«Конструирование робота «Да Винчи» из LEGO Mindstorms EV3»

XIV Республиканская

Научно – практическая конференция

учащихся

«Глобализация – реальность

Современного мира»

Конструирование робота-художника

«ДаВинчи»

из LEGO Mindstorms EV3

редактор Пантелеев Даниил,

программист Тигулев Владимир,

конструктор Павловский Артур

МБОУ «Гимназия № 6», 6 м класс

Научный руководитель

учитель информатики Мухаметшина Г. Г.

Казань 2020

Введение

В данной исследовательской работе«Конструирование робота «Да Винчи» из LEGO Mindstorms EV3», мы,ученики 6 класса МБОУ «Гимназия № 6» представили свой способ создания робота на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

Проект по робототехнике «Конструирование робота «Да Винчи» из LEGO Mindstorms EV3» содержит в себе 5 разделов: историю робототехники, характеристику современных роботов и их функции, виды конструкторов для робототехники, описание среды программирования и этапы работы над проектом робот-художник «Да Винчи».

Цель исследовательской работы заключается в построении робота-художника на базе LEGO конструктора Mindstorms EV3.

Данная работа, выполненная на тему «Конструирование робота «Да Винчи» из LEGOMindstormsEV3» будет занимательна для учащихся, которые увлекаются робототехникой, поможет найти у них интерес к конструированию, программированию и роботостроению.

Данная работа поможет хорошо ознакомиться с темой робототехники, изучить цели, виды и актуальность конструирования роботов, а также покажет, что роботостроение понятно и доступно, и при желании, можно сконструировать робота своими руками.

За все долгое время существования человечества люди всегда хотели облегчить себе жизнь, стремились создать что-то такое, что могло бы выполнять действия за человека. В 21 веке в веке информационных технологий мы уже не можем представить свою жизнь без технических устройств. Каждый день появляется много новых изобретений, и совершенствуются старые изобретения. Количество новых устройств бессчетное множество, но, несомненно, наивысшим достижением мысли человека являются роботы.

Таким образом, данный проект актуален тем, что он обусловлен обязательным конструированием робота-художника своими руками.

Противоречие между желанием сконструировать робота-художника своими руками, с одной стороны, и не обладанием необходимых для этого умений и навыков, с другой стороны, нашли основание: возможно ли создание робота дома самому. Все вышерассказанное и подало идею выбрать тему данной работы: «Конструирование робота-художника «Да Винчи» из LEGOMindstormsEV3».

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

То, над чем мы будем работать является конструктор LEGO Mindstorms EV3.

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

Гипотеза, заложенная в основу данного проекта: изучив программы и строение робота на базе LEGO конструктора Mindstorms EV3, можно сконструировать робота своими руками.

В соответствии с целью и гипотезой были задуманы следующие задачи:

1. История возникновения робототехники;

2.Современные роботы и их функции;

3.Виды конструкторов для робототехники;

4.Среда программирования Mindstorms EV3;

5. Создание робота «Да Винчи» на базе конструктора Mindstorms EV3.

С целью достижения поставленных нами задач была составлена группа взаимосвязанных методов, включающих:

анализ литературы и материалов сети «Интернет»;

моделирование.

Глава 1. История возникновения робототехники

Робототехника– это область науки и техники, которая изучает создание, конструирование и программирование роботов.

Лего-робототехника– создание и программирование всевозможных интеллектуальных LEGO-роботов, имеющих строение из модулей и микрокомпьютеры с высокой мощностью.

Робот– это мыслящая и действующая машина, воспринимающая информацию. При этом робот может, выполнять запрограммированные команды и действовать автоматически.

Историю робототехники постоянно связывают с большинством изобретений, которые сделало человечество на протяжении многих столетий. От истории развития науки, техники и тем более от истории возникновения и становления компьютерных технологий отделить историю робототехникипрактически невозможно.

Начиная с древних времен человек всегда мечтал изобрести такие механизмы, которые могли бы вместо людей выполнять тяжелую и очень опасную работу. Но лишь в середине 18 века в этом направлении зародились первые успехи.

В те времена механические домашние куклы, представленные в 1738 году французским ученым из Гренобля (город на юго-востоке Франции) Жаком де Викансон набирали большую популярность. Он представил публике искусственного робота-музыканта, который мог исполнять на флейте 12 различных мелодий. Чуть позже к флейте добавились ударные инструменты, таким образом, был создан целый механический оркестр.

На этом де Викансон не собирался останавливаться. За оркестром последовало реально удивительное и необыкновенное по тому времени изобретение – механическая утка. Она могла без какой-либо помощи передвигаться, крякать, махать крыльями, вращать головой, кушать и переваривать пищу. Утка не была игрушкой в обычном понимании этого слова: в каждом ее крыле было около четыре сотни подвижных деталей. Что произошло с оригиналом утки, к сожалению, никто не знает. Но, в Гренобле в музее находится копия утки, которую создал часовщик.

