IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Мои первые роботы
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение:
Когда я училась в первом классе мне очень нравился мультсериал «Полли-робокар». И поэтому, когда мне подарили радиоуправляемую игрушку – робокара Полли, я обрадовалась и воскликнула: «Ура! Наконец-то у меня появился свой робот!». Но, папа сказал: «Машенька, это не робот, а всего лишь радиоуправляемая игрушка!» Помню, сколько разных вопросов у меня возникло:
-А что же тогда называется роботом?
-Для чего нужны роботы?
-Как осуществить свою мечту и заполучить собственного робота?
И многие другие вопросы…
Когда я начала искать ответы на свои вопросы, я была удивлена тем, что, оказывается, эта тема очень актуальна в нашей стране. Очень много внимания уделяется вопросам создания искусственного интеллекта и автоматизации производства. Всюду, где человеку работать некомфортно, трудно или невозможно, могут использоваться роботы.
Мне стало интересно, можно ли создать различных роботов, которые, помогая друг другу, будут вместе с человеком осваивать Арктику.
Это и стало главной гипотезой моего проекта.
Итак, предметом моего исследования стали роботы различных конструкций.
Объектом моего исследования стала робототехника – наука, которая занимается конструированием и программированием роботов.
Конечная цель моего проекта: создание действующих моделей роботов с заданными характеристиками для решения поставленных задач.
Для решения поставленной цели были выдели следующие задачи:
1. Разобраться в том, что же такое робот;
2. Научиться собирать роботов по имеющимся инструкциям;
3. Научиться управлять роботом с помощью готовых программ;
4. Научиться самостоятельно проектировать и собирать оригинальных роботов;
5. Научиться составлять программы для управления своим роботом;
6. Придумать область применения для своих роботов;
7. Разработать сценарий применения роботов и их взаимодействия;
8. Попытаться реализовать этот сценарий.
В этой работе использовались следующие методы:
Общенаучные:
Наблюдение.
Сравнение.
Анализ и обобщение.
Моделирование.
Специальные (робототехнические):
Конструирование.
Программирование.
При подготовке и выполнении данной работы я пользовалась книгами: Палмер Стив, Роботы. Большая энциклопедия [7], Исогава Йошихиро. Lego Mindstorms EV3 Книга идей. [6]. Особенно хотелось отметить Валк Лоренс. Большая книга Lego Mindstorms EV3. [3], я считаю, что эта книга должна стать настольной для каждого школьника, который увлекается робототехникой.
Глава 1. Теоретическая часть.
Эволюция роботов:
Само слово «РОБОТ» впервые употребил известный чешский писатель Карел Чапек в своей пьесе «Р.У.Р» («Россумские универсальные роботы»)[9]. Пьеса была написана в 1920-м году, так что в 2020 году этому термину исполняется 100 лет!
Пьеса написана для взрослых, мама пересказала мне ее смысл. Действие пьесы разворачивается на фабрике, производящей «искусственных людей» — они называются роботами. Это искусственные люди, они похожи на людей, но сделаны из других веществ. Они способны размышлять, но при этом, кажется, всегда рады служить человечеству. Главный вопрос произведения: справедливо ли эксплуатировать таких искусственных людей, и если да, то какими последствиями это может обернуться.
И вот что меня поразило: уже сто лет назад людям пришла в голову идея создавать роботов, и уже сто лет назад люди задумывались о том, к чему может привести создание таких умных машин. Однако, оказывается люди еще с древних времен мечтали о механических помощниках. Так в мифах Древней Греции рассказывается о железных помощниках Гефеста (бога огня и очень искусного кузнеца) (Приложение, рис. 1).
Уже в 12-ом веке арабский учёный и изобретатель Аль-Джазари создал лодку с четырьмя механическими музыкантами, которые играли на бубнах, флейте и арфе. Это были первые известные нам прообразы роботов (Приложение, рис 2).
В 15-ом веке Леонардо да Винчи сделал чертёж человекоподобного робота-рыцаря (Приложение, рис. 3).
