Проектная работа "Умная машина будущего"

4 марта 2020 - Епищева М.Н.

Каримов Эдуард Александрович,

ученик 4б класса
Руководитель:
Епищева Марина Николаевна,
 
1.Введение
Меня увлекает мир конструкторов и те возможности, которые он для меня открывает. Какие только конструкторы я не собирал, но особенно я полюбил конструкторы Лего. Все это, подвело меня к вопросам: а с чего все начиналось, как роботы помогают человеку в наше время?
Обоснование актуальности проекта.  Роботы сегодня вошли в нашу жизнь в разных областях. Они летают в космос, исследуют другие планеты; помогают в военных целях — разминируют бомбы и разведывают обстановку с воздуха.   В промышленности многие области уже немыслимы без роботов: они собирают автомобили, помогают находить новые лекарства.   Хотелось бы отметить, что с началом нового тысячелетия в большинстве стран робототехника стала занимать существенное место в школьном образовании. По всему миру проводятся конкурсы и состязания роботов для школьников и студентов: научно-технический фестиваль «Мобильные роботы» им. профессора Е.А. Девянина с 1999 г., игры роботов «Евробот» – с 1998 г., международные состязания роботов в России – с 2002 г., всемирные состязания роботов в странах Азии – с 2004 г., футбол роботов Robocup с 1993 г. и т.д, Робототехника помогает в развитии  навыков и умений школьников.
Робототехника - это мое серьезное увлечение, и я решил посвятить свой исследовательский проект именно этой теме. 
Гипотеза: При создании данного проекта я вдохновился  идеями компании Google и Tesla, которые уже активно тестируют беспилотные автомобили, которые в скором будущем плотно войдут в нашу жизнь. Подобные технологии будут обеспечивать большую безопасность на дорогах, так как около 94 % аварий происходят из-за человеческого фактора.
Целью данного проекта является создание умной программируемой машины, которая умеет ездить по заданной траектории, доказательство ,что это не просто игра, а серьезное  занятие.                                                                                                                                                       
Для достижения цели пришлось решить следующие задачи:                                                             
 - познакомиться с историей создания роботов;                                                                                                       
- собрать самые важные данные о робота                                                                                             
- узнать, где может пригодиться робототехника.                                                                                             
- провести анкетирование, чтобы выяснить насколько популярной является робототехника, среди ребят моего возраста.                                                                          - собрать и запрограммировать подвижного робота из конструктора Arduino Kit 2WD.
Объектом исследования является  машина – робот, движущаяся по линии.                                                                         
Предметом исследования моей работы, является увлекательное занятие - конструирование и программирование роботов.
Методы исследования.
- сбор информации;                                                                                                                                             
- анализ;                                                                                                                                                                     
- обобщение.
 
1.2. Робототехника – что же это?
Слово «робототехника» слышали все много раз. Но что это такое, по сути?
По-английски оно звучит чуть покороче – robotics – но смысл совсем не меняется.
Робототехника – это наука создания технических систем с автоматизацией. 
«Робототехнику» придумал Айзек Азимов в 41-м году. Хотя интернет-источник «Википедия» уверяет, что проявления робототехники были куда древнее: «В «Илиаде» Гефест сделал говорящих служанок из золота», а «Архиту Тарентскому приписывают создание механического голубя в 400 г. до н. э.». 
Изобретение роботов сильно изменило всю промышленную отрасль. Это значимое событие в истории техники. Для изготовления роботов требовался новый уровень промышленности. Из - за робота, была изменена вся промышленность. Многочисленные люди испытывают уважение к тем, кто создал робота. Разные источники представляют нам разнообразные сведения о создании робота. История создания робота покрыта тайнами.  Произведения многих фантастов вдохновляли ученых на работу над робототехникой.                                                                                                                      Слово «робот» было придумано чешским писателем Карелом Чапеком и впервые использовано в его пьесе «Р.У.Р.» в 1920году . Роботы R.U.R. сначала во всем помогают людям, а затем захватывают контроль над человечеством. R.U.R. (сокращение от чеш. «Россумские универсальные роботы»)                                                                                                                 Роботы – это механические помощники человека, способные выполнять операции по заложенной в них программе и реагировать на окружение.  
Основные законы робототехники:
Робот не может причинить вред человеку.                                                                                               
Робот должен подчиняться командам человека.                                                                             
Робот должен заботиться о своей безопасности. 

