Исследовательский проект на тему: «РОБОТ - ТАИР»

Муниципальный научный форум молодых исследователей

«Шаг в будущее - 2015»

Исследовательский проект на тему:

«РОБОТ  - ТАИР»

1.2. Прикладная механика и компьютерные технологии в автоматизации и робототехнике

Россия, р.п. Голышманово

Автор:

Корзухин Андрей

Владимирович,

ученик 6 класса

Муниципального автономного

общеобразовательного

учреждения «Голышмановская

средняя общеобразовательная школа № 4».

Руководитель:

Кузьминых Ирина Геннадьевна,

учитель физики

Муниципального автономного

общеобразовательного

учреждения «Голышмановская

средняя общеобразовательная школа № 4».

- Голышманово 2015

Содержание

Краткая аннотация---------------------------------------------------------------------------2

Аннотация-------------------------------------------------------------------------------------3

План исследований--------------------------------------------------------------------------4

Научная статья--------------------------------------------------------------------------------6

Литература------------------------------------------------------------------------------------12

Рекомендация---------------------------------------------------------------------------------13

Приложение-----------------------------------------------------------------------------------14

«РОБОТ  ТАИР»

Корзухин Андрей Владимирович

Россия, р.п. Голышманово МАОУ «ГСОШ № 4», 6 класс

Краткая аннотация

   Конструирование модели робототехнического устройства, способного выполнять определенные функции, свойственные человеку. При программировании роботов  ЛЕГО используют программу RoboLab, в нашем случае мы программируем робота на языке NXT-G, используя для одной модели датчики и сервомоторы, для другой только сервомоторы,   что является новизной в нашем программировании и конструировании.  

   В результате работы над проектом  мы сконструировали робота - погрузчика, исследовали выполнение им определенных функций, в зависимости от работы сервомоторов   и выяснили, что модель может заменить человека при выполнении работы.

«РОБОТ  ТАИР»

Корзухин Андрей Владимирович

Россия, р.п. Голышманово МАОУ «ГСОШ № 4», 6 класс

Аннотация

   Робот — автоматическое устройство с антропоморфным действием, которое частично или полностью заменяет человека при выполнении работ.

   Цель: Создать робототехническое устройство, как модель промышленного робота,  способное  заменить труд человека.

   Задачи:

1. Изучить  научно-популярную литературу, для определения уровня развития  робототехники.

2. Провести проектирование и конструирование автономного мобильного робота на базе конструктора, который бы не только передвигался по плоскости, но и мог поднимать и опускать грузы.

3. Провести программирование созданной модели на компьютере,  исследовать работу датчика и сервомоторов  и установить программу на микроконтроллер робота.

4. Протестировать робототехническое устройство.

   Методы исследования: исследования проводятся при изменении параметров датчика в программе компьютера и анализом поведения робота, корректировка конструкции модели. Методы, используемые мною: теоретический и практический. Теоретический метод: изучение научно популярной литературы и материал сайтов Интернет.    

   Практический метод: проектирование, конструирование, и программирование робототехнического устройства. Средства исследования: конструктор - Mindstorm NXT, с программным обеспечением - NXT-G.

Работа над проектом ограничена наличием крепежных деталей, датчиков и возможностью микроконтроллера конструктора.

   Мы протестировали работу  модели на созданной программе с помощью языка NXT-G, и выяснили, что робототехническое устройство работает согласно заложенным командам, то есть при определенных условиях, робот может захватывать, переносить объект, поднимать и опускать его,  то есть  выполнять работу  человека.

«РОБОТ  ТАИР»

Корзухин Андрей Владимирович

Россия, р.п. Голышманово МАОУ «ГСОШ № 4», 6 класс

План исследований 

   Робот – это технический комплекс, предназначенный для выполнения различных движений и некоторых интеллектуальных функций человека и обладающий необходимыми для этого исполнительными устройствами, управляющими и информационными системами, а также средствами решения вычислительно-логических задач.

   Говорят, что труд делает человека человеком. Вместе с тем, физический труд является изнурительным процессом, в ходе которого нередко человек расплачивается своим здоровьем. Например, когда речь идёт о переноске тяжестей, существует повышенная возможность растяжения мышц, ест шанс заработать грыжу. Сегодня такую проблему может решить использование робота. В связи с бурным развитием экономики и производства все чаще становится актуальным использование робототехнических устройств способных заменить  человека.

