Проектная работа по робототехнике "Роботы-помощники" (5-6 класс, робототехника)

Отдел образования управления по социально­экономическим вопросам администрации города Усолье­Сибирское Χ V городская научно­практическая конференция «Серебряный росток» ПРОЕКТ «Робот – помощник» Автор:  Савельева Елизавета, 5 А класс,  МБОУ «СОШ № 10» Щукина Карина, 5 А класс, МБОУ «СОШ № 10» Руководитель(и): Александрова  Светлана Николаевна I категория, учитель математики, МБОУ “СОШ № 10» г. Усолье ­ Сибирское 2018 год  Аннотация       В старину, роботы были сказкой. В настоящее время роботы вошли в нашу  жизнь в разных областях. Они используются в медицине, в космосе, в военных  действиях, в промышленности и т.д. Их придумывают и создают инженеры –  робототехники. С появлением конструктора Lego, роботы пришли в школу.  Для робототехники нет границ: она представляет для нас такие возможности  учебного творчества, о которых многие даже не подозревают.      В современных школах дети занимаются робототехникой, и наша школа не  осталась в стороне.   У нас в школе есть кружок «Основы робототехники», в  котором  мы занимаемся с сентября месяца. Мы многое узнали и научились  делать своими руками и решили, познакомить вас с нашей работой. Оглавление О роботах Практическая работа IВведение  II 1 История робототехники (теоретическая часть) 2Применение роботов в современном мире III 1Собираем робота 3.2 Написание программы 3.3 Тестирование робота IV. Заключение  VI. Литература  VII. Список использованных источников VIII.Приложение 2 3 3 6 8 8 10 12 13 13 13 15 Введение      Ни для кого не секрет, что наводить порядок, это не самое увлекательное  занятие. Многие мальчишки и девчонки, да и взрослые тоже, не любят  заниматься уборкой. Не всегда есть время и желание на уборку дома, но  современные технологии позволяют создавать роботов ­  помощников. Роботы  уже давно вошли в нашу жизнь и помогают делать ее проще.      Когда мы думали над темой проекта, у нас возникло огромное количество интересных идей. Где нам могут помочь роботы?  В магазине, дома, в школе, на работе. Да практически везде. Подумав о роли роботов в различных сферах 2 человеческой деятельности, мы решили остановиться на  роботе – помощнике, который будет убирать помещение с большим количеством людей. Для этого робот должен быть мобильным, двигаясь по помещению не наезжать на людей, чтобы не доставлять им неудобства.       Мы считаем, что наш проект актуален, так как в современном мире ценится время,   которого   как   всегда   не   хватает,   а   наш   робот­помощник   может освободить от монотонной работы людей, и выполнять её. Новизна проекта в том,   что   развитие   робототехники   происходит   постоянно.   В   ближайшие десятилетия   всё   более   совершенные   роботы   станут   незаменимыми помощниками   людей   и   смогут   взять   на   себя   обеспечение   большей   части потребностей цивилизации.      Цель проекта: Обучение   основам   робототехники   и   создание   действующий   модели программируемого робота, который будет наводить чистоту в помещении с большим количеством людей.      Задачи проекта:  Изучить историю роботов  Сконструировать модель робота, выполняющего функции уборщика  помещений  Создать программу для робота, которая позволила бы ему двигаться в разных  направлениях, избегая препятствий  Представить результат нашей работы      Основные методы создания – моделирование, конструирование и  программирование нашей модели с помощью  конструктора LEGO MINDSTORMS EV3и программное  обеспечение LEGO Mindstorms EV3.      Проблема проекта: Как создать действующую модель программируемого робота, которая будет наводить чистоту в помещении с большим количеством людей. Теоретическая часть История робототехники     История робототехники уходит корнями в глубокую древность. Некое  подобие роботов изобрели еще в Древнем Египте более четырех тысяч лет  назад, когда жрецы прятались внутри статуй богов и разговаривали оттуда с  людьми. У статуй при этом двигались руки и головы. Первые достоверные  сведения о сложных механизмах (прототипах современных роботов)  встречаются в книгах Герона Александрийского, жившем в I веке нашей эры.        Герон стал известен среди современников благодаря своим  автоматическим театрам  (См. рисунок 1. Приложение 1), представления в  3 которых разыгрывали фигурки­куклы, приводимые в движение с помощью  системы зубчатых колес, блоков, рычагов, воды, пара и энергии падающих тел.      