Научно-практическая конференция исследовательских работ обучающихся общеобразовательных организаций
«Кузбасские истоки»
Направление: Точные науки
Тема: «Робот»
Судочаков Тимур, Пьянков Александр
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
город Таштагол, Кемеровской области
11 – б класс
Научный руководитель:
,
учитель физики
высшей квалификационной категории
МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №9»
Содержание
1.Введение 3
2.Основная часть 3
2.1.Виды роботов 3
2.1.2. Игрушки 6
2.1.3.Студенческие роботы 6
2.1.4.Телеуправляемые робототехнические системы 7
2.1.5.Промышленные роботы 8
2.1.6 Разумные роботы 8
3.Практическая часть 9
3.1.Сборка корпуса 9
3.2.Комплектация 10
3.3.Сборка схемы 11
3.4.Программа 12
1.Введение
Робототехника – перспективная и многообещающая ветвь современной науки. Хотя мы этого в основном не замечаем, но предшественники высокотехнологических роботов будущего давно уже вошли в нашу жизнь. Во многих отраслях промышленности активно используются роботы, которые способны совершать большое количество запрограммированных операций и даже самостоятельно принимать некоторые решения.
Что такое робот?
Слово «робот» происходит от чешского слова «robota», обозначающего тяжелый физический труд.
Согласно Американскому институту по изучению роботической техники, робот представляет собой репрограммируемый мультифункциональный манипулятор, предназначенный для перемещения или передвижения предметов, их частей или иных специализированных устройств с целью выполнения различных задач.
2.Основная часть
2.1.Виды роботов
Первые функциональные роботы появились в середине XX века. В 1954 году Джордж Девол и Джо Энглебергер разработали роботическую руку, управляемую посредством электронного контролера. Движения руки программировались и осуществлялись при помощи гидравлической системы. Данное устройство получило название «Анимэйт». Впервые роботическая рука была применена на конвейерах сборки автомобилей компании Дженерал Моторс.
К настоящему времени функциональные роботы продолжают развиваться и уже способны не только самостоятельно передвигаться (Cart, Genghis, ShadowBiped), но и взбираться по лестницам и переносить грузы, играть на музыкальных инструментах, изображать домашних животных, собирать образцы породы на Марсе, обеспечивать работу международной космической станции, а также участвовать в поиске и спасении людей в чрезвычайныхситуациях.
Все роботы делятся на два широких класса - манипуляционные и мобильные роботы.
Манипуляционный робот — автоматическая машина, которая служит для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций.
Мобильный робот — автоматическая машина, в которой имеется движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами.
Наш небольшой робот, очевидно, является мобильным.
Однако, существует множество видов роботов, которые выполняют те или иные функции.
Всех их можно условно объединить в несколько групп.
2.1.1. Роботы индустрии развлечений
Эта отрасль робототехнической науки по праву может быть названа самой древней. Еще во времена, когда об электричестве никто не слышал, в книгах встречаются упоминания о механических утках, зверях и т. п. Перед Второй мировой войной на международных выставках в Сан-Франциско и Нью-Йорке демонстрировался робот, выполнявший ряд приказов. «Встань!» — говорил ему человек в микрофон, и неуклюжий, в полтора человеческих роста робот послушно вставал со стула, «иди!» — робот медленно шел на своих массивных ногах, снабженных гусеничными подошвами.«Стоп!» — командовал человек, и робот останавливался. По приказу человека этот робот мог произносить несколько фраз, записанных на магнитофон, кроме того, он мог различать цвета. И наконец, что уж совсем удивляло и потешало публику, этот робот курил и подмигивал.
Другой робот, созданный американским инженером Вэнсли, долгое время проработал дежурным водопроводных баков одного из нью-йоркских небоскребов: следил за уровнем воды, запускал насосы, отвечал на телефонные звонки, сообщая об уровне воды и работе насосов.
Этот список роботов для потехи можно продолжать довольно долго. Очевидно, что такие системы не могли играть иную роль, нежели увеселительную. Сейчас это направление также бурно развивается, основной его потребитель — это, конечно же, киноиндустрия. Хотя многие вещи сейчас гораздо проще делать при помощи компьютерной графики, эта отрасль переживает чуть ли не второе рождение, благодаря такому направлению бизнеса, как подвижная (мобильная) реклама. На западе эта тематика переживает настоящий бум.