   Перед нами стала проблема, как сконструировать робототехническое устройство, имея,  только конструктор, Робот Mindstorm NXT и ресурсный набор, которое мы можем использовать в нашей жизни.

   Объект исследования: Созданное робототехническое устройство совместным применением датчиков  и сервомоторов.

   Предмет исследование:  работа установленных датчиков и сервомоторов,  проводимые изменения их параметров.

   Гипотеза:  Можно создать робототехническое устройство на базе  Робот Mindstorm NXT , выполняющее действия, которые может выполнять человек.

   При работе над проектом были использованы разнообразные методы и приемы: изучение технической и научно – популярной литературы, конструирование, программирование,

 испытание, корректировка технических ошибок, анализ и систематизация материала.

   Предполагаемый результат:

   Робот должен двигаться при помощи двигателей на колесной паре являющейся ведущей. Третье колесо ведомым и пассивным.

   На роботе должно быть размещено два и более  датчика выполняющее различные функции, параметры которых устанавливаются при помощи программного обеспечения.

   Робот должен выполнять все залаженные функции автономно, без связи с компьютером по проводам и передвигаться.

   Робот  двигается по линии, захватывает объект и переносит его в определенное место.

   Робот поднимает и переносит объект в определенное место.

   В конструкции робота должна быть предусмотрена возможность размещения третьего двигателя для выполнения действий не связанных с перемещением робота по траектории.

   В результате реализации проекта получена модель робота, управление которой осуществляется с помощью программы NXT. Мы разработали  две модели, в которых обозначили параметры установки датчиков и сервомоторов, разработали  программы. Исследовали работу моделей в зависимости от конструкции и программы, в результате создали роботов, которые выполняют определенную работу, что является новизной.

План исследования

Библиографии

1. chooltech.ru/issledovatelskie-proekty/482-robototekhnika-lego.html

              Проект «Робот – погрузчик»

2. http://www.ros-group.ru/content/data/store/images/f_4906_28763_1.pdf 

Проект «Роботизированная подставка для книг «Health Protector»»

3. http://school-projects.ru/portal/projects/183

    «Робот - змея»

4. project.1september.ru/works

Проект «Робот – сортировщик»

«РОБОТ  ТАИР»

Корзухин Андрей Владимирович

Россия, р.п. Голышманово МАОУ «ГСОШ № 4», 6 класс

Научная статья

   Люди издавна стремились создать механические устройства. Это было вызвано тем, что человек хотел обзавестись помощником, который мог бы выполнять любые независимо от сложности работы. Когда же появились первые роботы?

   Оказывается, все начиналось с механических кукол, которые создавали изобретатели еще много веков назад. Одна из первых известных механических кукол – деревянный голубь, изготовленный приблизительно 350 лет до н.э. Голубь мог вертеться на жерди, по всей видимости, его приводила в движение струя сжатого воздуха. ( фото 1, приложение)

   А настоящие роботы появились только с появлением ЭВМ. Эволюция роботов, развивалась, от простого к сложному.

   Роботы первого поколения - программные. Жестко заданная программа (циклограмма), используются в машиностроении, металлургии, атомной промышленности, для обслуживания станков, печей, прессов, литейных машин.

   Роботов второго поколения - адаптивные. Возможность автоматически перепрограммироваться (адаптироваться) в зависимости от обстановки. Изначально задаются лишь основы программы действий,  применяют  в основном для сборки деталей, сварки, контроля качества и выполнения других операций. Большое применение роботы второго поколения получили в автоматизированном производстве, быстро перестраивающемся на выпуск новой продукции.

   В конце 70 - х годов появился новый тип роботов – роботы третьего поколения – называемые также интеллектуальными роботами. Задание вводится в общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения или планировать свои действия в распознаваемой им неопределенной или сложной обстановке. Эти роботы снабжены, более современным алгоритмическим обеспечением, они обладают способностью зрительно воспринимать модель внешней среды, анализировать и распознавать сходные ситуации и даже понимать язык и вести в устной форме диалог с человеком. Но принципиально важная особенность этих роботов – способность самообучаться в процессе решения поставленных человеком задач, что неограниченно расширяет их возможности.

