Проект по информатике "Идеальный класс робототехники"

Проект на  тему «Идеальный класс робототехники»

                                                                                      Выполнил ученик 10 «В» класса

                                                                                      Головашкин Владислав

Цель проекта: Показать каким должен быть идеальный класс робототехники в моей школе.

                                               1

                     Вводное слово о робототехники.

Что такое робототехника?

Робототе́хника (от робот и техника; англ. robotics) — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем и являющаяся важнейшей технической основой интенсификации производства.

Робототехника опирается на такие дисциплины, как электроника, механика, информатика, а также радиотехникаи электротехника. Выделяют строительную, промышленную, бытовую, авиационную и экстремальную (военную, космическую, подводную) робототехнику.

Этимология

Слово «робототехника» (в его английском варианте «robotics») было впервые использовано в печати Айзеком Азимовым в научно-фантастическом рассказе «Лжец», опубликованном в 1941 г.

В основу слова «робототехника» легло слово «робот», придуманное в 1920 г. чешским писателем Карелом Чапеком для своей научно-фантастической пьесы «Р. У. Р.» («Россумские универсальные роботы»), впервые поставленной в 1921 г. и пользовавшейся успехом у зрителей. В ней хозяин завода налаживает выпуск множества андроидов, которые сначала работают без отдыха, но потом восстают и губят своих создателей.

Впрочем, некоторые идеи, положенные позднее в основу робототехники, появились ещё в античную эпоху — задолго до введения перечисленных выше терминов. Так, в «Илиаде» Гомера говорится, что бог Гефест сделал из золота говорящих служанок, придав им разум (т. е. — на современном языке — искусственный интеллект) и силу^[3]. Древнегреческому механику и инженеру Архиту Тарентскому приписывают создание механического голубя, способного летать (ок. 400 г. до н. э.)^[4]. Множество подобных сведений содержится в книге «Робототехника: История и перспективы» И. М. Макарова и Ю. И. Топчеева, представляющей собой популярный и обстоятельный рассказ о роли, которую сыграли (и ещё сыграют) роботы в истории развития цивилизации.

Важнейшие классы роботов

Важнейшие классы роботов широкого назначения — манипуляционные и мобильные роботы.

(На фото)Рука робота

Манипуляционный робот — автоматическая машина (стационарная или передвижная), состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и устройства программного управления, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций. Такие роботы производятся в напольном, подвесном и портальном исполнениях. Получили наибольшее распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях^[].

Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами. Такие роботы могут быть колёсными, шагающими и гусеничными (существуют такжеползающие, плавающие и летающие мобильные робототехнические системы

Компоненты роботов

Приводы — это «мышцы» роботов. В настоящее время самыми популярными двигателями в приводах являются электрические, но применяются и другие, использующие химические вещества или сжатый воздух.

Нога робота, работающая навоздушных мышцах

·         Двигатели постоянного тока: В настоящий момент большинство роботов используют электродвигатели, которые могут быть нескольких видов.

·          

Шаговые электродвигатели: Как можно предположить из названия, шаговые электродвигатели не вращаются свободно, подобно двигателям постоянного тока. Они поворачиваются пошагово на определённый угол под управлением контроллера. Это позволяет обойтись без датчика положения, так как угол, на который был сделан поворот, заведомо известен контроллеру; поэтому такие двигатели часто используются в приводах многих роботов и станках с ЧПУ

·         Пьезодвигатели: Современной альтернативой двигателям постоянного тока являются пьезодвигатели, также известные как ультразвуковые двигатели. Принцип их работы весьма оригинален: крошечные пьезоэлектрические ножки, вибрирующие с частотой более 1000 раз в секунду, заставляют мотор двигаться по окружности или прямой. Преимуществами подобных двигателей являются высокое нанометрическое разрешение, скорость и мощность, несоизмеримая с их размерами. Пьезодвигатели уже доступны на коммерческой основе и также применяются на некоторых роботах.

·          

Воздушные мышцы: Воздушные мышцы — простое, но мощное устройство для обеспечения силы тяги. При накачивании сжатым воздухом мышцы способны сокращаться до 40 % от своей длины. Причиной такого поведения является плетение, видимое с внешней стороны, которое заставляет мышцы быть или длинными и тонкими, или короткими и толстымиТак как способ их работы схож с биологическими мышцами, их можно использовать для производства роботов с мышцами и скелетом, аналогичными мышцам и скелету животных^[

·         Электроактивные полимеры: Электроактивные полимеры — это вид пластмасс, который изменяет форму в ответ на электрическую стимуляцию. Они могут быть сконструированы таким образом, что могут гнуться, растягиваться или сокращаться. Впрочем, в настоящее время нет ЭАП, пригодных для производства коммерческих роботов, так как все ныне существующие их образцы неэффективны или непрочны.

