VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Слово «робот» прочно вошло в современную речь и нашу жизнь. Трудно представить себе мир XXI века без «умных» машин. Они проникли всюду: от заводских цехов и медицины до вооружения наиболее развитых армий мира. И, конечно, редкий фантастический фильм обходится без самостоятельных думающих механизмов, которые известны под термином «робот».
Термин «робот» пришел к нам от чешского слова «robota», что буквально означает «принудительный труд». В принципе, это слово отлично описывает большинство роботов. Чаще всего роботы делают тяжелую работу, монотонно трудятся на производстве. Также они решают задачи, которые сложны, опасны или скучны для людей. Беспилотные самолеты-разведчики, искусственные спутники, знаменитые луноходы – все это роботы. Однако наиболее впечатляющая мечта человечества – человекообразная машина, описанная писателями-фантастами.
Цель данной работы – изучение истории появления роботов, их роли в жизни людей и ознакомление с типовой конструкцией робота.
Объектом исследования послужили роботы в современной жизни людей.
В соответствии с данной целью были поставлены следующие задачи:
изучить историю создания и развития роботов;
рассмотреть виды роботов;
опросить одноклассников: какие роботы их окружают в жизни и знают ли они конструкцию роботов;
создать модель робота с несколькими датчиками.
Методы исследования: теоретические (изучение научно–популярных изданий; работа с интернет-ресурсами), опрос и анкетирование одноклассников и метод конструирования.
Гипотеза: человек не может обойтись без роботов.
Актуальность: Тема роботов очень интересна. По телевизору часто показывают программы и фильмы про роботов, в которых они помогают людям в жизни и даже могут вместо человека делать какую-нибудь сложную работу. В жизни мы часто сталкиваемся с роботами. Например, дома у многих есть игрушки на радиоуправлении, у всех есть сотовые телефоны, компьютеры, телевизоры, пылесосы и т.п. Вся эта робототехника во многом помогает и облегчает нашу жизнь.
История создания и развития роботов
Происхождение слова «робот». Три закона робототехники
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.
Ро́бот (чешское robot, от robota — подневольный труд или rob —раб) — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма. Действуя по заранее заложенной программе и получая информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет различные операции, выполняемые человеком. При этом робот может иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно.
В 1942 году Айзеком Азимовым в научной фантастике были сформулированы три закона робототехники, т.е. обязательные правила поведения для роботов:
Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.
Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам.
Классификация роботов
Так же как и с понятием «робот», в отношении классификации роботов не существует общепринятого мнения, из-за чего в разных изданиях, а также интернет-ресурсах, посвященных робототехнике, можно встретить различные классификации.
Связано это с тем, что по мере развития робототехнического направления промышленности видоизменяются сами машины, их функции постоянно расширяются и неизбежен регулярный пересмотр их разновидностей. Наиболее целесообразно разбиение всех видов роботов на группы по типу выполняемой работы или решаемой задачи, например: промышленные, строительные, сельскохозяйственные, транспортные, бытовые, боевые, охранные, исследовательские.
Промышленные роботы предназначены для автоматизации всевозможных технологических операций (сварка, штамповка, металлообработка, сборка готовых изделий и т.д.) на производстве какой либо продукции. Применяются практически во всех отраслях промышленности (нефтехимическая, автомобильная, авиационная и др.).
Транспортные роботы используются, как следует из наименования для автоматического перемещения грузов, либо автономного управления различными транспортными средствами. Транспортными роботами являются самоходные тележки, автопилоты и т.д.
Бытовые роботы. Данный тип роботов применяется в быту и офисах. Ярким примером является робот-пылесос. К бытовым роботам также можно отнести роботов, обеспечивающих эффект присутствия удаленных друг от друга людей, либо способных самостоятельно вести диалог с человеком, и, конечно, многочисленные робоигрушки, предназначенные для развлечений и образовательных целей. В перспективе ожидается появление и более функциональных систем, умеющих выполнять более сложные домашние обязанности такие как: мытье посуды, стирка грязного белья, приготовление пищи и т. п.
Боевые (военные) роботы предназначены для минимизации участия человека в боевых действиях с целью сокращения или исключения вовсе людских потерь, а также для работы в условиях, несовместимых с возможностями человека в военных целях. Разновидностей боевых роботов столько же, сколько и боевых задач для войсковых подразделений: беспилотные с дистанционным управлением самолеты (вертолеты) — разведчики, подводные аппараты и надводные корабли, роботы-минеры, роботы-саперы, роботы-патрульные, роботы для переноски военной амуниции.
Перед охранными роботами ставятся задачи по защите территорий или помещений. Большинство людей не замечают, что рядом с ними повсюду действуют роботы-полицейские, роботы-охранники и роботы-шпионы. Роботы охраняют важные объекты и добывают секретную информацию о террористах. Роботы-охранники в отличие от охранника-человека могут работать 24 часа в сутки без сна, еды и воды, их трудно отвлечь, и они могут поднять тревогу, если на них совершено нападение.