I­III века до нашей эры. Это время появления первых роботов. Первые  статуи богов с движущимися конечностями и головой в Древнем Египте,  Вавилоне, Китае. Автоматический шар, созданный Архимедом, с отражением  небесных светил. Автоматические системы Герона Александрийского для  продажи святой воды.       История создания роботов тесно переплетается с развитием механики и  логически из нее проистекает. Поэтому для ее понимания необходимо  углубиться на несколько веков назад, а именно в эпоху античности, когда  процветала колыбель наук – Древняя Греция. В этой стране появились  автоматические устройства, созданные для выполнения практических задач и  развлечения.       В качестве примера можно привести описанную Филоном Византийским  механическую женщину­слугу. Механическая служанка Филона держала  кувшин с вином в правой руке. Когда в ее левую руку вставляли кубок, она  наливала в него вино и добавляла воду (См. рисунок 2. Приложение 1).          Древнегреческий математик и изобретатель Архит Тарентский еще в 5 веке  до н. э. изобрел деревянного голубя, который запускался в небо с помощью  паровой катапульты(См. рисунок 3. Приложение 1).       Многие историки технологий считают, что первый робот в истории был  создан именно в этот момент, хотя корректнее считать его прототипом  крылатой ракеты или реактивного снаряда.          Еще более сложное и грандиозное автоматическое устройство  существовало в научной столице античного мира – великом городе,  Александрия. На расположенном здесь в начале нашей эры знаменитом  Фаросском маяке были размещены величественные женские фигуры. Они  могли указывать направление ветра и движение небесных светил (Солнца и  Луны), отсчитывать время и даже сигнализировать морякам об опасности во  время шторма или тумана с помощью громкого трубного звука.       В древнегреческом городе Сиракузы на острове Сицилия жил великий  греческий изобретатель и ученый Архимед, также прославившийся созданием  автоматических механизмов. В частности, ему приписывается создание первого прообраза настоящего боевого робота.    Устройство под названием «коготь»,  устанавливаемое на крепостной стене, захватывало длинным крюком  осаждавшие город римские корабли, поднимало их в воздух и переворачивало,  стряхивая экипаж за борт.      И все же именно Древнюю Грецию можно считать родиной робототехники, потому   как   здесь   были   не   просто   построены   многие   автоматические устройства, но теоретизированы принципы их создания и функционирования. Античные   изобретатели   и   ученые   разработали   многие   виды   передач   и двигателей   (в   том   числе   паровой,   гидравлический   и   пневматический), 4 сформулировали   основные   законы   классической   механики,   благодаря   чему последующие поколения смогли воспроизвести и развить их опыт.      На закате эпохи Средневековья автоматические устройства,  воспроизводящие достаточно сложные действия, популяризировались и  легендарным Леонардо да Винчи (См. рисунок 4. Приложение 2). Леонардо да  Винчи, будучи гением инженерной мысли, в своих зарисовках предложил схемы самых разных механизмов, одним из которых является фигура закованного в  латы рыцаря, которая могла двигать руками и шеей, садиться и даже открывать рот.    Собранный образец демонстрировался изобретателем при дворе  Людовика Сфорца, герцога Миланского, в 1495 году. В 20 веке по  сохранившимся чертежам была воспроизведена точная и функциональная  копия этого устройства, сегодня хранящаяся в Миланском музее (См. рисунок  5. Приложение 2).      Однако настоящую популярность и бурное развитие автоматические  механизмы получили с началом эпохи Возрождения. Наука, вырвавшись из  монополии Церкви, получила дополнительный импульс к развитию, в том числе за счет переосмысления достижения античных ученых. И на первую роль в  новой волне старинной робототехники вышли часовщики. Здесь стоит  упомянуть о двух важных изобретениях, которые способствовали развитию  технологии автоматов – пружинному и маятниковому заводным механизмам.  До этого подобные устройства приводились в движение гирями, что позволяло  создавать только крупные и относительно несложные изделия. Новые  накопители энергии (пружина и маятник) стали настоящим прорывом в  миниатюризации автоматических механизмов.      