·         Эластичные нанотрубки: Это — многообещающая экспериментальная технология, находящаяся на ранней стадии разработки. Отсутствие дефектов в нанотрубках позволяет волокну эластично деформироваться на несколько процентов. Человеческий бицепс может быть заменён проводом из такого материала диаметром 8 мм. Подобные компактные «мышцы» могут помочь роботам в будущем обгонять и перепрыгивать человека.

                                               2

Роботы и компоненты, которые должны быть в школьном классе роботехники.

1.Конструктор LEGO Mindstorms

Набор включает в себя мощный микрокомпьютер EV3, контролирующий моторы и собирающий данные с датчиков Он также поддерживает протоколы Bluetooth и WiFi и функционал регистрации данных.

Этот набор с легкостью вдохновит Ваших учеников на совместное обсуждение проблемы и поиск креативного решения, которые затем можно будет претворить в жизнь, построив и протестировав, используя набор моторов, датчиков и строительных элементов LEGO.

2. Конструктор. Технология и физика

Конструктор предназначен для изучения основных законов механики..

Работая с базовыми моделями, учащиеся постигают основные механические и конструктивные принципы, заключенные в механизмах и конструкциях, с которыми они сталкиваются каждый день. Эти небольшие модели легко построить, и каждая из них наглядно и доступно демонстрирует принципы работы механизмов и конструкций. Последовательно переходя от занятия к занятию, пользуясь Технологическими картами и Рабочими бланками, ребята сами будут открывать эти принципы и проверять их на практике, фиксировать и с интересом обсуждать результаты своей работы. На занятиях с базовыми моделями ученики получат возможность понять и научатся применять механические и конструктивные принципы, которые встретятся им в основных моделях.

3. Конструктор ПервоРобот

ПервоРобот NXT – робототехнический конструктор нового поколения. По сравнению с предыдущими версиями, конструктор обладает более широкими возможностями и проще в использовании – благодаря интеллектуальному блоку управления NXT, разнообразным датчикам, интерактивным сервомоторам, беспроводной технологии Bluetooth® и мощному графическому программному обеспечению.

Конструктор ПервоРобот NXT поможет в курсе технологии средней школы освоить основы робототехники, в курсе физики – провести автоматизированный эксперимент, в курсе информатики – наглядно реализовать сложные алгоритмы, а в начальном профессиональном образовании – рассмотреть вопросы, связанные с автоматизацией производственных процессов и процессов управления, систем безопасности.

Мозг ПервоРобота – это микрокомпьютер LEGO® NXT, снабженный входными портами для датчиков и выходными портами для исполнительных устройств, делающий робота программируемым, интеллектуальным, способным принимать решения. 

В микрокомпьютер NXT можно загружать программу, созданную с помощью программного обеспечения для настольного компьютера ПервоРобот NXT, а можно обойтись и без помощи компьютера – используя меню NXT Program (Программы NXT), например, запрограммировать робота таким образом, чтобы он двигался вперёд и назад при нажатии кнопки датчика касания.

4. Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS Education EV3

Оптимизированное для работы в классе, программное обеспечение EV3, используя последние наработки в области создания программных интерфейсов, предлагает пользователям удобный и понятный интерфейс для работы с наборами EV3

Это мощное ПО, простое в обучении и легкое в использовании, основано на программном пакете National Instruments LabVIEW™, являющимся лидирующим решением в классе графических программных пакетов, используемых инженерами и учеными по всему миру. Полностью. оптимизированное для использования в классе программное обеспечение EV3 использует последние наработки в области дизайна интерфейса и является простым и легко усваиваемым инструментом для учеников.

Программирование с помощью ПО EV3 основано на графическом интерфейсе. Пользователь формирует программу, просто перетаскивая иконки, отвечающие за те или иные функции робота. Этот интуитивно понятный интерфейс позволяет ученикам сначала создавать простые программы, а затем и продуктивно развивать свои навыки программирования, делая возможным создание сложных многоуровневых программ.

Функционал регистрации данных, включенный в это ПО, является мощным инструментом для проведения различной экспериментальной работы. С помощью него очень легко собирать, анализировать и использовать данные, поступающие с датчиков. Ученики также могут строить интерактивные графики, используя полученные данные. Эта уникальная функция, называемая программированием с помощью графиков, позволит сделать эксперименты еще более увлекательным процессом. Например, ученики могут использовать пороговые величины для управления датчиками: робот может быть запрограммирован на подачу звукового сигнала при фиксации температурным датчиком определенной температуры.

