Исследовательская работа
проект по окружающему миру (4 класс)

Первые шаги в науку

«Роботы в жизни школьника»

Выполнил:

Воронин Ярослав

Ученик 4 «В» класса    

МБОУ Школы № 99

Самара, 2019 г.

Оглавление:

                                                                                                    стр.

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………….….. 3

1. История появления роботов  ……….….....……………………………………. 4

2. Как устроены роботы и принцип их работы ………………….………………. 5

3. Роботы помощники ………………..……………………………………………. 7

4. Роботы в жизни школы ………………………………………………………… 9

5. Исследования и эксперименты………………………………………………… 11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………… 14

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …………………...………………………..…….….... 15

                                              ВЕДЕНИЕ

В современном мире все больше и больше людей отдают предпочтение технологиям будущего. Если раньше, роботы были чем то сверхъестественным, и заметки о них можно было прочитать только на страницах фантастических книг и журналов, то теперь роботы не новость, и встречаются повсеместно. То, что несколько лет назад было едва под силу взрослым ученым, в наше время доступно даже детям.

Робототехнические системы продолжают развиваться и постепенно проникают во все сферы человеческой жизни, такие как производство, строительство, медицина, сельское хозяйство, а также сферы развлечений, безопасности и личной помощи. Актуальность данной темы связана с активным процессом роботизации, то есть внедрением роботов в жизнь современного человека. К примеру, стиральная машинка-автомат - тот же робот, запрограммированный на стирку наших вещей, или плеер - тоже работ, компьютер - робот! Действительно, всё больше и больше новых технологий придумывают люди, чтобы облегчить себе жизнь, и называют их роботами. Но что это такое роботы и как они влияют на нашу жизнь?

Цель моей работы – собрать робота своими руками.

Для достижения своей цели, надо решить следующие задачи:

1. Ознакомиться с историей появления роботов.
2. Изучить, как устроены роботы.
3. Узнать, какие роботы помогают людям.  
4. Собрать подвижного робота «Школьного помощника».

     Гипотеза – допустим, что собрать подвижного робота из конструктора Лего своими руками вполне возможно.

Надеюсь, что собранный мною материал расскажет много интересного, раскроет историю возникновения, на первый взгляд обыденных вещей.

1.История появления роботов.

В одной из моих любимых книг «Роботы. Большая энциклопедия» я прочитал историю возникновения роботов. Роботы ассоциируются у большинства людей исключительно с новыми технологиями.  Однако идее создавать машины подобные людям, уже сотни лет. Существа, напоминающие современных роботов, можно найти даже в мифологии и литературе. Например, механический голубь греческого математика Архита из Тарентума (Приложение 1), построенный им несколько тысячелетий назад.

Задолго до появления современных роботов существовали небольшие механические фигурки на основе часовых механизмов (их нужно было заводить, как механические часы), которые умели двигаться, рисовать, играть на музыкальных инструментах. Например, механический рыцарь, которого изобрел Леонардо да Винчи (Приложение 2) и механическая утка, которую изобрел французский инженер Жак де Вокансон (Приложение 3).

Слово «робот» вошло в речь с легкой руки чешского писателя Карела Чапека. В своей пьесе «Россумские Универсальные Роботы», опубликованной в 1920 г. он описал фабрику, производящую «искусственных людей», которых и называл роботами.  

В 20-том веке для выставок стали конструировать роботов, которые уже были похожи на современных. В 1939 году в Америке был построен двухметровый робот «Электро». Внутри робота находился мотор и патефон, благодаря которым «Электро» мог поворачивать голову и издавать звуки, похожие на речь. Вместе с «Электро» был создан механический пёс «Спарко», который умел ходить, лаять и поворачивать голову по команде.

После изобретения в 1940 году компьютера, стали появляться электронные промышленные роботы. Первым роботом, освободившим человека от трудной и опасной работы, в 1962 году стал робот «Юнимейт». Он работал на автомобильном заводе «Дженерал моторс», его работа заключалась в передаче и перемещении горячих деталей после их изготовления.