В 16-ом веке для императора Карла V был изготовлен монах – автоматон (автоматон это заводной механизм, внешне напоминающий человека или животных, который может выполнять достаточно сложные движения).Этот монах (примерно 40 см в высоту) мог прогуливаться, ударяя себя в грудь правой рукой и кивая головой. Так же время от времени он подносил к своим губам деревянный крест, который держал в левой руке (Приложение, рис. 4).
В 18-ом веке во Франции был создан первый «андроид» (человекоподобное устройство), который играл на самой настоящей флейте. Тогда же французские мастера изготовили механических уток, которые умели клевать корм и даже какать (Приложение, рис. 5).
В конце 19-го века русский инженер Пафнутий Чебышёв придумал механизм, который обладал высокой проходимостью. Назывался этот механизм «стопоход» (Приложение, рис. 6).
А в 1898 году великий изобретатель Никола Тесла показал действующий радиоуправляемый миниатюрный корабль (Приложение, рис. 7).
В 30-е годы прошлого столетия инженеры компании «Вестингауз» создали более 40 роботов, похожих на человека, которые могли выполнять простейшие движения и говорить по команде (Приложение, рис. 8).
В 1968 году в Японии началось массовое производство промышленных роботов для окрасочных и сварочных работ (Приложение, рис. 9).
В 1986 году происходит ужасная авария на Чернобыльской атомной электростанции. Тогда впервые для очистки территории от радиоактивных материалов были применены специальные роботы (Приложение, рис. 10).
В 2007 году в России начались испытания робота-милиционера Р-БОТ 001 (Приложение, рис. 11).
22 августа 2019-го года на Международную Космическую Станцию был доставлен человекообразный российский робот «Фёдор» (Приложение, рис. 12).
Виды роботов:
Как выяснилось, видов роботов огромное количество (оно соответствует большому количеству видов деятельности человека, где труд мог бы быть заменен на механический или умственный). Я назову лишь некоторые из них:
1.Промышленные роботы (Приложение, рис. 9).
2.Транспортные роботы (Приложение, рис. 13).
3.Исследовательские роботы (Приложение, рис. 14).
4.Медицинские роботы (Приложение, рис. 15).
5.Нанороботы (Приложение, рис. 16).
6.Роботы-экскурсоводы (Приложение, рис. 17).
7.Роботы-няньки (Приложение, рис. 18).
8.Бытовые роботы (Приложение, рис. 19).
9.Роботы-программы (боты).
10.Роботы-игрушки (Приложение, рис. 20).
11.Боевые роботы (Приложение, рис. 21).
Опасности использования роботов, три закона робототехники:
Выгоды применения роботов, казалось бы, очевидны:
роботы выполняют сложные операции быстрее и точнее человека;
выпускаемая роботами продукция имеет высокое качество;
роботы могут работать беспрерывно, им не нужны перерывы, выходные и отпуска;
роботы не бастуют, не требуют заработной платы и пенсии;
роботы могут работать в условиях, опасных для жизни человека.
И конечно же, сразу возникает вопрос: «А не опасны ли роботы для человека?»
Ученые и писатели уже неоднократно поднимали эти вопросы. Действительно, страшно себе представить, на что может быть способна такая супермашина, если вдруг по какой-то причине вся её мощь обернётся против людей! Известный писатель-фантаст Айзек Азимов в своем рассказе «Хоровод» [1] ещё в 1942-ом году сформулировал 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 или Второму Законам.
Сейчас эти правила известны, как три закона робототехники. Конечно, всё зависит в данном случае от людей. От человека зависит, куда будет направлена эта могучая энергия: на созидание или на разрушение. Робот действует согласно заложенной в него программе – он может построить что-то прекрасное, но может и сломать что-нибудь или убить…
Определение робота.
Пожалуй, пришло время дать определение робота, наиболее точно описывающее это устройство:
Робот – это автоматическое устройство, предназначенное для осуществления различного рода механических операций, которое получает информацию о состоянии окружающего пространства посредством датчиков и действует по заранее заложенной программе.
