IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Роботы-помощники на базе конструктора Lego

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Шаркунов З.В. 1Ротермель Р.О. 1Кузьмин Н.А. 1Сузин Я.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Корякина П.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

8.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Роботы – это механические помощники человека, способные выполнять какие-либо операции и действия. Когда-то они были фантастикой. На протяжении многих веков люди изобретали машины и механизмы, способные облегчить им жизнь, и современный человек уже не представляет свою жизнь без них.

В настоящее время ни для кого не секрет, что роботы уже давно вошли в повседневную жизнь современного человека и применяются во многих областях, облегчая труд человека, сэкономив его время, силы и здоровье. Существует огромное количество разновидностей роботов. Наше внимание привлекли так называемые роботы-помощники. Это такие устройства, которые предназначены для помощи человеку.

В современном мире время, силы и здоровье людей ценится на вес золота, и тратить свои ресурсы на тяжелый и повседневный труд нерационально. Поэтому мы считаем, что создание новых, а главное полезных и нужных роботов-помощников актуально в настоящее время. Роботы-помощники без особых затрат выполнят тяжелую, трудоёмкую, а так же повседневную работу, сохраняя при этом физические ресурсы человека.

Цель исследования: изобрести новых роботов-помощников из конструктора Lego, которые будут полезны человеку.

Задачи исследования:

1. Изучить историю создания роботов;

2. Узнать, какие существуют роботы-помощники в настоящее время;

3. Придумать интересных и нужных для человека роботов-помощников;

4. Создать полезных роботов-помощников с помощью конструктора Lego;

5. Провести испытание новых роботов-помощников первыми заданиями.

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: https://роботека.рф/robot , https://erabot.ru/klassifikatsiya-robotov/ и др. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги “lEGO Идеи: новая жизнь старых деталей.”, при конструировании движимых элементов робота нам помогли книги и методические пособия по образовательной робототехнике.

Глава 1. Роботы как часть нашей жизни

1.1 История создания роботов

Слово «робот» впервые употребил чешский писатель Карл Чапек в 1920 году в своей пьесе «Р. У. Р.» – «Россумские Универсальные Роботы» , которая повествовала о фабрике, производящей искусственных людей (Приложение, Рисунок 1.1.1).

В 1495 году Леонардо да Винчи создает проект механического рыцаря, чтобы показать, что машина может двигаться, как человек. Это изобретение эпохи Возрождения считается первым в истории роботом (Приложение, Рисунок 1.1.2).

В 1737 году создается первый действующий человекоподобный робот французским изобретателем Жаком де Вокансоном. Андроид представлял из себя человека в натуральную величину способного на флейте. Флейтист Вокансона имел в репертуаре 12 произведений (Приложение, Рисунок 1.1.3).

В 1772 году швейцарские часовщики Дро, Пьер и его сын Анри создают трех андроидов: писца, рисовальщика и музыканта, - приводимых в движение часовым устройством с заводной пружиной (Приложение, Рисунок 1.1.4).

В 1801 году Жозеф Жаккар представляет в Париже ткацкий станок, который сам изготавливает полотно. Для управления узорами на тканях используется перфокарта – бумажный носитель данных, моделирующий работу механизма (Приложение, Рисунок 1.1.5).

В 1890-е года  Никола Тесла изобретает пульт дистанционного управления. Без этого устройства многих современных роботов невозможно было бы привести в движение. В 1898 году Тесла испытал радиоуправляемое судно (Приложение, Рисунок 1.1.6).

В 1960 году построен первый промышленный робот "Versatran", предназначенный для практического промышленного использования. Он разработан Джонсоном и Миленковичем. Робот имел три степени подвижности. Управление им осуществлялось с помощью магнитной ленты (Приложение, Рисунок 1.1.7).

В 1993 году был создан восьминогий ходящий робот Dante. Робот совершит неудачную попытку спуститься в один из антарктических кратеров для сбора данных в тяжелой для человека среде (Приложение, Рисунок 1.1.8).

В 2004 году Марк Тилден, канадский физик и разработчик робототехники, создает игрушку «Робосапиен» - робота-гуманоида для массовой продажи (Приложение, Рисунок 1.1.9).

1.2 Роботы в современном мире

Повседневная жизнь современного человека неразрывно связана с использованием роботов. Роботы  – это помощники человека, которые выполняют работу по заранее заложенной в них программе и могут реагировать с помощью датчиков на то, что их окружает.