К настоящему времени  роботы продолжают развиваться.

2. Как устроены роботы и принцип их работы.

Роботов производят во всем мире. Они могут быть совершенно не похожи на людей, а может быть и наоборот. Тем не менее, многие не имеют ни малейшего представления о том, как и из чего их делают и с какими проблемами сталкиваются инженеры и как их преодолеть.

Я посмотрел передачу, где рассказывали, что обычный робот обладает подвижной физической структурой, электродвигателем определенного рода, системой сенсоров (датчиков, органов чувств), блоком питания и компьютерным «мозгом», который контролирует все эти элементы. По существу, роботы - это техногенные версии животной жизни. Это машины, которые копируют поведение людей и животных (Приложение 4).

Большинство робототехников (людей, которые делают роботов) указывают, что роботы обладают программируемым мозгом (компьютером), который движет тело. Согласно этому определению, роботы отличаются от других подвижных машин вроде автомобилей, поскольку у них есть компьютерный элемент. Роботы отличаются от обычных компьютеров по своей физической природе - у обычных компьютеров нет физического тела.

У подавляющего большинства роботов действительно есть общие черты. Прежде всего, почти у всех роботов есть подвижное тело. Некоторые обладают только моторизованными колесами, у других есть десятки подвижных сегментов, как правило, из металла или пластика.

Мой дядя разбирается в технике и он объяснил, что корпус большинства роботов состоит из отдельных подвижных и неподвижных частей. Вот основные из них:

Внутренний контроллер.

Каждый робот оснащен контроллером- компьютерной операционной системой. Контроллер- это мозг любого робота. Он содержит всю необходимую информацию для выполнения задач и указаний.

Источник энергии.

Роботам необходим источник энергии. Одни работают от батарей.

Другие оснащены фотоэлементами, которые преобразуют солнечный свет в энергию. Механические роботы заводятся с помощью пружинного механизма.

Дистанционное управление.

Роботы, которые работают на других планетах, такие как марсоход, оборудованы внутренними контроллерами, но ими также можно управлять с Земли. По снимкам оператор определяет, куда должен двигаться робот и какую задачу ему нужно выполнить.

Сенсоры света и звука.

С их помощью робот может распознавать свет, исходящий от объектов, определять звуковые волны. Эта функция помогает либо обходить различные предметы, либо идти к ним навстречу. Не у всех роботов есть система сенсоров, и лишь некоторые обладают способностью видеть, слышать, чувствовать запах или вкус. Самая распространенная способность робота — способность ходить и наблюдать за своим перемещением. Светодиод на одной стороне колеса пускает луч света через щель, чтобы подсветить датчик света на другой стороне колеса. Когда робот движет определенным суставом, колесо с щелью крутится. Щель разбивает луч света по мере вращения колеса. Световой датчик считывает поведение светового луча и передает данные на компьютер. Компьютер точно может сказать, как вращается сустав в определенной модели. По тому же принципу работает компьютерная мышь.

Также в корпус робота может быть встроено устройство распознавания голоса, с помощью которого человек отдает машине устные приказы.

Датчики давления.

Некоторые роботы оборудованы датчиками давления, которые имитируют осязание. У этих сенсоров, как правило, два назначения. Они сообщают роботу о том, что он ударился о какой-нибудь предмет и должен сменить направление движения, а также позволяют правильно захватить и поднять объект.

Это основы робототехники. Робототехники могут комбинировать эти элементы в бесконечное число способов создания роботов неограниченной сложности.

3. Роботы помощники.

Посмотрев научный фильм Discovery, узнал, что существуют:

Промышленные роботы больше всего используются для изготовления и сборки автомобилей. Они могут покрасить кузов, приварить друг к другу детали и собрать детали автомобиля как конструктор. Например, робот - «рука» на автомобильном заводе осуществляет сварку деталей. «Скайуош» - огромный робот – рука длиной 33 метра моет самолеты всего за три часа.