Особенно прославился на этом поприще мастер Жак де Вокансон, который  жил в 18 веке Его автоматическая фигура «Порхающая утка» вытягивала шею,  клевала и переваривала настоящее зерно, пила, плавала и крякала, в точности  имитируя движения живой утки. К сожалению, оригинальный механизм был  утрачен в 1879 году в результате пожара в музее Кракова. Сто лет спустя  мастером Фредерико Видони была выполнена копия утки, поселившаяся в  Музее Гренобля (См. рисунок 6. Приложение 2).      В середине 1700­го часовщики Пьер­Жаке Дро и его сын Анри­Луи  Дро развивали автоматические системы. От имени последнего и  произошло слово «андроид» (Рис. 7. Приложение 3).      К 1805 году возникают механизмы, дающие начало созданию  автоматических станков.           Как   известно,  «робот»   –  это   чешское   слово,   придуманное   писателем­ сатириком   Карелом   Чапеком   для   научно­фантастической   пьесы   «R.U.R» (Россумские роботы). Пьеса, изданная в 1921 году, повествует о восстании человекоподобных машин (андроидов).   производящей «искусственных   людей»,   выращенных   не   механическим,   а   химическим   Действие   разворачивается   на   фабрике,     универсальные 5 всегда   рады служить кажется, способом из тканей и органов. Роботы вполне способны размышлять, но при этом, человечеству. Идея   Карела   настолько   сильно   взбудоражила   умы   современников,   что   на следующий день после первой постановки пьесы в Лондоне писатель проснулся знаменитым, а слово «робот» стало общеупотребимым определением для всех автоматических устройств, созданных по принципу живого организма (Рис. 8. Приложение 3).      Первые промышленные программируемые механизмы появляются в 1930­х годах   в   США.   Толчком   к   их   созданию   послужила   работа   Генри   Форда   по созданию   конвейера,   который   полностью   изменил   подход   к   производству. Теперь   работа   над   автомобилем   была   разбита   на   множество   этапов, однообразность   которых   быстро   утомляла   человека,   а   имеющаяся   теперь свобода выбора места за конвейером вынудила платить больше за наименее квалифицированную   и   вредную   работу,   например   покраску.           Первый   в   мире   индустриальный   робот   (полностью   автоматическое устройство для окраски поверхностей) был запатентован 29 октября 1934 года, Уиллардом Л.Г. Поллардом. Патент состоял  из двух частей: электрической управляющей системы и механического манипулятора. Датой   рождения   первого   по­настоящему   серьезного   робота,   о   котором услышал весь мир, можно считать 18 мая 1966 года. В этот день Григорий Бабакин,   главный   конструктор   машиностроительного   завода   имени   С.А. Лавочкина,   подписал   головной   том   проекта   по   созданию   робота   для исследования Луны – «Лунохода­1» (Рис.  9. Приложение 3).        Первое место в мире по производству и использованию роботов занимает Япония. В 1928 году под руководством доктора Нисимуро Макото был создан робот,   названный   «Естествоиспытатель»,   высотой   3,2   метра.   Оснащенный моторчиками, он мог менять положение головы и рук. А 21 ноября 2000 года на первой в истории выставке ROBODEX в городе Йокохама, Япония, Tokyo Sony   Corporation   представляет   своего   первого   человекоподобного   робота "SDR­3X" (Рис. 9. Приложение 3). Применение роботов в современном мире      На самом деле, в современном мире, роботы – довольно востребованы. Их  используют в абсолютно различных сферах жизни, о которых многие могут  даже не догадываться. Медицина      Самым удивительным образом роботы спасают человеческие судьбы, а  иногда, и жизни. Возможно, вы не догадываетесь, но современные протезы  конечностей напрямую связаны с робототехникой. Неподвижные  искусственные руки остались в далёком прошлом, нынешние протезы умеют  6 двигать пальчиками. Их управление напрямую связано с электрическими  импульсами, передаваемыми телом.      