Внешне роботы могут быть не похожи на человека, однако они способны выполнять многие «человеческие» работы намного лучше, чем мы с вами. Они очень выносливые, точные, практичные. Роботы не нуждаются в еде, сне, отдыхе и т.д. Единственное, что им нужно – это бережное использование, технические осмотры и изредка – ремонт.

Поэтому основная цель создания роботов – избавление человека от выполнения тяжелой, трудоёмкой, а иногда опасной работы. Попросту говоря, это помощники людей: они не должны заменить человека полностью, они должны освободить его время и силы от монотонной и утомляющей работы. Это позволяет человеку не растрачивать свои физические и интеллектуальные ресурсы, а заниматься другими проектами и задачами, где требуется не только точность, но и человеческая интуиция и опыт.

В наши дни робототехника применяется абсолютно во всех областях и профессиях: в промышленности, в медицине, в образовании, в домашнем быту, в военном деле, в торговле и т.д.

Глава 2. Роботы-помощники: виды, особенности.

Роботы-помощники - это такие механизированные устройства, без которых мы уже не может представить нашу жизнь. Люди создают роботов-помощников, способных не только выполнять опасные для жизни человека работы, но и освободить человечество от однообразной и рутинной работы.

Общепринятой классификации роботов не существует. Основные характеристики, по которым можно условно поделить все модели – назначение и внешний интерфейс.

Виды роботов-помощников (Приложение, Рисунок 2.1):

1. Промышленные роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.2). Участвуют в производственном процессе изготовления изделий и деталей. Замена человеческого труда на производстве роботизированным механизмом широко распространена по ряду причин. Качество выпускаемой продукции возрастает за счёт исключения ошибок, связанных с «человеческим фактором». Работоспособность 24 часа в сутки, 7 дней в неделю повышает производительность предприятия минимум дважды.  Никакие вредные испарения или излучения не становятся помехой в работе.

Операции, выполняемые промышленными роботами: штамповка, сварка, фрезеровка, транспортировка грузов, сборка, обработка, окрашивание и т.д.

2. Бытовые роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.3).

Такие роботы предназначены для облегчения жизнедеятельности человека. Ежедневное применение в быту отличает эту группу роботов от других. К ним относятся всевозможные роботы-пылесосы, стиральные машины, роботы-газонокосильщики, роботы-массажеры, посудомойки, система “умный дом”, включающая в себя управление водоснабжением, электричеством и т.д.

3. Медицинские роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.4).

Созданы для работы в медицинской отрасли, облегчают труд врачам и помогают исключить “человеческий фактор”. Первоначально они использовались как вспомогательные устройства для сложных операций, но сейчас некоторые модели могут лечить пациентов сами, при частичном контроле докторов. Например, хирургический робот “да Винчи” - это модуль с четырьмя руками, у каждой из которых есть хирургический инструмент или камера. Вес машины – 500 кг. Любая операция Da Vinci исключает появление шрамов у больного, благодаря ювелирной точности. Несколько десятков моделей уже работают в России.

4. Военные роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.5).

Они предназначены для ведения боевых действий и обороны различных стран мира. Минимизация человеческих потерь в военных действиях достигается посредствам введения в вооруженные силы роботов. Для каждого рода войск разработаны определённые модели: роботы-сапёры, беспилотники, подводные и надводные корабли с дистанционным управлением, вертолёты-разведчики, роботы-минёры и т.п. Из-за неоднозначности мнений по поводу ответственности за действия роботов их применение в реальных условиях ограничено.

5. Персональные роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.6).

Персональные роботы предназначены для сопровождения определённого человека, выполнения его просьб, общения с ним. Из-за недостаточной совершенности ПО идеальный компаньон для человека ещё не создан. Разработчики предполагают, что он будет иметь чувствительные датчики для распознавания не только звуковых сигналов, но и мимики, жестов, манеры поведения объекта. Запоминание характерных черт поведения и самосовершенствование позволят добиться взаимопонимания между роботом и пользователем.

6. Специализированные роботы-помощники (Приложение, Рисунок 2.7).

Технические роботы определенных специальностей с узкой спецификой и более широким применением определенных отраслей: транспортные, сельскохозяйственные и исследовательские роботы.

7. Роботы, подобные животным (Приложение, Рисунок 2.8).

Используются в качестве игрушек для детей и взрослых, а так же применяются в качестве слежки за дикими животными в их естественной среде обитания

8. Андроиды (Приложение, Рисунок 2.9).

Андроиды внешне абсолютно идентичны человеку.  Они способны поддерживать разговор, используя большой словарный запас, а их поведение зависит от факторов внешней среды и логично изменяется. Сфера обслуживания теоретически может перейти на использование андроидов вместо многих сотрудников.

