Первые шаги в науку. Всероссийская детская конференция «Первые шаги в науку», г. Ростов-на-Дону, 2 декабря 2017 года

Анна Виневская

В книге опубликованы работы победителей Всероссийской конференции для школьников «Первые шаги в науку», которая прошла 2 декабря в г. Ростове-на-Дону.

Робот-помощник

Щёголев Милан,

МБОУ Школа №107, г. Ростов-на-Дону

Научные руководители: Куликова Наталья Юрьевна,

Алифанов Владислав Иванович

Сегодня роботы вошли в нашу жизнь в разных областях. Они летают в космос и 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.

Я занимаюсь в детской школе высоких технологий «Технодром» — это мое увлечение, и я решил посвятить свой исследовательский проект именно этой теме.

Цель проекта: создать робота — помощника, который служит для прокладывания дорог без непосредственного присутствия людей, в труднодоступной местности и доказать, что робототехника может быть не просто игрой, а серьезным занятием, которое может в дальнейшем стать профессией.

Задачи проекта:

— Изучить историю роботов.

— Собрать и спрограммировать подвижного робота из конструктора Lego Mindstorms.

— Формулировка выводов.

Основные методы создания — исследование, моделирование, конструирование и программирование нашей модели с помощью конструктора LEGO MINDSTORMSEV3 и дополнительных датчиков.

Компания Lego основана в 1932 году. Ее основатель — датчанин Оле Кирк Кристиансен. Будучи плотником, он сначала основал фирму по производству изделий для дома, а позже занялся еще и производством деревянных кубиков для детей. Фирма получила название Lego, соединив датские слова leg — играть и godt — хорошо.

В 1947 году компания Lego начала выпуск пластиковых игрушек и уже в 1949 появились знаменитые защелкивающиеся кирпичики Lego.

Основными идеями Lego являются модульность и совместимость. Хотя кирпичики за 65 лет своего существования меняли дизайн и форму, они абсолютно совместимы между собой. Современные элементы вполне можно присоединить к элементам 40-летней давности.

Сегодня сфера деятельности Lego конечно много шире, чем производство игрушек. Компания создает одежду, фильмы, игры, организует конкурсы, в том числе робототехнические. В мире открыты музеи Lego тематические парки развлечений — леголенды, которые практически полностью построены из кубиков Lego.

Из Lego можно собирать модели автомобилей, самолетов, кораблей, зданий, и, конечно, роботов. С конца прошлого века Lego выпускает специальный робототехнический конструктор, который сегодня стал лидером образовательной робототехники.

Идея добавить к стандартным деталям Lego электронный программируемый блок, датчики и электродвигатели, сделать программирование простым и понятным детям и разработать специальный конструктор для создания роботов оживила не только Lego-конструкции, но и всю компанию. С 1991 года 11 лет подряд компания несла убытки. И именно робототехническое направление спасло ситуацию. Впервые робототехнический конструктор Lego Mindstorms RCX был представлен в 1998 году. B 2006 году вышла вторая версия конструктора — NXT, и в начале 2013 года появился EV3 (сокращение от Evolution 3).

Mindstorms RXT. Эта версия мало напоминала современную. Это был набор стандартных деталей вроде осей, колес и шестеренок, к которым прилагался процессор, инфракрасный двунаправленный порт, дисплей со встроенным динамиком и несколько датчиков. Конечно, с таким набором деталей особо не пофантазируешь, а того количества инструкций, которое можно найти сегодня, увы, не было. Но тем не менее именно этот конструктор вызвал немалый ажиотаж и дал жизнь линейке LEGO Mindstorms. Создатели хорошо поработали над расширением возможностей и ресурсов данной серии и вскоре запустили в продажу новый вариант конструктора.

Mindstorms NXT В 2006 году в продаже появилось второе поколение роботов Mindstorms, которое было названо NXT. Стоит заметить, что было несколько вариантов этой серии. В 2009 году вышла версия NXT 2.0, которая несколько отличалась от своих предшественников и содержала 613 кубиков. В ней, помимо стандартных базовых деталей, появились уже более совершенные элементы, которые позволяли разнообразить вариации сборки и увеличить функциональность набора. В комплект NXT 2.0 входили также: Программируемый блок. 3 сервомотора, которые можно использовать в качестве датчиков поворота. Сенсор цвета, умеющий определять основные цвета. Два сенсора прикосновения. Ультразвуковой сенсор, способный определить расстояние до объектов и реагирующий на движение. Множество осевых и шестереночных механизмов, которые позволяют приводить в движение отдельные части. Благодаря всем этим нововведениям собранный из конструктора робот мог сортировать по цвету небольшие детали или шарики, двигаться и выполнять маневры, обходя препятствия и т. д. А особо продвинутые любители смогли запрограммировать своего бойца на сборку кубика-рубика. Впрочем, возможно, это всего лишь миф?

