Дудин Егор Васильевич, 7 "В" класс, МКОУ "Средняя общеобразовательная школа №2", Курганская область, г. Шадринск.
Руководитель: Меньщикова Елена Васильевна, учитель математики, МКОУ "Средняя общеобразовательная школа №2", Курганская область, г. Шадринск.
Учебно-исследовательская работа "Исследование возможностей ультразвукового датчика из набора конструктора Lego Mindstorms NXT на примере робота "Электрогитара"
Учебно-исследовательская работа "Исследование возможностей ультразвукового датчика из набора конструктора Lego Mindstorms NXT на примере робота "Электрогитара"
ВВЕДЕНИЕ
Когда-то роботы были фантастикой. В наше время их придумывают и создают не только писатели и художники, но и инженеры-робототехники.
Роботы сегодня вошли в нашу жизнь в разных областях. Они летают в космос, 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. Многие устройства, принимающие решения на основе полученных от сенсоров данных, тоже можно считать роботам – таковы, например, лифты и системы антиблокировочного торможения в автомобилях, помогающие избежать аварий.
С появлением конструктора Lego, роботы пришли в школу. Для робототехники нет границ: она представляет для нас такие возможности учебного творчества, о которых многие даже не подозревают.
Идея создать робота «электрогитара» возникла из любви к Lego-конструктору и мечты играть на гитаре.
Гипотеза: мы полагаем, что функционирование робота «Электрогитара» невозможно без ультразвукового датчика.
Цель: исследование возможностей ультразвукового датчика из набора конструктора Lego Mindstorms NXT для создания робота «Электрогитара».
Для достижения цели мы выделили следующие задачи.
- Изучить историю развития роботов и Lego индустрии.
- Выявить интерес к Lego-конструкторам у учащихся и их родителей.
- Изучить и проанализировать датчики из набора Lego Mindstorms NXT.
- Сконструировать, запрограммировать и апробировать робота «Электрогитара».
База исследования: МКОУ «Средняя общеобразовательная школа №2».
ГЛАВА 1. РАЗВИТИЕ РОБОТОВ И LEGO-ТЕХНОЛОГИЙ
-
- История развития робототехники
В Википедии ро́бот — автоматическое устройство, созданное по принципу живого организма, предназначенное для осуществления производственных и других операций, которое действует по заранее заложенной программе и получает информацию о внешнем мире от датчиков (аналогов органов чувств живых организмов), робот самостоятельно осуществляет производственные и иные операции, обычно выполняемые человеком. При этом робот может как иметь связь с оператором (получать от него команды), так и действовать автономно. [5]
История роботов начинается еще до нашей эры. Изобретение первого робота принадлежит греческому философу и ученому Архиту Тарентскому. В 4 в. до н.э. он задумал создать деревянную механическую птицу, которая бы приводилась в движение с помощью пара и могла взлетать на высоту до 200 метров. [6]
Первого человекообразного робота, которые также называются андроидами, в 1495 году сконструировал Леонардо да Винчи. Его механический человек внешне был похож на рыцаря, умел двигать руками и поворачивать голову. По эскизам современные ученые воссоздали этого робота. (Рис.1. Приложение 1)
В первой половине 18 в. французский механик Жак де Вокансон создал известную утку Вокансона, очень похожую на настоящую птицу, а также андроида, который играл на флейте. Вдувая воздух и перебирая пальцами в определенной последовательности клапаны флейты, он исполнял 11 различных мелодий. (Рис.2. Приложение1)
Само слово «робот» пришло в науку из литературы, и сравнительно недавно. Россумские Универсальные Роботы – научно- фантастическая пьеса чешского писателя Карела Чапека, написанная в 1920 году. Именно в этом произведении впервые в истории появился термин «робот». В этом произведении речь идет о фабрике, которая выпускает искусственных людей, выполняющих тяжелую работу. В ходе совершенствования роботы становятся умнее и в результате восстают против людей. (Рис.3. Приложение 1)
Робототехника – это прикладная наука, которая занимается созданием и применением роботов, а также разных средств автоматизации. Современная робототехника возникла в результате слияния кибернетики и механики. [5]
Термин «робототехника» в 1942 г. впервые использовал американский ученый и писатель Айзек Азимов в рассказе «Хоровод», где также прописал «Законы робототехники».
