VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Чудо техники. Программируемый робот Lego Boost
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
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.
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. Роботы сегодня вошли в нашу жизнь в разных областях. Они летают в космос, исследуют другие планеты; помогают в военных целях — разминируют бомбы и разведывают обстановку с воздуха. В промышленности многие области уже немыслимы без роботов: они собирают автомобили, помогают находить новые лекарства. Кроме того, роботы помогают в сельском хозяйстве, а также в сферах развлечений, безопасности и личной помощи.
Я, Баянов Илья Кириллович, учащийся в 4 «А» классе занимаюсь в научном кружке «Клуб Любознательных. Робототехника» под руководством Гарибова О.Я. при ЦВР
Робототехника - это мое серьезное увлечение, и я решил посвятить свой исследовательский проект именно этой теме. (ПРИЛОЖЕНИЕ 1)
Актуальность данной темы связана с активным процессом роботизации, то есть внедрением роботов в жизнь современного человека.
Цель работы:
показать, что робототехника это не просто игра, а серьезное занятие, которое может в дальнейшем стать моей профессией,
Задачи:
Изучить историю роботов
Узнать, где может пригодиться робототехника.
Провести анкетирование, чтобы выяснить насколько популярной является
робототехника, среди ребят моего возраста.
Собрать и спрограммировать подвижного робота из конструктора Lego Boots.
Испытать робота и продемонстрировать движение робота по программе через
дистанционное управление.
Формулировка выводов.
Гипотеза: если можно самостоятельно собрать подвижного робота и спрограммировать его, то интерес к этому роботу у людей был бы велик.
Объект исследования: роботы.
Предмет исследования: подвижный робот из конструктора Lego Boots.
Средства исследования:
- изучение и анализ специальной литературы и специализированных Интернет - ресурсов;
- сбор эмпирических данных с помощью опроса (анкетирование);
- систематизация, качественный анализ полученных данных;
- метод проектирования;
-моделирование и программирование;
- метод конструирования
- метод тестирования
- эксперимент.
Глава 1.
История возникновения Робототехники и термина робот
Практически каждое изобретение человека находит отражение в искусстве. С роботами же вышло наоборот: произведения многих фантастов вдохновляли ученых на работу над робототехникой. Роботы – это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение.
Понятие «робототехника» принадлежит Айзеку Азимому. Впервые оно фигурирует в его рассказе «Лжец» 1941года. Робототехника (от робот и техника; англ.robotics) - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.
Основные законы робототехники:
Робот не может причинить вред человеку.
Робот должен подчиняться командам человека.
Робот должен заботиться о своей безопасности.
Роботы – это помощники человека, которые выполняют работу по заранее заложенной в них программе и могут реагировать на то, что их окружает. С момента своего появления роботы изменились от очень простых механизмов до сложных устройств, во многом превзойдя по своим возможностям человека. Однозначной трактовки термина «робот» нет.
Одно из определений гласит, что робот - это машина с человекоподобным поведением, которая частично или полностью выполняет функции человека (иногда животного) при взаимодействии с окружающим миром.
Идея создания роботов появилась очень давно, еще во времена античности. На протяжении всей истории человечества создавались какие-то механизмы: для выполнения работы, для развлечения, для заработка денег или из научного интереса.
Рисунок 1 – робот Леонардо Да Винчи
Приблизительно в 1495 г. Леонардо да Винчи спроектировал (а возможно собрал и испытал) механического рыцаря, облачённого в броню, по видимости являющегося первым роботом. Внутри доспехов находился механизм, приводящий в движение искусственного человека при помощи тросов и роликов, создавая иллюзию, что там внутри есть живой человек. Рыцарь-робот умел садиться, двигать головой и руками, анатомически правильно открывать и закрывать рот. Также, он мог имитировать звуки - шёл под сопровождение барабанов.
А началась «эра» роботов в искусстве в январе 1921 года, когда в Праге состоялась премьера новой пьесы драматурга Карела Чапека. Роботы R.U.R. сначала во всем помогают людям, а затем захватывают контроль над человечеством.
Кстати, именно Чапек ввел в нашу речь слово «робот» — немного измененное чешское «robota», что переводится как принудительный труд.
Рисунок 2 - R.U.R. (сокращение от чеш. «Россумские универсальные роботы»)
Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон в 1738 создал механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать зерно.
