Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 9 им. Р. В. Лонкунова»

МР «Мирнинский улус (район)»

Исследовательский проект по информатике

«Создание гуманоидного робота на основе конструктора  

Lego Mindstorms EV3»

Автор работы: Леверьев Степан, учащийся 7-го класса.

Руководитель: Егоров Н. А., учитель информатики и физики.

с. Таас-Юрях, 2023 г.

Содержание

Введение        3

1.        История развития робототехники.        4

2.        Современные роботы и их функции, которые они выполняют.        6

3.        Виды робототехнических наборов и конструкторов.        7

4.        Lego Mindstorms EV3 и его среда программирования.        8

5.        Создание робота на основе конструктора Mindstorms EV3        10

Заключение        12

Список литературы        13

Введение

Начиная с Древнего Египта люди изобретают механизмы и машины, способные облегчить нашу жизнь, и в XXI веке едва ли сможет человек представить свою жизнь без них. Ежедневно создаются новые устройства и улучшаются существующие. Таких устройств существует огромное количество, но, безусловно, самым высоким достижением человеческой мысли является создание роботов.

Робототехника – это прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем.

Лего-робототехника – это проектирование и конструирование различных механизмов – лего-роботов, имеющих модульную структуру и обладающих микрокомпьютерами. Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью создания гуманоидного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Противоречие между желанием создать гуманоидного робота похожим на андроида и отсутствием необходимых для этого знаний и умений определили проблему: возможно ли создание гуманоидного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3, что и побудило выбрать тему проекта: «Создание гуманоидного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3».

Целью данной работы является создание гуманоидного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Объектом исследования является конструктор Lego Mindstorms EV3.

Предметом исследования является принцип строения и работы гуманоидного робота на основе конструктора Lego Mindstorms EV3.

В основу данной работы положена гипотеза, согласно которой, изучив принцип строения и работы различных роботов на основе конструктора Mindstorms EV3, возможно ли самостоятельно создать гуманоидного робота.

В соответствии с целью и гипотезой были поставлены следующие задачи:

1. изучить историю робототехники;
2. исследовать виды современных роботов и функции, которые они выполняют;
3. исследовать виды робототехнических наборов и конструкторов;
4. изучить принцип строения и работы робота на основе конструктора Mindstorms EV3 и среду программирования LabVIEW;
5. создать робота на основе конструктора Mindstorms EV3.

1. История развития робототехники.

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.

История робототехники неразрывно связана с большинством изобретений, сделанных человечеством. Робототехника неразрывно связана с историей развития науки, техники и 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. Первые роботы в мире появились в Древнем Египте около 300 года до н. э. На острове Фарос действовал маяк, на котором установили 2 человекоподобные фигуры. С наступлением сумерек они светились искусственным светом. По ночам роботы периодически поворачивались вокруг своей оси, били в колокол и шумели. Конструкцию собрали, чтобы заранее бесперебойно оповещать приходящие с моря корабли о близости берега.

В 1738 веке механику из Франции Жак де Вокансону удалось собрать механизм, повторяющий анатомию человека. Конструкция не умела ходить, зато умела играть на флейте. Внутри механизма стояли пружины, рычаги и приспособления для нагнетания воздуха. Механический флейтист играл на инструменте, словно человек: воздух направлялся через искусственные губы, а ноты перебирались с помощью подвижных пальцев.

Сегодняшняя робототехника сформировалась в 60-х годах XX века. Изобретатели вложили много сил в разработку роботов-манипуляторов, но одним из самых важных изобретений стал робот из США 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 несчастных случаев на производстве.

В 1966 году в США был создан робот Shakey (Шейки), который является первым роботом, способным рассуждать. В то время как другим роботам требовались инструкции для каждого конкретного шага, Шейки мог анализировать команды и разбивать их на простые части. Проект объединил исследования в области робототехники, компьютерного зрения и обработки естественного языка, поэтому это был первый робот, сочетавший логический анализ с физическими действиями.

2. Современные роботы и их функции, которые они выполняют.

Современная робототехника полностью основана на компьютерных технологиях, поэтому без компьютеров современные роботы не могут функционировать. Сегодня роботов можно разделить на две категории: 1) рабочие – это роботы, которые сконструированы для служебных задач; 2) домашние. Далее 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, которые человек не может выполнить. Применение промышленных роботов увеличивает производительность оборудования и выпуск продукции, улучшает качество продукции, помогает экономить материалы и энергию.

Роботы-манипуляторы широко применяются в промышленности для автоматизации технологических процессов при конвейерной сборке различных изделий (автомобили, микросхемы и т. п.), сварке, окраске, перемещении грузов и т. д. Особое значение имеет применение роботов-манипуляторов при работе с вредными химическими веществами, при обезвреживании взрывных устройств, в литейных цехах, на различных заводах, в помещениях с высоким уровнем радиации, на морских глубинах, на космических аппаратах и т. д.

Медицинские роботы применяются для автоматизации работы врача и различных процессов в здравоохранении. Роботы в этой области применяются в телехирургии – хирург руководит роботом во время операции, непосредственно не контактируя с пациентом. Существуют также медицинские тренажеры – оборудование для профессиональной подготовки будущих врачей, призванное облегчить отработку практических навыков без риска для пациентов. При многократной работе с тренажерами у врачей формируются необходимые навыки, т. к. медицинские тренажеры имитируют функциональные или физические модели организма человека. Использование медицинских роботов повышает уровень автоматизации, уменьшает количество ошибок и облегчает труд врачей.