9. Гуманоидные роботы (Приложение, Рисунок 2.10).

Внешне они отдалённо напоминают человека. В основном их корпус состоит из подобия головы, рук, ног и туловища. Но эти элементы более схожи с частями машины, нежели человека. Гуманоиды обычно имеют узкую направленность действий, например раздача рекламных листовок, определённая игра с детьми.

Глава 3. Создание и первые испытания роботов-помощников из конструктора Lego

Ознакомившись со множеством различных роботов-помощников, мы захотели придумать и создать новых, полезных и нужных роботов-помощников. Для создания нашего проекта мы использовали детали из конструктора Lego и детали из набора Lego Technik.

3.1 Робот-помощник “ЛИПА”

Создать робота-помощника “Пожарного” захотелось Никите. Для сборки робота он использовал детали из конструктора Lego и набора Lego Technik.

Работа над созданием робота проходила в несколько этапов:

1. В первую очередь я сделал ходовую часть, которая состоит из блока питания, 2-х моторов, коммутатора, 2-х зубчатых передач с четырьмя шестерёнками (Приложение, Рисунок 3.1.1). Далее прицепил гусеницы и корпус робота (Приложение, Рисунок 3.1.2).

2. Собрал плуг из и присоединил его к задней части корпуса робота с помощью шарнира (Приложение, Рисунок 3.1.3).

3. Сконструировал ковш и присоединил его к передней части робота на шарниры (Приложение, Рисунок 3.1.4). Затем создал манипулятор из двух поворотных “звеньев” и захвата и присоединил манипулятор с захватом к ковшу (Приложение, Рисунок 3.1.5).

4. Сконструировал верхнюю часть робота. Сделал емкость для воды/пены с форсунками, распылители гасителя, фары, крепление для шланга (Приложение, Рисунок 3.1.6).

5. Модернизировал пульт управления (Приложение, Рисунок 3.1.7).

6. Запустил робота, проверил на работоспособность все функции. Все повороты, передний, задний ход в порядке. Все шарнирные, поворотные части плуга, ковша, манипулятора, распылителей функционируют. (Приложение, Рисунок 3.1.8).

Никита разработал и сконструировал робота-помощника “ЛИПА” (ЛИквидатор Пожаров Автономный) - 2020 (Приложение, Рисунок 3.1.9). Данный робот-помощник нужен для того, чтобы тушить лесные пожары и предотвращать распространение огня, не подвергая риску жизнь и здоровье пожарных.

Робот ЛИПА представляет собой радиоуправляемую машину, состоящую из непосредственно робота и пульта управления.

Запуск и управление роботом осуществляется с помощью пульта управления. Для совершения поворота налево/направо необходимо привести в движение противоположную “гусеницу”. Каждая из них управляется отдельным мотором. Мотор начинает двигать зубчатую передачу, которая, в свою очередь, крутит шестерню-колесо, а далее начинают двигаться “гусеница” и другая шестерня.

Робот передвигается по пересеченной местности с помощью гусеничного хода. Если сравнивать с колесным ходом, такая система передвижения оправдана, т.к. не боится огня и бездорожья. Для лучшего обзора картины пожара и удобства управления роботом, он оборудован четырьмя мощными светодиодными фарами на крыше и камерой наблюдения на капоте.

Тушение огня производится при помощи трех распылителей, установленных на корпусе, два из которых - поворотные. Это нужно для того, чтобы задействовать большую площадь тушения. Предусмотрена возможность подключения робота к цистерне пожарной машины через специальный клапан на баке и длинный шланг.

Кроме того, для избежания поломки от перегрева робот оснащен системой самоохлаждения: вода поступает из емкости с водой на корпус через специальные форсунки.

Если на пути робота возникают препятствия (это могут быть бревна, ветки, камни и т.д.), он может убрать их при помощи ковша и манипулятора. Манипулятор прикреплен непосредственно к ковшу для более жесткой сцепки с препятствием.

Чтобы предотвратить распространение огня в лесу или на открытой местности ЛИПА прокладывает противопожарные полосы специальным плугом. Кроме этого, у робота есть оригинальная функция “Самоизоляция”: он вращается вокруг своей оси и роет ров. Таким образом, он оказывается в безопасной зоне, защищенной от огня.

3.2 Робот-помощник “Полицейский”

Созданием робота-помощника “Полицейского” занимался Ярослав. Для сборки использовались детали из конструктора Lego. Ярослав работал поэтапно:

1. Сделал основу робота из пластины Lego, снизу прикрепил к ней 4 колеса (Приложение, Рисунок 3.2.1).