1.2 .История развития робототехники
1. Робототехника наука о процессе разработки автоматизированных технических систем на базе электроники, механики и программирования. Первый чертёж человекоподобного робота был сделан Леонардо да Винчи около 1495 года                                                                   
2. Французский механик и изобретатель Жак де Вокансон в 1738 создал  механическую утку, покрытую настоящими перьями, которая могла ходить, двигать крыльями, крякать, пить воду, клевать                                                                                                                                                             
3.   Не остались в стороне и русские механики.  Иван  Петрович  Кулибин в 1769г построил в течении трех лет яичную фигуру – универсальные часы.  Часы  играли музыку.
 
1.3. Робототехника современности
Современная робототехника основана на компьютерных технологиях.                                                   
В настоящее время существует разные по назначению виды   роботов:
1. Промышленные
2. Бытовые
3. Для обеспечения безопасности
4. Медицинские
5. Боевые
6. Роботы исследователи
7. Игрушки
Промышленные роботы составляют больше 80% от всех существующих на сегодня устройств. Они способны практически полностью заменить человека на многих заводах: механические «рабочие» не допускают ошибок, не устают, им не нужно платить зарплату.
В 1966 году появился  робот  Шеки (англ. Shakey) — первый универсальный мобильный робот, способный рассуждать над своими действиями.                                  Без робота Dante II человек никогда бы не заглянул в кратер действующего вулкана.
Без робота  наши знания о Марсе были бы намного более скудными. Этот агрегат в 1997 году высадился на поверхность планеты и передал на Землю огромное количество фотоснимков.
 
                                       
Бытовые (домашние) роботы не приспособлены к экстремальным условиям.  Их задача — помочь человеку в быту и развлечь его. Существует огромное количество недорогих домашних роботов: роботы-пылесосы, роботы-газонокосильщики.                                                 
Робот  PaPeRo компании  NEC, помимо чисто бытовых функций, умеет говорить. Этот робот знает более 300 фраз, а распознает и того больше. Но больше всех умеет разработка компании Sony — собачка Aibo   (яп.  айбо означает «любовь»).  Она способна узнавать своего хозяина, реагировать на команды, ласку. Aibo имеет четыре стадии взросления: младенчество, детство, юность и зрелый возраст. Собачка умеет бегать, прыгать, потягиваться,  играть в футбол и танцевать.
      
 
1.5. 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.
 
2.1.Результаты анкетирования одноклассников                                                                                       
Я решил провести в нашем классе анкетирование. В анкете один вопрос: «Чем ты любишь заниматься в свободное время?»   
И пять вариантов ответа:
------- гулять с друзьями                                                                                                                                                                           
-------читать                                                                                                                                                               
-------смотреть ТВ                                                                                                                                                         
-------играть в конструкторы ЛЕГО                                                                                                                             
-------заниматься спортом
 
3. Практическая часть
Сейчас существует много видов программируемых конструкторов, для создания проекта я использовал готовый набор Arduino Kit 2WD. Многие любители робототехники очень хорошое эти уникальные наборы. Уникальные  они, потому что все детали подходят друг к другу и можно создавать роботы, выполняющие разные задачи. 
Состав набора: плата UNO R3 (Arduino-совместимый контроллер), USB кабель, драйвер шагового двигателя и двигателя постоянного тока, платформа машинки, колеса, 2 мотора-редуктора,  плата расширения Uno Shield,  адаптер для батареек,  датчик линии, ИК-датчик препятствий, шаровая опора, кабели, винты, провода. 
Данная модель двухколесная, ее можно приобрести на платформе Ali Express, цена около 950 рублей. Состав набора, представлен на рис 1.  
 3.1 Этапы сборки машины – робота                                                                                               
Проект по созданию робота-  машины, ездящей по линии  из трех этапов: механической, электрической и программной
 
