5]
Наборы LEGO Mindstorms комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни, сервомоторы) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока (Рис.2 приложение). Наборы делятся на базовый и ресурсный.
Эксперимент
За время обучения мы изучили три вида датчиков : датчик касания, датчик звука и ультразвуковой датчик. Перед нами стояла задача построить робота, который бы использовал все эти датчики и демонстрировал их возможности.
Для построения робота мы воспользовались шаблоном, который предложила фирма Лего (Рис.3 приложение) и составили программу для управления им.
Мы придумали такую задачу:
Робот, похожий на щенка должен идти на поводке по приказу хозяина, по команде «Голос», он должен лаять, если ему встретится препятствие, щенок должен повернуть в сторону.
На этапе непосредственной реализации проекта мы занимались разработкой механизма робота на основе конструктора LEGO NXT.
Программу для управления роботом составили в среде LEGO MINDSTORMS EV3, так как она более удобна (Рис.5).
Получился робот, похожий на игрушку (Рис.4 приложение). Но чтобы эта «игрушка» заработала, нужно было многому научиться.
Заключение
В результате нашего исследовательского проекта у нас получилась модель собачки, которая управляется с помощью программы. Прежде чем электронное чудо из забавных деталей начнет двигаться, ощущать, осязать и распознавать, нужно узнать многое:
познакомиться с конструктором LEGO MINDSTORMS NXT 2.0.
изучить основы программирования в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0
сконструировать модель робота
создать программу для управления роботом
испытать полученного робота
Программировать робота не сложно, если выучить язык программирования. Разрабатывая, программируя и тестируя робота, мы с братом приобрели навыки в области конструирования и программирования, познакомились с процессами планирования, поняли, как пишутся программы. Мы научились вести себя как молодые ученые, проводя простые исследования и получая неожиданные результаты.
За время работы над проектом, мы узнали что, робототехника, являясь одной из наиболее инновационных областей в сфере детского технического творчества, объединяет классические подходы к изучению основ техники и современные направления научно- технического творчества: информационное моделирование, программирование, информационно- коммуникационные технологии.
На основании этого, выдвинутая нами гипотеза: «Робот – это не игрушка и Робототехника – это серьезная и перспективная наука, робототехника позволяет воплощать в моделях свои фантазии» доказана.
Список литературы
Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: Методическое пособие/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011. – 32 стр.
Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов/Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 87 стр.
Программное обеспечение MINDSTORMS NXT 2.0 .
Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010, 195 стр.
Интернет ресурсы:
http://www.prorobot.ru/
http://nxtprograms.com/
http://www.lego.com/education/
http://www.wroboto.org/
http://www.roboclub.ru/
http://robosport.ru/
https://ru.wikipedia.org/wiki/Mindstorms_(серия_LEGO)
Приложение
Рис.1. Американский инженер Венсли вместе с роботом Телевоксом
Рис. 2 Изучаем LEGO MINDSTORMS
Рис.3 Щенок
Рис.4 . Результат новых усилий- собачка «Тузик»
Рис.5. Программа для робота