Mindstorms EV3 Современный набор EV3 появился на рынке в 2013 году и сразу нашел массу поклонников, ведь состав конструктора был улучшен, в нем появилось еще больше разнообразных датчиков и сенсоров. Его отличительной чертой стала операционная система LINUX и увеличенная до 16 МБ оперативная память. Кроме того, стал больше дисплей, появилась поддержка Wi-Fi и Bluetooth. Все это позволило создателям вволю пофантазировать! Только на официальном сайте LEGO Mindstorms инструкции представлены на 17 вариантов сборки (в коробке есть руководство только для одной модели) из доступных 601 детали. А на любительских форумах можно отыскать более 50 моделей!

РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМЛЕКС LEGO MINDSTORMS это конструктор (набор сопрягаемых деталей и электронных блоков) для создания программируемого робота. Он комплектуются набором стандартных деталей LEGO (балки, оси, колеса, шестерни, сервомоторы) и набором, состоящим из сенсоров, двигателей и программируемого блока.

Робот, собранный из конструктора LegoMindstorms, представляет собой интеллектуальный блок (NXT или EV3), присоединенные к нему электронные компоненты (моторы и датчики), а также конструкционные элементы (оси, балки, соединительные штифты, шестеренки и др.).

Используя данные элементы можно собирать различные конструкции мобильных роботов и манипуляторов.

Следует учитывать, что первоначальное освоение робототехнического конструктора требует наличия готовых шаблонов.

Сердцем набора является программируемый интеллектуальный микрокомпьютер EV3, который контролирует работу моторов и датчиков. Он также поддерживает беспроводные протоколы связи Wi-Fi и Bluetooth.

Базовый набор EV3 включают в себя:

Микрокомпьютер EV3 автоматически определяет и управляет датчиками и моторами

— Воспроизводит звуки и изображения, имеет встроенные светодиоды с возможностью управления;

— Возможность программирования и регистрации данных непосредственно на микрокомпьютере EV3;

— Встроенный Bluetooth контроллер;

— Поддержка Wi-Fi.

2 x Больших серво мотора. Моторы в наборе разные: 2 больших, один средний. В каждом моторе присутствует датчик оборотов — энкодер. Он позволяет контролировать движение мотора с высокой точностью. Характеристики мотора:

Максимальные обороты — 160 — 170 об/мин.

Крутящий момент — 20 Н/см

Встроенный датчик угла поворота (энкодер) мотора с точностью 1 градус

NXT датчики, моторы и кабели совместимы с EV3, поэтому оба набора — NXT и EV3 можно комбинировать. Встроенный датчик вращения

— Точность измерения до 1 градуса

Средний серво мотор

— Встроенный датчик вращения

— Точность измерения до 1 градуса

Ультразвуковой датчик

С помощью этого датчика робот может «видеть» предметы перед собой и определять расстояние до них.

Может измерять расстояние в диапазоне 3 — 250 см.

Дискретность результата измерений: +/ — 1 см.

— Измеряет расстояния

— Определяет наличие объектов

Датчик цвета

Он позволяет роботу различать яркость объектов и определять освещенность помещения. Способен работать в 2 режимах — измерение отраженного света и окружающего освещения. В режиме определения яркости можно различать цвета — например, у желтого цвета яркость ниже, чем у

— Определяет цвета

— Измеряет степень освещенность, рассеянный свет и отраженный свет

Гироскопический датчик

Измеряет углы наклона

— Измеряет скорость вращения в градусах в секунду

— Определяет стороны наклоны (само балансирующие роботы)

2 x Датчика касания

Этот датчик напоминает кнопку любого устройства — телефона, пульта или клавиатуры. Датчик способен определить, когда кнопка нажата или отпущена, также он может подсчитывать одиночные и многократные нажатия.

— Три режима действия

— Датчик фиксирует нажатие, отсутствие нажатия, считает количество нажатий

— Автоматическая идентификация

Инфракрасный (ИК) датчик

Реагирует на инфракрасное излучение

— Используется для управления роботом от ИК маяка

— Определяет расстояние

ИК-маяк

Этот ИК-маяк был разработан для использования с ИК-датчиком EV3.

Маяк излучает ИК-сигнал, улавливаемый датчиком.

ИК-маяк также может использоваться в качестве пульта дистанционного управления микрокомпьютера EV3, передавая сигналы на ИК-датчик.