Робот-шпион «Сайфор» очень похож на летающую тарелку и имеет форму двухметрового бублика. Он может зависнуть в воздухе напротив окна высотного здания, посмотреть, что происходит в помещении, может сбросить подслушивающее оборудование.
«Робарт-III» патрулирует офисы и склады, открывает и закрывает двери и отыскивает проникших в помещение преступников. В его руку встроено устройство, которое может стрелять шестью дротиками со снотворным.
В глазах робота «Марон-1» встроены камеры, которые ведут съемку внутри дома. Если в доме появится посторонний, его фотографию робот передает на мобильный телефон хозяина.
Исследовательские роботы используются для сбора всевозможных видов информации об исследуемых объектах, ее переработки и передаче оператору. Объектами могут быть самыми разнообразными: поверхности планет, подводное пространство, подземные шахты, пещеры, полости эксплуатируемых трубопроводов, зараженная местность и другие труднодоступные для человека области.
Люди отправляют роботов в космос для исследования космического пространства. Например, робот «Соджорнер» был первым роботом-вездеходом, оказавшимся на поверхности Марса. Отсутствие на Марсе кислорода, воды и высокая температура (до 100 градусов) затрудняют исследование этой планеты людьми. Поэтому люди поручили исследование Марса роботам-марсоходам. Такие роботы оборудованы различными сенсорами, инструментами и манипулятором при помощи которых марсоходы могут убирать с пути тяжелые камни и исследовать почву планеты.
Современные мобильные роботы работают во вредных или опасных для человека условиях, т.к. использование мобильных роботов в таких условиях позволяет человеку не рисковать своей жизнью и здоровьем.
Роботы участвуют в операциях по спасению людей при катастрофах, обезвреживают взрывные устройства, отыскивают места утечки опасных газов, чтобы не произошел взрыв. Например, робот - «змея» может двигаться внутри газовой трубы. Его видеокамеры и датчики отыскивают места поломки трубопровода и места утечки газа. Промышленный робот «Рози» помогал людям разбирать сломавшийся ядерный реактор.
Человек не может выполнять работу на большой глубине из-за того, что давление воды погубит человека, ведь на глубине свыше 2-х километров давление воды может раздавить даже корпус подводной лодки. Поэтому для подводных работ роботов делают из титана и других сверхпрочных материалов. Подводные роботы, такие как «Супер-Ахиллес» и «Зевс» обследуют обломки затонувших кораблей и самолетов, отыскивают и поднимают на поверхность «черные» ящики, ценные вещи и изучают подводный мир.
Для обнаружения и обезвреживания взрывчатки существуют роботы-саперы, оборудованные специальными видеоустройствами. Такие роботы передают изображение взрывных устройств человеку, находящемуся на безопасном расстоянии. Рука робота может безопасно для находящихся вблизи взрывчатки людей захватить бомбу, переместить её в специальный контейнер, чтобы избежать взрыва.
Однако «заветной» целью исследователей является создание робота подобного человеку с развитым искусственным интеллектом. Но человек – это очень сложное существо. Человек может чувствовать, выражать эмоции, такие как радость, гнев, грусть, страх и другие. Человек обладает мощным мозгом, совершает множество движений. Поэтому машине – роботу очень сложно повторить человека, робот не может быть таким, как человек.
Ученые-исследователи всего мира работают над созданием роботов похожих на людей. Например, есть робот – партнёр для танцев, который реагирует на перемещения человека и копирует движения тела и рук человека.
«АСИМО» стал первым человекоподобным роботом. Он может свободно ходить, огибать углы, подниматься и спускаться по лестнице. Главный секрет этого робота – в рюкзаке за спиной, в котором находятся мощные компьютеры, управляющие роботом. «АСИМО» умеет реагировать на голосовые команды, танцевать, узнавать человеческие лица, бить по футбольному мячу и бегать по кругу. А в 2016 году публике был представлен человекоподобный робот София (Robot Sophia)с заложенным искусственным интеллектом (ИИ), управляемый крошечными моторами. Её камеры позволяют распознавать людей, следить за лицами и поддерживать зрительный контакт.
Рисунок 1 – Робот София
Устройство роботов и основные принципы работы
Строение современных роботов
Роботов производят во всем мире. Они могут быть совершенно не похожи на людей, а может быть и наоборот. Устройство роботов можно сравнить со строением человека.
Роботы делаются из аналогичных компонентов. Обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы — это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных.
Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) указывают, что роботы обладают программируемым мозгом (компьютером), который движет тело.
У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика.
Чтобы управлять различными приводами и системами робот нуждается в источнике питания. Большинство роботов, либо оснащены батареей, либо работают от розетки. Все приводы подключаются к электрической цепи. Компьютер робота управляет всем, что подключено к цепи. Чтобы передвигать робота, компьютер активирует все необходимые двигатели и клапаны.
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. Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.
