Проект "Робот-кошка"

Содержание

Глава I. Теоретические аспекты проекта………………………………………………2

§ 1. История возникновения робототехники……………………………..……………2

§ 2. Возможности конструктора LEGO Mindstorms EV3 45544………………...……3

§ 3. Среда программы Lego Digital Designer………………………………...………...4

Глава II. Проектирование модели робота-кошки……………………………..………5

§ 1. Техника безопасности на занятиях по робототехнике…………………..……….5

§ 2. Конструирование робота…………………………………………………………..6

§ 3. Программирование робота…………………………………………………………7

Выводы…………………………………………………………………………………..8

      Библиографический список Интернет-ресурсов………………………………………9

Приложение

Проект «Робот-кошка»
Яковлева Анастасия Юрьевна
Муниципальное бюджетное образовательное учреждение средняя школа №7 8Б класс

Глава I. Теоретические аспекты проекта

§ 1. История возникновения робототехники.

Своим названием роботы обязаны совсем не кибернетикам и даже не инженерам, а... писателю. Карел Чапек —  чешский писатель и драматург впервые придумал это слово. Он в своей пьесе «RUR» назвал этим словом  живых людей, только созданных на специальной фабрике.

Один из первых роботов был построен американским инженером Венсли в 1925 году. Автор дал ему имя мистер Телевокс. Когда у Венсли спросили, откуда это странное имя, он ответил: «Первая половина слова — «теле» — греческая и означает «далекий», вторая — «вокс» — латинская и значит «голос». Своим названием я хотел подчеркнуть способность моего робота отвечать на команды, поданные голосом человека».

Известны три закона робототехники впервые сформулированные Айзеком Азимовым :

1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые даёт человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам.

                  В некоторых странах развитие робототехники происходит в ограниченном направлении. Ярким примером может служить Россия, где развивается только военная робототехника, как ответ на американскую программу роботизации армии. Если говорить о гражданской робототехнике, то здесь насчитывается всего около полусотни компаний, которые занимаются разработками подобного рода. В США же эта цифра в десятки раз больше. По мере развития и совершенствования робототехнических устройств возникла 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.

§ 2. Возможности конструктора LEGO Mindstorms EV3 45544.

Набор LEGO Mindstorms EV3 45544 – одна из лучших образовательных платформ для занятий робототехникой на уроках в школе, в организациях дополнительного образования детей, и домашнего использования от компании ЛЕГО.

Процесс работы с набором включает в себя сборку и программирование робота. Программирование осуществляется в специальном программном обеспечении, которое скачивается бесплатно с сайта LEGO Education.

Этот конструктор предоставляет невероятные возможности для неподготовленного человека. Например, роботы способны улавливать ультразвуковые волны и видеть предметы, расположенные в радиусе 2,5 м. Для этот в набор входит датчик расстояний (Рисунок 1).

Рисунок 1.                Рисунок 2.                     Рисунок 3.                                Рисунок 4.

Благодаря датчику цвета, модели различают до 7 оттенков и реагируют на смену освещенности (Рисунок 2). Это даёт возможность для фантазии в применении роботов для различных заданий. В набор входит 2 больших мотора (Рисунок 3) и 1 средний. Благодаря им роботы умеют двигаться или поднимать некоторые свои части. Датчик касания (Рисунок 4) позволяет роботу менять своё поведение во время работы.

«Мозг» конструктора LEGO Mindstorms Education EV3 45544 обладает   оперативной памятью размером 64 Мб и флеш-памятью 16 Мб (Рисунок 5). Модуль EV3 работает на операционной системе Linux, поддерживает карту памяти Micro SD   на 32 Мб. Роботы соединяются с компьютером при помощи USB-кабеля, Wi-Fi и Bluetooth. Есть возможность управления построенной модели при помощи планшетов или смартфонов.

Рисунок 5.

Для ознакомления с основами конструирования и программирования в комплект входит подробная инструкция-самоучитель, в котором есть инструкции к 4 базовым моделям (гиробой, щенок, сортировщик цвета, рука робота Н25).

LEGO Mindstorms предоставляет возможности для обучения основам компьютерных программ. Специально для этой серии компанией National Instruments было разработано графическое ПО, которое легко усвоить даже тем, кто раньше не был знаком с программированием. Чтобы управлять роботами, не нужно кодировать – оболочка содержит готовые алгоритмы в виде иконок, из которых собирается последовательность действий. Впоследствии ребята могут улучшать свои навыки, используя языки программирования на основе Java или C+.

Базовый набор LEGO Mindstorms Education EV3 это прежде всего, образовательный конструктор. Он рекомендуется для школьников, начиная с 10 лет и старше. Роботы могут использоваться на уроках для наглядной демонстрации теории по многим предметам: физики, математики, технологии, информатики. Ребята могут участвовать в соревнованиях роботов, представляя свою школу или кружок. Конструктор LEGO EV3 приспособлен и для домашнего использования. Решение стало более доступным благодаря бесплатному программному обеспечению и различным версиям набора.