   В 1972-1975 годах в  Институте кибернетики под руководством Н. М. Амосова и В. М. Глушкова был создан макет транспортного автономного интегрального робота (ТАИР).

Робот демонстрировал целенаправленное движение в естественной среде, обход препятствий. Конструктивно ТАИР представлял собой трехколесную самоходную тележку, снабженную системой датчиков: оптическим дальномером, навигационной системой с двумя радиомаяками и компасом, контактными датчиками, датчиками углов наклона тележки, таймером и др. Особенностью, которая отличает ТАИР от многих других систем, созданных в СССР и за рубежом, является отсутствие в его составе компьютера в том виде, к которому мы привыкли. Основу системы управления составляет аппаратно реализованная нейронная сеть (узлы сети - специальные электронные схемы, собранные на транзисторах, связи между узлами - резисторы), на которой реализуются различные алгоритмы обработки сенсорной информации, планирования поведения и управления движением робота. ( фото 2, приложение)

   Так как определяют робототехническое устройство современные технологии?

   По прогнозам А. Азимова в 2050 году роботы будут выполнять работу за  человека. Они сильно изменят жизнь человечества, проведут воду в те районы, которые страдают от засухи. В наших домах будут находиться роботы-помощники, которые активно будут сосуществовать с людьми. На предприятиях роботы заменят труд человека, но и сейчас их внедряю в связи с оптимизацией производства. ( фото 3, приложение)

   В настоящее время роботы не обладают искусственным интеллектом, но человечество идёт семимильными шагами к достижению этой цели. Появились машины, способные выполнять сложнейшие хирургические операции, которые зачастую не под силу самому человеку, исполнять инженерные задумки, помогать армии и полиции в трудных ситуациях, работать в космосе, помогать людям с ограниченными физическими возможностями или просто смотреть, видеть, учиться.

   Конструированием ЛЕГО я занимаюсь третий год. С помощью ЛЕГО мы создавали модели  машин,  электростанций и подъемных механизмов, и мне интересно было создать модель робота, способного двигаться, сбивать,  захватывать, поднимать, опускать и перемещать объект.  Я изучил работы  в сети Интернет, созданные с помощью ЛЕГО, многие из них предлагают конструировать робота с определенной функцией, и с помощью языка программирования  RoboLab.  Поэтому  проблемой стало для меня, как будет работать программа на языке программирования NXT-G в разрабатываемой модели.   (фото 4 - 6,   приложение )

Конструирование

   Оборудование для сборки, программирования и испытания робота:

ноутбук, конструктор Lego Mindstorms NXT 2.0. 9797, ресурсный набор,  bluetooth. Ноутбук – для написания программы в NXT и для дистанционного управления через bluetooth. Набор 9797 – основной набор Lego, включающий в себе микропроцессор NXT и основные элементы робота, набор 9695 – ресурсный набор, состоящий из дополнительных деталей, не входящих в 9797. (фото 7,   приложение)

   Микрокомпьютер NXT  имеет:

   32-битный  микроконтроллер, который приравнивается к выпущенному несколько лет назад компьютеру  (ARM7 256 КБайт FLASH, 64 КБайт RAM 8-битовый микроконтроллер AVR 4 Кбайта FLASH, 512 байт RAM), а также беспроводной канал Bluetooth Class I I V 2.0;

   скоростной порт USB;

   четыре порта входа,  шестипроводный кабель для цифровой платформы;

   три порта выхода,  шестипроводный кабель для цифровой платформы;

   графический жидкокристаллический дисплей;

   громкоговоритель с аудиоканалом с восьмибитовым квантованием и частотой семплирования 2-16 кГц.

   К микроконтроллеру по имеющимся четырём входа портам мы подсоединили датчики  и три мотора в порты выхода. (фото 8 - 9,   приложение )

Программирование

   Никакому автономному роботу, конечно же, не обойтись без программы. Языками программирования роботов являются  LabVeiw, NXT-G и RoboLab.  Мы имели в наличии NXT-G .