Впрочем, искусственные конечности – не единственная заслуга роботов в  медицине. Самые прогрессивные экземпляры умеют проводить  высокотехнологичные операции! (См. рисунок 10. Приложение 4). Космос      Наверное, ни у кого не возникнет сомнений в том, что космос словно  предназначен для обитания роботов. И действительно, если посмотреть на  историю освоения космоса, можно увидеть, что большая часть космических  исследований легла именно на плечи роботов. Луноход, Марсоход и робот­ аватар – наиболее известные из космороботов. На самом деле, их  разновидностей достаточно много, все они предназначены для работы в  условиях космоса и выполняют действия, которые для человека оказались бы  непосильными или крайне опасными (См. рисунок 11. Приложение 4). Системы безопасности      Отлично проявляют себя роботизированные системы в сфере безопасности.  Эти роботы первыми обнаруживают пожароопасные ситуации и успешно  предотвращают их.      Современные военные учения максимально приближены к условиям  реальности, благодаря роботам, имитирующим противника. Роботы для  военных учений не отличаются стильным дизайном, но достаточно хорошо  имитируют человеческие импульсы и повадки.      Также, роботы способны проводить длительное слежение за объектами,  вызывающими подозрение у органов правопорядка (См. рисунок 12.  Приложение 4). Производство и быт       Невозможно представить себе современные заводы без роботизированной  техники. Роботы выполняют множество самых различных операций. В  основном – это действия, требующие многократного повторения и высокой  точности. Зачастую применение роботов спасает целые отрасли  промышленности. Ведь их применение позволяет значительно увеличить  производительность труда, освободив при этом человеческие ресурсы для  решения более важных задач (См. рисунок 13. Приложение 5).      Чаще всего такие механические работники представляют собой механизм,  напоминающий человеческую руку.       Отлично применимы роботы и в быту. Самые известные из них – робот­ пылесос и газонокосильщик. Также, можно встретить роботов специально  7 разработанных для выполнения более сложных бытовых задач (См. рис 14.  Приложение 5). Развлечения      Ну и конечно же, никто не отменял роботов, призванных нести людям  радость, развлекая их своими умениями. В большинстве своём, такие роботы  представляют мир детских игрушек: всевозможные поющие и танцующие  животные, интерактивные игрушки, радиоуправляемые машины и вертолёты.  Впрочем, роботы для развлечения взрослых отличаются от детских, разве что,  размерами.      Как видите, современный мир уже невозможно представить себе без  применения высоких технологий и роботов. Занятия по робототехнике  помогают детям идти в ногу со стремительно развивающимся прогрессом и  дают уникальную возможность для участия в улучшении качества жизни. За  нами – будущее! (См. рисунок 15. Приложение 5). Практическая часть      Одно из самых популярных направлений в роботостроении – создание  помощников по хозяйству. Получается, что прислуживание людям – их  основная задача. Конечно, любые механизмы, прежде всего, призваны  облегчить жизнь человеку. И мы решили сделать робота­помощника. Собираем робота       Продумав все конструкционные элементы, мы  приступаем  к  конструированию модели. Для создания модели робота­помощника нами был использован конструктор  LEGO Mindstorms EV3 и программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 При конструировании робота мы использовали основные блоки:  1) Модуль EV3. Служит центром управления и энергетической станцией для  робота   2) Большой мотор. Большой мотор — это мощный «умный» мотор. В нем есть  встроенный датчик вращения с разрешением 1 градус для точного контроля.  8 3) Средний мотор. Средний мотор можно запрограммировать такимобразом,  чтобы он включался или выключался, чтобы можно было управлять мощностью мотора, чтобы он работал в течение определенного времени или выполнял  определенное число оборотов. 4) Ультразвуковой датчик­ это цифровой датчик, который определяет  расстояние до находящегося перед ним объекта. Он делает это, посылая  звуковые волны высокой частоты и измеряя время, за которое звук отразится  назад к датчику. 6) И остальные детали комплекта А сейчас начинаем собирать робота­помощника. 9 10 В процессе продолжительной работы по сборке модели робота у  нас  получился такой робот. Написание программы 11 Все должны  знать, что необходимо не просто создать устройство (которое  уже создано учащимися),  но и задать ему программу действия или  запрограммировать, что обеспечит его полноценное функционирование.       