Обслуживающие роботы помогают людям в больницах, офисах, домах и садовых участках. В таких роботах встроены сенсоры, которые могут обнаружить любое препятствие, и помогают роботам свободно передвигаться, не на что не натыкаясь. Например, домашние роботы -уборщик «ИРТ» самостоятельно моет пол в комнате. Робот-помощник «Робови» может возить в магазине тележку с продуктами, и подсказывать какие из них надо купить. Робот-повар «Мотомэн» получив голосовые указания от человека, готовит еду.

Роботы-спасатели, это современные мобильные  роботы  на службе во вредных или опасных для человека условиях. Например: при ликвидации последствий аварий; для тушения пожаров; для подводных работ; при работе с взрывоопасными предметами; могут проникать в узкие щели между обрушившимися плитами в зданиях после землетрясений.  

Использование мобильных  роботов  в таких условиях позволяет человеку не рисковать своей жизнью и здоровьем. Эти роботы участвуют в операциях по спасению людей при катастрофах, обезвреживают взрывные устройства, отыскивают места утечки опасных газов, чтобы не произошел взрыв. Например, робот-«змея» может двигаться внутри газовой трубы. Его видеокамеры и датчики отыскивают места поломки трубопровода и места утечки газа. Промышленный робот «Рози» помогал людям разбирать сломавшийся ядерный реактор.

Роботы-шпионы (Приложение 5). Большинство людей не замечают, что рядом с ними повсюду действуют роботы-полицейские, роботы-охранники и роботы-шпионы. Роботы охраняют важные объекты и добывают секретную информацию о террористах. Робот-шпион «Сайфор» очень похож на летающую тарелку, он может зависнуть в воздухе напротив окна высотного здания, посмотреть, что происходит в помещении, может сбросить подслушивающее оборудование. Существует летающий робот «Драгонфлай» размером с кончик пальца, похожий на маленькую муху, который может следить за опасными преступниками и выводить боевые ракеты на цель.

Роботы-врачи. Роботы успешно проводят операции на глазах, на головном мозге, используя очень тонкие инструменты. Роботы могут круглосуточно вести наблюдение за больными, которым требуется постоянный уход. Роботы никогда не устают и их стальные руки не дрожат после нескольких часов работы. Во время операций роботов-хирургов контролируют врачи за компьютерным экраном и панелью управления и видит перед собой орган, который оперируется и все действия робота. Врач управляет роботом при помощи джойстиков, а робот при этом повторяет все движения врача. При этом врач может находиться в другом городе.

Исследователям из Канады удалось запустить в артерию человека крошечного наноробота (Приложение 6) . Нано означает, что размер робота очень-очень маленький, почти невидимый. Если один миллиметр разделить на миллион частиц и взять одну частицу – вот такого размера будет наноробот . Такой робот может быть запущен в организм человека через иголку шприца, чтобы  исследовать кровь и клетки человека и искать в них пораженные места.

Роботы в космосе. В космосе тоже работают роботы. Людям для работы в космосе нужны воздух, вода, еда и разные инструменты, а роботам для работы в космосе нужен только источник энергии. Например, робот «Соджорнер» был первым роботом-вездеходом, оказавшимся на поверхности Марса. Отсутствие на Марсе кислорода, воды и высокая температура (до 100 градусов) затрудняют исследование этой планеты людьми.

В будущем роботы смогут выполнять всё, что может человек. Человек больше не должен будет работать, всё будет обеспечиваться трудом роботов. Люди будут значительно больше заниматься творчеством, отдыхать и наслаждаться жизнью.

4. Роботы в жизни школы.

Электронные доски, сенсорные панели, роботы вместо учителей — такими еще 30 лет назад представляли себе школу ХХІ века писатели-фантасты. Теперь это реальность. Роботы становятся неотъемлемой частью системы образования. Они начинают вести уроки, участвовать в учебных играх и даже делать презентации.  Для чего «они» школе?