Рисунок 3 – механическая утка
Не остались в стороне и русские механики. Иван Петрович Кулибин в 1769г построил в течении трех лет яичную фигуру – универсальные часы. Часы давали театрализованное представление и играли музыку.
Рисунок 4 - яичная фигура – универсальные часы
Робототехника современности
Современная робототехника основана на компьютерных технологиях. Промышленные роботы составляют больше 80% от всех существующих на сегодня устройств. Они способны практически полностью заменить человека на многих заводах: механические «рабочие» не допускают ошибок, не устают, им не нужно платить зарплату.
В 1966 году появился робот Шеки (англ. Shakey) — первый универсальный мобильный робот, способный рассуждать над своими действиями.
Рисунок 5 – первый мобильный робот Шеки
Без робота Dante II человек никогда бы не заглянул в кратер действующего вулкана.
Рисунок 6 – робот Dante II
Без робота Sojourner(Соджорнер-марсоход) наши знания о Марсе были бы намного более скудными. Этот агрегат в 1997 году высадился на поверхность планеты и передал на Землю огромное количество фотоснимков.
Рисунок 7 – робот Sojourner
Домашние роботы не приспособлены к экстремальным условиям. Их задача — помочь человеку в быту и развлечь его. Существует огромное количество недорогих домашних роботов: роботы-пылесосы, роботы-газонокосильщики.
Робот PaPeRo компании NEC, помимо чисто бытовых функций, умеет говорить. Этот робот знает более 300 фраз, а распознает и того больше.
Рисунок 8 – робот PaPeRo компании NEC
Но больше всех умеет разработка компании Sony — собачка Aibo (яп. 愛慕 айбо означает «любовь»). Она способна узнавать своего хозяина, реагировать на команды, ласку. Aibo имеет четыре стадии взросления: младенчество, детство, юность и зрелый возраст. Собачка умеет бегать, прыгать, потягиваться, играть в футбол и танцевать.
Рисунок 9 – робот - собачка Aibo (яп. 愛慕 айбо означает «любовь») компании Sony
Кроме того, я посещал роботовыставку в г. Екатеринбург и играл с роботом собачкой Aibo и другими роботами. Моему восторгу не было предела! (ПРИЛОЖЕНИЕ 2)
А также в г. Санья Китай мне удалось пообщаться с роботом – продавцом женской, мужской и детской одежды. Данный робот помогал принести, унести одежду, а также подобрать мне стиль в одежде путем переговоров и демонстрации слайдов у себя на животе. (ПРИЛОЖЕНИЕ 3)
3. Строение Робота
Корпус большинства роботов состоит из отдельных подвижных и неподвижных частей. Вот основные из них:
Внутренний контроллер
Каждый робот оснащен контроллером - компьютерной операционной системой. Контроллер - это мозг любого робота. Он содержит всю необходимую информацию для выполнения задач и указаний.
Источник энергии
Роботам необходим источник энергии. Одни работают от батарей. Другие оснащены фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Механические роботы заводятся с помощью пружинного механизма.
Дистанционное управление
Роботы, которые работают на других планетах, такие как марсоход, оборудованы внутренними контроллерами, но ими также можно управлять с Земли. По снимкам оператор определяет, куда должен двигаться робот и какую задачу ему нужно выполнить.
Сенсоры света и звука
С их помощью робот может распознавать свет, исходящий от объектов, определять звуковые волны. Эта функция помогает либо обходить различные предметы, либо идти к ним навстречу. Также в корпус робота может быть встроено устройство распознавания голоса, с помощью которого человек отдает машине устные приказы.
Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.
Датчики давления
Некоторые роботы оборудованы датчиками давления, которые имитируют осязание. У этих сенсоров, как правило, два назначения. Они сообщают роботу о том, что он ударился о какой-нибудь предмет и должен сменить направление движения, а также позволяют правильно захватить и поднять объект.
Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.
Глава 2
Сборка и программирование подвижного робота Lego Boots
Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. 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. Активное участие и поддержка Российских и международных научно-технических и образовательных проектов в области робототехники позволит ускорить подготовку кадров, развитие новых научно-технических идей, обмен технической информацией и инженерными знаниями, реализацию инновационных разработок в области робототехники в России и по всему миру.
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.
И уже сейчас в современном производстве и промышленности востребованы специалисты обладающие знаниями в этой области. Начинать готовить таких специалистов нужно в школе и с самого младшего возраста. Поэтому, образовательная робототехника в школе приобретает все большую значимость и актуальность в настоящее время. В качестве основного оборудования при обучении детей робототехнике в школах предлагаются конструкторы LEGO MINDSTORMS NXT.
