Исследовательская работа «Робот-помощник художника»

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

«Робот-помощник художника»

Попова Анастасия Сергеевна

Школа №532

Класс 5

Павлова Ирина Григорьевна,

педагог дополнительного образования ГБУ ДО ЦДЮТТ «Охта»

Санкт-Петербург

2018

Оглавление

Введение        3

1. История робототехники                                                                       5

1.1. Современные роботы                                                              6

1.2. Виды робототехнических конструкторов                                      7

1.3. Mindstorms EV3 и среда его программирования                              8

2. Создание робота - помощника художника на основе конструктора Mindstorms EV3                                                                                                    10

2.1. Составление задачи, какие действия должен выполнить робот         10

2.2. Сборка робота        10

2.3. Программирование робота на ПК согласно условиям задачи         12

2.4. Загрузка материала в робота          12

2.5. Проверка проделанной работы         13

Выводы                                                                                            14

Заключение        15

Список литературы и информационных источников        16

.

Введение

Когда-то роботы были фантастикой. На протяжении многих веков люди изобретали машины и механизмы, способные облегчить им жизнь, и современный человек уже не представляет свою жизнь без них. В наше время их придумывают и создают не только писатели и художники, но и инженеры робототехники. 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. Ежедневно появляются новые устройства и улучшаются существующие. Таких устройств уже несчетное множество, но, безусловно, самым высоким достижением человеческой мысли являются роботы.

Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Лего-робототехника - это проектирование и конструирование всевозможных интеллектуальных механизмов – лего-роботов, имеющих модульную структуру и обладающих мощными микропроцессорами.

С появлением конструктора Lego, роботы пришли и в каждый дом, школу, дом творчества. Для робототехники нет границ: она представляет для нас такие возможности творчества, о которых многие даже не подозревают.

Желание создать робота своими руками, с одной стороны, и изучение необходимых для этого знаний и умений, с другой стороны, определили проблему: возможно ли самим создать робота. Не просто робота, а робота-помощника. Долго размышляя над тем, в какой области нужен будет такой помощник, я решила, что хочу немного облегчить жизнь своим друзьям-художникам, да я и сама люблю рисовать.

Таким образом, актуальность нашей работы обусловлена необходимостью создания робота своими руками.

Цель работы: создание на основе конструктора Lego Mindstorms EV3 робота-помощника, который помогает художнику смывать краску с кистей.

Объект: конструктор LEGO Mindstorms EV3.

Предмет: принцип строения и работы робота на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

В основу моей работы положена гипотеза, согласно которой, изучив принцип строения и работы робота на основе конструктора Mindstorms EV3, можно создать робота самостоятельно.

Задачи:

• изучить историю робототехники;
• исследовать виды современных рабочих роботов и функции, которые они выполняют;
• исследовать виды робототехнических конструкторов;
• изучить принцип строения и работы робота на основе конструктора Mindstorms EV3 и среду его программирования;
• создать робота на основе конструктора Mindstorms EV3.
• составить программу для робота
• определить дополнительные возможности изменения конструкции.

1. История робототехники

История робототехники неразрывно связана с большинством изобретений, сделанных человечеством. Практически невозможно отделить ее от истории развития науки, техники и тем более от истории возникновения и становления компьютерных технологий.

Еще с древних времен человек хотел создать такие механизмы, которые могли бы выполнять вместо людей тяжелую и вредную работу. Однако первые успехи в этом направлении появились только в середине 18 века.

Тогда популярность набирали домашние механические куклы, представленные в 1738 году французским ученым из Гренобля (город на юго-востоке Франции) Жаком де Викансон. Он представил публике искусственного музыканта, который мог исполнять на флейте 12 различных мелодий. Немного позже к флейте добавились барабан и бубен, таким образом, был создан целый механический оркестр.

Но де Викансон на том не остановился. За оркестром последовало действительно удивительное по тем временам изобретение – механическая утка. Она могла самостоятельно передвигаться, махать крыльями, крякать, вращать головой, есть и переваривать пищу. Утка не была игрушкой в обычном понимании этого слова: в каждом ее крыле было около 400 подвижных деталей. К сожалению, никто не знает, что случилось с оригиналом утки. Однако, в музее в Гренобле есть копия утки, созданная часовщиком.