Анкета.
Меня поразили те необыкновенные возможности, которые открываются перед человеком в области робототехники! Мне стало любопытно, а будет ли эта тема интересна другим ребятам? Тогда было принято решение провести анкетирование. Вскоре появилась такая анкета (Приложение, рис. 22).
Анкетирование проводилось в двух классах 3 «А» и 3 «Д». Всего было заполнено 52 анкеты. И вот что выяснилось:
Дать определение робота более или менее правильно смогли 14 человек (Приложение, рис. 23).
Ребята решили, что роботам место в космосе, 29 голосов (Приложение, рис. 24).
С тем, что роботы смогут полностью заменить человека, согласны только 11 учеников (Приложение, рис. 25).
21 третьеклассник уверен, что роботы и искусственный интеллект опасны для человечества (Приложение, рис. 26).
На 5 вопрос, о трёх основных законах робототехники, не смог ответить никто!
Абсолютное большинство хотело бы собрать себе робота и научиться его программировать (против только четверо) (Приложение, рис. 27).
Посещать открывающий в нашей школе кружок робототехники не смогут только 9 человек (их них 8 по причине отсутствия свободного времени) (Приложение, рис. 28). Остальные дети, судя по анкете, с нетерпением ждут этого события!
Из данного опроса можно смело делать вывод: робототехника и все, что с ней связано, очень интересна школьникам.
2.ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ:
Изучая области применения роботов, мне показалось очень перспективным применение роботов при освоении Арктики. Я много раз слышала по телевизору и радио, как много внимания уделяется сейчас этому вопросу. Мне захотелось внести свой посильный вклад.
Готовые роботы: Jimu
Первоначально для конструирования роботов, способных к работе в суровых арктических условиях, я попыталась использовать робототехнический конструкторский набор «Jimu».
«Jimu» - роботехнический конструктор, предназначенный для ребят от 8 лет. Из такого набора на выбор можно собрать по прилагаемой инструкции пять различных шагающих роботов.
Я решила, что в условиях Арктики «Jimu» будет работать хорошо, так как у него широкие плоские элементы-ступни. Для передвижения по глубокому снегу такая форма ног будет очень кстати, он не будет проваливаться на снегу и не будет портить хрупкий верхний слой почвы в тундре (Приложение, рис. 29).
2.2. Наборы для творчества Lego Mindstorms EV3.
Выяснилось, что возможностей робота «Jimu» мне недостаточно, тогда начался поиск робототехнических наборов с более широкими возможностями. Выбор остановился на робототехническом наборе «Mindstorms EV3» от компании «Lego». Их можно купить в двух вариантах – домашний (Приложение, рис. 30) и образовательный (Приложение, рис. 31). Отличия наборов – в количестве и типах датчиков, входящих в них.
Также был приобретён Ресурсный набор с большим количеством деталей «Lego Technics».
2.3. Проектирование роботов (разработка сценария, механическая
часть, датчики).
Для того чтобы начать проектирование роботов с нужными мне характеристиками, необходимо было разработать сценарий, по которому роботы будут осуществлять свою деятельность.
За основу сценария были взяты ситуации, которые часто происходят в суровых арктических условиях.
Однажды робот-разведчик, работающий геологом на полярной станции, отправился на разведку, в ходе которой собрал в специальный контейнер образцы полезных ископаемых.
Заблудившись в снежной буре, он получил повреждения и не может нести дальше собранные образцы, для продолжения пути робот оставляет контейнер с образцами, поставив на него маяк, и, передав сигнал бедствия, остается ждать помощи с запасным частями.
На помощь роботу-разведчику в направлении арктической станции выдвигается спасательная группа, которая должна доставить ему запасные части, а также найти и забрать контейнер с образцами полезных ископаемых.
Далее необходимо было решить, сколько и каких роботов мне понадобится для выполнения такого сценария.
Я решила, что в условиях Арктики хорошо будет работать «Jimu», так как у него широкие плоские элементы-ступни,которые не будут проваливаться на снегу или портить хрупкий верхний слой почвы в тундре. Также на него нужно установить маяк, чтобы спасатель мог его найти.
