Ученический проект "Робот - художник"

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
ГОРОД ОКРУЖНОГО ЗНАЧЕНИЯ НИЖНЕВАРТОВСК
МБОУ «СРЕДНЯЯ ШКОЛА №29»

ФЕСТИВАЛЬ
УЧЕНИЧЕСКИХ
ПРОЕКТОВ

ПРОЕКТНАЯ РАБОТА

«РОБОТ - ХУДОЖНИК»

Автор: Феденко Владимир,

ученик 3 «Б» класса

Руководитель: Ефимова

Наталья Анатольевна,

учитель начальных классов

Нижневартовск

2016

ОГЛАВЛЕНИЕ

1.    Введение. 3

1.1.     Актуальность выбранной темы. 3

1.2.     Цель и задачи проекта. 3

2.    История робототехники.. 4

2.1.     Откуда взялись роботы. 4

2.2.     Хронология развития робототехники. 5

2.3.     Виды роботов. 8

2.3.1.  Промышленные роботы.. 8

2.3.2.  Космические роботы.. 9

3.    Практическая часть. 10

4.    Заключение. 13

5.    Список использованных информационных ресурсов. 14

1.     Введение

1.1.                       Актуальность выбранной темы.

Меня зовут Феденко Владимир. Я ученик 3 класса. С первого класса я увлекся роботами. Современный мир сложно представить без роботов. Они проникли практически во все сферы нашей жизни. Наиболее часто роботы заменяют людей на заводах у станков, выполняя за них очень точную рутинную работу. Роботы встали на помощь медикам и помогают производить сложнейшие исследования и операции. Роботы - уборщики могут быстро и качественно убрать большие помещения. В горячих точках планеты роботы-сапёры спасли не один десяток людей, а роботы-разведчики помогли вычислить место расположения важных точек врага. Роботов можно встретить и в других областях человеческой жизни. Когда я рассказал своему классному руководителю, что на день рождения мне подарили конструктор «Робот – художник», она предложила мне попробовать создать этот проект. Я без колебаний согласился.

1.2.                       Цель и задачи проекта.

Цель проекта: собрать действующую модель робота – художника.

Задачи проекта:

1.      Изучить историю возникновения и развития робототехники.

2.      Изучить виды роботов.

3.      Изучить инструкцию по сборке и принцип действия модели робота – художника.

2.     История робототехники

2.1.                       Откуда взялись роботы.

С древних времён человек мечтал о создании искусственного человека, обладающего разумом и способного выполнять какие-либо действия. Так, в еврейской мифологии существует легенда о големе – глиняном человеке, которого оживили при помощи магии. В средние века ученые достигли высот, создавая сложные механизмы, но научить их мыслить так и не удалось. Самым удачным можно считать изобретение швейцарского часовщика Пьера-Жака Дро и его сына Анри Дро, живших во второй половине XVIII-го века – механический человек «Писец». Он умел выписывать буквы и слова, сидя за столом и плавно покачивая головой в такт движениям. От имени Анри Дро и произошло название «андроид».

А вот слово «робот», напротив, славянского происхождения. Его придумал чешский писатель Карел Чапек, который описал в своей социально-фантастической пьесе «R.U.R.»(«Россумские универсальные роботы») «механических людей» в 1920 году.

А в 1942 году писатель-фантаст Айзек Азимов впервые употребил термин «робототехника», а также вывел 3 закона для роботов:

1.               Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред.

2.               Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону.

3.               Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в какой это не противоречит Первому и Второму Законам .

Современная робототехника возникла во второй половине ХХ-го века, когда значительно возросла потребность в автоматизации производственных процессов. Современное определение робота обозначает его как универсальный автомат для осуществления действий, имитирующих действия человека.

Существует несколько направлений развития робототехники. Военные роботы используются для помощи военнослужащим в военных операциях. К ним относятся роботы-сапёры и спасатели, роботы-разведчики – беспилотные летательные аппараты и другие. Космические роботы отлично справляются с работой за пределами Земли – это зонды, луноходы, марсоходы и другие. Бытовые роботы помогают человеку в повседневной жизни, например, робот-пылесос.