Сегодняшняя робототехника сформировалась в 60-х годах 20 века. Изобретатели вложили много сил в разработку роботов-манипуляторов, но одним из самых важных изобретений стал робот Unimate (Юнимейт), созданный Джорджом Диро и Джозефом Энжилберг. Это был один из первых промышленных роботов, и представлял собой огромную конструкцию, похожую на человеческую руку.

Приспособление могло складывать части горячего литого металла и сваривать части кузова. Робот был куплен и установлен на сборочном конвейере компании General Motors, чтобы уменьшить вероятность получения травм и смертей на производстве. В настоящее время Unimate находится в Зале славы (Питсбург, США).

В 1966 году был создан робот Shakey (шейки), который, по сути, был первым роботом, способным рассуждать.

1. Современные роботы

Робототехника – это область науки и техники, связанная с созданием, исследованием и применением роботов.

Робот – это машина, которая воспринимает, мыслит и действует. При этом робот может, как иметь связь с человеком (получать от него команды), так и действовать автономно.

Современная робототехника полностью основана на компьютерных технологиях: без компьютеров роботы не смогли бы и десятой части того, что они могут. Сегодня роботов можно условно разделить на две категории: рабочие (т. е. роботы, сконструированные для служебных задач) и домашние.

Рассмотрим несколько видов рабочих роботов:

Промышленный робот – устройство (машина) с программным или дистанционным (с пульта) управлением, предназначенное для замены человека в производственных процессах. Промышленные роботы имеют перед человеком преимущество в скорости и точности реализации однообразных операций, они способны производить движения, какие человек физически выполнить не может. Применение современных промышленных роботов увеличивает производительность оборудования и выпуск продукции, улучшает качество продукции, помогает экономить материалы и энергию.

Роботы-манипуляторы широко применяются в промышленности для автоматизации многих технологических процессов при конвейерной сборке различных изделий (от автомобилей до микросхем), сварке, окраске, сверлении, перемещении тяжёлых грузов и т.д.

Особое значение имеет применение роботов-манипуляторов при работе с вредными химическими веществами, при обезвреживании взрывных устройств, в кузнечных и литейных цехах, на цементных заводах, в помещениях с повышенным уровнем радиации, в условиях относительной недоступности (в морских глубинах, на космических аппаратах и орбитальных станциях) и т.д. .

Медицинские роботы призваны автоматизировать труд врача и здравоохранения в целом. Работа в этой области помогла создать два уникальных направления в медицине. Первое направление — это телехирургия: хирург руководит роботом во время операции, непосредственно не контактируя с пациентом. Второе направление – это хирургия с минимальным вмешательством.

Отдельное направление – это медицинские тренажеры – оборудование для профессиональной подготовки специалистов, призванное облегчить отработку практических навыков без риска для пациентов. Медицинские тренажеры имитируют функциональные или физические модели организма человека. С помощью тренажеров можно создавать подобие экстремальной обстановки. Есть возможность остановить процесс в любой момент, обсудить ситуацию, проанализировать действия. При многократной работе с тренажерами формируются необходимые навыки .

Использование медицинских роботов повышает уровень автоматизации и облегчает труд врачей, уменьшает вероятности врачебных ошибок, ускоряет процессов возвращения пациентов к нормальному существованию после травм и заболеваний.

2. Виды робототехнических конструкторов

Можно ли создать робота самостоятельно? Что представляют собой 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 остановила свой выбор на конструкторе Lego Mindstorms, т.к. сегодня платформа Lego является безусловным лидером образовательной робототехники. Конструктор Lego Mindstorms EV3 появился в 2013 году и сразу же завоевал популярность. Полностью название набора звучит как Lego Mindstorms Education EV3. Где EV 3 – это evolution 3, то есть эволюция, развитие.

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. 

3. Mindstorms EV3 и среда его программирования

LEGO Mindstorms — конструктор для создания программируемого робота. 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 сервомотора;

•        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) (рис.17).

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. 