1. этап .Механический   - на котором собирается конструкция машинки . В первую очередь роботу требуется прочное шасси - состоит из платформы и двух колес, на которые крепятся все остальные детали. Я закрепил на платформе – два  мотора-редуктор , к которым присоединил два колеса и шаровую опору. 
2 этап.   Сборка электронной схемы.
“Мозгом” данного проекта является  контроллер Arduino Uno R3, на который записывается программа, и которая затем распределяет команды всем остальным частям машинки
На этом этапе, я прежде всего установил на платформу –датчики. Датчик линий расположен в нижней части машины, -это своего рода “глаза”  нашего робота. благодаря им,  машинка обнаруживает линии. и едет по ним.
Инфракрасные датчики, предназначенные для обнаружения препятствий и крепятся с двух сторон платформы. Затем установил –драйвер двигателя, который управляет моторами.
 Далее я установил ИК-датчики и драйвера мотора.  
“Мозгом” данного проекта является  контроллер Arduino Uno R3, на который записывается программа, и которая затем распределяет команды всем остальным частям машинки.
На контролер устанавливается плата расширения, которая позволяет соединить с котроллером все детали машинки.  
В самом конце, я присоединил батарейный отсек. Питание машинки будет от 6 пальчиковых батареек АА.
 
3.этап. Завершительным этапом создания робота- машинки, является его программирование, то есть написание программы в соответствии с которой робот будет выполнять команды.
Создание и прошивка скетчей производится в специальной программе  – среде программирования.  Наиболее популярной версией такой среды является Arduino IDE, которую можно бесплатно скачать из интернета.
После написания программы, я присоединил робота через USB провод к компьютеру и загрузил программу в контролер Arduino.
Несмотря на кажущуюся простоту поставленной задачи, сделать робота, который сможет пройти маршрут лучше и быстрее других не так-то и просто. В процессе прохождения маршрута робот может потерять линию и нужен алгоритм, позволяющий ему вернуться на маршрут и продолжить прохождение
Вот работа в действии.
              
В моих дальнейших планах - модердизировать своего робота. Я хочу его “научить” объезжать препятствия, а так же присоденить к нему модуль Blutothe, который позволит мне управлять роботом с помощью приложения на мобильном телефоне. 
 Заключение.
 Занятия робототехникой - это мой первый шаг в мир программирования и инженерного дела и это не просто возможность познакомится с новыми тенденциями развития науки и техники, но и шанс заложить основу моего успешного будущего уже сегодня. Занятия по робототехнике - это очень увлекательный процесс, потому, что он строится по принципу игры в конструктор, хоть и очень умный Кроме того, робототехника помогает в развитии следующих навыков и умений:
  • моторика;
  • логика;
  • творческое мышление;
  • пространственное мышление;
  • алгоритмическое мышление;
  • аналитическое мышление;
  • проектирование;
  • работа в команде.
 
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.   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.
Надеюсь, что в ближайшие годы робототехника станет предметом школьной программы,  где каждый ученик сможет испытать те чувства, что и я!
. Список литературы
1.Макаров И. М., Топчеев Ю. И.  Робототехника: История и перспективы. — М.: Наука; Изд-во МАИ, 2003.                                                                                                   2.Детская энциклопедия. Техника будущего., М; изд.Литера, 2007 г.
Интернет ресурсы:
1.http://roboreview.ru/nauka-o-robotah/istoriya-razvitiya-robototehniki.html - история развития робототехники
2.http://robot-ex.ru/ru/newscontent/razvitie-robototehniki-v-budushchem - развитие робототехники в будущем
 
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!