В зависимости от назначения роботы в школе могут выполнять разные роли. Ниже приведены примеры.

1. Посредники для детей, которые не могут ходить на уроки.

Тяжелые травмы или их последствия, сбои в иммунитете и другие серьезные недуги не позволяют многим детям наравне со сверстниками посещать школу. Специально для них предназначены роботы-посредники (Приложение 7).

Наиболее яркий пример — робот VGo for Remote Students.  В Техасе школьника Линдона Бати из-за болезни он не может ходить на уроки. За мальчика это делает его «BatyBot», как называют робота в школе.

По утрам Линдон дома садится за компьютер и включает своего “удаленного друга”. Последний в течение дня находится в учебных аудиториях и выполняет команды мальчика на расстоянии: транслирует происходящее, передвигается, организует общение с классом и учителями.

2.  Наставники для детей с аутизмом. Детей-аутистов очень запутывают и отвлекают от учебного процесса мимика и невербальные сигналы окружающих. Поэтому роботы с их неизменными видом — идеальные наставники для них. Всемирно известного Nao разработала французская компания Aldebaran Robotics (проект стартовал в 2004 году). C 2008-го учебный человекоподобный робот применяют в университетах, институтах и лабораториях. Nao имеет 2 видеокамеры и функцию распознавания речи. Поэтому он отлично помогает детям с аутизмом изучать многие предметы (Приложение 8).

3.  Программируемые роботы для игрового обучения.

Именно эти роботы выпускают массово, как в готовом виде, так и для сборки (конструктор). Простые в обращении они завоевали любовь многих детей и преподавателей. Производители дали шанс всем желающим стать разработчиками - собрать робота своими руками и запрограммировать его. Параллельно учащиеся могут освоить азы робототехники и просто поиграть.

Один из самых популярных — крошечный робот Edison австралийской компании Microbric. Целью разработчиков было сделать из него забавного помощника для учителей информатики. Так и получилось. Собрать робота из конструктора и запрограммировать его могут дети в возрасте 9 лет и старше. Edison может общаться со своими электронными собратьями и даже соединяться в поезд. Его легко подключить к роботам и игрушкам компании LEGO (Приложение 9).

Преимущества программируемых роботов:

• высокая мобильность;
• модульность, совместимость с другими роботами;
• изучение робототехники на практике;
• написание простых программ;

4. Роботы телеприсутствия — “заменители” учителей.

С помощью роботов телеприсутствия преподаватели могут вести урок из любого места. Первые находятся в учебных аудиториях. Их камеры и датчики — глаза и уши учителя. Сигнал (речь и изображение) транслируется в планшеты, смартфоны и ноутбуки учеников или на большой монитор. Это делает роботов телеприсутствия удобными для дистанционного обучения.

Активнее всего робототехнику в образовании использует Южная Корея. В школах очень популярен Robosem компании Yujin Robot. Этот робот телеприсутствия позволяет удаленному учителю вести уроки английского языка. В отдельных случаях Robosem может справиться без человека и обучать детей самостоятельно.

Но в отличие от робота учитель способен мотивировать ребенка собственным примером, заражая его любовью к предмету, ведь даже алгебру можно преподавать эмоционально. Когда ребенок смотрит на учителя, который увлечен своим делом и счастлив, то он стремиться стать таким же. С твердой уверенностью можно сказать, что ни одному роботу это не под силу.

5. Исследования и эксперименты.

Овладев теоретическими знаниями про устройство роботов, можно смело переходить к практике.