2.        Создание робота - помощника художника на основе конструктора Mindstorms EV3

Создание робота - помощника художника 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. Загрузка материала в робота;

5. Проверка проделанной работы.

2.1.        Составление задачи, какие действия должен выполнить робот

Определяя и экспериментируя с задачами для своего робота, я изучила среду программирования и поняла, что робот может быть абсолютно любым и способным выполнять самые разнообразные действия, например: робот-уборщик; робот, играющий с человеком в «крестики-нолики», робот - машинка. Я решила сама исследовать возможности конструктора LEGO Mindstorms EV3 и сконструировать Робота для помощи художнику.

Составила для Робота-помощника художника следующие задачи:

Роботизированное устройство состоит из сервомотора, который, в зависимости от программы, включает и выключает мешалку для воды, когда художник подносит кисть. Но вода вскоре станет грязной, но художник этого может не заметить (он же творческая личность!) и тогда полотно может быть испорчено. Поэтому, как только вода станет мутной, будет звучать звук - пора менять воду.

2.2.        Сборка робота

Собирать конструкторы LEGO – это мое хобби с раннего детства, поэтому на первом этапе сложностей для меня не возникло. Несмотря на внушительный арсенал набора LEGO Mindstorms EV3, при дальнейшей работе с роботом, конструкцию пришлось существенно дорабатывать, т.к. готовая модель не позволяла выполнить все условия поставленной мной задачи.

Оборудование и материалы: конструктор Lego Mindstorms EV3, краски, кисти, стакан для воды, компьютер.

В моей конструкции были использованы:

1. Большой сервомотор. Его размеры составляют 14х7х5 см. Скорость вращения -160-170 об/мин, крутящий момент 20 Н*см.

2. Датчик цвета способен распознавать семь основных цветов или определять их отсутствие. Для него не важно, о каком цвете идёт речь, отражаемом или рассеянном. Система прекрасно идентифицирует цвета в диапазоне от сумерек до яркого солнечного освещения.

3. Ультразвуковой датчик производит звуковые волны и читает их эхо, чтобы обнаружить и измерить расстояние до различных объектов, расположенных на расстоянии от 1 до 250 см. он может использоваться для обнаружения препятствий даже в кромешной темноте. Робот будет самостоятельно определять расстояние до объекта, и менять направление движения.

4. Детали из набора.

2.3.        Программирование робота на ПК

Этап программирования робота в среде Lego Mindstorms EV3 на ПК интересное занятие. 

Пиктографическое ПО LEGO MINDSTORMS EV3 (для PC/Mac) описывает увлекательные задачи и обладает программируемым интерфейсом, который позволяет научиться создавать роботов, которые делают то, что хочешь!

Чтобы выполнить поставленную задачу потребовалось изучить множество вариантов, составить большое количество элементарных программ для выполнения роботом несложных действий.

Сложность при составлении программы для «Робота-помощника художника» состояла в том, чтобы добиться точности включения и выключения мешалки и точно отрегулировать датчик цвета, подающий сигнал о смене воды. После этого мне стало ясно – для того чтобы робот был способен выполнить весь комплекс задач, нужно прописать в программе всю цепочку действий, каждый шаг, каждое движение.

3.4.        Загрузка материала в робота

Подключение робота к ПК осуществляется нескольким способами: через порт USB, Bluetooth (блютуз) соединение или Wi-Fi соединение. Я выбрала 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 можно визуально контролировать ход её выполнения (заголовки выполняющихся в данный момент программных блоков будут мерцать), можно все это отслеживать на компьютере. Также можно наблюдать текущие показания датчиков всё время, пока робот остается подключенным к среде программирования. Особенно когда я делала подбор определения цвета грязной воды для датчика цвета.

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

2.5.        Проверка работы

Сконструированный Робот-помощник художника, после загруженной в него программы, выполнял все действия, согласно изложенным задачам: включает и выключает мешалку для воды, когда художник подносит кисть, а как только вода станет мутной, звучить звук - пора менять воду.

Я считаю, что доказала тот факт, что изготовить простейшего робота своими руками возможно, изучив принцип работы робота и среду его программирования.