Сегодняшняя робототехника сформировалась в 60-х годах 20 века. Изобретатели вложили много сил в разработку роботов-манипуляторов, но одним из самых главных изобретений стал робот Unimate (Юнимейт), которого создали Джордж Диро и Джозеф Энжилберг. Это был один из первых промышленных роботов, и представлял собой огромную конструкцию, которая похожа 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 наше время Unimate находится в Зале славы (Питсбург, Соединенные Штаты Америки).

Робот Shakey (шейки) был создан в 1966 году и он был первым из роботов, который умел рассуждать.

Глава 2. Современные роботы и их функции

В наше время робототехника полностью опирается на компьютерные технологии: без компьютеров роботы не смогли бы выполнить и десятой части того, что они могут.

Сегодня роботов можно условно разделить на две группы: домашние и рабочие (т. е. роботы, сконструированные для служебных задач).

Давайте рассмотрим несколько разновидностей роботов:

Промышленный робот– машина (устройство) с программным или удаленным (с пульта) управлением, которое сконструировано для выполнения действий вместо человека.

Промышленные роботы обладают преимуществом перед человеком в скорости и точности реализации однотипных операций, они способны производить движения, которые человеку физически выполнить не возможно. Применение современных промышленных роботов усиливает производительность оборудования и выпуск продукции, совершенствует качество продукции, помогает сберегать материалы и энергию.

При конвейерной сборке различных изделий (от автомобилей до микросхем), сварке, окраске, сверлении, перемещении тяжёлых грузов и т.д.в промышленности для автоматизации многих технологических процессов часто применяют Роботов-манипуляторов.

Применение роботов-манипуляторов имеет особое значение в таких сферах как, работа с вредными химическими веществами, обезвреживание взрывных устройств, в кузнечных и литейных цехах, на цементных заводах, в помещениях с высоким уровнем радиации, в условиях относительной недоступности (на космических аппаратах и орбитальных станциях,в морских глубинах,) и т.д.

Медицинские роботы изобретены, чтобы автоматизировать труд врача и здравоохранения в целом. Работа в этой области помогла создать два уникальных направления в медицине. Первое направление — это телехирургия: хирург управляет 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, которое призвано облегчить отработку практических навыков без опасности для пациентов. Медицинские тренажеры имитируют функциональные и физические модели организма человека. С помощью тренажеров создается подобие экстремальной обстановки. Процесс возможно остановить в любой момент, обсудить ситуацию, проанализировать действия. При многократной работе с тренажерамипоявляются необходимые навыки.

Использование роботов-медиков повышает уровень качества работы, уменьшает число врачебных ошибок, быстрее выполняет процессы возращения пациентов к нормальному существованию после заболеваний и травм.

Глава 3. Виды конструкторов для робототехники

Можно ли сконструировать робота самому? Что представляют из себя наборы конструкторов для программирования конструирования 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, процессов или явлений, с целью получения объяснений этих явлений, а также для предсказания явлений, интересующих исследователя.

В наш век быстро развивается робототехника и уже сегодня можно приобрести в магазинах множество наборов для самостоятельной сборки и программирования роботов.

Рассмотрим несколько вариантов конструкторов, представленных в торговых точках на данный момент.

LEGO Education Mindstorms EV3 – робототехническая образовательная платформа, сделанная специально для учебных заведений.С помощью нее учащийся сможет уже за одно занятие создать своего первого робота.

TETRIX – из конструктора этой версии можно конструировать прочных металлических роботов на радиоуправлении и создавать программируемых роботов, применяя оборудование и программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3.

MATRIX – очень схож с конструктором TETRIX. Это конструктор нового поколения, его технология превращает создание робота в новый качественный прогресс, возможности которого ограничены только воображением человека. Комплект Matrix предоставляет весь объем материал, который понадобится для сборки металлического робота, управляемого с помощью.

Robotis Bioloid – набор для создания робота, производимый корейской фирмой Robotis. Набор предназначен для образовательных целей, а также для тех, кто увлекается робототехникой. Он содержит различные версии, самая известная из них STEM Standard: можно создать 16 различных роботов по инструкциям.

Arduino– это платформа для создания электроники своими руками. К печатной плате, которая является миниатюрным компьютером, можно присоединять различные компоненты, например датчики, переключатели, экраны. Или даже другие платы со своими функциями. В Arduino можно загрузить программу (скетч), чтобы добиться определенного результата. Оригинальный Arduino разрешается в Италии, большинство аналогов — в Китае. Есть и российские разработки.

