Государственное бюджетное учреждение дополнительного

образования центр детского (юношеского) технического творчества Красногвардейского района Санкт-Петербурга «Охта»

Городской конкурс проектов технического моделирования и конструирования «От идеи до воплощения»

Исследовательская работа

 «БУТЕР-робот помощник на кухне»

Малюченко Максим

Школа №193

Класс 4

Павлова Ирина Григорьевна,

педагог дополнительного образования ГБУ ДО ЦДЮТТ «Охта»

Санкт-Петербург

2019

Оглавление

Введение        3

Обоснование выбора темы        4

Теоретические сведения о робототехнике        5

Историческая справка        6

Этапы разработки проекта        9

Конструирование робота-помощника        10

Перспектива усовершенствования конструкции        12

Заключение        13

Список литературы и информационных источников        14

Введение

Идея создания роботов - механических устройств, своим внешним видом и действиями подобных людям или каким-либо живым существам, увлекала человечество с незапамятных времен. Даже в легендах и мифах человек стремился создать образ рукотворных существ, наделенных фантастической физической силой и ловкостью, способных летать, жить под землей и водой, действовать самостоятельно и в то же время беспрекословно подчиняться человеку и выполнять за него самую тяжелую и опасную работу.

Роботы и робототехника развиваются все более быстрыми темпами. Робототехника являются одними из важнейших направлений научно- технического прогресса, в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.

Робототехника быстро становится неотъемлемой частью нашей жизни, она помогает изучать технические предметы. Ключевые опыты в физике и математике можно наглядно показать с помощью LEGO роботов.

Робототехника позволяет мыслить творчески, анализировать ситуацию и применять критическое мышление для решения реальных проблем. Робот не ставит оценок и не дает домашних заданий, но заставляет работать умственно и постоянно.

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.

Кроме того, по мере развития и совершенствования робототехнических устройств возникает необходимость в мобильных роботах, предназначенных для удовлетворения каждодневных потребностей людей: роботах-сиделках, роботах-нянечках, роботах-домработницах, роботах - всевозможных детских и взрослых игрушках и т.д.

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 приобретает все большую значимость и актуальность в настоящее время.

Обоснование выбора темы

Робототехника с использованием наборов Lego Mindstorms EV3- это не просто детская игра, а целая наука, объединяющая в себя физику, математику, информатику, английский язык. Я решил изучить данную науку, чтобы воплощать в роботах свои фантазии.

Роботы уже обосновались на заводах, фабриках. Почему бы не позволить им работать на кухне? Данный вопрос являлся проблемным полем проекта.  С течением времени последовательность процесса приготовления пищи практически не меняется - постоянно приходится что-то резать, солить, перчить, жарить, варить. Но сегодня эту работу может заменить робот, таким я вижу решение нашей проблемы. Я решил создать роботизированное устройство, которое поможет на кухне в приготовлении бутербродов - БУТЕР-робот.

Актуальность темы обусловлена развитием нашего жилья в область системы умного дома. Умный пылесос, умный чайник и даже замок на входной двери- всё усовершенствуется для нашего комфорта. Поэтому одним из видов роботов, который бы смог облегчить, например, утренние сборы в школу, является БУТЕР-робот

Цель проекта: обучение основам робототехники и создание действующий модели программируемого БУТЕР-робота, помогающего быстро сделать бутерброд, экономя время для других занятий.

Задачи проекта:

•        познакомиться с конструктором Lego Mindstorms EV3

•        изучить основы программирования в среде Lego Mindstorms EV3.

•        сконструировать модель робота для приготовления бутербродов на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

•        определить дополнительные возможности усовершенствования конструкции.

•        составить программу для исполнения роботом приготовления бутербродов.

•        испытать полученного робота

Предмет исследования: конструктор со средой Lego Mindstorms EV3.

Гипотеза: робототехника позволяет воплощать в роботах свои фантазии.

Ожидаемые результаты:

•        умение программировать в среде Lego Mindstorms EV3.;

•        умение конструировать различные модели роботов;

•        изучение Робототехники.