Для того чтобы доставить «Jimu» запасные части и забрать контейнер с образцами пород, необходим мобильный робот-манипулятор. Для этого хорошо подойдет робот на гусеничном ходу с установленной рукой-захватом.
Так как гусеницы не совсем подходят для передвижения на большие расстояния, я решила, что до места расположения арктической станции робот манипулятор будет доставляться на колесном роботе-транспортере.
Сборку моделей роботов я решила начать с робота-манипулятора.
Для выполнения задач манипулятора очень хорошо подходил робот «GRIPP3R» (Приложение, рис. 32), инструкция по сборке которого прилагалась к домашней версии «Lego Mindstorms EV3». Сборка робота по инструкции позволила мне ознакомиться с робототехническим набором, понять основные этапы сборки роботов.
Для более точного ориентирования в пространстве под инфракрасным датчиком мы дополнительно поставили ультразвуковой датчик (Приложение, рис. 33), испуская волну ультразвука (звук с высокой частотой) и улавливая обратную волну, датчик определяет расстояние до предмета или препятствия.
Затем началась сборка робота-транспортера (Приложение, рис. 34). Инструкции для сборки такого робота не было, и я начала его собирать, что называется с «чистого листа», согласно тем задачам, которые были определены в сценарии.
Для начала был собран достаточно прочный кузов робота, присоединили к нему контроллер и моторы. Во время сборки постоянно проверялась прочность и жесткость робота – ведь ему предстояло везти достаточно тяжелый груз.
С каждой стороны робота-транспортера мы установили по две колесных тележки (Приложение, рис. 35).
В передней части робота-транспортера мы установили инфракрасный датчик расстояния (Приложение, рис. 36).
Инфракрасный датчик расстояния излучает невидимые человеческому глазу инфракрасные лучи. Эти лучи, отражённые от препятствия, вновь улавливаются датчиком, по их интенсивности робот делает вывод о расстоянии от датчика до этого объекта.
Еще одной особенностью инфракрасного датчика расстояния является то, что он может определять направление на специальную метку – инфракрасный маяк. Один из маяков мы установим на базе нашей арктической станции, чтобы транспортер не сбился с пути.
В нижней части робота мы установили два датчика цвета. С их помощью робот будет определять дорогу, по которой нужно двигаться.
Подсвечивая поверхность, над которой установлен датчик, он замеряет интенсивность отраженного от поверхности луча. От светлой поверхности отражается больше света, а от темной – меньше.
Таким образом, начертив траекторию движения робота черной линией на светлом фоне, мы можем заставить робота двигаться по обозначенному линией пути (Приложение, рис. 37).
2.4.Программирование.
Программирование собранных роботов мы начали с «Jimu». Для этого используется специальное приложениях на планшете. Программа состоит из последовательности графических блоков и выполняется в строгой очередности друг за другом. После загрузки программы в память робота и её запуска робот может передвигаться, издавать звуки и реагировать на окружающую обстановку (Приложение, рис. 38).
Затем пришла очередь написания программы для робота-транспортера. Программа для роботов «Mindstorms EV3» составляется в специальной программной среде при помощи понятных знаков - блоков визуального языка программирования, понятного даже для детей (Приложение, рис. 39).
На первоначальном этапе он должен проехать по траектории, обозначенной черной линией. Концом маршрута будет являться перекресток.
Перед написанием программы нам необходимо составить алгоритм её работы.
Алгоритм – это точная последовательность действий, выполняемая по строго определенным правилам и приводящая к решению задачи.
В нашем случае два датчика цвета направлены вниз и находятся по обе стороны черной линии.
При расположении обоих датчиков справа и слева от линии робот движется прямолинейно. При заезде на черную линию справа показания правого датчика станут меньше и робот должен свернуть направо, понизив скорость правого мотора.
Такое движение продолжается циклично до тех пор, пока оба датчика не наедут на черную линию – это значит, что робот достиг перекрестка и переходит ко второй фазе программы – объезд внезапно возникшего препятствия.