Выводы

Изучив историю робототехники, я узнала, что люди с древних времен хотели создать механизмы, которые могли бы выполнять вместо них тяжелую и вредную работу. Однако первые успехи в этом направлении появились только в середине 18 века. Одними из самых первых роботов того времени, были домашние механические куклы, созданные французским ученым Жаком де Викансон в 1738 году. Современная робототехника начинает формироваться в 60-х годах 20 века.

Исследовав виды современных роботов и функции, которые они выполняют, я узнала, что современная робототехника полностью основана на компьютерных технологиях. Современные роботы делятся на две категории: рабочие и домашние.

Изучив некоторые виды робототехнических конструкторов, для достижения поставленной цели - создание домашнего робота – я изучила принцип строения и работы робота на основе конструктора Mindstorms EV3 и среду его программирования. Важнейшими элементами конструктора являются микрокомпьютер (микропроцессор) EV3, сервомотор и четыре датчика. Программное обеспечение Mindstorms EV3 основано на LabVIEW, графическом языке программирования, которым пользуются ученые и инженеры по всему миру. Решение последней задачи нашей работы – 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.        загрузка материала непосредственно в робота;

5.        проверка проделанной работы.

Сконструированный мной робот - помощник после загрузки в него программы, выполнил все действия, согласно поставленным задачам.

Таким образом, по итогам проделанной работы, можно сделать вывод, что, изучив принцип работы робота и среду его программирования, можно изготовить простейший робот своими руками. То есть гипотеза подтвердилась, цель, и задачи проекта выполнены.

Работа над роботом-помощником еще не закончена, в планах – расширить её функции и попробовать разработать возможность смены воды.

Но учитывая, что в процессе изучения конструктора Mindstorms EV3, я увидела огромное количество вариантов созданных роботов на основе этого конструктора, теперь мне очень хочется попробовать что-то новое!

В заключение хочу сказать, что я очень рада, что у меня получилось собрать и запрограммировать робота-помощника, процесс был интересный и увлекательный, кроме того я узнала много нового.

Заключение

Еще недавно об использовании бытовых, домашних роботов можно было прочитать только на страницах фантастических романов. Но время идет, технологии развиваются, и все, что еще вчера казалось несбыточной мечтой, сегодня становится реальностью. Некоторые из домашних роботов могут выполнять различные функции, другие же предназначены для какой-то конкретной работы. Мы убедились, что действительно можно создать робота, выполняющего различные функции, в нашем проекте это робот - помощник художника. Работа с конструктором Lego Mindstorms EV3 была интересная и захватывающая.

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. Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. – М.; Мир, 2010.
4. Ф. Жимарши Сборка и программирование мобильных роботов в домашних условиях – М., НТ Пресс, 2008 г.
5. Клаузен, П. Компьютеры и роботы [Текст] / Пер. с нем. С.И. Деркунской. – Москва: Мир книги, 2006. – 48 с.
6. 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.
7. 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.
8. Промышленная робототехника: учеб. пособие / А.В. Бабич [и др.]. – Москва: Машиностроение, 1982. – 415 с.
9. Русецкий, А.Ю. В мире роботов [Текст]: Кн. для учащихся / А.Ю. Русецкий – Москва: Просвещение, 1990. – 160 с.
10. Филиппов, С.А. Основы робототехники на базе конструктора Mindstorms NXT [Электронный ресурс].
11. 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.
12. Д. Вильямс Программируемые роботы – М., НТ Пресс, 2006 г.

Перечень Интернет-ресурсов и других электронных информационных источников

13. Медицинские роботы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: medrobot.ru
14. Мир роботов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: roboting.ru
15. Карен Бреннан, Кристиан Болкх, Мишель Чунг, Креативное программирование  на языке Scratch, Гарвардская Высшая школа образования, интернет-издание http://scratched.gse.harvard.edu/guide/.
16. http://xn--90acabkb9cva.xn--p1ai/wp-content/uploads/2012/02/kniga-yunyh-programmistov-na-scratch.pdf.
17. myrobot.ru
18. easyelectronics.ru
19. roboforum.ru
20. roboclub.ru РобоКлуб. Практическая робототехника.