1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинён вред.
2. Робот должен подчинятся командам человека, если эти команды не противоречат первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности, пока это не противоречит первому и второму закону. [8]
В 20 в. робототехника стремительно развивается благодаря общему научно-техническому прогрессу. Роботов активно используют на предприятиях, они становятся частью жизни обычного человека.
В 60-е появляются первые промышленные роботы-манипуляторы, разработанные Unimation, и внедряются на заводах General Motors.
В конце 60-х – начале 70-х в Стэндфордском университете разрабатывается робот Шейки – первый универсальный мобильный робот, способный рассуждать над своими действиями. Это был первый робот, который соединил логический анализ и физические действия.
В конце 90-х НАСА представили первый робот-марсоход по имени Соджорнер, который в 1997 г. приземлился на Марс и помог ученым в исследовании этой планеты. (Рис.4. Приложение1)
В современном мире одним из самых ярких представителей роботов-андроидов является ASIMO, созданный японской корпорацией Honda, который, начиная с 2000 г., постоянно совершенствуется, и обладает такими навыками, как распознавание окружения, движущихся объектов, жестов, звуков, лиц; умеет передвигаться со скоростью до 7 км/ч, а также ходить по лестнице, умеет пользоваться интернетом. (Рис. 5. Приложение 1)
Таким образом, термины «робот» и «робототехника» пришли к нам из художественной литературы. Робот - это автоматическое устройство, которое осуществляет операции обычно выполняемые человеком. Робототехника – прикладная наука, которая занимается созданием и применением роботов, а также разных средств автоматизации.
Об изобретении роботов стали задумываться ещё в 4 веке до нашей эры, но только в 20 веке робототехника стала стремительно развиваться. Роботы стали неотъемлемой частью жизни людей, благодаря чему человечество смогло облегчить свою жизнь, усовершенствовать процессы производства и осуществлять различные исследования как на Земле, так и в космосе.
1.2. История создания конструкторов торговой марки LEGO
Самый узнаваемый бренд в мире игрушек - LEGO, был создан в 1932-м году Оле Кирком Кристиансеном столяром из небольшого городка в Дании. На своей небольшой фабрике он занимался производством стремянок, табуреток, гладильных досок и деревянных игрушек. Название компания получила в 1934-м году от словосочетания «LEg GОdt», с датского языка - «играть хорошо». [1]
В 1949-м году LEGO начинает выпуск «Автоматически соединяющихся брусочков» с четырьмя или восемью выступами — в них уже можно узнать прообраз будущего знаменитого конструктора.
В 1954-м такие кубики начинают называть «кубиками LEGO». Современная система крепления кубиков была запатентована позже в 1958-м году. В те же годы компания разрабатывает и свою «игровую систему» — определенный набор основных и дополнительных элементов конструктора, которая с каждым годом становилась все сложнее и сложнее. К кубикам позже прибавились транспортные фигурки, фигурки людей, потом животных, множество дополнительных элементов. [4]
В 1968-м году был построен Legoland— целый маленький мир из 45 миллионов кубиков LEGO, куда с удовольствие ходят дети и, с не меньшим удовольствием, взрослые.
В 1973-м году появляется логотип LEGO, который мы знаем сейчас, он узнаваем во всех странах.
LEGO выпускает продукцию для детей самых разных возрастов, да и взрослые с удовольствием занимаются складыванием не таких уж и примитивных кубиков. Самая знаменитая серия LEGO так и называется «Lego» или «Lego system» она представлена множеством серий: «Город», «Замок», «Космос», «Пираты», серии посвященные «Звездным войнам» и «Гарри Поттеру» и т.д. Выпускается серия для маленьких детей — «DUPLO» и для самых маленьких — «Primo». [3]
Есть у LEGO также малоизвестная серия «Znap» — в ней нет классических кубиков, больше всего эта серия подходит для строительства мостов, ажурных перекрытий. Серия «Technic» оснащена более сложными деталями и подходит для любителей роботов.
