"Создание робота на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3"

Проект

"Создание робота на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3"

Усова Дмитрия

 ученика 7 класса

Содержание

Введение

1. Обзор истории робототехники
2. Современные рабочие роботы и функции, которые они выполняют
3. Виды робототехнических конструкторов
4. Методы исследования
5. Выводы

Введение

На протяжении многих веков люди изобретают механизмы и машины,  способные облегчить нашу жизнь, и современный человек едва ли сможет представить свою жизнь без них. 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.

Таким образом, актуальность данной работы обусловлена необходимостью создания робота своими руками. Противоречие между желанием создать робота своими руками, с  одной стороны, и отсутствием необходимых для этого знаний и умений, с другой стороны, определили проблему: возможно ли создание робота в домашних условиях. Все вышеизложенное и побудило выбрать тему проекта: «Создание робота на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3».

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

Объектом является конструктор LEGO Mindstorms EV3.

Предметом является принцип строения и работы робота на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

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

В соответствии с целью  были поставлены следующие задачи:

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

С целью достижения поставленных задач мною был разработан комплекс взаимосвязанных методов, включающий: 

• анализ материалов сети Internet;
• моделирование.       

1. Обзор истории 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. 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.

2. Современные рабочие роботы и функции, которые они выполняют

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 с программным или дистанционным 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.

3. Виды робототехнических конструкторов

Можно ли создать робота самостоятельно? Что представляют из себя 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. 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 .

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.

 Я остановил свой выбор на конструкторе Lego Mindstorms, т.к. сегодня платформа Lego является безусловным лидером образовательной робототехники. Наборами Lego Mindstorms оснащена наша школа, 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.

4.Методы исследования

 Mindstorms EV3 и среда его программирования

LEGO Mindstorms — конструктор для создания программируемого робота. В 2013 году в свет вышла модель  LEGO Mindstorms EV3 .

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 серво мотора;

• 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 ожить и осуществлять различные действия. 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 цвета дает возможность роботу определять цвет поднесенного к нему предмета, измеряет степень освещенности, рассеянный свет и отраженный свет.

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

1.сборка робота;

2.проверка проделанной работы.

Я решил сконструировать роботизированную машинку. Составил следующую задачу: «машинка» может двигаться  на определенном расстоянии: вперед-назад, повороты: плавные, квадратом.

Сборка робота

Несмотря на внушительный арсенал набора, сборка робота, при использовании наглядной инструкции, 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.

Проверка проделанной работы - сконструированная роботизированная машина, выполнила все действия, согласно условиям: «машинка» двигалась и выполняет различные действия я считаю, что доказал тот факт, что изготовить простейшего робота своими руками возможно.

Выводы

Изучив историю робототехники, я узнал, что люди с древних времен хотели создать механизмы, которые могли бы выполнять вместо них тяжелую и вредную работу.  

Исследовав виды современных роботов и функции, которые они выполняют, я узнал, что современная робототехника полностью основана на компьютерных технологиях.

Сконструированная мной роботизированная машинка, выполняет действия, которые мне необходимы. Таким образом, по итогам проделанной работы, можно сделать вывод, что,  изучив принцип работы робота, можно изготовить простейший робот своими руками. То есть гипотеза подтвердилась, цель и задачи проекта выполнены.

Работа над роботизированной машинкой еще не закончена, в планах –изучить программное обеспечение, расширить функции и использовать различные датчики.

  В заключение хочу сказать, что я очень рад, что у меня получилось собрать робота, процесс был интересный и  увлекательный, кроме того я узнал много нового.