Промышленные роботы представляют собой систему манипуляторов, управляемых при помощи специальных программ. Эти роботы предназначены для выполнения операций, связанных с перемещениями предметов, и используются в научных лабораториях и на промышленных производствах, чаще всего для покраски и как сварщики. В настоящее время в производственных процессах роботов используют для работы в смертельно опасных и агрессивных средах, при выполнении тяжёлых примитивных операций и в технологических процессах с тяжёлыми условиями труда, где шум, вибрация или высокая температура вызывают профессиональные болезни рабочих и быструю усталость.

Прогресс в робототехнике движется прежде всего в сторону совершенствования систем управления. Первое поколение промышленных роботов имело программное управление, основанное на станках с числовым программным управлением (ЧПУ). В роботах второго поколения использовалось адаптивное управление. Это очувствленные роботы – то есть они снабжены сенсорными системами, среди которых главной является система технического зрения (СТЗ). Доля этих роботов в общем количестве в 1980-х годах составляла около 50%, несмотря на то, что они в несколько раз дороже роботов с программным управлением и значительно сложнее в обслуживании. Однако затраты окупаются большими функциональными возможностями подобных роботов. К третьему поколению роботов относятся роботы с интеллектуальным управлением, пока они ещё находятся в стадии разработки и исследований.

2.2.                       Хронология развития робототехники

История робототехники неразрывно связана с историей развития ЭВМ. Чёткого и однозначного определения, что такое "робот" не существует, поэтому сложно определиться с датой, когда же в СССР был создан первый робот.

Известно, что в 1936 году 16–летний советский школьник Вадим Мацкевич создал «робота», который умел поднимать правую руку. Для этого он потратил 2 года работы в токарных мастерских.

На "робота" Мацкевича обратили внимание власти и в 1937 году он представлял его на Всемирной выставке 1937 года в Париже. Творение Мацкевича могло только поднимать руку, не выполняло никаких полезных действий и не обладало искусственным интеллектом, однако выглядело похожим на человека - так, как должен выглядеть классический робот в представлении широких масс - об этом говорит и то, что Мацкевич получил диплом на парижской выставке.

В США в 1954 году в Массачусетском технологическом институте родилась идея создания очувствленного робота. Аспирант института Г. Эрнст разработал очувствленную  руку-манипулятор под управлением компьютера. Она        собирала кубики, разбросанные по столу, и складывала их в ящик.

В 1962 году фирма Unimation внедряет первые промышленные роботы-манипуляторы на заводах General Motors. Механические руки использовались при сборке автомобилей, перемещали 40-килограммовые детали.

В 1963 году впервые в мировой истории сотрудники кафедры робототехники МВТУ им. Баумана создали манипулятор для размещения на внешней поверхности аппаратов типа «Восток». Управление манипулятором происходило с помощью специальных устройств управления, которые имитировали перемещение в пространстве человеческой руки. Сложность состояла в том, чтобы исключить возможное влияние на работу манипулятора внешних обстоятельств.

В Ленинградском политехническом институте создана экспериментальная модель интегрального робота, который был снабжён развитой системой очувствления, включающей техническое зрение и речевое управление.

В 1972 году в Институте Кибернетики под руководством Николая Михайловича Амосова создан автономный транспортный робот «Таир» с сетевой системой управления. «Таир» мог целенаправленно двигаться в естественной среде, при этом объезжая препятствия и поддерживая внутренние параметры в заданных пределах. Для передвижения робот использовал тактильные датчики, оптический дальномер, датчики состояния собственных подсистем и другие вспомогательные устройства. Для его управления была разработана нейроноподобная сеть, разделённая на шесть сфер: элементарных действий, распознавания и оценки ситуаций, решений, маневров верхнего и нижнего уровней.

В 1974 году провели первый чемпионат мира по шахматам среди компьютеров. Титул первого компьютерного чемпиона завоевала советская программа «Каисса».

В Институте Кибернетики под руководством Н. Амосова создан робот "Малыш", который также как и "Таир" управлялся обучающейся нейронной сетью. Он был сконструирован в виде шестиколёсной тележки, на которой размещались магнитный компас, оптический дальномер и контактные датчики. С МАЛЫШом был проведён целый ряд фундаментальных исследований и выявлены преимущества нейронносетевой системы управления перед традиционными алгоритмическими.

В 1980 году в СССР появился первый пневматический промышленный робот с позиционным управлением и техническим зрением МП-8.