Серия «Mindstorms» предлагает создать не просто своего собственного робота, но и, используя компьютерный модуль, запрограммировать его по своему усмотрению (Рис. 6, 7, 8, 9, 10. Приложение 1). [2]
Компания LEGO объявила об успешном испытании робота LEGO серии «LEGO Mindstorms» на Международной космической станции. Космонавты успешно провели испытание робота «Джиттер», предназначенного для сбора предметов, находящихся в невесомости внутри Международной космической станции.
Девиз компании LEGO Group: «det bedste er ikke for godt», что переводится как «только лучшее является лучшим» (более буквально — «нет предела совершенству»). Этот девиз был создан Оле Кирком, чтобы вдохновить своих сотрудников никогда не экономить на качестве, в значимости которого он был убежден. Этот девиз используется компанией по сей день. [6]
Конструктор LEGO неоднократно получал премии и награды в разных странах мира, вполне справедливо он был назван одним из самых важных изобретений 20-го века.
Основа успеха LEGO — его простота и универсальность. Отвечая запросам своих покупателей, постоянно меняясь и совершенствуясь LEGO прочно занял свое место в детских комнатах, с ним не скучно и фантазия практически не ограничена. Маленькие кубики способны превратиться в любую игрушку, в любой предмет, воплотить любую фантазию, все зависит только от играющего. [5]
Таким образом, конструктор LEGO был создан в Дании, в 1932 году. Изначально детали конструктора были из дерева. С каждым годом «игровая система» становится всё сложнее и интереснее, появляются новые детали. LEGO выпускает продукцию для детей самых разных возрастов, заботясь о безопасности малышей, учитывая их интересы и увлечения детей старшего возраста. Серия «Mindstorms» позволяет ребёнку создать своего собственного робота и, пользуясь компьютерным модулем, запрограммировать его по своему усмотрению.
Конструктор LEGO является самой известной развивающей игрушкой в мире и считается одним из самых важных изобретений 20 века.
ГЛАВА II. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА НА ПРИМЕРЕ РОБОТА «ЭЛЕКТРОГИТАРА»
2.1. Описание методов исследования
Для достижения цели исследования нами были поставлены следующие практические задачи.
-
- Выявить интерес к Lego-конструкторам у учащихся и их родителей.
- Изучить и проанализировать датчики из набора Lego Mindstorms NXT.
- Сконструировать, запрограммировать и апробировать робота «Электрогитара».
В исследовании принимали участие учащиеся 4 В класса, 25 человек и их родители в количестве 25 человек.
Для выявления интереса к Lego-конструкторам у учащихся и их родителей нами использовалась анкета (Приложение 2).
Проведенное нами анкетирование показало, что 100% учащихся и 72% родителей пробовали собирать что-нибудь из Lego-конструктора, у 80% учащихся есть дома Lego-конструктор, 100% учащихся нравиться конструировать из Lego, обычно учащиеся конструируют транспорт, замки, животных, сады, механизмы (Рис.11. Приложение 3).
Учащиеся и родители считают, что Lego-конструктор развивает воображение, мышление, моторику, логику, креативность, фантазию, помогает не только воплощать мечты, но и изучать цвета и формы дошкольникам.
Для решения второй задачи нами был проведен анализ особенностей гитары как музыкального инструмента.
Гитара состоит из грифа и корпуса. На гриф крепятся струны. Гриф гитары разделен на отрезки, которые называются лады. Прижимая струну к определенному ладу, гитарист извлекает нужные ноты.
Звук зависит от лада - определенного отрезка на грифе. Значит конструкция робота «Электрогитара» должна содержать гриф и корпус. Их можно сделать из балок и штифтов. Чтобы робот издавал звуки, необходим микроконтроллер и датчики. Был проведен анализ датчиков из набора Lego Mindstorms NXT, с целью выбрать нужный для сборки робота (Таблица 1. Приложение 4).
Табличные данные показывают, что сконструировать робота «электрогитара» невозможно без ультразвукового датчика.
Таким образом, робота «Электрогитара» должен состоять из балок, штифтов, ультразвукового датчика, микроконтроллера.
2.2. Конструирование, программирование робота «Электрогитара»
В ходе решения третьей задачи - конструирования робота нами была разработана технологическая карта на изготовление робота «Электрогитара» (Приложение 5).
Программирование робота осуществляется с помощью программного обеспечения LEGO MINDSTORMS NXT версии 2.0.