Мы остановили свой выбор на конструкторе LEGO Mindstorms EV3, т.к. сегодня платформа LEGO является безусловным лидером образовательной робототехники. 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 наш взгляд, LEGO Mindstorms – один из наиболее удобных и приятных способов начать свое знакомство с робототехникой.

Глава 4. Среда программирования Mindstorms EV3

LEGO Mindstorms EV3 — конструктор для создания программируемого робота. Модель LEGO Mindstorms EV3 воплотили в жизнь в 2013.

В отличии от обычных деталей (балки, скосы и т.д.) присутствуют и другие:

встроенные в моторы датчики вращения и ультразвуковой датчик;

датчик цвета, датчик гироскопический и два датчика касаний;

инфракрасный датчик;

перезаряжаемая аккумуляторная батарея;

три электросервомотора;

соединительные кабели.

USB-кабель.

При создании робота и программы для него, необходимо понимать суть работы каждого датчика, т.к. данные сведения дадут возможность правильно рассчитывать траекторию движения робота, его функциональность и т.д. Рассмотрим некоторые из них.

Микрокомпьютер (микропроцессор) EV3 – главный элемент компьютера, он является «мозгом» робота Mindstorms EV3, который позволяет роботу Mindstorms ожить и исполнять различные программы. Микрокомпьютер (микропроцессор) EV3 содержит в себе: FLASH память (16 мегабайт), оперативную систему Linux, процессор и др. Собирает данные с датчиков и контролирует моторы.

Одной из важнейшей частью конструктора является сервомотор. Данный элемент создан для работы с микрокомпьютером EV3 и имеет встроенный датчик вращения, благодаря которому мотор может соединяться с другими моторами, разрешая роботу двигаться с постоянной скоростью.

Робот LEGO Mindstorms EV3 получает информацию об окружающем мире от нескольких датчиков: ультразвукового, датчика касания, датчик, позволяющий распознавать цвета.

Ультразвуковой датчик EV3 дает возможность измерять расстояние до объектов.

Датчик касания позволяет роботу реагировать на касания, распознает три ситуации: освобождение, прикосновение и щелчок. Также способен определить количество нажатий, как множественных, так и единичных.

Датчик цвета помогает определять роботу цвет поднесенного к нему предмета, измеряет степень освещенности, отраженный свет и рассеянный свет.

Разобравшись с деталями LEGO Mindstorms EV3, рассмотрим его программное обеспечение (ПО). Программное обеспечение Mindstorms EV3 основано на Lab VIEW, графическом языке программирования, которым пользуются инженеры и ученые по всему миру. Программное обеспечение дает возможность перетаскивать и размещать командные блоки.

Для написания программы, необходимо располагать на схеме блоки функциональности. 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.
Все программные блоки поделены на 6 групп:

1. действие (зеленый),

2. управление потоком (оранжевый),

3. дополнительные (синий),

4. операции над данными (красный),

5. датчики (желтый),

6. мои Блоки (циановый)

Хорошо известный интерфейс позволяет сначала создавать простые программы, а затем продуктивно развивать свои навыки программирования, давая возможность создать сложные многоуровневые программы и проводить различные экспериментальные работы.

Глава 5. Создание робота «Да Винчи» на базе конструктора Mindstorms EV3

Конструирование робота Mindstorms EV3 было разделено на несколько этапов:

1. определить, какие действия будет выполнять робот;

2. конструирование робота-художника из имеющегося конструктора;

3. программирование робота на компьютере в программе Trik Studio согласно условиям задачи;

4. выгрузка готовой программы непосредственно в робота;

5. тестирование и отладка проделанной работы.

Составление задачи, какие действия должен выполнить робот. Экспериментируя с задачами для робота и изучая среду программирования, стало понятно, что он может быть разным и способен выполнять самые разные действия, например:

робот, играющий с человеком в шахматы,

робот, который сортирует блоки по цветам;

робот, способный выбраться из лабиринта;

робот – гоночная машинка.

Мы решили сконструировать робота-художника. И определи, что наш робот должен уметь рисовать карандашом, используя механизмы. У нас получилось, что робот рисует стебелек. В дальнейшем, изучив основы программирования лучше, мы попытаемся создать программу, при помощи которой, робот будет рисовать цветок.

Сборка робота

Несмотря на немалый арсенал набора LEGO Mindstorms EV3, сборка робота, при использовании наглядной инструкции, которую можно найти в интернете, оказалась точно такой же, как и конструирование любого конструктора LEGO, а так как собирать конструкторы LEGO – это наше любимое занятие с ранних лет, то на первом этапе у нас не было сложностей. Однако при дальнейшей сборке робота, конструкцию пришлось естественно доделывать, т.к. готовая работа не давала возможность выполнить все условия поставленной нами задачей.