Оборудование и материалы: конструктор Lego Mindstorms EV3, колбаса, сыр, хлеб, компьютер.

Теоретические сведения о робототехнике

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.

С конца прошлого века Lego выпускает специальные робототехнические конструкторы, которые сегодня стали лидерами образовательной робототехники. В качестве основного оборудования при обучении робототехнике предлагаются конструкторы Lego Mindstorms NXT и Lego Mindstorms EV3.

Lego Mindstorms EV3– это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота.

С помощью этих наборов можно организовать высокомотивированную учебную деятельность по пространственному конструированию, моделированию и автоматическому управлению. Различные языки программирования графическими элементами помогают мыслить логически и рассматривать вариантность действия робота. Обработка информации с помощью датчиков и настройка датчиков дают представление о различных вариантах понимания и восприятия мира живыми системами.

Конструирование развивает логику, моторику, мышление, а также способствует развитию творческого мышления, ведь без этого не придумаешь новых разнообразных по конструкции роботов-помощников человека.

Историческая справка

Посмотрим, какие роботы уже служат людям на кухне.

Робот Mycook – незаменимый помощник на современной кухне

Кухонный робот вобрал в себя все лучшее от привычной бытовой техники. Это уже не просто инструмент, а самый настоящий помощник: умный, умелый и расторопный.

Кухонный робот Mycook – современное устройство, которое способно заменить до тридцати кухонных приборов, приспособлений и посуды. Он может выполнять примерно пятьдесят различных операций по приготовлению пищи: варить, готовить на пару, взвешивать, жарить, пассировать, тушить, взбивать, замешивать тесто, кипятить, резать, шинковать, растирать и т.д.

Главной задачей робота Mycook является освобождение времени, которое обычно тратится на приготовление пищи, а также обеспечение здоровым и разнообразным питанием всю семью. Изделие довольно компактное, благодаря ему можно избавится от большого количества посуды и других приборов.

1. Однорукий робот Flippy самостоятельно переворачивает булочки и мясо для гамбургеров в закусочной CaliBurger в калифорнийской Пасадене. Робот не предназначен для замены кого-либо из персонала закусочной, его задача — стать людям надёжным помощником, способных разгрузить их от однообразной работы. Робот обжаривает булочки и мясо и даёт сигнал людям, когда в бургер следует добавить другие топпинги.

Приобретение одного робота обходится в $60 тысяч

Двурукий робот-повар Moley заменит хозяйку на кухне

Робот-шеф-повар, управляемый со смартфона, способен готовить вкусную еду по рецептам из Интернета. Звучит как научная фантастика, но это уже реальность. Такой робот разработан победителем конкурса шеф-поваров в 2011 году Тимом Андерсоном, и в настоящее время выставлен на выставке робототехники в Ганновере.

Обучение робота происходит без занудного программирования, шеф-повар просто готовит на кухне, точной копии роботизированной, под камеру с захватом движения, а робот повторяет все его движения и самообучается.

Андерсон утверждает, что сам поражён результатами работы, он не ожидал, что получится настолько хорошо. "Это начало чего-то действительно значимого, абсолютно новая возможность готовки хорошей и вкусной еды, возможность попробовать кухни всего мира. Очень захватывающе."

Два роботизированных манипулятора подвешены над кухонной плитой, духовкой, рабочей поверхностью и раковиной. По ловкости роботизированные руки не уступают человеческим. Робот работает так же быстро, как профессиональный шеф-повар, покорно подчиняясь командам с iPhone.

Робот умеет обращаться практически со всей кухонной утварью и техникой, искусно копируя движения человека. Например, приготовление супа-пюре из морепродуктов у него занимает меньше 30 минут. Помимо приготовления блюд, повар робот со временем станет мыть посуду, «отправляя» ее не в раковину, а в посудомоечную машину.