   RoboLab  точный и - в отличие от некоторых программ - психологически упрощённый, он создан на основе среды LabVeiw, которую неоднократно применяли в агентстве NASA для управления космическими роботами.

   В RoboLab огромные программы, состоящие из множества мелких рисунков пиктограмм языка LabVeiw, заключены в менее точные пиктограммы, но это не делает процесс написания программы простым. Тем не менее, в отличие от программ, написанных на других языках программирования, программа в RoboLab  работает на стопроцентную мощность, а программа в  NXT-G, работает на семядесятипроцентную мощность, то есть может выполнять заложенные программы на 70 %.

   Перед началом составления программы я выполнил некоторые измерения: длину пути до платформы и высоту платформы. Программа движения исполнителя представляет  собой последовательность команд (блоков). Каждая команда имеет свои параметры, заданные в меню настроек. Команды записаны последовательно, для основных этапов движения я выполнил краткое описание, что бы можно было наглядно продемонстрировать программу на занятиях. Эта программа загружается в блок NXT для дальнейшего испытания робота. (фото 10,   приложение )

   Робот имеет  сложную программу, которая написана в . NXT-G.

   Характеристика теоретического исследования: исследования показывают, что возможно одновременная реакция   установленных  датчиков с меняющимися параметрами, устанавливаемыми в программе.

   Характеристика прикладного  исследования: исследования показывают, что  при помощи робототехнического конструктора и компьютера с соответствующим программным продуктом возможно создание действующей модели  промышленного робототехнического устройства.

Исследования

   При конструировании моделей мы исследовали работу моделей и меняли их параметры.

   Исследовалась настройка датчиков освещенности при разном  уровне внешнего освещения и настройке датчика освещенности в программе на компьютере.

   Исследовалась настройка датчика ультразвука в программе на компьютере.

   Исследовалось прохождение робота по сложной траектории при различной мощности двигателей, что устанавливалось на программе компьютера.

   Исследовалась настройка датчиков по сбиванию, захвату, переносу  объекта.

Исследовалась работа сервомоторов по подъему, переносу, опусканию объекта.

 ( фото 11 - 12,  приложение)

Результаты

   Робот двигается с различной скоростью при изменении в программе настроек мощности двигателей, изменяя количество оборотов за единицу времени, функций торможения и качения.

   Робот двигается по заданной траектории.

   Робот может сбить объект.

   Робот захватывает объект и переносит его в определенное место.

   Робот двигается прямолинейно, криволинейно, по окружности или по сложной траектории, согласно заложенной программе.

   Робот передвигается по плоскости, поднимает и опускает груз.

   В результате мною сконструированы две модели робототехнических устройств, написаны программы для их работы на языке NXT-G.

   Но использование  языка программирования NXT-G, дает свои минусы. Если датчик освещенности работает согласно заложенной программе на 100%, то ультразвуковой датчик работает на 70 % , т. е. не видит объект, не согласован на одновременное использование с датчиком освещенности.

   При исследовании работы ультразвукового датчика я обнаружил, что датчик иногда не реагирует на  объект обтекаемой формы. Эту проблему я решил, закрепив ультразвуковой датчик в нижней части конструкции, другой способ – поменять форму объекта. Датчики могут работать согласованно и одновременно, если соблюдать определенные технические условия.  Модель Таир не использует работу датчиков, так как при поднимании и опускании платформы, датчики начинают срабатывать на платформу, но не на объект. Для данной модели робота погрузчика написано программа работы  сервомоторов. И в зависимости от условий и задач выполнения  работы можно использовать  модели одновременно или нет.

Основные выводы:

   При помощи имеющегося в наличие конструктора можно собрать и запрограммировать модель робототехнического устройства, которое в последствии, можно реализовать в промышленную установку для использования в реальных условиях, заменив труд человека. (видео)

   Данная модель может использоваться при изучении характеристик движения, импульса на уроках физики,  технологии, можно использовать модель для игры в футбол, теннис. Использовать в школьной столовой для  уборки посуды.

Заключение

   Моя гипотеза полностью подтвердилась: существует реальная возможность  создать робототехническое устройство на базе  Робот Mindstorm NXT ,  выполняющее действия, которые может выполнять человек, перемещаться по сложной траектории, реагирующее на освещенность, сбивающее объект, захватывающее, переносящее, поднимающее, опускающее  объект.