Lego Mindstorms NXT и Lego Boots – это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота.
Lego Boots – это набор для конструирования и программирования LEGO Boost. Из деталей набора можно собрать подвижного робота Вэрни, M.T.R.4 (Многофункциональный вездеход 4), Гитару 4000, Кота Фрэнки или Автомастерскую, управлять которыми можно с планшета при помощи бесплатного приложения, включающего в себя цифровые инструкции по сборке LEGO для всех 5 моделей, а также интересные задания и идеи для вдохновения.
Для практического ознакомления с конструкцией и принципами работы роботов я принял решение создать модель Lego-робота «Вэрни» с сенсорными датчиками и возможностью передвижения в пространстве.
Lego-робот «Вэрни» помогает понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией различных процессов.
В качестве платформы для создания робота я использовал конструктор LEGO Boost «Вэрни» EV3.
Для создания программы, по которой будет действовать модель, используется специальный графический язык программирования.
С помощью набора LEGO Boost можно организовать высокомотивированную учебную деятельность по пространственному конструированию, моделированию и автоматическому управлению.
Рисунок 10 - программирование робота
Вся программа только на английском языке.
Программируемый блок – это мозг и голос робота... EV3, он же интеллектуальный блок и сердце системы, он же «кирпичик» или «кубик» в конструкторе. Служит центром управления и энергетической станцией робота и имеет следующие функциональные элементы:
Рисунок 11 – программируемый блок
– Многофункциональный монохромный дисплей;
– Шестикнопочный интерфейс управления с функцией изменения подсветки (3 цвета) для индикации режима работы;
– 4 порта ввода (1, 2, 3, 4) для подключения датчиков;
– 4 порта вывода (A, B, C, D) для выполнения команд;
– 1 порт USB–хост (для соединения нескольких EV3 в одну цепь, например);
– 1 слот для карт памяти формата microSD (до 32Гб) – для увеличения объёма доступной памяти EV3;
– Встроенный динамик.
Кубик EV3 также поддерживает Bluetooth, WiFi для связи с компьютерами (в моем случае с планшетом).
Большой EV3-сервомотор имеет встроенный датчик вращения с точностью измерений до 1 градуса. Используя этот датчик, мотор может соединяться другими моторами, позволяя роботу двигаться с постоянной скоростью. Кроме того, датчик вращения может использоваться и при проведении различных экспериментов для точного считывания данных о расстоянии и скорости. Средний EV3-сервомотор. Идеален для задач, когда скорость и быстрота отклика, а также размер робота важнее его грузоподъёмности.
Рисунок 12 – сервомотор
Датчик касания (EV3) - позволяет роботу реагировать на касания, распознает три ситуации: прикосновение, щелчок и освобождение.
Рисунок 13 – датчик касания
Цифровой ИК-датчик (EV3). Для определения приближения робота. Также способен улавливать ИК-сигналы от ИК-маяка, позволяя создавать дистанционно управляемых роботов, навигационные системы для преодоления препятствий:
– Измерения приближения или удаления в радиусе 50-70 см;
– Радиус улавливания ИК-сигналов до 2 метров;
– До 4 индивидуальных каналов приёма сигнала;
– Получение удаленных ИК-команд управления.
Рисунок 14 –цифровой ИК-датчик
Процесс сборки робота оказался не таким увлекательным, как, например, сборка моделей LEGO Technics, так как в данной модели робота лишь крупные детали, среди которых были множество датчиков. Запрограммировал собранного робота с помощью компьютера - планшета. (ПРИЛОЖЕНИЕ 4)
В результате собрана модель, которая может самостоятельно двигаться: вперёд-назад, поворот, разворот на месте, также умеет разговаривать, перемещаться и танцевать. Он может воспринимать цвет и движение, оценивать расстояния, а также защищать моою комнату с помощью своего шутера с пружинным механизмом!
Кроме того можно обратиться к «Верни» с вопросом, и он ответит с помощью мимики, которая точно отражает его настроение. Верни на своих широких гусеницах может двигаться в разных направлениях, менять скорость, различать объекты и цвета, определять расстояние, захватывать и переносить предметы, жестикулировать, чувствует удары, может реагировать на них и понимает, когда поднимают его в воздух.