2.1.2. Игрушки
У кого из нас в детстве не было заводных или радиоуправляемых игрушек! А пресловутые «Тамагочи» — это также робототехнические системы, но менее сложные и облаченные в иную форму.
2.1.3.Студенческие роботы
Эта группа является как бы переходной между «несерьезными» РТС и настоящими научными роботами. В зависимости от целей, этих роботов можно отнести к разным группам. Например, несколько студентов договариваются об общих правилах, таких как размер колес, мощность двигателя и прочее. Через месяц все представляют свои проекты и начинается... игра в футбол, футбол для роботов. Как правило, такие роботы имеют радиоуправление. Либо другое решение: все виды управления у человека изымаются, «тело» робота покрывается множеством всевозможных датчиков, сообщающих ему информацию о внешней среде, память бортового компьютера набивается всевозможными правилами поведения в тех или иных условиях, и робот выходит в «свободный полет». Кстати, добиваются весьма интересных поведенческих ситуаций, ведь задание жестких правил поведения есть не что иное, как наличие инстинктов.
2.1.4.Телеуправляемые робототехнические системы
Кажущаяся простота роботов, работающих по данной схеме, не должна вводить в заблуждение — потребность в них крайне высока. Интеллектуальная часть отсутствует или сведена к двум-трем инстинктам, блокирующим неумелые действия оператора; по сути дела это лишь мобильная робототехническая система, плюс аппаратура приема и передачи радио - либо видеосигнала и управляющих команд. Однако круг применения этих систем очень широк, ведь они нужны там, где неосуществимо реальное присутствие человека. Это отрасли науки и техники, медицина, космические исследования, оборона. В последнее время в прессе появились сообщения о микророботах, которые могут путешествовать по венам, транспортировать лекарства или устранять налет со стенок сосудов.
Роботы исследуют для поиска затонувших кораблей, когда посылать на дно людей-водолазов невозможно. Также незаменимы телеуправляемые роботы в условиях разминирования, повышенной радиации, химического загрязнения — в общем везде, где прямое присутствие носителя разума невозможно.
2.1.5.Промышленные роботы
Эта группа роботов также практически полностью лишена разума. Предназначены они лишь для того, чтобы заменить человека на всех трудных, монотонных, поточных работах. Эти роботы действуют на основании написанных программ и иногда наполняют собой автоматические линии, участки, а также способны выполнять полный производственный цикл. Ученые выделяют в этой группе три поколения роботов, но их назначение не меняется, они были и остаются неутомимыми рабочими, делающими свою работу 24 часа в сутки, не требуя зарплаты, доплаты за сверхурочные, премии и отпусков.
2.1.6 Разумные роботы
В средствах массовой информации то и дело появляются «сенсационные» сообщения о том, что удалось смоделировать разум. Дело здесь, в том, что почти никто, до конца не знает, как устроен и как работает человеческий мозг. Мы можем лишь догадываться и строить предположения. Вследствие этого моделирование мыслительного процесса крайне затруднено.
3.Практическая часть
3.1.Сборка корпуса
Для создания робота нам потребовался лист пластика (110х130 мм), на нижней части мы закрепили четыре гвоздя, которые заменили валы приводов колес, и насадили на них колеса. Собрали два редуктора из найденных шестеренок, уменьшающие вращательный момент, присоединили их к валам ведущих колес на верхней части листа и подцепили к редукторам двигатели на 11 В. Сам ArduinoUno питается от батарейки «крона» (9 В).
3.2.Комплектация
Arduino Uno |
| ||||||||||||||||||||||||
Дальнометр | Напряжение питание: 5 В Потребление в режиме тишины: 2 мА Потребление при работе: 15 мА Диапазон расстояний: 2–400 см Эффективный угол наблюдения: 15° Рабочий угол наблюдения: 30° | ||||||||||||||||||||||||
Двигатели | Рабочее напряжение: 3 – 9 В Номинальное напряжение: 6 В Ток без нагрузки: 175 мА Ток при блокировке: 1200 мА Диаметр выходного вала: 4 мм ирина Ч Высота: 52,9Ч20Ч20 мм Вес: 44 гр | ||||||||||||||||||||||||
Motor shield | Напряжение питания силовой части: 4,8-24 B Напряжение питания силовой части с PWR JOIN: 7 – 12 В Напряжение питания логической части: 4,5 – 7 В Допустимый уровень управляющих сигналов: 3 – 7 В Продолжительный ток на канал: 2 А | ||||||||||||||||||||||||
Источник питания Arduino Uno | Напряжение: 9 В | ||||||||||||||||||||||||
Источник питания MotorShield Li-Poаккумулятор | Напряжение: 11В Емкость: 2200 мА/ч |
3.3.Сборка схемы
MotorShieldприсоединили к Arduino. Он нужен для того, чтобы токи, которые необходимые для работы двигателей не сожгли микропроцессор. К соответствующим выходам присоединили провода, питающие двигатели. Питание для MotorShieldподается отдельно от платы микроконтроллера.