Сборка робота с использованием электронного конструктора
Для практического ознакомления с конструкцией и принципами работы роботов я принял решение собрать боевого робота с сенсорными датчиками и возможностью передвижения в пространстве. Робот XiaomiMiBunny помогает понять основы робототехники, наглядно реализовать сложные алгоритмы, рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией различных процессов.
В
качестве платформы для создания робота я использовал электронный конструктор XiaomiMiBunnyMITU. Для создания программы, по которой будет действовать модель, используется специальный графический язык программирования.
Рисунок 2 - конструктор XiaomiMiBunnyMITU
В электронный робот встроен датчик-гироскоп, двигатель и микрокомпьютер. Поддерживает управление со смартфона (с помощью специального мобильного приложения). Одна из деталей робота-трансформера является специальным контрольным блоком, в котором содержится набор датчиков, отвечающих за автоматическую балансировку робота, 32-битный процессор, а также модули беспроводной связи Bluetooth и Wi-Fi (частота 2.4 ГГц), плюс аккумулятор емкостью 1700 мАч.
Рисунок 3
Колеса служат точками опоры конструкции. Благодаря встроенному гироскопу он держит баланс самостоятельно, а благодаря работе принципа обратного маятника, робот может не только держать равновесие на месте, но и благополучно передвигаться с тремя килограммами груза.
Электродвигатель оснащен оптическим кодирующим диском, который позволяет точно определять задаваемую скорость и угол направления. Помимо этого, для защиты от чрезмерной силы тока, электродвигатель автоматически включает безопасный режим работы при заклинивании ротора, предотвращая возгорание.
Робот подчиняется командам через мобильное приложение MiTuBuilder. Существует три ключевых способа управления: посредством виртуального джойстика или гироскопа, прорисовкой на экране траектории передвижения и блочными моделями алгоритмов поведения (робота можно заставить танцевать, принимать разные позы и т.п.).
Опционально в роботе может быть встроен датчик цвета, который позволяет ему распознавать различные оттенки. В режиме программирования роботу можно задать команду передвигаться вдоль белой стены или, к примеру, держаться поодаль от коричневого шкафа.
В результате данной работы:
- собрана модель роботаXiaomiMiBunny;
- используя графический язык программирования разработана программа, использующая основные алгоритмические структуры: линейную, цикл;
- получены знания и умения о настройке команд и практическом использовании датчиков.
Рисунок 4 – Сборка робота Рисунок 5 - Робот XiaomiMiBunny
2.3. Результаты анкетирования одноклассников
В процессе научно-исследовательской работы я предложил одноклассникам ответить на несколько вопросов по теме «Роботы» (приложение 1). В анкетировании участвовали 32 человека. 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.
28 человек из опрошенных считают, что основное предназначение роботов – это помощь людям и только 4 человека указали, что роботы призваны защищать людей.
Значительно разделились мнения ребят в объяснении своей позиции при ответе на вопрос: «Может ли робот заменить человека?»
Рисунок 5 – Результаты анкетирования учащихся
Действительно, если рассуждать: может ли робот заменить человека при выполнении определенной работы, то логичен ответ – «Да» - робот может заменить человека. А если рассуждать с точки зрения: может ли робот заменить человека как живое существо, тогда ответ будет – «Нет», потому что человек - сложный живой организм, обладающий разумом, способный испытывать различные чувства: любовь, радость, грусть, ответственность и т.д.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время благодаря стремительному развитию вычислительной техники и, как следствие, заметному росту «интеллектуальных» возможностей роботов произошло их внедрение во многие сферы человеческой деятельности. Роботы побывали в таких местах, куда не может попасть ни один человек, выполнили сложнейшие задания, которые не под силу выполнить человеку, и изменили 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 написания научно-исследовательской работы 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.
Список использованных источников информации
История робототехники [Электронный ресурс] - [http://titok007.narod.ru/history.html]
Образовательная робототехника[Электронный ресурс] - http://eldron.ru/catalog/robototekhnika/datchiki_lego/
Откуда произошло слово РОБОТ?[Электронный ресурс] - http://masterok.livejournal.com/1449280.html
Хромов Д.В. Разновидности роботов и их классификация
[Электронный ресурс] - http://www.scienceforum.ru/2013/
http://geektimes.ru/company/ulmart/blog/242809/
Приложение 1
Вопросы для анкетирования учащихся на тему «Роботы»
Окружают ли вас в жизни роботы?
(подчеркните или обведите ваш вариант ответа):
- да,
- нет
Для чего нужны роботы?
- чтобы помогать людям,
- чтобы навредить людям,
- чтобы защищать людей,
____________________________________________________________________________________________________________________________________
(свой вариант ответа)_______________________________________________
Может ли робот выполнять работу вместо человека?
- может,
- не может
Может ли человек обойтись без роботов?
- может,
- не может
Может ли робот заменить человека?
- может,
- не может
Объясните почему___________________________________________________________
____________________________________________________________________________________________________________________________________
Какие роботы есть в вашей жизни?
(напишите) ______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Из чего состоят роботы? Как Вы считаете?
______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________