3. Виды робототехнических наборов и конструкторов.

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

Можно ли создать гуманоидного робота самостоятельно? Какие существуют конструкторы для сборки и программирования роботов? Рассмотрим несколько вариантов конструкторов, которые существуют на данный момент.

Из конструктора серии TETRIX можно строить прочных металлических роботов на радиоуправлении и создавать программируемых роботов, используя оборудование и программное обеспечение Lego Mindstorms EV3.

Конструктор MATRIX похож на конструктор TETRIX, в нем используются металлические детали и программное обеспечение Lego Mindstorms EV3.

Самой популярной платформой любительской и образовательной робототехники является Arduino. Он состоит из серии плат ввода-вывода. Плата имеет аналоговые и цифровые порты, к которым можно подключать различные устройства: светодиоды, датчики, кнопки, моторы, сервоприводы и т. д. Наборы Arduino производятся в Италии, в Китае, также есть российские разработки.

Компания Lego является лидером в образовательной робототехнике. Наборами Lego Mindstorms пользуются дети во многих странах мира. Главное достоинство конструктора Lego Mindstorms EV3 – это простота и скорость сборки роботов, также это один из наиболее удобных и приятных способов для детей начать свое знакомство с робототехникой.

4. Lego Mindstorms EV3 и его среда программирования.

Lego Mindstorms EV3 – конструктор для создания программируемого робота, производился с 2013 г. по 2020 г. Помимо обычных деталей Lego (балки, оси, пластины и пр.) в набор EV3 входят:

• ультразвуковой датчик, датчик цвета, гироскопический датчик, датчик касаний, инфракрасный датчик;
• перезаряжаемая аккумуляторная батарея;
• 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.

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

Программное обеспечение (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:

• выключить;
• включить и вращать;
• включить в течение определенного количества секунд;
• включить и повернуть на определенный градус;
• включить и повернуть фиксированное число раз.

Есть широкий спектр программных блоков на выбор. Они сгруппированы в 6 категорий:

• действие (зеленый);
• управление потоком (оранжевый);
• датчики (желтый);
• операции над данными (красный);
• дополнительные (синий);
• мои Блоки (циановый).

Интуитивно понятный интерфейс позволяет сначала создавать простые программы, а затем развивая свои навыки программирования, делает возможным создание сложных многоуровневых программ и проведение различной экспериментальной работы.

5. Создание гуманоидного робота на основе конструктора Mindstorms EV3.

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

• составление задачи: какие действия должен выполнить робот;
• сборка робота;
• программирование робота на ПК согласно условиям задачи;
• выгрузка материала непосредственно в робота;
• проверка проделанной работы.

1. 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 танцевать;
• робот-уборщик;
• робот, играющий с человеком в шашки, робот-машинка.

Я решил сконструировать гуманоидного робота. Составил следующую задачу: робот ходит на двух ногах, управляемых большими моторами, и может поворачивать голову и двигать руками с помощью среднего мотора.

2. Сборка робота.

Сборка робота 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 таким образом, чтобы сделать робота интерактивным и реалистичным.

3. 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 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.

4. Выгрузка материала непосредственно в робота.

Подключение робота к ПК осуществляется несколькими способами: через порт USB, Bluetooth 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 мерцают). Также можно наблюдать текущие показания датчиков, пока робот остается подключенным к среде программирования.

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

5. Проверка проделанной работы.

Сконструированный гуманоидный робот, после загруженной в него программы, выполнил все действия, согласно изложенным условиям: робот ходит на двух ногах и может поворачивать голову и двигать руками. Я считаю, что доказал тот факт, что изготовить простейшего гуманоидного робота своими руками возможно, изучив принцип работы робота и среду его программирования.

Заключение

Изучив историю робототехники, я узнал, 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 XVIII века. Одними из самых первых роботов того времени, были домашние механические куклы, созданные французским ученым Жак де Викансоном в 1738 году. Современная робототехника начинает формироваться в 60-х годах XX века.

Исследовав виды современных роботов и функции, которые они выполняют, я узнал, 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 гуманоидного робота – я изучил принцип строения и работы робота на основе конструктора Mindstorms EV3 и среду его программирования. Важнейшими элементами конструктора являются микрокомпьютер (микропроцессор) EV3, сервомотор и датчики. Программное обеспечение Mindstorms EV3 основано на LabView, графическом языке программирования, которым пользуются ученые и инженеры по всему миру.

Решение последней задачи моей исследовательской работы – создание гуманоидного 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.

Сконструированный мной гуманоидный робот после загруженной в него программы, выполнил все действия, согласно изложенным условиям. Таким образом, по итогам проделанной работы, можно сделать вывод, что, изучив принцип работы робота и среду его программирования, можно изготовить простейший гуманоидный робот своими руками. То есть гипотеза подтвердилась, цель и задачи проекта выполнены.

В заключение хочу сказать, что я очень рад, что у меня получилось собрать и запрограммировать гуманоидного робота, процесс был интересный и увлекательный.

Список литературы