Научно – исследовательская работа

«Создание вездехода на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3»

Казань, 2023

Оглавление

Введение 2

История роботов 4

Какие бывают роботы 5

Виды робототехнических конструкторов 7

Практическая часть 9

Mindstorms EV3 и среда его программирования 9

Создание робота на основе конструктора Mindstorms EV3 11

Составление задачи: какие действия должен выполнить робот 11

Сборка робота 12

Программирование робота на ПК согласно условиям задачи 12

Выгрузка материала непосредственно в робота 12

Проверка проделанной работы 13

Заключение 13

Список литературы 15

Введение

В наше время, очень много игрушек и конечно же у каждого ребенка есть конструктор. Наука и техника не стоит на месте, а развивается очень быстро. На уроках технологии в первом классе мы работали с металлическим конструктором, я очень удивился, когда мама сказала, что у них в детстве это был самый популярный конструктор, ведь он такой скучный. В наши дни существует огромный выбор конструкторов: конструкторы с крупными деталями для малышей, специальные конструкторы для девочек и конструкторы со специальными электронными платами только для взрослых.

Робототехника - это мое серьезное увлечение, и я решил посвятить свой исследовательский проект именно этой теме. Моя цель: доказать, что робототехника может быть не просто игрой, а серьезным занятием, которое может в дальнейшем стать профессией.

Цель исследовательского проекта: рассмотреть развитие робототехники в истории человечества, узнать, что она представляет собой на данный момент и какие перспективы её дальнейшего развития.

Мы ставили перед собой следующие задачи:

1. изучить историю роботов;
2. узнать, где может пригодиться робототехника;
3. изучить основные виды роботов;
4. провести анкетирование, чтобы выяснить насколько популярным является увлечение конструированием, среди ребят моего возраста.
5. собрать и спрограммировать подвижного робота из конструктора Lego Maindstorms EV3.

Объектом исследовательского проекта является робототехника как отрасль.

Предметом исследования являются роботы, история их развития.

Исследовательская работа предусматривает несколько этапов: теоретический - заключается в изучении литературы по данной теме и практический - проведение анкетирования, создание и программирование робота, испытание робота. В ходе исследования были использованы следующие группы методов: теоретические (анализ литературы); эмпирические (анкетирование); статистические (оценка значимости проекта в целом).

Практическая значимость исследования заключается в том, что знания и навыки, полученные при подготовке данного проекта, пригодятся нам в учебе, и, возможно, заинтересуют наших сверстников.

Что такое робот и робототехника?

По последним данным, сегодня в мире работают 1,8 миллионов самых различных роботов – от промышленных, домашних, роботов-игрушек. При этом самое большое количество роботов используется в Южной Кореи, второе место занял Сингапур, третье – Япония, далее США, Китай. А в России роботов всего около 0,25% мирового рынка, что крайне мало.

Что же такое робот? Карел Чапек ввел в нашу речь слово «робот». Робот – это автоматическое устройство, имитирующее движения и действия человека, это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение.

Робототе́хника (от робот и техника) - прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Понятие «робототехника» принадлежит Айзеку Азимову, впервые оно появилось в 1941 году. А в 1942 году он сформулировал 3 закона робототехники:

- Робот не может навредить человеку или, бездействуя, допустить, чтобы человеку был нанесен вред;

- Робот должен подчиняться приказам, которые дает ему человек за исключением случаев, когда такие приказы противоречат первому правилу;

- Робот должен защищать свое существование до тех пор, когда эта защита не противоречит первому или второму правилу.

Робототехника опирается на такие дисциплины как электроника, механика, программирование. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную, военную, космическую робототехнику. При создании робототехники нужно руководствоваться правилами, дружественное отношение к человеку должно быть главным в программировании роботов.

История роботов

В одной из моих любимых книг «Роботы будущего» я нашел историю возникновения роботов.

Роботы ассоциируются у большинства людей исключительно с новыми технологиями. Однако идее создавать машины подобные людям, уже сотни лет. Существа, напоминающие современных роботов, можно найти даже в мифологии и литературе. Например, в поэме «Илиада» Гомер пишет о золотых служанках, созданных покровителем кузнечного мастерства, богом огня Гефестом.