С помощью базового и ресурсного набора LEGO Mindstorms изучать робототехнику стало гораздо интереснее! Дети смогут заниматься в кружках, участвовать в соревнованиях и открывать новые секреты технических наук.

 Существует дополнительный набор «Космический проект». Набор наглядно позволяет демонстрировать ученикам, как робототехнику можно применять для решения реальных проблем и задач из такой продвинутой сферы деятельности человека, как аэрокосмические исследования. «Космические проекты» помогут замотивировать учеников на быстрое оттачивание навыков программирования, моделирования и проектного тестирования.

В настоящее время появляются книги для знакомства с роботами, такие как: М. А. Стерхова «Конструируем роботов на LEGO MINDSTORMS Education EV3. Секрет ткацкого станка», Елена Рыжая, Виталий Удалов, Виктор Тарапата «Конструируем роботов на LEGO. Крутое пике», Цуканова Елизавета Алексеевна, Зайцева Наталья Николаевна «Конструируем роботов на LEGO. Человек-всему мера?», В. В. Тарапата Книга «Конструируем роботов на LEGO MINDSTORMS Education EV3. Тайный код Сэмюэла Морзе», В. Г. Сафули, Н. Г. Дорожкина Книга «Конструируем роботов на LEGO MINDSTORMS Education EV3. Посторонним вход воспрещен!». Все эти книги одной серии «Робо-фишки».

§ 3. Среда программы Lego Digital Designer.

Программа Lego Digital Designer позволяет строить модели виртуально и разрабатывать инструкции к своим моделям. При запуске программы предлагается выбор из трех вкладок: Digtal Disigner, Mindstorms, Digtal Designer Extended. Рассмотрим окно программы (Приложение 3). Слева располагается набор деталей. Цвет деталей можно выбирать самостоятельно. Количество деталей не ограниченно. В центре – поле для конструирования. Сверху панель управления, которая позволяет выделять детали, вращать, менять цвет, дублировать, скрывать и удалять. Чтобы повернуть модель, нужно зажать правую клавишу мыши и производить движение. Программа работает в трех режимах:

1.  Режим конструирования, при котором мы можем выбирать детали и складывать из них модели.
2.  Режим просмотра готовой модели. Модель можно просмотреть со всех сторон.
3.  Режим пошагового просмотра. Позволяет переключаться самостоятельно между слайдами инструкции.

Полученную модель можно сохранить. Для этого выбираем File→Save, указываем имя файла. Файл имеет формат * lxf .

Для создания простых моделей, определенных навык не требуется. Сложность вызывает только вставка осей в отверстия и соединения деталей сложной конструкции.

Глава II. Проектирование модели робота-кошки.

§ 1. Техника безопасности на занятиях по робототехнике.

1. Конструктор отрывайте правильно, придерживая крышку.

2. Детали держите в специальном контейнере.

3.При работе в группах, распределите обязанности: координатор, сборщики, писарь и др., чтобы каждый отвечал за свой этап работы.

4. При работе с конструктором важно следить за деталями, так как они очень мелкие. Нельзя детали брать в рот, раскидывать на рабочем столе.

5. При работе с компьютерами надо быть очень осторожными, чтобы не повредить монитор, при подключении конструкции, соблюдать порядок подключения.

6..После окончания сборки, проверки на компьютере, конструкция разбирается, детали укладываются в коробку, компьютер выключается и сдается учителю.

7. По всем вопросам неполадок компьютера обращаться к учителю-консультанту

§ 2. Конструирование робота.

Для создания робота-кошки использовался набор LEGO MINDSTORMS EV3, шагающая основа кошки создаётся по инструкции «Toddle Bot» (Приложение 1).

В конструкции используется   два больших мотора. К каждому из них присоединяется по две ноги, которые между собой соединяются крестовым креплением, что позволяет вращением одного мотора воздействовать на две ноги с одной стороны. Так как в этой инструкции были слишком короткие ноги было решено их удлинить. Дальнейшее исследование показало, что слишком длинные ноги являются неустойчивыми. Во время испытаний приходилось укреплять конструкцию лап, чтобы робот не падал. Для того, чтобы робот мог видеть, мы установили ультразвуковой датчик, что позволяет роботу видеть расстояние до находящего перед ним объекта. Робот-кошка приступает к заданной программе после касания датчика на хвосте. Кошку можно покормить рыбкой. Стоит её положить под датчик цвета, который расположен под шеей у кошки, она остановится и заурчит в знак удовольствия.  

