Робототехника
 Скачать 1.91 Mb.
|
|
Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение “Средняя общеобразовательная школа №2” г.Ливны Индивидуальный исследовательский проект по теме «Робототехника» Автор:ученик 10 ’’А’’ класса Якубсон Дмитрий Руководитель: Сергеев Павел Вячеславович учитель информатики г.Ливны, 2023 СодержаниеМедицинские помощники. 6 Бытовые ассистенты. 7 Сервисные 8 Военные роботы 8 Промышленные машины 9 Введение. На протяжении многих веков люди изобретают механизмы и машины, способные облегчить нашу жизнь, и современный человек едва ли сможет представить свою жизнь без них. Ежедневно появляются новые устройства и улучшаются существующие. Таких устройств уже несчетное множество, но, безусловно, самым высоким достижением человеческой мысли являются роботы. Робототехника — прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Лего-робототехника - это проектирование и конструирование всевозможных интеллектуальных механизмов – лего-роботов, имеющих модульную структуру и обладающих мощными микропроцессорами. Поэтому, актуальность данной работы обусловлена необходимостью создания робота своими руками. Цели: Познакомиться с такой наукой, как робототехника. Узнать виды роботов и перспективу развития робототехники. Создать робота. Задачи: изучить историю робототехники; исследовать виды современных рабочих роботов и функции, которые они выполняют; изучить принцип конструирования робота для новичков. создать робот на основе конструктора Spike Prime. Объект исследования: робот. Предмет исследования: применение робота Гипотеза исследования: Я считаю, что познакомившись с историей, устройством робототехники, можно будет собрать робота своими руками и написать для него программу. Практическая значимость: Модель робота можно использовать на уроках информатики в качестве ознакомительного экземпляра. Продукт: Создание робота из конструктора. Методы исследования: Теоретические: изучение литературы по заявленной теме исследования, классификация собранных материалов, обобщение материалов. Математические: написание алгоритма для полноценной работы модели робота. Эмпирические: сборка и тестирование модели робота-погрузчика. Глава I. Что такое робототехника? История робототехники. Прикладная наука, занимающаяся созданием и использованием роботов, всевозможных систем автоматизации, которая возникла как результат слияния кибернетики и механики, имеет гораздо более долгую историю, чем может показаться. На самом деле развитие робототехники началось еще до нашей эры, когда Архит Тарентский в IV веке до н.э. задумал создание первого в истории человечества робота – механической птицы из дерева, которую предполагалось приводить в движение паровой тягой для подъема до 200 метров ввысь. Первый человекоподобный робот был сконструирован Леонардо да Винчи в 1495 году. Это был рыцарь, способный шевелить руками и вращать головой. К слову, в наше время ученым удалось создать реплику конструкции по эскизным чертежам. Но гораздо дальше всемирного гения продвинулся в XVIII веке механических дел мастер Жак де Вокансон, создавший уникальную утку, позже названную в его честь, а также играющего на флейте андроида, в числе умений коего было проигрывание 11 мелодий. История развития робототехники навсегда запечатлела это изображение. К слову, сам термин "робот" был изобретен уже в XX веке. Что интересно, пришел он из литературы – в 1920 году писатель из Чехии Карел Чапек написал пьесу о производстве, выпускающем ненастоящих людей, где впервые было упомянуто это слово. Кроме того, его творение "Р.У.Р." стало передовым произведением о "злых" роботах. Исторически развитие робототехники именно в ХХ веке стало происходить ускоренными темпами ввиду всеобщего научно-технического прогресса. Этот термин был придуман известным фантастом Айзеком Азимовым в 1942 году, создавшем целую вселенную, где люди жили бок о бок с роботами. Непосредственно история развития робототехники берет свое начало в 60-х годах ХХ века, когда на производстве General Motors впервые начали использоваться промышленные роботизированные манипуляторы от компании Unimation. В начале 1970-х годов был создан первый мультифункциональный подвижный робот Shakey, который был способен оценивать и анализировать собственные действия. Воплощением следующего этапа, чье влияние на развитие робототехники неоспоримо, стал робот-марсоход "Соджорнер", приземлившийся на Марсе в 1997 году. Он сыграл значительную роль в исследовании красной планеты. Примерно с этого момента начинается активнейшее развитие в этом направлении. Виды роботов. Где используются? Существуют различные виды роботов, отличающиеся способами управления, техническими возможностями, назначением. Некоторые автоматизированные устройства способны полностью заменить труд человека. Робот может выполнять команды пользователя или действовать автономно, следуя заложенной программе. В основном в робототехнике выделяют такие направления как: строительная, промышленная, бытовая, медицинская, авиационная и