1495 г. – Леонардо да Винчи создает проект механического рыцаря, чтобы показать, что машина может двигаться, как человек. Это изобретение эпохи Возрождения считается первым в истории роботом.

1801 г. – Жозеф Жаккар представляет в Париже ткацкий станок, который сам изготавливает полотно. Для управления узорами на тканях используется перфокарта – бумажный носитель данных, моделирующий работу механизма.

1890-е – Никола Тесла изобретает пульт дистанционного управления. Без этого устройства многих современных роботов невозможно было бы привести в движение. В 1898 г. Тесла испытал радиоуправляемое судно, после чего шествие роботов по миру было уже не остановить.

1927 г. – на Всемирной выставке в Нью-Йорке инженер Д. Уэксли продемонстрировал простейшего робота, способного выполнять команды человека.

1976 г. – космические зонды «Викинг-1» и «Викинг-2», оснащенные встроенными роботами-манипуляторами, берут на Марсе пробы грунта.

2000 г. – японские компании «Хонда» и «Сони» выпускают роботов-гуманоидов, умеющих повторять движения людей.

2004 г. – Марк Тилден, канадский физик и разработчик робототехники, создает игрушку «Робосапиен» - робота-гуманоида для массовой продажи.

К настоящему времени роботы продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться, но и взбираться по лестницам и переносить грузы, играть на музыкальных инструментах, изображать домашних животных, собирать образцы породы на Марсе, обеспечивать работу международной космической станции, а также участвовать в поиске и спасении людей в чрезвычайных ситуациях.

Какие бывают роботы

Конструкция роботов, их внешний вид и их назначения могут быть самыми разными. Одни роботы созданы, чтобы упростить человеку работу или сделать ее безопаснее. Другие – ради развлечения.

Робот-манипулятор – это робот с несколькими подвижными соединениями, которые повторяют строение руки человека. Он выполняет работу быстрее, с большей надежностью и точностью, чем любой человек. Робот-манипулятор работает на многих предприятиях.

Робот-гуманоид – это робот, внешне напоминающий человека. Менее совершенные роботы могут повторять лишь несколько движений. Другие оснащены органами чувств, такими как зрение и слух.

Робот на колесах выполняют очень опасные и сложные для человека задания, освобождая человека от работы, связанной с риском для жизни. Роботы-ортезы помогают людям с травмами позвоночника заново учиться ходить. Человек прикрепляется к роботу и вместе с ним, подчиняясь механизму, идет по беговой дорожке.

Роботы на гусеничном ходу передвигаются по любой поверхности. Этот робот оснащен зажимом, который может поднимать предметы с взрывчатым веществом и перемещать их в безопасное место.

Роботы на рельсах, необходимы при производстве товаров большого размера. Они с легкостью перемещают тяжелые, большие предметы. Этот робот переносит огромные куски стекла.

Некоторые роботы двигаются, следуя командам специальных компьютерных программ, другие – благодаря дистанционному управлению. Человек постоянно контролирует роботов и определяет, чем и как они будут заниматься.

Виды робототехнических конструкторов

Можно ли создать робота самостоятельно? Что представляют из себя конструкторы для самостоятельной сборки и программирования роботов? Что это, очередные игрушки или все-таки средства, с помощью которых можно создать робота? Попробуем разобраться.

Моделирование – это построение и изучение моделей реально существующих объектов, предназначенных для изучения процессов или явлений с целью получения объяснений этих процессов или явлений. Цель моделирования – проверка гипотезы и тестирование программного обеспечения

Мы живём в век стремительного развития робототехники и уже сегодня можно найти в магазинах множество наборов для самостоятельной сборки и программирования роботов.

Рассмотрим несколько вариантов конструкторов, которые существуют на данный момент.

TETRIX – из конструктора этой серии можно строить прочных металлических роботов на радиоуправлении и создавать программируемых роботов, используя оборудование и программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3.