Вывод
В результате данной работы:
- собрана модель робота EV3;
- используя графический язык программирования разработана программа, использующая основные алгоритмические структуры: линейную, цикл;
- получены знания и умения о настройке команд и практическом использовании датчиков. (ПРИЛОЖЕНИЕ 5)
Результаты анкетирования одноклассников
В процессе научно-исследовательской работы я предложил одноклассникам ответить на несколько вопросов по теме «Роботы». В анкетировании участвовали 23 человек. Целью анкетирования было определения знаний ребят о роботах и робототехнике.
По результатам анкетирования выяснилось: абсолютно все одноклассники знают, что в жизни нас окружают роботы, они нужны людям и могут выполнять вместо людей различную работу. Однако ребята знают только о роботах - помощниках в быту и производстве. На вопрос, какие роботы есть в вашей жизни, большинство ответили о наличии игрушек на пульте управления, домашней техники (микроволновка, стиральная машина и т.д.). Кроме того, все ребята указали на основную составляющую роботов – наличие программ и датчиков.
22 человека из опрошенных считают, что основное предназначение роботов – это помощь людям и только 1 человек указал, что роботы призваны защищать людей. (ПРИЛОЖЕНИЕ 6)
Также я провёл опрос: «Чем ты любишь заниматься в свободное время?»
-гулять с друзьями-48%
-читать-4%
-смотреть ТВ- 12%
-играть в конструктор ЛЕГО-18%
-заниматься спортом- 18% (ПРИЛОЖЕНИЕ 7)
Из этого опроса я вижу, что ребятам нравится играть в конструктор, они знакомы с конструктором Лего и многих бы заинтересовало занятие, как робототехника.
Заключение
Работая над проектом, я узнал много нового о роботах. Они разные и очень полезные. Роботы нужны человеку! Они очень быстро проникают в нашу жизнь. Чтобы сделать роботов своими друзьями, нужно знать их.
В настоящее время благодаря стремительному развитию вычислительной техники и, как следствие, заметному росту «интеллектуальных» возможностей роботов произошло внедрение в те места, куда не может попасть ни один человек, выполнение сложнейших заданий, которые не под силу выполнить человеку, и изменилась жизнь многих людей. И это только начало! В самом ближайшем будущем появятся новые, еще более удивительные роботы!
Анкетирование одноклассников показало, что мы ежедневно сталкиваемся с разнообразными вариантами робототехники, однако не задумываемся о значении роботов и их устройстве.
В результате моей работы над проектом стало очевидно, что умные машины нужны повсюду. Они приносят много пользы, сплошь и рядом они готовы заменить человека. Ведь наши физические возможности ограничены, а умная машина — робот — со многими задачами справляется лучше человека.
Я пришел к выводу, что человек не может обходиться без роботов. Но робот может заменить человека только при выполнении какой-нибудь работы или действия. Чувствовать, как человек и быть таким же разумным существом, как человек, робот не может.
Возможно, что в будущем появятся такие роботы, которые внешне будут очень привлекательны - похожи на людей и будут ежедневно приносить огромную пользу людям.
Я очень хочу, чтобы мое увлечение стало моей профессией, но если я не стану конструктором, я знаю, что навыки, приобретенные при занятиях робототехникой, пригодятся мне в дальнейшем и в учебе, и в работе.
Список использованных источников информации:
История робототехники Электронный ресурс
[http://titok007.narod.ru/history.html]
Образовательная робототехника http://eldron.ru/catalog/robototekhnika/datchiki_lego/
Откуда произошло слово РОБОТ?
http://masterok.livejournal.com/1449280.html
Хромов Д.В. Разновидности роботов и их классификация
http://www.scienceforum.ru/2013/
http://geektimes.ru/company/ulmart/blog/242809/
ПРИЛОЖЕНИЕ1
Занятие в научном кружке «Клуб любознательных. Робототехника»
ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Я на выставке робототехники «Робополис» в г. Екатеринбурге
ПРИЛОЖЕНИЕ 3
Робот- продавец в магазине одежды г. Санья в Китае
ПРИЛОЖЕНИЕ 4
Процесс сборки робота «Верни»
ПРИЛОЖЕНИЕ 5
Подвижный робот «Верни»
ПРИЛОЖЕНИЕ 6
Вопросы для анкетирования
Каких роботов вы знаете?
Какие роботы встречаются в вашей жизни?
Какова основная составляющая роботов?
Как вы считаете, созданы ли роботы, которые
не только помогают человеку, но и защищают его?
ПРИЛОЖЕНИЕ 7