экстремальная( военная, космическая, подводная). Благодаря развитию робототехники люди создают все больше и больше различных видов роботов, которые могут выполнять работу опасную для жизни человека. Медицинские помощники. Фармацевты. Изготавливают и сортируют лекарственные препараты. Протезы. Роботизированные аналоги помогают частично восстановить функции утраченных конечностей. Трансплантаты. Применяются в качестве замены переставших функционировать или травмированных внутренних органов. Такие ткани способны полностью заменить некоторые части организма. Сиделки. Используются для ухода за пациентами, неспособными самостоятельно обслуживать себя. Диагносты. Составляют план лечения и ставят диагноз, анализируя результаты обследования и данные анамнеза. Симуляторы пациентов. Используются для обучения или повышения квалификации медицинских работников.    Бытовые ассистенты. Такая техника предназначена для помощи человеку в выполнении повседневных задач. В категорию бытовых входят следующие типы роботов: Транспортные. Применяются для организации пассажирских или грузовых перевозок. Умный дом. Комплексная система помогает организовать работу бытовой и охранной техники. Компаньоны. Универсальные роботы оказывают интеллектуальную и физическую помощь человеку. Помощники. Применяются для выполнения повседневной домашней работы – уборки, приготовления пищи, мытья окон, кормления домашних животных, стрижки газонов, чистки бассейнов.    СервисныеКлассификация роботов включает в эту группу устройства, не относящиеся к другим категориям. К сервисным можно отнести средства сбора данных, демонстрации новых технологий, исследовательские аппараты, а также роботы, используемые в сфере услуг – консультанты, администраторы, промоутеры, гиды и т. д. Военные роботы Военными называют многофункциональные технические средства, заменяющие человека при выполнении некоторых военных операций. Эти устройства наделены искусственным интеллектом и предназначены для задач, которые не может решить человек. В современном мире существуют следующие разновидности военных роботов: Беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Используются для выполнения надземных миссий, например, для наблюдения и сбора данных. Летательные роботы могут разрабатывать схемы нанесения ударов по точкам противника, проводить разведывательные операции. Сухопутные. В эту группу входят военные машины, передвигающиеся по земле и работающие без участия человека. Морские. Категория включает надводные и подводные роботизированные устройства, используемые для наблюдения, разведки, охраны, поиска мин.    Промышленные машины Промышленные устройства помогают полностью или частично автоматизировать производственные процессы. По назначению аппараты делятся на такие типы: Литейные. Используются для расплавления и заливки металла. В эту группу можно включить главное достижение промышленной робототехники – 3D-принтеры. Средства механической обработки. Применяются для придания деталям нужной формы с помощью режущих и прессующих установок. Сборочные. Используются для физического совмещения или пайки элементов электронных схем. Окрасочные. Применяются для автоматического распределения лакокрасочных изделий и полировки поверхностей. Строительные. Помогают автоматизировать строительство и добычу ресурсов. В эту группу входят доставщики и укладчики строительных материалов. Фасовщики. Оценивают качество продукции, сортируют, упаковывают. Помогают автоматизировать конечный этап конвейерного производства. Транспортные. Используются для доставки продукции. Наиболее часто применяют конвейерные аппараты. Сельскохозяйственные. Автоматизируют весь процесс выращивания растительных культур.   Глава II. Будущее робототехники и как создаются роботы? 2.1. Перспективы развития робототехники. Наука не стоит на месте. Уже сейчас уровень развития робототехники достиг больших высот. Писатели-фантасты неоднократно пугали мир разнообразными вариациями на тему «бунта машин». Но ситуация с развитием робототехники в настоящее время складывается таким образом, что остановить это развитие в данной сфере невозможно. А все потому, что роботы уже заняли свою нишу в жизни общества. Они стали частью современной промышленной революции, характеризующейся широким внедрением адаптивных технологий и роботизацией производства. Ежегодно все больше предприятий автоматизируется, поэтому на данный момент завод, на котором работает всего несколько десятков человек, а всю основную работу выполняют роботы, уже никого не удивляет. Промышленные роботы выпускаются десятками тысяч. Несмотря на то, что этот рынок достаточно давно сформировался, с выходом на него Китая ситуация здесь только обостряется. Необходимо отметить, что сам термин «робототехника» подразумевает прикладную науку, которая занимается разработкой технических автоматизированных систем и является важной составляющей интенсификации производства. В своем развитии робототехника опирается на такие дисциплины, как механика, электроника, информатика. Опираясь