MATRIX – очень похож на конструктор TETRIX. Здесь тоже используются металлические детали и программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3.

Robotis Bioloid – содержит множество серий, самая распространенная из них STEM Standard: можно сделать 16 различных роботов по схемам.

Arduino – популярная платформа любительской и образовательной робототехники. Это серия плат ввода-вывода. Плата имеет аналоговые и цифровые порты, к которым можно подключать различные устройства: светодиоды, датчики, кнопки, моторы, сервоприводы и т.д. Оригинальные Arduino производятся в Италии, большинство аналогов — в Китае. Есть и российские разработки.

Я остановил свой выбор на конструкторе Lego Mindstorms, т.к. сегодня платформа Lego является безусловным лидером образовательной робототехники. Наборами Lego Mindstorms оснащены кружки во многих странах мира. Конструктор очень прочный, редко удается что-то сломать, и главное достоинство – это простота и скорость сборки. На мой взгляд, Lego Mindstorms – один из наиболее удобных и приятных способов начать свое знакомство с робототехникой.

Части роботов

Корпус большинства роботов состоит из отдельных подвижных и неподвижных частей. Вот основные из них:

Внутренний контроллер

Каждый робот оснащен контроллером- компьютерной операционной системой. Контроллер- это мозг любого робота. Он содержит всю необходимую информацию для выполнения задач и указаний.

Источник энергии

Роботам необходим источник энергии. Одни работают от батарей. Другие оснащены фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Механические роботы заводятся с помощью пружинного механизма.

Дистанционное управление

Роботы, которые работают на других планетах, такие как марсоход, оборудованы внутренними контроллерами, но ими также можно управлять с Земли. По снимкам оператор определяет, куда должен двигаться робот и какую задачу ему нужно выполнить.

Сенсоры света и звука

С их помощью робот может распознавать свет, исходящий от объектов, определять звуковые волны. Эта функция помогает либо обходить различные предметы, либо идти к ним навстречу. Также в корпус робота может быть встроено устройство распознавания голоса, с помощью которого человек отдает машине устные приказы.

Датчики давления

Некоторые роботы оборудованы датчиками давления, которые имитируют осязание. У этих сенсоров, как правило, два назначения. Они сообщают роботу о том, что он ударился о какой-нибудь предмет и должен сменить направление движения, а также позволяют правильно захватить и поднять объект.

Практическая часть

Mindstorms EV3 и среда его программирования

LEGO Mindstorms — конструктор для создания программируемого робота. В 2013 году в свет вышла модель LEGO Mindstorms EV3.

Помимо обычных деталей Lego (балки, оси, пластины, и прочее) в набор EV3 входят:

• встроенные в моторы датчики вращения и ультразвуковой датчик;

• датчик цвета, гироскопический датчик и два датчика касаний;

• инфракрасный датчик;

• перезаряжаемая аккумуляторная батарея;

• три электро серво мотора;

• соединительные кабеля.

• USB-кабель.

При создании робота и программы для него, необходимо понимать суть работы каждого датчика т.к. данные знания дадут возможность правильно рассчитывать траекторию движения робота, его функциональность и т.д. Рассмотрим некоторые из них.

Главный элемент конструктора – это микрокомпьютер (микропроцессор) EV3, он является «мозгом» робота Mindstorms, который позволяет роботу Mindstorms ожить и осуществлять различные действия. Микрокомпьютер (микропроцессор) EV3 содержит в себе: процессор, FLASH память (16 мегабайт), операционную систему Linux и многое другое. Контролирует моторы и собирает данные с датчиков.

Одним из важнейших элементов конструктора является сервомотор. Данный элемент создан для работы с микрокомпьютером EV3 и имеет встроенный датчик вращения, благодаря которому мотор может соединяться с другими моторами, позволяя роботу двигаться с постоянной скоростью.].

Информацию об окружающем мире робот Lego Mindstorms EV3 получает от нескольких датчиков: ультразвукового, датчика касания и датчика, позволяющего распознавать цвета.

Ультразвуковой датчик EV3 позволяет измерять расстояние до объектов.