Вот такая кошка получилась. (Рисунок 6)

В программе Lego Digital Designer разработана инструкция по сборке «Робота-кошки», чтобы дети могли создавать не только (щенка, слона), которые идут в наборе, а еще и кошечку. (Приложение 2)

 Рисунок 6

§ 3. Программирование робота.

Для написания программы управления роботом-кошкой используется встроенный редактор в программу от конструктора. Программа состоит из блоков основных алгоритмических конструкций и блоков управления датчиками. Общий вид программы представлен на рисунке 7.

                                                          Рисунок 7.

В программе управления созданы 3 ветки. Каждая часть программы предназначена для определённого датчика.

Рассмотрим первую ветку. Перед циклом №1 установлен блок управления операторами, который ждёт, когда будет произведен щелчок датчика касания. (Рисунок 8). Датчик касания подключён к порту 1. В цикле №1 происходит запуск большого мотора, подключенного к порту С. Мощность установлена 35, угол поворота на 200. После движения мотора происходит ожидание в 0.1 сек. (Рисунок 9). И снова запускается мотор, но движение происходит в обратную сторону (мощность -35, -200). Таким образом, нога возвращается на пол. Экспериментально установлено, что при увеличении скорости робот теряет равновесии.

Для второго мотора блок программ такой же.

Рассмотрим вторую ветку. Ультразвуковой датчик измеряет расстояние постоянно и если оно станет меньше  5 см., то происходит прерывание 1 цикла. (Рисунок 10). При остановке робот-кошка издает «мяуканье», это знак того что на пути препятствие. Цикл выполняется 2 раза. После этого звук прекращается. (Рисунок 11).

В третьей ветке при помощи датчика цвета, который реагирует на желтый цвет, робо-кошка издает «урчание», так как перед ней лежит рыбка. Как известно при лакомстве кошки издают урчание в знак удовольствия. В начале стоит блок «Ожидание», в котором датчик цвета постоянно сравнивает обозреваемый цвет с желтым. (Рисунок 12). Как только распознает жёлтый цвет, произойдёт остановка цикла 1 (движение прекратится) и запуск цикла №3. В цикле №3 (рисунок 13) издаётся звук урчания кошки. Цикл выполняется 2 раза и потом звук прекращается. Звуки для кошки не являются стандартными. Были найдены на просторах интернета. Чтобы добавить звук в программу, нужно выбрать пункт меню «Инструменты» и подпункт «Редактор звука». В окне редактора звука выбрать файл, прослушать и сохранить, задав имя звука в программе.

Выводы.

Робототехника так стремительно вошла в нашу жизнь, что где бы мы ни были: дома, на улице, в транспорте, в космосе… везде присутствует хоть малая, но доля робототехники. С каждым годом робототехника совершенствуется и развивается, но все же искусственный интеллект не сравнится с человеческим. Создание роботов из конструктора LEGO Mindstorms очень интересный и познавательный процесс, который развивает логическое и абстрактное мышление. Согласно выше изложенного можно сказать, что роботы занимают определенную часть в нашей жизни и внесение в процесс образования курса «Робототехники» будет актуально и в будущем.

Разрабатывая, программируя и тестируя робота, мы приобретаем навыки в области конструирования и программирования, знакомимся с процессами планирования, осваиваем алгоритмы пошагового решения задач, выработки и проверки гипотез, анализа неожиданных результатов.

Была сформулирована гипотеза о том, что можно ли создать модель роботизированной кошки из конструктора LEGO Mingstorms EV3. Как видим у нас это получилось, создали модель робота-кошки, которая выполняет ходьбу и издает звуки. Детям будет интересно играть с игрушкой, которую они могут сами сконструировать и более того запрограммировать. В процессе работы над проектом изучена среда программирования Lego Mingstorms ev3, изучена конструкция шагающих роботов, изучена программа Lego Digital Designer для создания инструкции по сборке моделей, сконструирована модель ходящего робота-кошки, создана программа для робота-кошки останавливающееся перед препятствиями и издающая звуки, разработана инструкция по сборке кошки, которая предлагалась учащимся  6 классов на внеурочных занятиях по робототехники.

Библиографический список Интернет-ресурсов

1. Бекурин Максим. Инженерные проекты: [Электронный ресурс]. URL: http://inoschool.ru/robototekhnika/r-lego/item/165-inzhenernye-proekty

2. Владимир Канивец.   История робототехники: факты.: [Электронный ресурс]. URL: http://www.prorobot.ru/slovarik/is_istorii_robototehniki.php

3. Детям понравиться. Обзор программы Lego Digital Designer.: [Электронный ресурс].

URL:  http://www.newart.ru/htm/myzavr/mz30.php

     4. Робот // Википедия. [2017—2017]. Дата обновления: 21.02.2017. URL:  

       http://ru.wikipedia.org/?oldid=83810641 (дата обращения: 21.02.2017).