2. Далее собрал основные стенки конструкции, установил “окна” приема и выдачи пропусков с помощью шарниров (Приложение, Рисунок 3.2.2).

3. Установил крепление для пушки с помощью балки, кубика с отверстием и штифта, собрал рычаг вызова полиции (Приложение, Рисунок 3.2.3).

4. Собрал крышу робота и установил на ней камеру, прожекторы (Приложение, Рисунок 3.2.4). Так же прикрепил две световые фары на деталь с двумя шарнирами (Приложение, Рисунок 3.2.5).

Робот-помощник “Полицейский” (Приложение, Рисунок 3.2.6) разработан для охраны и контроля порядка в общественных местах и на улице. Также он необходим для соблюдения пропускной системы, охраны частных и государственных объектов.

Робот-помощник передвигается с помощью колёс. Для улучшения обзора территории в ночное время и удобства управления роботом он оборудован прожектором и пятью фарами. На крыше есть три проблесковых сигнальных огня. Для зарядки в дневное время у робота на крыше есть солнечная батарея. Для наблюдения за ситуацией в городе, а так же для выявления нарушителей порядка - на крыше установлена камера-наблюдения, которая транслирует запись в органы полиции.

У нашего робота есть функция проверки электронных пропусков на подлинность (Приложение, Рисунок 3.2.7). Система работает таким образом: в центральном окне ведётся приём пропусков, внутри робота - идет проверка. Результат проверки пропуска показывают световые щиты. Если пропуск подлинный, то поднимается зеленый щит и во втором окне присходит выдача пропуска, если пропуск ненастоящий, то поднимается белый щит и пропуск уничтожается внутри робота.

Робот-помощник “полицейский” оснащен возможностью вызова полиции при обнаружении беспорядка на улицах и передачи информации о ложных пропусках.

Для предотвращения вандализма у робота имеется защитное воздушное оружие (Приложение, Рисунок 3.2.8), которое стреляет воздухом вверх. Если же нарушители не прекращают свои действия или пытаются навредить роботу, то срабатывает функция вызова полиции.

Мы планируем усовершенствовать нашего робота с помощью датчика расстояния, а так же прикрепить к нему мотор, чтобы он мог самостоятельно передвигаться по заданному маршруту. Предполагаем, что основная зарядка робота-полицейского будет за счет солнечной батареи, а резервным питанием будет электрический аккумулятор.

3.3 Робот-помощник “Уборщик”

Над созданием робота-помощника “Уборщика” трудился Роман. В своей работе он использовал детали из конструктора Lego. Конструирование робота проходило поэтапно:

1. Основу робота сделал из двух серых пластины, затем собрал боковые стенки и внутри - тоннель из серых гладких пластинок (Приложение, Рисунок 3.3.1).

2. Дальше собрал тоннель, ящик для отходов и площадку, где будет появляться полезный продукт - все эти элементы на шарнирах, которые позволяют открывать крышку ящика, опускать и поднимать площадку (Приложение, Рисунок 3.3.2). Ящики и туннель обложил цепями, чтобы посторонний не смог их открыть.

3. Собрал перерабатывающую трубу из круглых кубиков и прикрепил к ней лестницу на шарнирах, по которой мусор будет в нее попадать (Приложение, Рисунок 3.3.3).

4. Сделал клешни робота на шарнирах в двух местах, чтобы было удобно собирать и загребать мусор (Приложение, Рисунок 3.3.4).

5. Далее к основанию робота прикрепил колеса и лыжи, чтобы робот функционировал как летом, так и зимой (Приложение, Рисунок 3.3.5).

Робот-помощник “Уборщик” (Приложение, Рисунок 3.3.6) - это робот, которого разработал и собрал Рома. Функция нашего робота - сбор и переработка мусора в полезный продукт.

Предназначен для уборки преддомовых и уличных территорий. Передвигается робот летом на колёсах, а зимой на лыжах. Подвижными клешнями собирает и загребает мусор, и направляет его по лестнице в перерабатывающую трубу. В ней мусор проходит переработку, далее по тоннелю он идет в два отсека: то, что не подлежит переработке - в ящик с отходами, а то, что переработалось - на площадку с переработанными полезными продуктами (например, это может переработанный пластик или бумага) (Приложение, Рисунок 3.3.7). Когда ящик с отходами наполнится - мы можем его снять, очистить и поставить обратно. Переработанные продукты нужно забирать сразу после всей проделанной работы робота-уборщика.