В 1983 году на базе МВТУ им. Баумана для подразделений по борьбе с терроризмом создан мобильный робот, работающий со взрывоопасными предметами. Продолжила это направление разработка робототехнического комплекса МРК20 для работы с неразорвавшимися боеприпасами.

В 1984 году в Японии в Токийском университете создан робот Wabot-2. Он умеет читать ноты с помощью системы технического зрения, а затем играет прочитанную мелодию на органе десятью пальцами.

В Институте Кибернетики по заказу Министерства обороны СССР создан автономный робот МАВР, способный целенаправленно передвигаться в условиях сложной пересечённой местности. Благодаря оригинальной конструкции он обладал высокой проходимостью и надёжной защитой схем управления. Данные об окружающей среде поступали на бортовой компьютер через оптические и тактильные датчики и после обработки он принимал решение о направлении движения и других операциях.

Появился новый способ борьбы с пожарами – был спроектирован пожарный робот для защиты памятников деревянного зодчества музея «Кижи».

В США разработан домашний робот RB5X, которого можно запрограммировать на речь, движение по комнате и несложные задания по доставке предметов.

После катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года в МВТУ им. Баумана инженеры В. Шведов, В. Доротов, М. Чумаков, А. Калинин немедленно разработали мобильные роботы для проведения работ в зоне аварии – МРК и Мобот-ЧХВ. С их помощью провели полный цикл уборки и подготовили участок крыши третьего энергоблока для бетонирования.

"Мобот-ЧХВ" (мобильный робот, чернобыльский, для химических войск)

Робот СТР-1, выполнявший работы на кровле ЧАЭС

2.3.                       Виды роботов

2.3.1.                 Промышленные роботы

Структура промышленного робота состоит из нескольких систем: исполнительной (двигательной), информационно-измерительной (сенсорной), управляющей (интеллектной) и системы связи (языка).

- Исполнительная система определяет способность робота совершать различные движения. В качестве исполнительных систем применяются механические манипуляторы, устройства передвижения, электромагнитные и пневматические манипулирующие устройства.

- Сенсорная система служит для восприятия и преобразования информации о состоянии внешней среды, результатах воздействия на неё исполнительной системы и о состоянии самого робота. Элементами сенсорной системы являются телевизионные и оптико-электронные устройства, лазерные и ультразвуковые дальномеры, контактные, индуктивные и тактильные датчики, разнообразные датчики положения и скорости и другие.

- Управляющая, или интеллектная, система выполняет следующие функции: на основе сигналов обратной связи от сенсорной системы она вырабатывает закон управления исполнительной системой; организует общение робота с человеком-оператором на заданном языке; планирует действия робота и принимает целенаправленные решения. Возможности робота главным образом зависят от программного и алгоритмического обеспечения его управляющей системы. Управляющие системы роботов создаются на базе ЭВМ или микропроцессоров.

- Система связи робота служит для обмена информацией между роботом, человеком-оператором, другими роботами и устройствами (в том числе технологическим оборудованием) с целью передачи заданий роботу, контроля за функционированием робота, диагностики неисправностей и т. п. Информация от человека поступает, как правило, через устройство ввода или пульт управления.

2.3.2.                 Космические роботы

Освоение космоса дало огромный толчок к созданию автоматических систем управления, а преимущества робота перед человеком для работы в космической среде были очевидны. На робота не влияют внешние неблагоприятные условия, такие как космическая радиация. Роботу не требуются дополнительные ресурсы, как правило, он работает на солнечных батареях. Робот идеально подходит для выполнения такой механической работы, как сбор грунта с поверхности, сканирование и отправка данных на Землю.

Первым в мире дистанционно-управляемым самоходным аппаратом стал Луноход-1, доставленный на поверхность Луны 17 ноября 1970 года советской межпланетной станцией «Луна-7». Этот аппарат весом 756 кг обладал двумя телекамерами, рентгеновским флуоресцентным спектрометром и рентгеновским телескопом, детектором радиации, лазерным рефлектором и антенной передачи информации на Землю. Каждое из восьми колёс имело свой тормоз и электродвигатель, благодаря чему луноход мог объезжать небольшие препятствия. Электричество вырабатывала солнечная батарея на крыше робота. Луноход-1 успел проехать более 10 км, передал на Землю 211 панорам и около 25 тысяч фотографий, после чего связь с Землёй оборвалась.