Значит, это уже не фантастика, а реальность. Повар робот не уступает человеку по ловкости, мгновенно откликается на посылаемые с Айфона команды. Но, профессиональные повара, скорее всего, не желающие иметь конкурента, утверждают обратное – вроде бы повар робот не столь ловкий, как говорят разработчики: хотя он справляется отлично с нарезкой и измельчением продуктов.

Робот будет готовить ваши блюда как настоящий шеф-повар. И как бы вы ни были хороши, робот всё равно сможет лучше.

Этапы разработки проекта

I. Организационный этап

•        знакомство с конструктором Lego Mindstorms EV3

•        изучение основ программирования

II. Этап реализации проекта

•        разработка механизма робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

•        составление программы для управления роботом в среде Lego Mindstorms EV3

•        тестирование модели робота, устранение дефектов и неисправностей.

III. Заключительный этап

•        защита проекта

•        демонстрация модели робота

На ступени реализации организационного этапа мы изучили:

•        основные компоненты конструкторов LEGO;

•        конструктивные особенности различных моделей, сооружений и механизмов;

•        компьютерную среду, включающую в себя графический язык программирования;

•        виды подвижных и неподвижных соединений в конструкторе;

•        виды имеющихся датчиков и принцип их работы;

•        основные приемы конструирования роботов;

•        конструктивные особенности различных роботов;

•        как передавать программы в EV3;

•        как использовать созданные программы;

•        приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов, и других объектов и т.д.).

На этапе непосредственной реализации проекта мы занимались разработкой механизма робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Выбор модели

При разработке проекта были рассмотрены несколько вариантов модели:

1. Была проведена модернизация ходовой части робота (конвейера), оснащена двумя мощными сервомоторами, а так же применили гусеницы.

3. В доработке нуждался рабочий захватывающий механизм, выполняющий функцию погрузчика. Для того чтобы «руки» поднимались и опускались плавно, модель усложнили вспомогательной зубчатой передачей.

Конструирование робота-помощника

Продумав все конструкционные элементы, я приступил к конструированию модели БУТЕР-робота помощника.

Для создания модели робота – помощника я использовал:

•        конструктор LEGO Mindstorms EV3

•        программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3

В таблице приведены основные блоки и их использование в проекте

Сборку робота я начал с ходовой части, которую я решил собрать в виде конвейера на гусеницах. Мое роботизированное устройство состоит из движущейся по горизонтали платформы, на которой находится нужный нам продукт. Над платформой расположен сервомотор, который приводит в движение (по вертикали) устройство, выполненное по типу катапульты. При нажатии сенсора запускается работа БУТЕР - робота. Платформа с хлебом перемещается, а в это время сверху опускается нужный продукт.

Принцип работы конструкции

Основа работы робота - принцип погрузчика, поднимающего и опускающего на балках – «руках» предметы. Эта работа осуществляется за счет сервомотора. Вспомогательная зубчатая передача дает возможность  поднимать и опускать предметы. Ходовая часть осуществляется за счет двух сервомоторов и гусениц, насаженных на колеса. Работу колес фиксируют закрепительные балки.

Для осуществления многофункциональной работы на роботе установлена система датчиков:

- два ультразвуковых датчика

- датчик цвета.

С помощью датчика цвета осуществляется избирательное поведение робота, реагируя на цвет, робот осуществляет определенные операции с предметами.

Программа для управления роботом была составлена в среде Lego Mindstorms EV3.

Протестировали эту модель робота, нам она показалась слишком простой. Мы решили ее усовершенствовать. Очень сложная задача – составление и изменение программы. Вид БУТЕР-робота можно увидеть в приложениях: Фото 1 БУТЕР- робот.(Приложение 1) ,Фото 2 Вид сверху (Приложение 2)

Ну, вот и получилась машина, которая была в наших фантазиях. Она может двигаться во всех направлениях.

Теперь нужно протестировать ее работу.

В результате работы над проектом нам удалось создать робота, который помогает на кухне в приготовлении бутербродов

У меня получилась вот такая модель робота – помощника.