Мы планируем доработать нашего робота и установить ему датчик расстония, чтобы он мог видеть мусор и автоматически двигаться к нему и собирать его. А так же звуковой или световой сигнал, который будет оповещать о наполнении ящика с отходами и о том, что робот закончил уборку и переработку мусора.

3.4 Робот-помощник “Агробот”

Для создания робота-помощника “Агробота” Захару понадобились детали из конструктора Lego. Создание робота проходило в несколько этапов:

1. В первую очередь создал главный корпус робота из 2 пластинок, кубиков, оси. Главный корпус робота сделал компактным и небольшим, чтобы оно не занимало много места, т.к. остальные элементы - довольно крупные. Сверху сделал крестовой рычаг, который будет запускать работу всеъ элементов робота (Приложение, Рисунок 3.4.1).

2. Затем сконструировал корпус вспахивателя из множества пластин, чтобы оно было крепким и прочным, прикрепил к нему колёса и ось, которая соединяется с главным корпусом робота с помощью оси (Приложение, Рисунок 3.4.2).

3. На вспахивателе установил поливалку. Она представляет собой широкую пластину на шарнире. На вспахивателе установил хранилище с водой из круглых кубиков, прицепил трубу, которая будет распределять воду по узким пластинам и поливать равномерно землю (Приложение, Рисунок 3.4.3).

4. Создал завершающий элемент робота - сеятель семян. Сделал основание, стенки и крышу из пластин и кубиков. В задней стенке сделал отверстие для засыпки семян. Также сделал маленький пистолет, который я прицепил к коробке на шарнире, чтобы он двигался и равномерно распределял семена. Сам сеятель присоединяется к главному корпусу с помощью шарнира (Приложение, Рисунок 3.4.4).

5. Присоединил все детали и попробовал своего робота на деле - он успешно справился с задачей вскопать землю (Приложение, Рисунок 3.4.5).

Робот-помощник “Агробот” (Приложение, Рисунок 3.4.6) разработан для помощи людям с дачами и огородами. В его функции входит:

- Вспахать землю;

- Полить землю;

- Засеять землю.

Робот движется по прямой линии с помощью колёс вспахивателя и главного корпуса вперед/назад (для стандартных полей), а также может двигаться по кругу(подойдет для необычных полей, имеющих форму круга.)

На главном корпусе поворачиваем крестовой руль. Он поворачивает ось и запускает вспахиватель. Большими специальными колёсами он качественно вспахивает землю. Одновременно с вспахиванием происходит поливка земли. На крыше вспахивателя расположен бак с водой и детали для поливки земли. Поливание водой нужно для того, чтобы смягчить землю и ускорить рост урожая.

Вслед за поливкой земли идет процесс засеивания поля семенами. Семена хранятся в контейнере сеятеля, они поступают в пистолет, который в свою очередь вращается/наклоняется во все стороны и равномерно раскидывает семена по полю.

Планируем усовершенствовать нашего робота с помощью датчика расстояния и датчика наклона, чтобы было доступно самостоятельное передвижение и возможность дистанционного управления сеятелем семян через главный корпус.

Заключение

В процессе нашей работы мы узнали очень много о пользе и видах роботов-помощников. Роботы используются почти во всех сферах жизнедеятельности людей: в медицине, в промышленности, в сельском хозяйстве, в военном деле, в домашнем быту и т.д. С каждым годом роботы становятся более точными, практичными, умными и долгосрочными.

Проанализировав данную информацию, мы решили создать своих новых и полезных роботов-помощников, которые могли бы выполнять различную работу за человека.

В итоге совместно с нашей командой мы создали проект «Роботы-помощники». Роботы могут с легкостью и точностью выполнять множество работ за человека, тем самым сэкономив его время, силы и здоровье. С каждым годом количество роботов-помощников растет, создаются новые виды, и мы не остались в стороне. Мы считаем, что наши роботы-помощники полезны и необходимы людям (Приложение, Рисунок 5.1).

Для проекта мы использовали конструктор из наборов Lego City и Lego Technik. Мы планируем усовершенствовать наших роботов-помощников с помощью моторов и датчиков, чтобы они могли самостоятельно выполнять определенные действия. Свой проект мы считаем актуальным в настоящее время и вполне применимым в жизни современных людей.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

Интернет источники

1.https://mentamore.com/robototexnika/roboty-v-povsednevnoj-zhizni-cheloveka.html

2. https://erabot.ru/klassifikatsiya-robotov/

3. https://your-happy-life.com/robotyi-v-nashey-zhizni/

4. https://роботека.рф/robot

Приложение