Программирование робота на компьютере в программе Trik Studio Самое интересное начинается при программировании робота из LEGO конструктора Mindstorms EV3 на персональном компьютере.

Для исполнения поставленной цели, нам потребовалось использовать эксперимент, для того чтобы изучить большое количество информации, составить множество простых программ для выполнения роботом несложных действий. После этого нам стало понятно – для того, чтобы робот был готов выполнить все программы, следуя поставленной нами задаче, нужно расставить в программе всю цепочку действий, каждый шаг, каждое движение! В итоге получилась следующая программа.

Выгрузка готовой программы в робота

Подключение робота к ПК исполняется нескольким способами: через порт USB, Bluetooth (блютуз) соединение или Wi-Fi соединение. Мы выбрали 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 будут мерцать), можем отслеживать на компьютере. Также можно наблюдать текущие показания датчиков всё время, пока робот остается подключенным к среде программирования.

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

Тестирование и отладка проделанной работы

Сконструированный нами роботизированный робот-художник, после того как была загружена в него программа, все действия выполнил, согласно изложенным условиям: «робот-художник» двигал карандашом, тем самым рисуя определенную картинку, мы считаем, что доказали тот факт, что изготовить обычного робота своими руками вполне возможно, изучив принцип работы робота и среду его программирования.

Заключение

Изучив историю робототехники, мы узнали, что с древних времен люди хотели создать устройства, которые могли бы выполнять вместо них тяжелую и вредную работу. Однако первые успехи в этой цели 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. Робототехника нашего времени начинала формироваться в 60-х годах 20 века.

Рассмотрев образы современных роботов и функции, которые они выполняют, мы узнали, что робототехника нашего времени опирается на компьютерные технологии. Современные роботы разделенына две категории: домашние и рабочие.

Изучив некоторые виды робототехнических конструкторов, для достижения поставленной задачи - создание робота в домашних условиях – мы изучили принцип строения и работы робота на базе LEGO Mindstorms EV3 и среду его программирования. Важными элементами конструктора являются микрокомпьютер (микропроцессор) EV3, четыре датчика и серво мотор. Программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 составлено на Lab VIEW, графическом языке программирования, который пользуют инженеры и ученые во всем мире.

Решение последней задачи нашего проекта – сборка робота Mindstorms EV3 было разбито на несколько шагов:

1. определить, какие действия будет выполнять робот;

2. конструирование робота-художника из имеющегося конструктора;

3. программирование робота на компьютере в программе Trik Studio согласно условиям задачи;

4. выгрузка готовой программы непосредственно в робота;

5. тестирование и отладка проделанной работы.

Созданный нами робот, после загруженной в него программы, выполнил все команды, согласно известным условиям. Таким образом, по окончанию проделанного проекта, можно сделать вывод, что, рассмотрев принцип возможностей робота при программировании, можно сконструировать несложного робота своими руками. То есть гипотеза подтвердилась, задачи и цель проекта выполнены.

Работа над роботом-художником еще не закончена, в планах – расширить его команды и написать программу, благодаря которой наш робот-художник нарисует цветок.

Считая, что в процессе изучения LEGO конструктора Mindstorms EV3, мы увидели множество вариантов сконструированных роботов на базе этого конструктора, теперь нам сильно хочется проделать что-то удивительное, и это будет робот-врач!

В заключение мы хотим сказать, что очень рады, что у нас получилось сконструировать и запрограммировать «художника». Процесс был увлекательный и интересный, помимо того мы узнали много новых программ для конструирования роботов.

Список использованных источников

Бабич, А.В. [и др.]. Промышленная робототехника: учеб. пособие /– Москва: Машиностроение, 1982. – 415 с.

Клаузен, П. Компьютеры и роботы / Пер. с нем. С.И. Деркунской. – Москва: Мир книги, 2006. – 48 с.

Копосов, Д.Г. Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6-го классов: учеб. пособие / Д.Г. Копосов. - Москва: Бином. Лаборатория знаний, 2014. – 286 с.

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3: учеб. пособие / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий - 2-е изд., перераб. и доп. – Москва.: Изд-во «Перо», 2016. – 300 с.

Овсяницкий, Д.Н. Ожившая механика. Шагающий робот-шагозавр: учеб.пособие / Д.Н. Овсяницкий, Л.Ю. Овсяницкая, А.Д. Овсяницкий–Челябинск, Электронная книга, 2015. – 168 с.

Русецкий, А.Ю. В мире роботов [Текст]: Кн. для учащихся / А.Ю. Русецкий – Москва: Просвещение, 1990. – 160 с.

Филиппов, С.А. Основы робототехники на базе конструктора Mindstorms NXT [Электронный ресурс].

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.

Медицинские роботы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: medrobot.ru .

Мир роботов [Электронный ресурс]. – Режим доступа: roboting.ru .