Встроенный редактор контента позволит учителям модифицировать имеющиеся учебные курсы и создавать свои собственные. Кроме того, редактор позволит ученикам фиксировать свои успехи с помощью создания и заполнения электронных тетрадей, которые также являются частью программного окружения EV3. Эта функция делает процесс проверки успеваемости и контроля знаний очень простым и быстрым.

5.3D принтер

3D-принтер – это инновационное устройство для создания физических воплощений любых цифровых 3D-моделей. Он отличается от привычных принтеров тем, что печатает сразу в трех измерениях, создавая различные объекты объемного мира. Такая возможность появляется благодаря так называемой аддитивной технологии – наращиванию объекта слой за слоем (поэтому 3D-печать еще называют «выращиванием»).

Таким образом, главная задача 3D-принтера — создавать качественные и недорогие физические прототипы 3D-моделей в короткие сроки.

Основой для печати на таком принтере служит любая трехмерная модель, созданная в САПР или САD-системе. Это могут быть как самые простые, так и сложные детализированные объекты. Для моделирования могут быть использованы дизайнерские, медицинские, инженерные, математические и другие 3D-программы. Простота в использовании, скорость производства прототипа, «всеядность» моделей для печати — вот почему 3D принтеры сегодня так активно используются на заводах, в НИИ и конструкторских бюро, университетах, дизайн-студиях, лабораториях, медицинских центрах, ювелирном производстве.

6.3D Сканер

3D-сканер — периферийное устройство, анализирующее физический объект и на основе полученных данных создающее его 3D-модель.

3D-сканеры делятся на два типа по методу сканирования:

·         Контактный, такой метод основывается на непосредственном контакте сканера с исследуемым объектом.

·         Бесконтактный

Неконтактные устройства в свою очередь можно разделить на две отдельные категории:

·         Активные сканеры

·         Пассивные сканеры

Активные сканеры излучают на объект некоторые направленные волны (чаще всего свет, луч лазера) и обнаруживают его отражение для анализа. Возможные типы используемого излучения включают свет, ультразвук или рентгеновские лучи.

Пассивные сканеры не излучают ничего на объект, а вместо этого полагаются на обнаружение отраженного окружающего излучения. Большинство сканеров такого типа обнаруживает видимый свет — легкодоступное окружающее излучение.

В настоящее время для обучения робототехнике в школах используются различные готовые наборы и конструкторы: от простых и недорогих наборов Informatikum для начинающих электронщиков до дорогих наборов от Lego.





Информатикум — набор для юного электронщика. Набор рекомендован университетом МИФИ, для тех кто хочет в дальнейшем связать свою жизнь, хобби с робототехникой, программированием, IT, микроэлектроникой и радиоэлектроникой. Набор развивает моторику, формирует правильные и качественные знания по основам электроники, робототехники и программирования.

Данный выбор обусловлен простотой конструктора, набором элементарных и безопасных элементов, широким охватом по возрасту: ребятам будет интересно заниматься с набором Информатикум и в 4-м классе, и в выпускном.

На аналогичных наборах обучались все наши умы ещё в советское время, которые сейчас работают в топовых компаниях IBM, Intel, Linux, Apple, Microsoft.

Набор претерпел множество изменений: устаревшие электронные компоненты заменились на новые, появилось множество новых деталей и компонентов. Благодаря простоте набора его изучение не занимает много времени и позволяет быстро перейти к практике уже с первого занятия.

Используя данный набор, школьники могут выполнить проект в рамках любого предмета. На его базе можно организовать занятия по физике, математике, информатики, технологиям для демонстрации и лучшего усвоения изучаемого материала.

Множество идей и реализаций можно найти в интернете и учебниках, посвященных основам электроники и робототехники для школьников. На нашем сайте Информатикум, вы сможете приобрести набор для начинающего электронщика и робототехника, пройти курс «Электроника — основа робототехники», найти методические пособия для учителей, руководителей кружков по робототехнике и задачи по программированию роботов, найти информацию для подготовки к робо-олимпиадам и соревнованиям.

С наборами и конструкторами Информатикум занятия в школе станут интереснее и привлекательнее для учеников, а изучение робототехники возродит интерес к техническим наукам и инженерным специальностям.

Это были не многие примеры которые могли быть в школьном кабинете робототехники ,т.к сегодняшние роботостроение насчитывает тысячи разных роботов ,и приспособлений для них.