Датчик касания позволяет роботу реагировать на касания, распознает три ситуации: прикосновение, щелчок и освобождение. Также способен определить количество нажатий, как одиночных, так и множественных.

Датчик цвета дает возможность роботу определять цвет поднесенного к нему предмета, измеряет степень освещенности, рассеянный свет и отраженный свет.

Разобравшись с деталями Lego Mindstorms EV3, рассмотрим его программное обеспечение (ПО). ПО Mindstorms EV3 основано на LabVIEW, графическом языке программирования, которым пользуются ученые и инженеры по всему миру. ПО предоставляет возможность перетаскивать и размещать командные блоки. Таким образом, чтобы писать программы, следует размещать блоки функциональности на схеме. В зависимости от типа блока, каждый блок может быть сконфигурирован. Например, «Средний Мотор» имеет 5 режимов работы:

1.выключить,

2.включить и вращать,

3.включить в течение определенного количества секунд,

4.включить и повернуть на определенный градус,

5.включить и повернуть фиксированное число раз.

Есть широкий спектр программных блоков на выбор. Они сгруппированы в шесть категорий:

1. действие (зеленый),
2. управление потоком (оранжевый),
3. датчики (желтый),
4. операции над данными (красный),
5. дополнительные (синий),
6. мои Блоки (циановый).

Интуитивно понятный интерфейс позволяет сначала создавать простые программы, а затем продуктивно развивать свои навыки программирования, делая возможным создание сложных многоуровневых программ и проведения различной экспериментальной работы.

Создание робота на основе конструктора Mindstorms EV3

Создание робота на основе конструктора Mindstorms EV3 было разделено на несколько этапов:

1. составление задачи: какие действия должен выполнить робот;

2. сборка робота;

3.программирование робота на ПК согласно условиям задачи;

4.выгрузка материала непосредственно в робота;

5.проверка проделанной работы.

Составление задачи: какие действия должен выполнить робот

Экспериментируя с задачами для своего робота и изучая среду программирования, стало ясно, что робот может быть абсолютно любым и способен выполнять самые разнообразные действия, например:

робот, способный решать кубика-рубика;

робот-уборщик;

робот, играющий с человеком в «крестики-нолики»,

робот, лестничный вездеход.

Я решил сконструировать лестничный вездеход. Составил следующую задачу: лестничный вездеход может двигаться на определенном расстоянии: вперед-назад, повороты: плавные, квадратом, издавать звуки.

Сборка робота

Несмотря на внушительный арсенал набора, сборка робота, при использовании наглядной инструкции, найденной в интернете, оказалась точно такой же, как и конструирование любого конструктора LEGO, а поскольку собирать конструкторы LEGO – это мое хобби с раннего детства, то на первом этапе сложностей для меня не возникло. Однако при дальнейшей работе с роботом, конструкцию пришлось существенно дорабатывать, т.к. готовая модель не позволяла выполнить все условия поставленной мной задачи.

Программирование робота на ПК согласно условиям задачи

На этапе программирования робота в среде Lego Mindstorms EV3 на ПК начинается самое интересное.

Для осуществления поставленной задачи потребовалось использовать метод исследования «эксперимент» изучить множество материала, составить большое количество элементарных программ для выполнения роботом несложных действий. После этого мне стало ясно – для того чтобы робот был способен выполнить весь комплекс действий, согласно поставленной мной задаче, нужно прописать в программе всю цепочку действий, каждый шаг, каждое движение! В итоге получилась следующая программа.

Выгрузка материала непосредственно в робота

Подключение робота к ПК осуществляется нескольким способами: через порт USB, Bluetooth (блютуз) соединение или Wi-Fi соединение. Я выбрал порт USB, т.к. в этом случае робот привязан к компьютеру и программу на выполнение можно запускать прямо из среды программирования. Кроме того, во время выполнения программы появляется возможность визуально контролировать ход её выполнения (заголовки выполняющихся в данный момент программных блоков будут мерцать), можем отслеживать на компьютере. Также можно наблюдать текущие показания датчиков всё время, пока робот остается подключенным к среде программирования.