Перспектива усовершенствования конструкции

Данная модель является прототипом заводского конвейера, поэтому этапы усовершенствования можно разделить на два мощных блока:

1. Усовершенствование для промышленного сектора

Для этого можно увеличить масштабы нашей конструкции, изменить материалы, которые используются на платформе. Это могут быть шайбы, болты, либо даже токсичные вещества. Данное исследование будет актуально из-за масштабов практического применения.

2. Усовершенствование робота, как кухонного помощника

Модель можно усовершенствовать совсем иным способом, в отличии от первого варианта. Например, уменьшить размеры конструкции для её практичности, а так же в дальнейшей доработке:

Сменные платформы. Увеличивая количество сменных платформ, мы увеличим функциональность конструкции.

А поработав над эстетикой платформы, ее можно сразу использовать для сервировки стола.

В итоге мы сможем увеличить количество ингредиентов: добавить кетчуп или масло.

Заключение

Работа с конструктором Lego Mindstorms EV3 была мне интересна и занимательна. Занимаясь конструированием, я научился ставить перед собой задачи, моделировать и проверять правильность выполнения работы, а главное воплощать в жизнь как простые, так и более сложные проекты. При создании модели робота–помощника с помощью Лего-конструктора, я применял различные виды передач, повторил ранее известные и изучил новые особенности конструирования роботов, успешно решал задачи программирования.

В ходе реализации проекта у меня сформировались умения и навыки:

•        самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов и т.д.);

•        создавать действующие модели роботов на основе конструктора Lego Mindstorms EV3;

•        создавать программы на компьютере на основе компьютерной программы Lego Mindstorms EV3;

•        передавать (загружать) программы в EV3;

•        корректировать программы при необходимости;

•        демонстрировать технические возможности роботов;

•        излагать логически правильно действие своей модели (проекта).

Вывод

Развитие робототехники стремительно набирает обороты, и потому в скором времени роботы будут выполнять абсолютно все функции человека. Главное, чтобы робот действительно стал другом, приятелем и товарищем. А пока он вполне может справиться с приготовлением бутербродов.

Перспективами развития проекта является:

•        создание новых моделей роботов,

•        участие в различных состязаниях робот.

Я представил Вашему вниманию созданную мною действующую модель робота и достиг своей цели - создал БУТЕР-робота помощника на кухне и выполнил поставленные задачи.

Я вижу большие перспективы развития роботостроения в создании роботов-помощников. Планирую в дальнейшем, продолжить, работу над модернизацией БУТЕР-робота и буду создавать новые разнообразные по конструкции роботы-помощники человека.

Список литературы и информационных источников

1. Бабич А.В., Баранов А.Г., Калабин И.В. и др. Промышленная робототехника: Под редакцией Шифрина Я.А. – М.: Машиностроение, 2012.
2. Фу К., Гансалес Ф., Лик К. Робототехника: Перевод с англ. – М. Мир, 2010.
3. Промышленная робототехника [Текст]: учеб. пособие / А.В. Бабич [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1982. – 415 с.
4. Русецкий, А.Ю. В мире роботов [Текст]: Кн. для учащихся / А.Ю. Русецкий – Москва: Просвещение, 1990. – 160 с.
5. Филиппов, С.А. Основы робототехники на базе конструктора Mindstorms NXT [Электронный ресурс].
6. Филиппов, С.А. Робототехника для детей и родителей [Текст]: научное издание / С.А. Филиппов – 3-е изд., перераб. и испр. — СПб.: Наука, 2010. – 319 с.
7. Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. – М.; Мир, 2010.
8. Ф. Жимарши Сборка и программирование мобильных роботов в домашних условиях – М., НТ Пресс, 2008 г.
9. Д. Вильямс Программируемые роботы – М., НТ Пресс, 2006 г.
10. myrobot.ru
11. easyelectronics.ru
12. roboforum.ru
13. roboclub.ru РобоКлуб. Практическая робототехника.