Для объезда препятствия мы использовали показания инфракрасного датчика расстояния.
Далее начнется процедура поиска арктической базы. Для поиска арктической базы робот-транспортер начинает вращаться вокруг своей оси, замеряя мощность сигнала, излучаемого маяком. В тот момент, когда робот повернут в направлении маяка, мощность сигнала будет максимальной. Запомнив направление, в котором находится маяк, робот-транспортер начинает движение к нему и остановится на заданном удалении.
Платформа с роботом достигла арктической базы.
После остановки на арктической базе робот-транспортер передает по радиоканалу команду роботу-манипулятору о начале работы по доставке контейнера с запасными частями для «Jimu».
Съехав с транспортера, манипулятор осуществляет поиск инфракрасного маяка, установленного на «Jimu». Подъехав на определенное расстояние, манипулятор открывает захват и оставляет контейнер с запасными частями перед «Jimu».
Робот-разведчик спасён! Он самостоятельно произведет ремонт и доберется до арктической базы.
Теперь манипулятору необходимо найти контейнер с образцами, собранными «Jimu». Для этого мы снова использовали инфракрасный маяк, установленный на контейнере. Манипулятор находит направление на маяк, подъезжает к контейнеру и захватывает его. После захвата контейнера манипулятор с помощью инфракрасного маяка определяет направление на арктическую базу и направляется к ней. Перед базой робот-манипулятор останавливается.
Миссия завершена.
Взаимодействие роботов, отладка, испытания
После того как программы для роботов написаны, они загружаются в контроллеры и происходит самая ответственная часть – отладка и испытания.
Отладка программ – заключительный этап разработки программы для робота, в котором мы ищем и устраняем ошибки, допущенные при её написании.
Отладка необходима, потому что алгоритмы не учитывают реальных условий, в которых будут работать роботы. Всё дело в том, что на работу датчиков оказывают влияние условия освещенности, материал поверхности по которой движется робот, а также геометрия помещения, в которой проводятся испытания.
Во время испытаний выявлялись ошибки моделирования и конструирования. Добавлялись дополнительные датчики, облегчалась конструкция роботов (Приложение, рис. 40).
После того, как все ошибки были устранены, а в конструкцию умных машин внесены необходимые усовершенствования, роботы начали действовать чётко и слажено, в соответствии с задуманным сценарием.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
В результате данной работы были получены ответы на большинство поставленных вопросов:
Было дано определение робота.
Приобретены навыки моделирования, конструирования, и сборки роботов.
Приобретены навыки программирования роботов различных конструкций.
Был разработан и реализован сценарий совместного применения роботов различных конструкций, которые могли бы помогать людям в суровых условиях Арктики.
На практике была успешно подтверждена основная гипотеза данной работы:
Роботы могут и должны быть использованы там, где человеку работать сложно или невозможно.
В дальнейшем у меня есть план доработать и усовершенствовать робот-транспортёр:
добавить два дополнительных двигателя (для увеличения проходимости и мощности транспортера)
установить более мощный аккумулятор (для увеличения времени работы).
Также я хочу сделать пошаговую инструкцию по сборке данного робота, чтобы любой желающий смог себе собрать такое же устройство.
Список литературы.
Азимов Айзек. Сборник «Я, Робот»./Пер. с английского Алексей Иорданский. М. Эксмо. 2019 г. – 320 с.
Бриггс Джейсон. Python для детей. Самоучитель по программированию. М.: Манн, Иванов и Фербер, 2017 г. – 316 с.
Валк Лоренс. Большая книга Lego Mindstorms EV3. /Пер. С английского С.В. Черникова. М. Издательство «Э», 2017 г. – 408 с.
Воронин И., Воронина В.. Программирование для детей. От основ к созданию роботов./СПБ. Издательство «Питер», 2018 – 192 с.
Егоров Ю.Н., Голубев Н.Л.. Уроки робототехники для детей (Научно-популярная библиотека школьника). /М. Радио и Связь, 1990 г. – 152 с.