Ультразвуковой датчик имеет три контакта: VCC, на который подается 5 В, GND, по сути, минус и SIG, который отправляет на микроконтроллер информацию. С помощью проводов мы подсоединили каждый контакт к необходимымпинам на Arduino.
Наш робот способен принимать решения в зависимости от ситуации, что позволяет ему успешно обходить препятствия.
Его «глазами» является дальномер, «мозгом» микроконтроллер ArduinoUno, «мышцами» двигатели, а «сердцем» аккумулятор.
3.4.Программа
#include "Arduino. h"
#include "MotorDriver. h"
#define ServoPin 2
class Ultrasonic
{
public:
Ultrasonic(int pin);
void DistanceMeasure(void);
long microsecondsToCentimeters(void);
private:
int _pin;
long duration;
};
Ultrasonic::Ultrasonic(int pin)
{
_pin = pin;
}
void Ultrasonic::DistanceMeasure(void)
{
pinMode(_pin, OUTPUT);
digitalWrite(_pin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(_pin, HIGH);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(_pin, LOW);
pinMode(_pin, INPUT);
duration = pulseIn(_pin, HIGH);
}
long Ultrasonic::microsecondsToCentimeters(void)
{
return duration/29/2;
}
Ultrasonic ultrasonic(7);
int RightLed = 12;
int LeftLed = 11;
int BackLed = 1;
void setup()
{
pinMode(RightLed, OUTPUT);
pinMode(LeftLed, OUTPUT);
pinMode(BackLed, OUTPUT);
Serial. begin(9600);
motordriver. init();
int thr = 135;
motordriver. setSpeed((thr),MOTORB);
motordriver. setSpeed((thr-15),MOTORA);
pinMode(2,OUTPUT);
}
int sonar()
{
long RangeInCentimeters;
ultrasonic. DistanceMeasure();
RangeInCentimeters = ultrasonic. microsecondsToCentimeters();
Serial. print(RangeInCentimeters);
Serial. println(" cm");
return RangeInCentimeters;
}
void ServoMove(int angle)
{
int time=390+10*angle;
digitalWrite(ServoPin, HIGH);
delayMicroseconds(time);
digitalWrite(ServoPin, LOW);
delayMicroseconds(20000-time);
}
void loop()
{
digitalWrite(BackLed, HIGH);
int i = 0;
while(i!=90)
{
ServoMove(i);
if (sonar()>40)
{
motordriver. goForward();
}
else
{
while (sonar() < 40)
{
motordriver. goLeft();
digitalWrite(LeftLed, HIGH);
}
}
if (sonar() < 10)
{
motordriver. goBackward();
delay(150);
}
i = i+15;
delay(1);
}
delay(1);
while(i!=180)
{
ServoMove(i);
if (sonar()>40)
{
motordriver. goForward();
}
else
{
while (sonar() < 40)
{
motordriver. goRight();
digitalWrite(RightLed, HIGH);
}
}
if (sonar() < 10)
{
motordriver. goBackward();
delay(150);
}
i = i+15;
delay(1);
}
delay(1);
while(i!=90)
{
ServoMove(i);
if (sonar()>40)
{
motordriver. goForward();
}
else
{
while (sonar() < 40)
{
motordriver. goRight();
digitalWrite(RightLed, HIGH);
}
}
if (sonar() < 10)
{
motordriver. goBackward();
delay(150);
}
i = i-15;
delay(1);
}
delay(1);
while(i!=0)
{
ServoMove(i);
if (sonar()>40)
{
motordriver. goForward();
}
else
{
while (sonar() < 40)
{
motordriver. goLeft();
digitalWrite(LeftLed, HIGH);
}
}
if (sonar() < 10)
{
motordriver. goBackward();
delay(150);
}
i = i-15;
delay(1);
}
}