на прошлое, через которое робототехника прошла и развивалась можно сказать, что пришла она в полной мере усовершенствованной. Она разительно отличается от робототехники прошлых веков. Но не стоит забывать о том, что именно разработки и чертежи предыдущих изобретателей и легли в основу развития современной робототехники. Период успеха механических помощников людей пришелся на прошлое столетие. Появление нового вида механизмов было реализовано в фантастической литературе, в частности, в научно-популярной пьесе Карла Чапека «RUR» (1923), в которой впервые было использовано слово «робот». Позже, в середине прошлого столетия, был создан первый функциональный робот – была сконструирована роботическая рука, управление которой осуществлялось при помощи электронного контролера. Современный мир вполне осознает, какое значение имеет робототехника. Конечно, до появления роботов, способных свободно общаться со своими владельцами, еще далеко, но уже появились такие, которые могут выполнять определенные виды работ. Искусственный интеллект появился в роботах-пылесосах, самоочищающихся кошачьих туалетах. Многие наверняка слышали о 3D-печатном роботе, который самостоятельно собирает себя, когда его детали нагреты до определенных температур. Несмотря на то, что пользовательские роботы еще не очень распространены, само появление подобных устройств доказывает, что у людей есть желание создавать подобные инновации. Роботов можно программировать, и не только на выполнение тех задач, которые человеку не нравятся, но и тех, которые ему просто не под силу. Именно по этой причине в самое ближайшее время развитие робототехники возможно в медицинской сфере. Немецкие ученые работают над созданием нанотехнологий с роботизированными интегрированными элементами. Эти миниатюрные роботы могут быть запрограммированы на перемещение глазной или кровяной жидкости, восстановление повреждений клеток человеческого тела, доставку лекарств. Кроме того, роботы могут заменить людей в инфекционной среде, что особенно актуально в условиях развития различных эпидемий. В настоящее время развитие робототехники достигло такого уровня, что роботы могут не только перемещаться самостоятельно, но и переносить грузы, играть на музыкальных инструментах, подниматься по лестницам, принимать участие в спасении людей при чрезвычайных ситуациях, изображать домашних животных, и даже успели побывать в космосе. В некоторых странах развитие робототехники происходит в ограниченном направлении. Ярким примером может служить Россия, где развивается только военная робототехника, как ответ на американскую программу роботизации армии. Если говорить о гражданской робототехнике, то здесь насчитывается всего около полусотни компаний, которые занимаются разработками подобного рода. В США же эта цифра в десятки раз больше. В то же время, можно говорить о том, что во всем мире ускорился рост так называемого роботолюбительства. Все больше школьников и студентов увлекается работой с моделями роботов и различными коптерами. Сейчас робототехника постепенно становится тем общим двигателем, который объединяет электротехнику, электронику, оптику, механику. Развитие данной науки дает возможность решать разного рода социальные проблемы, в частности, совершать уход за престарелыми людьми, снизить человеческие потери в военных конфликтах, ограничить миграцию низкоквалифицированной рабочей силы. Но чтобы данная наука и дальше развивалась, необходима правильная постановка целей: наращивание производства роботов и упрощение их применения. Данные цели возможно решить с помощью повышения показателя интеллектуальности роботов. А робототехника будущего в настоящее время представляется как гармоничное соединение интеллектуальных и программных роботов, которые могли бы обеспечить удовлетворение нужд общества. Впрочем, делать какие-либо прогнозы относительно развития робототехники, искусственного интеллекта на длительный период в настоящее время не представляется возможным. Хотя… можно предположить, что может появиться и массово внедряться роботизированный транспорт, без человека-водителя. В настоящее время данный процесс идет не так быстро, как хотелось бы. Вполне возможно, что в ближайшие десятилетия беспилотная авиация продолжит вытеснять летчиков, а соотношение роботизированных летательных аппаратов будет равно примерно 80 к 20 процентам в пользу беспилотников. Кроме того, возможно нарастание замены военнослужащих роботами в общем в вооруженных силах. В силу бурного развития робототехники появляются новые виды роботов, их количество возрастает, но в будущем может произойти их универсализация, и число роботов постепенно сократится, поскольку один и тот же робот сможет выполнять различные задачи. Может сформироваться стойкий рынок сервисных роботов, в частности, домашних, которые будут охранять и убирать жилище, присматривать за детьми, готовить еду и организовывать досуг людей. Могут появиться также роботы-сиделки, обучающие роботы. Уже сейчас существует немало перспективных разработок, поэтому в будущем они могут быть воплощены в жизнь. Таким образом, со временем практически каждая семья сможет обзавестись роботом того или иного типа. 2.2.