   Я доказал это достигнув поставленной перед собой цели,  сконструировав и протестировав модели, которые позволяют выполнять определенные функции, проблему  использования языка программирования, я решил, датчики и сервомоторы  могут  работать одновременно, при определенных условиях.

   Робот может управляться оператором либо работать по заранее составленной программе. Использование роботов позволяет облегчить или вовсе заменить человеческий труд на производстве, в строительстве, при рутинной работе, при работе с тяжёлыми грузами, вредными материалами, а также в других тяжёлых или небезопасных для человека условиях.

   В рамках следующего проекта предполагается создание автономного мобильного робота, который бы объединил функции   этих моделей.

   Американской корпорацией Mesa Robotics был создан робот многоцелевого назначения под названием Acer. По словам создателей, его можно использовать для нейтрализации и разминирования различных взрывчатых веществ, расчистки территории, а также для перевозки любого оборудования и буксировки транспортных средств, передает Wired. 

( фото 13,  приложение)

   Корпорация Seegrid (США) проводит исследования и доработку прототипа робота-погрузчика - Industrial Mobile Robot (IMR). Это - автономная тележка, которая может самостоятельно передвигаться, обходя препятствия, но не может сама перегружать груз.

Роботизированный погрузчик может работать как в автономном, так и в управляемом оператором режиме. В целях безопасности спереди и сзади робота установлены датчики столкновения, выключающие двигатель в случае встречи с препятствием. 

Посылать роботов делать чью-то работу может быть опасно. Но иногда это необходимо. Например, во вредной среде или труднодоступных местах. Компания Ratheon-Sarcos разработала робо-руки, которые отлично повторяют движения оператора.

( фото 14,  приложение)

   Российские студенты придумали робота-погрузчика. Управление роботом осуществляется посредством компьютера при помощи Bluetooth. По словам разработчиков, чудо-машина сможет обслуживать целый логистический парк.

( фото 15,  приложение)

   Я считаю, что за мобильными роботами или вообще за мобильными устройствами  -  будущее человечества. Но, помимо этого, занятие робототехникой очень интересно.

(фото 16, приложение)

Использованная литература

1. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей – М.: Наука, 2011.(2 и 3-е издания) (учимся программировать);
2. Рейд С., Фара П. «История открытий», М., 1999
3. Русецкий А.Ю. «В мире роботов». М., Просвещение., 1990

Периодическая печать:

1. Журнал «Популярная Механика», март 2012 (№ 4)

Интернет-источники:

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Робот
2. http://robototechnika.ucoz.ru/pdf/spravka_po_po_lego.pdf
3. http://robot70.narod.ru/index/0-10
4. legoleaguecoaching.org.
   

Рекомендация руководителя проекта.

   Данный проект, в основной своей части, был подготовлен в январе 2015  года. Работа над проектом  командная, Андрей Корзухин и Гуликян Артем ученики 6 класса, третий год занимаются робототехникой. Они самостоятельно конструировали,  программировали роботов, для выполнения определенных функций.  Андрей и Артем настолько увлечены конструированием, что в школе, на перемене, им не мешают, а спрашивают, что они делают на данном этапе и ровесники и младшие школьники и старшеклассники.

   Андрей обладает выдающимися способностями к самообучению – всего, о чем он рассказывает в своем проекте, он добился собственными усилиями с минимальной помощью с моей стороны на занятиях  «Лего-конструирование». И в настоящее время он увлеченно занимается конструированием роботов, обгоняя  своих сверстников.

   В этом году команда робототехников в состав которой входили Корзухин Андрей и Гуликян Артем участвовала в Первом робототехническом фестивале робототехники в г. Сочи  и заняла первое место. Андрей выступил с проектом «Робот АМ – 32». Андрей участвовал в  соревнованиях «Робофест – 2015»,  в «Чемпионате рабочих профессий среди школьников» в г. Тюмени.

   Дело идет к тому, что я смогу с полным основанием отнести к себе известное: «Учитель, воспитай ученика, чтоб было, у кого потом учиться!»

Кузьминых Ирина Геннадьевна