— Для работы требуются две AAA батареи

— До 4 индивидуальных канала передачи сигнала

— Имеет кнопку и тумблер для включения/выключения

— При работе ИК-маяка горит зеленый свето диод

— Автоматическое отключение при простое более 1 часа

— Радиус действия до 2 м

Кроме того, Базовый набор EV3 также включает:

— Два пластиковых лотка для хранения и сортировки деталей

— 541 тщательно подобранных элементов LEGO Technic

Программируемый блок (контроллер) представляет собой мозг робота. К «мозгу» можно подключить 4 мотора и 4 датчика, и именно в нем хранится программа робота. Когда программа запущена, блок читает программу и в соответствии с ней дает команды моторам и датчикам. Робота можно подключать к компьютеру через USB и Bluetooth. Между собой роботы могут «общаться» по Bluetooth.

На базе Lego Mindstorms можно получить различные модели мобильных роботов, балансиров, маятниковых систем, в том числе и нетривиальных, и т. д. В зависимости от поставленных задач и имеющегося опыта пользователь может выбрать среди множества необходимое ПО и язык программирования.

Легоробот Lego Mindstorms работает на базе компьютерного контроллера. В памяти контроллера есть программы, которые загружаются из компьютера. Информация с компьютера передается как с помощью USB-кабеля, так и посредством Bluetooth. С помощью Bluetooth можно управлять роботом мобильным телефоном, надо только лишь установить java-приложение. К контроллеру подключают различные датчики — это датчики касания, освещенности, расстояния.

Для того, чтобы создать программу требуется нарисовать в программее последовательность иконок, которые показывают то или иное действие (движение вперед, назад, распознавание препятствия). Также программирование робота Lego Mindstorms EV3 осуществляется при помощи простой графической программы. Ее необходимо скачать с интернета и установить на свой компьютер. И дальше программируется робот на разные действия.

Продумав все конструкционные элементы, я приступил к конструированию модели.

Для создания модели робота — помощника я использовал:

— LEGO Mindstorms EV3

— программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3

В таблице приведены основные блоки и их использование в проекте.

Рис. 1. Блок

Модуль EV3

Служит центром управления и энергетической станцией для робота.

Рис.2. Мотор

Средний мотор

Средний мотор также имеет встроенный датчик вращения (с разрешением 1 градус), но он меньше и легче, чем большой мотор.

Большой мотор

Позволяет запрограммировать точные и мощные действия робота.

Датчик цвета

Определяет траекторию движения робота.

Он является основным элементом в данной модели.

Сборку робота я начал с ходовой части, которую я решил собрать на гусеничном ходу, потому что робот на гусеницах имеет большую проходимость, чем робот на колесах.

У меня получилась вот такая модель робота — помощника «Tracker».

Рис. 3. Модель

Далее я создал программу движения робота в среде программирования LEGO MINDSTORMS EV3.

Рис.4. Движение робота

Рис. 5. Модель

В результате проделанной работы Tracker движется по заданной траектории при помощи датчика цвета. Датчик цвета распознает определенный цвет (в данном случае — черный.) поворачивает направо, если цвет иной — робот поворачивает налево.

Я представил Вашему вниманию созданную мною действующую модель робота — помощника, который служит для прокладывания дорог без непосредственного присутствия людей, в труднодоступной местности.

При создании модели робота — помощника с помощью Лего-конструкторов, я применял различные виды передач, повторил особенности конструирования роботов вездеходов. Успешно решал задачи программирования. Созданная мною модель позволяет отрабатывать различные алгоритмы передачи информации, работы c обменом данными в программировании, практически проверяя теоретические сведения.

В ходе моих исследований, я хотел показать, что изготовление робота очень интересный, увлекательный и познавательный процесс. Над созданием роботов трудятся настоящие ученые и инженеры, но каждый школьник может придумать дизайн одного из них.

Таким образом, образовательная робототехника это очень интересный и познавательный курс, способствующий углублению и систематизации знаний учащихся по основным школьным предметам, а также он позволяет сориентироваться в выборе будущей профессии. С помощью межпредметных связей образовательной робототехники со школьными предметами задачи обучения, развития и воспитания учащихся решаются на качественно новом уровне, закладывается фундамент для комплексного подхода в решении сложных проблем реальной действительности.

Список литературы

1. Академия робототехники на mirrobo.ru

2. Журнал «В мире конструктора»

3. Бабич А. В., Баранов А. Г., Калабин И. В. и др. Промышленная робототехника: Под редакцией Шифрина Я. А. М.: Машиностроение, 2012.

4. Фу К., Гансалес Ф., Лик К. Робототехника: Перевод с англ. М. Мир, 2010.

5. Шахинпур М. Курс робототехники: Пер. с англ. М.; Мир, 2010.