Таким образом, благодаря выбранной технологии передачи данных, готовая программа загрузилась просто и очень быстро.

Проверка проделанной работы

Органично сконструированный робот, после загруженной в неё программы, выполнил все действия, согласно изложенным условиям: «машинка» двигалась и выполняет различные действия я считаю, что доказал тот факт, что изготовить простейшего робота своими руками возможно, изучив принцип работы робота и среду его программирования.

Заключение

В наши дни робототехника применяется абсолютно во всех областях и профессиях: в промышленности, в медицине, на войне и даже в космосе, роботы помогают нам по дому, а возможно в будущем и заменят многие профессии человека вообще.

В ходе моих исследований, я хотел показать, что изготовление робота очень интересный, увлекательный и познавательный процесс. Над созданием роботов трудятся настоящие ученые и инженеры, но каждый школьник может придумать дизайн одного из них.

Занятие робототехникой развивает навыки информатики, математики, технологии, физики, умение объемно видеть предмет и творческие способности. Во многих школах уже появляется данное направление, как дополнительные занятия, но я считаю такой предмет нужно ввести в каждой школе, он очень полезен, ведь за инженерами, программистами, технологами - будущее нашей страны.

Я очень хочу, чтобы мое увлечение стало моей профессией, но, если я не стану конструктором, я знаю, что навыки, приобретенные при занятиях робототехникой, пригодятся мне в дальнейшем и в учебе, и в работе.

У меня очень много идей, связанных с робототехникой и поэтому я завел специальную тетрадь, куда я записываю роботов, которых придумываю, но которых пока нет возможности собрать из-за недостатка каких-либо средств или деталей. Но я обязательно их попробую осуществить.

Моя мечта. В наши дни робототехника применяется абсолютно во всех областях и профессиях: в промышленности, в медицине, на войне и даже в космосе, роботы помогают нам по дому, а возможно в будущем и заменят многие профессии человека.

Я очень хочу, чтобы мое увлечение стало моей профессией, но если я не стану конструктором, я знаю, что навыки, приобретенные при занятиях робототехникой, пригодятся мне в дальнейшем и в учебе, и в работе.

В ходе моих исследований, я хотел показать, что изготовление робота очень интересный, увлекательный и познавательный процесс. Над созданием роботов трудятся настоящие ученые и инженеры, но каждый школьник может придумать дизайн одного из них.

За роботами – будущее!

Список литературы

1. Клаузен, П. Компьютеры и роботы [Текст] / Пер. с нем. С.И. Деркунской. – Москва: Мир книги, 2006. – 48 с.
2. Копосов, Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6-го классов [Текст]: учеб. пособие / Д.Г. Копосов. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 2014. – 286 с.
3. Медицинские роботы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ://medrobot/28-medicinskie-roboty-korotko-ob-istorii-i-yevolyucii.html / (дата обращения 02.12.2016)
4. Мир роботов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ://roboting/industrial-robots / (дата обращения 26.11.2016)
5. Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 [Текст]: учеб. пособие / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий - 2-е изд., перераб. и доп. – Москва.: Изд-во «Перо», 2016. – 300 с.
6. Овсяницкий, Д.Н. Ожившая механика. Шагающий робот-шагозавр [Текст]: учеб. пособие / Д.Н. Овсяницкий, Л.Ю. Овсяницкая, А.Д. Овсяницкий –Челябинск, Электронная книга, 2015. – 168 с.
7. Промышленная робототехника [Текст]: учеб. пособие / А.В. Бабич [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1982. – 415 с.
8. Русецкий, А.Ю. В мире роботов [Текст]: Кн. для учащихся / А.Ю. Русецкий – Москва: Просвещение, 1990. – 160 с.
9. Филиппов, С.А. Основы робототехники на базе конструктора Mindstorms NXT [Электронный ресурс]. – Режим доступа: ://www.prorobot/load/zaniatie_1-osnovy_konstruirovaniia.pdf / (дата обращения 19.10.2016)
10. 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.
11. Mindstorms EV3 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: s://www.lego/ru-ru/mindstorms / (дата обращения 10.10.2016)