У меня есть уже один школьный помощник – это интерактивный глобус. Он помогает стать более эрудированным и образованным, по крайней мере, в области географии, истории, биологии, зоологии, астрономии, мироустройство, освоение иностранных языков. Для этого достаточно взять в руку умную ручку-указку и, коснувшись ей любой страны на глобусе, получить массу полезной информации. Обзоры всех стран мира, столицы, города, климат, время, история, язык, количество населения, гимны, валюта, флаги государств мира и Российской Федерации и многое другое. Кроме того, эти умные глобусы имеют дополнительно интерактивную карту России для изучения субъектов федерации. Многочисленные игры для игроков от одного до четырех человек. Эти игры помогают лучше изучать карту мира. Информацию умного говорящего глобуса можно регулярно обновляеть через сеть Интернета. Также можно установить программу на одном из иностранных языков и для разных возрастных категорий.

Мне пришла в голову интересная мысль - собрать робота школьного помощника собственными руками. Потому что каждый раз, после того как я делаю уроки, то по всему столу лежат ручки, карандаши, линейка, ластик. А мой задуманный помощник, может справится с задачей, собрать их в пенал.

Существует много видов конструкторов, но самым популярным и уникальным является Лего. С этим конструктором знакомы, я думаю все. Уникальный он, потому что все его детали подходят друг к другу и можно соединять несколько наборов.  Я поступаю так давно. Дело в том, что для меня любое конструирование, это не просто четкая сборка по инструкциям, а когда можно придумывать и самому, какой будет мой результат.

Я взял набор конструктора Лего техника «Гусеничный погрузчик» и инструкцию по сборке. Спустя некоторое время появился результат труда (приложение 10).

При соответствующей его настройке при помощи планшета или компьютера, он способен ехать, поворачивать корпус, поднимать ковш. Для этого нужно собрать его в задуманной версии и «оживить» при помощи построенного на значках интерфейса программирования.

Общий вид конструктора:

Для робота - школьного помощника использую  следующие основные части конструктора (приложение 11):

«Модуль EV3» служит центром управления и энергетической станцией для робота;

порты для подключения датчиков к модулю EV3;

мини USB PC порт для подключения «модуля EV3» к компьютеру;

USB порт для подключения Wi-Fi-адаптера и «организации последовательного опроса»;

Инфракрасный маяк. Дистанционно управляет роботом, а также может быть использован в качестве отслеживающего устройства.  

Чтобы приводить робота в движение используются 6 электромоторов.  

В качестве приводной платформы на них устанавливаются гусеницы для лучшей маневренности.  

В механизме захватывающего устройства используются коническая передача, зубчатая передача и кулачковый механизм.  

Итак, конструирование завершено – модель робота – школьного пощника готова (Приложение). Но мало собрать робота. Надо научить его двигаться, «жить». Для этого он должен быть «обучен», запрограммирован. С этой целью в конструкторе существует возможность программирования с помощью следующих Блоков (схем).

Это Блоки действий. Они управляют действиями в рамках программы, контролируют вращение моторов, а также изображения, звук и подсветку модуля EV3. Из блоков действий будем использовать программные блоки.

Программные блоки - операторы. Они управляют процессом выполнения программ. Все создаваемые программы будут начинаться со стартового блока. Для этого понадобятся цикл, начало программы и переключатель.  

Осознавая и полностью вникнув в задачу, которую ставлю перед собой при конструировании робота, получаю необходимый результат.

Как же программируется робот? Для этого необходимо скачать специальную программу EV3 PROGRAMMER на планшет или компьютер. С помощью подключения «Модуля EV3» к компьютеру через порт мини USB и используя необходимый набор Блоков, задаем алгоритм действий моего робота. Такое программирование называется графическим или визуальным. Пример программирования Блока мотора. С помощью переключателя задается режим зажатия или разжима.

Мощность привода программируется с помощью ползунка. К примеру, в блоке параллельных моторов нашей программы установлена мощность привода 75% от максимальной.