Чтобы робот «Электрогитара» воспроизводил звуки, необходимо гриф разделить на лады (в нашем роботе это отрезки по 5 см). Каждый лад находиться на определенном расстоянии от головки грифа, где установлен ультразвуковой датчик. Ультразвуковой датчик используется для определения расстояния до различных предметов. Максимальное расстояние, которое он может покрыть 2м 55см, точность определения ±3см. Такой датчик вполне подходит для решения самых простых задач по обнаружению и распознаванию объектов. Наиболее достоверные показатели датчик получает от предметов с хорошей отражающей поверхностью. [7] Таким образом, в зависимости от расстояния от головки грифа до лада должна воспроизводиться определенная нота (Рис. 12. Приложение 6). Задача ультразвукового датчика – фиксировать это расстояние.
Для присвоения каждому ладу своей ноты воспользуемся конструкцией ветвления switch, которая настроена на ультразвуковой датчик. Если расстояние до ультразвукового датчика меньше 5 см, то звучит нота A, если расстояние больше 5 см, но меньше 10 см, то звучит нота F, если расстояние больше 10 см, но меньше 15 см, то звучит нота D, если расстояние больше 15 см, но меньше 20 см, то звучит нота B, если расстояние больше 20 см, но меньше 25 см, то звучит нота G, если расстояние больше 25 см, то звучит нота E. Все условия необходимо поместить в цикл loop для бесконечного воспроизведения программы (Рис. 13. Приложение 7).
Таким образом, функционирование сконструированного нами робота «Электрогитара» основано на использовании ультразвукового датчика.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы.
Теоретический анализ литературы показал, что термины «робот» и «робототехника» пришли к нам из художественной литературы. Робот - это автоматическое устройство, которое осуществляет операции обычно выполняемые человеком. Робототехника – прикладная наука, которая занимается созданием и применением роботов, а также разных средств автоматизации.
Об изобретении роботов стали задумываться ещё в 4 веке до нашей эры, но только в 20 веке робототехника стала стремительно развиваться. Роботы стали неотъемлемой частью жизни людей, благодаря чему человечество смогло облегчить свою жизнь, усовершенствовать процессы производства и осуществлять различные исследования как на Земле, так и в космосе.
Конструктор LEGO был создан в Дании, в 1932 году. Изначально детали конструктора были из дерева. С каждым годом «игровая система» становится всё сложнее и интереснее, появляются новые детали. LEGO выпускает продукцию для детей самых разных возрастов, заботясь о безопасности малышей, учитывая их интересы и увлечения детей старшего возраста. Серия «Mindstorms» позволяет ребёнку создать своего собственного робота и, пользуясь компьютерным модулем, запрограммировать его по своему усмотрению.
Проведенное нами анкетирование показало, учащиеся и родители считают, что Lego-конструктор развивает воображение, мышление, моторику, логику, креативность, фантазию, помогает не только воплощать мечты, но и изучать цвета и формы дошкольникам.
Проведенный анализ датчиков из набора конструктора Lego показал, что функционирование робота «Электрогитара» невозможно без ультразвукового датчика.
Сконструированный нами робот «Электрогитара» состоит из балок, штифтов, ультразвукового датчика, микроконтроллера.
Робот запрограммирован с помощью конструкцией ветвления switch, которая настроена на ультразвуковой датчик, и цикла loop.
Все поставленные задачи исследования выполнены, цель работы достигнута. Таким образом гипотеза в ходе исследования нашла свое подтверждение.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
- http://historybrands.jimdo.com/бренды/Lego/
- http://www.diary.ru/~fizik-romantik/p87927698.htm?oam
- http://www.liveinternet.ru/users/timemechanic/post205365692/
- http://www.moluch.ru/conf/ped/archive/65/3123/
- https://ru.wikipedia.org/wiki/Lego_Group
- Детская энциклопедия. Техника будущего. - М; изд.Литера, 2007 г.
- Основы робототехники: учебное пособие для 5-6 классов / Д.А. Каширин, Н.Д. Федорова. – Курган: ИРОСТ, 2013.
- Роботы будущего / Петр Шадрин. - М.; изд . Махаон, 2014г.