Вслед за Луноходом-1 был создан Луноход-2. Его основными задачами являлись фото- и видеосъёмка поверхности Луны, проведение экспериментов с наземным лазерным дальномером и другие операции. Его доставили на Луну 15 января 1973 года. От первого аппарата Луноход-2 отличался наличием третьей телекамеры, что позволило увеличить дальность видимости. Он проработал почти 5 месяцев, прошёл за это время 37 км и передал на Землю 86 панорам и около 80 тысяч кадров.

3.     Практическая часть

Я хотел бы представить вашему вниманию собранного мной робота - художника.

Он умеет рисовать, трясясь и вращаясь, благодаря чему вычерчивает эффектные узоры.

На день рождения мне подарили конструктор. А так, как я увлекаюсь робототехникой, то мне стало интересно собрать этого робота своими руками из элементов конструктора.

Вскрыв коробку, я обнаружил в ней много разных деталей, болтиков, гаечек и винтиков. Нашел инструкцию по сборке и начал собирать, строго следуя ей.

Сначала я собрал основание, установил туда мотор и грузик, благодаря которому робот во время работы двигается.

Затем прикрепил к краю основания 3 руки робота и присоединил к ним держатели для фломастеров.

Соединил провода от батареи с проводами от мотора. Для чего оголенные концы красного провода батареи и красного провода мотора вставил в одну клемму и закрепил их колпачком-зажимом. А затем эти же действия проделал с черными проводами.

По окончанию сборки я вставил батарейку типа АА, фломастеры и запустил робота. 

У робота – художника есть 3 руки, каждая из которых умеет удерживать фломастер или карандаш и мотор, благодаря которому он трясется и вращается, вычерчивая эффектные узоры. Как же это действует?

Батареи вырабатывают  электричество для мотора, который крутит грузик на большой скорости. Центр тяжести грузика смещен от центра – он находится не на одной линии с осью мотора. При вращении грузик непрерывно толкает основание в противоположном направлении, это заставляет мотор и основание вибрировать по крошечным окружностям с большой частотой. Это также заставляет перья фломастера вибрировать вверх вниз на бумаге. Когда перья отрываются от бумаги, циклические вибрации заставляют их двигаться дальше. Если бы перья не подпрыгивали вверх-вниз, трение о бумагу не позволило бы им двигаться.

4.     Заключение

Роботы – это то, без чего уже не может существовать наше общество. С каждым годом они всё больше и больше проникают в нашу жизнь, завоёвывая себе все новые её горизонты. Работая над проектом, я узнал много нового из истории развития робототехники и могу поделиться своими знаниями с другими.

Я узнал, что первые роботы появились задолго не только до моего рождения, но и до рождения моих родителей. Что слово «робот», вероятнее всего, произошло от чешского слова «работа». Раньше я не знал, что для роботов тоже существуют законы. И что Луноход – это не просто машинка, которая ездила по поверхности Луны, а полноценный робот.

Во время сборки робота мне пришлось научиться работать строго по инструкции по сборке, разбираться в схемах сборки, закручивать мелкие болтики, гаечки и винтики, соединять электрические контакты, определять полярность элемента питания.

Своего робота я собирал несколько дней. А ещё я узнал, что мои папа и мама программисты, и их работа напрямую связана с темой робототехники. Несколько вечеров мы разговаривали об их работе, программировании, роботах. Мне стали понятнее многие слова, которые я слышал в их разговорах с самого раннего детства.

Ученики, родители и учителя школы оценили мою работу по достоинству и посчитали её творческой и интересной.

5.     Список использованных информационных ресурсов

1. Брыкова О.В. «Проектная деятельность в учебном процессе». – М.; Чистые пруды, 2006.

2. Землянская Е.Н. «Учебные проекты младших школьников». Начальная школа. – 2005. – № 9. – С. 55–59.

3. Журнал «Начальное образование», №5, 2006.

4. http://ru.wikipedia.org

5. Г.А. Звенигородский. «Первые уроки программирования». – М. «Наука», 1985

6. http://kommersant.ru/doc/2290009 «Вадим Мацкевич победитель Америки»

7. http://chornobyl.in.ua/robot.html

8. http://statehistory.ru/4498/Istoriya-sovetskoy-robototekhniki/ «История советской робототехники»