Как создаются роботы? Существует много разных типов роботов, но каждый использует одни и те же фундаментальные элементы. Основные части каждого робота - это механика, электроника и программирование. Создатели должны определить цель роботизированного проекта и объединить компоненты из этих основных категорий, чтобы завершить сборку. Начинающим робототехникам обычно не нужны сложные комплекты или большие суммы денег, чтобы сделать своего первого робота, так как простой автономный роботизированный проект может быть выполнен за небольшие средства. Новички должны выбрать проект, который не является чрезмерно амбициозным или продвинутым. Многие простые роботы предназначены для передвижения по комнате, в то время как другие запрограммированы на поиск солнечного света. Простая цель позволяет сосредоточиться на одной конкретной цели для роботизированного проекта и её достижения. Механика робота должна быть построена с учетом конкретной цели. Роботизированная рама необходима и должна быть большой и достаточно прочной, чтобы поддерживать критические компоненты робота. Колеса должны выбираться на основе предполагаемой поверхности. Робот, который будет использоваться на открытом воздухе, должен иметь большие колеса с протектором, а колеса для других роботов обычно могут быть меньше и легче. Также следует выбирать систему колес, которую легко контролировать. Например, робот с двумя колесами намного проще строить и контролировать, чем проект с четырьмя колесами. Двухколесные роботы не требуют рулевых механизмов, но могут управляться остановкой или реверсированием одного из колес. Необходимый массив электронных деталей может показаться пугающим и сложным для любителей, работающих над созданием робота. Однако, как и в случае с оборудованием, робототехническая электроника не должна быть чрезмерно сложной, и простота часто является преимуществом. Минимальные электронные компоненты, необходимые для роботизированного проекта, включают в себя двигатели, батареи, датчики и микроконтроллер. Двигатели для роботов почти всегда имеют тип постоянного тока (DC). Они должны быть связаны непосредственно с колесами или соединены с приводными валами с помощью зубчатых колес. У роботов с двумя колесами часто также есть два двигателя. Включение обоих двигателей приводит робот в движение, остановка левого или правого двигателя заставляет робота поворачиваться в этом направлении. Батареи обычно используются для подачи питания на электронные компоненты. Робототехники, которые создают роботов, должны выбирать легкие батареи, но при этом обеспечивающие достаточную мощность. Чаще рекомендуются аккумуляторные батареи. Обычные щелочные батареи, например, находящиеся в фонарях, часто слишком тяжелы и дороги для постоянной замены. Для большинства роботов требуется микроконтроллер. Это простые платы, который действует как мозг робота. Микроконтроллеры содержат программы или набор инструкций. Большинство программ микроконтроллеров можно легко обновить с помощью компьютера. Обычно датчики должны обеспечивать взаимодействие робота с окружающей средой. Они связаны непосредственно с микроконтроллером. Роботостроители должны выбирать датчики, соответствующие конкретным целям проекта. Например, роботу, ищущему солнечный свет, может понадобиться фотодатчик для определения уровня освещенности. Более сложные роботизированные проекты часто используют ультразвуковые и инфракрасные датчики для определения расстояний между объектами и предотвращения столкновения с препятствиями. Глава III.Практическая часть. 3.1.Этап подготовки. Для создания робота-погрузчика, мне понадобится конструкторSpike Prime, а для написания программы приложение 3.2.Ход работы. В ходе моей работы мне придется создать робота-погрузчика. Я буду работать по плану:
3.3.Плюсы и минусы. Плюсы: Компактность объекта . Маленькое потребление энергии. Удобно использовать, прост в освоении. Помощь человеку в труднодоступных местах. Минусы: Хрупкость объекта. Собирать приходиться из специального конструктора. Сама сборка отнимает много времени. Заключение. Данное исследование помогло ближе познакомиться с такой наукой, как робототехника. Узнать какие виды роботов существуют и как они помогают и используются человеком в современном. Какие дальнейшие перспективы развития робототехники, а также сложно ли собрать робота самому. Список используемых источников. https://tainy.net/53508-razvitie-sovremennoj-robototexniki.html https://hi-news.ru/technology/istoriya-robototexniki-kak-vyglyadeli-samye-pervye-roboty.html https://sitekid.ru/izobreteniya_i_tehnika/roboty/istoriya_robototehniki.html https://mentamore.com/robototexnika/perspektivy-razvitiya-robototexniki.html https://prof-itgroup.ru/media-center/blog/perspektivy-razvitiya-robototekhniki-v-rossii/ https://robotportal.ru/zanimatelnaya-robototehnika/vidy-robotov |