Каждый программный Блок заставляет робота реагировать определённым образом. Используя различные сочетания Блоков, я научил своего робота ехать, поворачивать кабину, поднимать и опускать стрелу ковша. В итоге получилась довольно сложная программа. Внутри цикла расположены переключатели, которые привязаны к инфракрасному датчику. Каждый переключатель привязан к определенной кнопке или комбинации кнопок инфракрасного пульта управления. Их нажатие приводит к определенным действиям: вращению мотора, включению приводной платформы, включению определенного механизма. Учитывая то, что цикл неограниченный, робот будет работать до тех пор, пока его не отключат или не сядут элементы питания.

Анализ возникших неисправностей позволяет предположить, что правильное, корректное, эргономично сбалансированное построение механической части является важным элементом в роботостроении. В то же время без успешной и грамотно построенной программы любой робот является просто набором бесполезных деталей.

Когда я демонстрировал робота – школьного помощника в классе перед ребятами. Всем захотелось иметь такого школьного помощника.

В самом начале, я даже и не мог подумать, что оказывается собрать робота своими руками вполне возможно.

                                ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Данная тема является актуальной, так как современное общество все больше и больше использует автоматизированную технику.

Роботы в нашей жизни не новинка, и не нечто нереальное, а то, что мы видим каждый день. Мы так привыкли к ним, что просто не придаём им никакого значения. Однако, стоить помнить, что роботы никогда не заменят людей, они не живые, а созданными нами устройства. Конечно, мы можем и будем пользоваться и дальше робототехникой, но мы должны понимать, что роботы – это ничто, по сравнению с человеческим гением.

В процессе исследовательской работы я узнал, что ценность автоматизированной техники заключается в том, что снижается необходимость усилий для выполнения сложной работы. В этой работе удалось выявить основные плюсы и минусы современной роботизации. Познакомились с  историей первых роботов. Выяснил, что существует два основных типа роботов: промышленные - те, которые трудятся на заводах и фабриках и обслуживающие - те, которые работают в домах, офисах, в парках и садах.

Согласно результатам проведенного исследования, можно сказать, что нынешнее поколение младших школьников вполне готово к использованию роботов в личной жизни. Более того, робота можно собрать самостоятельно в домашних условиях. Чтобы одолеть путь от деталей конструктора до управляемого робота, необходимо пройти 4 важных этапа: конструирование модели, программирование, испытание и демонстрацию. Робот – школьный помощник выполняет команды, которые он получает через пульт дистанционного управления,  он заменяет определенные функции человека и приносит реальную пользу. Утомительный и скучный процесс по сбору карандашей, ручек и ластика превратился в увлекательное и захватывающее занятие.

Таким образом, в ходе исследовательской работы: цель достигнута, задачи решены, гипотеза подтверждена.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.

1. Брага Ньютон, «Создание роботов в домашних условиях»., НТ Пресс; 2007 г.
2. Детская энциклопедия. Техника будущего., М; изд.Литера, 2007 г.
3. Джозеф Лентин «Изучение робототехники»., ДМК - Пресс; 2019 г.
4. Дуглас Вильямс, «Программируемый робот, управляемый с КПК»., НТ Пресс; 2006 г.
5. Роботы будущего- Петр Шадрин ,М.; изд . Махаон, 2014г.
6. Клайв Гиффорд «Роботы такие похожие на людей»., РОСМЭН; 1998 г.
7. Филиппов С.А. «Робототехника для детей и родителей». – СПб.: Наука, 2013 – 319 г.
8. Шеска Дж. «Франк Эйнштейн и живые роботы» (пер.с англ. А. Блейз). – М.:АСТ, 2015 – 192с.
9. Шмид Д. «Управляющие системы и автоматика». М.: Техносфера, 2007.

ИСТОЧНИКИ:

1. https://edugalaxy.intel.ru

2. http://itpoznanie.ru/robotics

3. https://sites.google.com/site/mirkonferenc/home

4. http://www.dignum.ru/articles/electronic/istorija-pojavljenija-i-razvitija-robotov.html 

5. http://ru.wikipedia.org/wiki/Робот 

6. http://adxfx.ru/books/item/f00/s00/z0000004/st042.html