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

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