Конструировать роботов — это увлекательное занятие, которое нравится  многим ребятам, однако главное в робототехнике — «вдохнуть в них жизнь», т. е. заставить их двигаться и выполнять определённые задачи. Без программы  робот — просто «статуя». Вот сейчас мы и будем «оживлять» нашего робота.         Программирование – процесс создания компьютерных программ. Для  написания программы, как правило, используют язык программирования.      Среда программирования EV3 состоит из следующих основных областей: 1. Область программирования — основная область. 2. Палитры программирования — здесь расположены блоки программы. 3. Страница аппаратных средств — установка и управление связью с  модулем EV3 и отображение подключенных моторов и 18 датчиков. Также в  этой области происходит загрузка программы в модуль EV3. 4. Редактор контента — электронная тетрадь, встроенная в программное  обеспечение. 5. Панель инструментов программирования — основные инструменты для  работы с программой. 12 Вот что  в итоге у нас получилось. После написания программы   мы загрузили  её в робота. Тестируем робота          Прежде, чем выставить робота на соревнования, или конкурс, надо его протестировать   и   сделать   отладку   программы.   Проще   говоря,   проверить робота, что он будет выполнять. 13 14 Заключение:        Все роботы по сравнению с живыми людьми имеют некоторые  преимущества, они не едят по нескольку раз в сутки, не устраивают перекуров,  не спят и могут работать без перерывов. Поэтому мы думаем, что такие роботы могут заменить людей на монотонной, однообразной работе, такой, как уборка  помещений. Мы считаем, что  добились своей цели и поставленных задач,  построив модель данного робота­помощника, который выполняет функции  уборщика помещений при большом скоплении людей. Всё это было  протестировано при помощи моделей, которые изображают людей и сделали  небольшой фильм, в котором показана работа нашего робота­помощника.      Если взять за основу модель нашего робота, то она пригодилась  бы во  многих учреждениях, где большое количество людей, например в школах, в  супермаркетах. Список литературы: 15 Руководство пользователя LEGO education Л.Ю.Овсяницкая, Д.Н.Овсяницкий, А.Д.Овсяницкий «Алгоритмы и  1. 2. программы движения по линии робота Lego MindstormsEVA 3, Москва  2015 3. Л.Ю.Овсяницкая, Д.Н.Овсяницкий, А.Д.Овсяницкий «Курс  программирования робота EVA 3 роботав среде  Lego Mindstorms EVA 3, Москва 2016 1. Официальный сайт Lego Mindstormx EVA3 http://www.mindstorms.ru/  Список использованных источников: (http://mindstorms.lego.com)  2. http://www.prorobot.ru/lego.php 3. http://robotoved.ru/robotics_lessons/ 4. https://robo­sapiens.ru/stati/pervyie­robotyi­i­kratkaya­istoriya­razvitiya­ robototehniki/ 5.  https://robo­hunter.com/news/istoriya­robotov­ot­cherteja­da­vinchi­ do­aiko­chihira   © robo­hunter.com 6. http://blog.maugry.ru/blog/technologies/robots­history/ 7. http://fb.ru/article/369197/robototehnika­istoriya­i­sovremennost­pervyiy­robot­ 8. http://rob ispolzovanie­robotov­v­razlichnyih­sferah­deyatelnosti       https://cameralabs.org/4346­primenenie­robotov­v­nauchnykh­i­ razvlekatelnykh­tselyakh­fotoreportazh otix.by/blog/применение­роботов­ в­современном­мир/ 9. РИА Новости https://ria.ru/entertainment/20110827/424738475.html 16 Приложение 1 Рис. 1. Герон, автоматический театр Рис. 2. Филон Византийский механическая женщина­слуга. 17 Рис. 3. Древнегреческий математик и изобретатель Архит Тарентский еще в 5 веке до н. э. изобрел деревянного голубя Приложение 2 Рис. 4. Леонардо да Винчи. Рыцарь. Рис 5. Изобретатель и ученый Архимед, также прославившийся созданием автоматических механизмов. 18 Рис. 6. Фредерико Видони. Копия утки. Приложение 3 Рис. 7. Пьер­Жаке Дро. Автоматические системы Рис. 8. Карел Чапек. Научно­фантастическая пьеса «R.U.R» (Россумские универсальные роботы). 19 Рис. 9. 18 мая 1966 года. Григорий Бабакин, главный конструктор машиностроительного завода имени С.А. Лавочкина,  «Лунохода­1 Приложение 4 Рис. 10. Человекоподобный робот SDR­3X от Sony. 20 Рис. 11. 22­х летний французский пациент Флориан Лопес, держит ветку дерева с помощью своей новой Бионической руки в центре реабилитации Coubert. Рис. 12. Космический робот ­ FIDO Rover. Приложение 5 Рис. 13.  Существуют военные базы, где используют роботов. 21 Рис. 14. Промышленные роботы. Рис. 15. Роботы доставляют блюда клиентам в ресторане в Харбине Приложение 6 Рис. 16. Тематический парк (развлечений) роботов Robot Kingdom в Японии. 22