Конечно хотелось чтобы были самые последние разработки ученых, в сфере робототехники, но такие роботы стоят очень больших денег.

                         3

           Оформление класса

С появлением роботов, все эти, сегодня доступные лишь интеллектуалам, темы будут очевидны даже детям. Но не сразу. На внедрение персоналок ушло, без малого, 20 лет. Внедрились -то они за год, а вот научится ими пользоваться, культурно вырасти в интернете до стадии спокойного разговора друг с другом, люди смогли только к середине 2000х. 

Представьте себе школу, в которой ученики младших классов общаются с роботами. А теперь, представьте себе, что они же их и собирают.

Обычные школьники здесь делают роботов на продленке: проектируют, печатают детали, паяют платы и программируют поведение. Я не знаю, что может быть круче в школе. 

Уже по этой фотографии видно на сколько детям нравиться ходить на занятия. В отличии от обычных уроков информатики здесь даже программирование наглядно – накодил алгоритм движения и робот сразу начал двигаться. 

Пример Школьного кабинета роботехники.

В классах вместо обычных парт и мела для доски – кругом разбросаны паяльники. Все сидят за ноутбуками, на экранах которых — чертежи. Удивительный симбиоз школьного кабинета и настоящей мастерской. Если приглядеться, то справа и слева лежат два разобранных колесных ро6ота.

Рядом с классами – цех со станками, судя по компьютерному управлению, точить на них не сложнее печати на 3d принтере.

Стерео камера и пара ног. На этих малышах отрабатывают «роевое начало» и алгоритмы взаимодействия роботов в группах. Вообще, это стандартный учебный робот, их называют Робо-бобы. 



Бобы собраны в кучку не просто так, готовятся для подключения к общей сети – ими всеми будет управлять оператор в шлеме, который считывает мысленные приказы. 

 

Работает шлем совсем не так просто, как может показаться на первый взгляд – он не может считать конкретную мысль «вправо», — он может лишь отметить конкретное психическое состояние мозга. Вы настраиваете в программе четыре-шесть любых состояний и система начинает их понимать. По сути, ваш мозг должен выдавать определенный график на мониторе – тогда машина его распознает.

Конечно, на практике все сложнее, и речь идет о тренировке управления своим мозгом. Опытный оператор приобретает навык контроля своего психофизического состояния и эмоционального фона. Причем, в отличие от обычного человека, которому зачастую, требуется продолжительное время, чтобы взять под контроль свои эмоции, — оператор делает это мгновенно. 

В качестве теста вы можете пройти лабиринт, мысленно передвигая красный пиксель. Со стороны это выглядит странно и завораживающе – квадратик действительно двигается, получая телепатические сигналы.



Без навыков играть в «мозгобол» очень тяжело — мячик здесь двигается в зависимости от того, как четко и долго вы можете держать свой мозг в определенном состоянии. Кто сильнее держит, тот и двигает шарик. Все дети в школе начинают с этой игры, как с простейшего тренажера. Затем уже можно работать со шлемом.

            Итог проделанной работы:

В период перехода современного общества от индустриальной к информационной экономике, от традиционной технологии к гибким наукоёмким производственным комплексам исключительно высокие темпы развития наблюдаются в сфере робототехники. По последним данным, сегодня в мире работают 1,8 млн. самых различных роботов - промышленных, домашних, роботов-игрушек. Век накопления знаний и теоретической науки сменяется новой эпохой - когда всевозможные роботы и механизмы заполняют мир. Потребности рынка труда в специалистах технического профиля и повышенные требования современного бизнеса в области образовательных компетентностей, выдвигают актуальную задачу обучения детей основам радиоэлектроники и робототехники. Технологическое образование является одним из важнейших компонентов подготовки подрастающего поколения к самостоятельной жизни. Деятельностный характер технологического образования, направленность содержания па формирование учебных умений и навыков, обобщенных способов учебной, познавательной, коммуникативной, практической, творческой деятельности позволяет формировать у школьников способность ориентироваться в окружающем мире и подготовить их к продолжению образования в учебных заведениях любого типа. Актуальность и мотивация для выбора подростками данного вида деятельности является практическая направленность программы, возможность углубления и систематизации знаний из курса основного образования. Работа с образовательными конструкторами LEGO Education и MINDSTORM NXT позволяет школьникам в форме познавательной игры узнать многие важные идеи и развить необходимые в дальнейшей жизни навыки. Занятия по данной программе формируют специальные технические умения, развивают аккуратность, усидчивость, организованность, нацеленность на результат.

Надеюсь и в нашем Лицее в скором времени появиться кабинет Роботехники.