Исогава Йошихиро. Lego Mindstorms EV3 Книга идей. / Пер с английского О.В. Обручева. М. Издательство «Э», 2017 г. – 232 с.
Палмер Стив, Роботы. Большая энциклопедия./Пер. с английского Сергей Шафрановский. М. Издательство «Группа «Азбука-Аттикус», 2019 г. – 176с.
Пейн Брайсон. Python для детей и родителей. /Пер. с английского М.А. Райтмана. М. Издательство «Э», 2017 г. – 352 с.
Чапек Карел. Р.У.Р/Перевод И. Каллиникова. Прага. «Пламя», 1924г. – 224 с.
Чоллмарк Лори. Ада Байрон Лавлейт – Первый программист./Пер. с английского Ольга Варшавер. М. ИП Каширская Е.В., 2017 – 40с.
Эликс Том, Баррио Алексис. Роботоделы. Короткое замыкание в школе./ Пер. с испанского М.В. Нижуриной. М. Эксмо, 2019 г. – 224 с.
Приложения:
Приложение, рис. 1.
Помощник Гефеста.
Приложение, рис. 2.
Музыканты Аль-Джазари.
Приложение, рис. 3.
Робот Леонардо Да Винчи.
Приложение, рис. 4.
Автоматон изготовленный для императора Карла V.
Приложение, рис. 5.
Механическая утка, 18-й век, Франция
Приложение, рис. 6.
«Стопоход» Пафнутия Чебышева, конец 19-го века.
Приложение, рис. 7.
Радиоуправляемый корабль, Никола Тесла, 1898 год.
Приложение, рис. 8.
Роботы созданные в компании «Вестингауз» 30-е годы XX века.
Приложение, рис. 9.
Промышленные роботы.
Приложение, рис. 10.
Робот СТР-1 применявшийся в Чернобыле.
Приложение, рис. 11.
Робот Р-БОТ – 001.
Приложение, рис. 12.
Робот «Фёдор».
Приложение, рис. 13.
Транспортный робот.
Приложение, рис. 14.
Робот для исследования Марса «Оппортьюнити».
Приложение, рис. 15.
Медицинский робот.
Приложение, рис. 16.
Нанороботы.
Приложение, рис. 17.
Робот-экскурсовод «Промбот «Космик».
Приложение, рис. 18.
Робот-няня AvatarMind iPal.
Приложение, рис. 19.
Робот-пылесос Roomba530.
Приложение, рис. 20.
Робот-собачка.
Приложение, рис. 21.
Боевой робот.
Приложение, рис. 22.
Анкета.
Приложение, рис. 23.
Диаграмма 1.
Приложение, рис. 24.
Диаграмма 2.
Приложение, рис. 25.
Диаграмма 3.
Приложение, рис. 26.
Диаграмма 4.
Приложение, рис. 27.
Диаграмма 5.
Приложение, рис. 28.
Диаграмма 6.
Приложение, рис. 29.
Роботехнический набор Jimu.
Приложение, рис. 30.
Домашний набор «Lego Midstorms EV3».
П
риложение, рис. 31.
Образовательный набор «Lego Mindstorms EV3».
Приложение, рис. 32.
Робот «GRIPP3R» из домашнего набора «Lego Mindstorms EV3»
Приложение, рис. 33.
Ультразвуковой датчик из набора «Lego Mindstorms EV3».
Приложение, рис. 34
Робот-транспортёр.
Приложение, рис. 35
Колесная тележка.
Приложение, рис. 36.
Инфракрасный датчик из набора «Lego Mindstorms EV3».
Приложение, рис. 37.
Оптический датчик из набора «Lego Mindstorms EV3».
Приложение, рис. 38.
Программа для робота «Jimu».
Приложение, рис. 39.
Среда программирования «Lego Mindstorms EV3».
Приложение, рис. 40.
Робот-спасатель.
Примечание, рис 41.
Краткий отчет результатов проверки файла проекта системой «Антиплагиат».