10176249_831177Tekhnolog
.pdf
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Глава 1. Роботы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
§ 1. Что такое робот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 § 2. Робот EV3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 § 3. Сборочный конвейер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 § 4. Проект «Валли». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 § 5. Культура производства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Глава 2. Робототехника . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
§ 6. Робототехника и её законы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 § 7. Передовые направления в робототехнике . . . . . . . . . . . . . . . 23 § 8. Программа для управления роботом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 § 9. Графический интерфейс пользователя . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 § 10. Проект «Незнайка» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 § 11. Первая ошибка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 § 12. Как выполнять несколько дел одновременно . . . . . . . . . . . . 35
Глава 3. Автомобили . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
§ 13. Минимальный радиус поворота . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 § 14. Как может поворачивать робот. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 § 15. Проект «Настройки для поворотов». . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 § 16. Кольцевые автогонки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Глава 4. Роботы и экология. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
§ 17. Проект «Земля Франца-Иосифа» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 § 18. Нормативы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Глава 5. Роботы и эмоции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
§ 19. Эмоциональный робот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 § 20. Экран и звук. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 § 21. Проект «Встреча» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 § 22. Конкурентная разведка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 § 23. Ожидание . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 § 24. Проект «Разминирование» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3
Оглавление
Глава 6. Первый отечественный робот . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
§ 25. Первый робот в нашей стране . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Глава 7. Имитация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
§ 26. Роботы-симуляторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 § 27. Алгоритм и композиция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 § 28. Свойства алгоритма . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 § 29. Система команд исполнителя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 § 30. Проект «Выпускник» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Глава 8. Звуковые имитации . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
§ 31. Звуковой редактор и конвертер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 § 32. Проект «Послание» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 § 33. Проект «Пароль и отзыв» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Словарь терминов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Информация для организаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
4
ВВЕДЕНИЕ
Дорогие друзья!
Это пособие предназначено для юных любителей конструирования и робототехники. С его помощью в школе и дома вы сможете создавать различные модели роботов. Для занятий вам понадобится образовательный конструктор LEGO MINDSTORMS Education EV3.
Технологии LEGO MINDSTORMS Education EV3 откроют перед вами широкие возможности для знакомства с робототехникой. На уроках вы научитесь основам программирования, разовьёте пространственное мышление и мелкую моторику, проведёте занимательные исследования и эксперименты. Это отличный способ для более серьёзного знакомства с наукой и техникой, тренировки навыков общения в группе и умения преодолевать трудности.
Главный элемент набора LEGO MINDSTORMS Education — модуль EV3, который управляет моторами и датчиками и обеспечивает беспроводное подключение. Определите, какие моторы и датчики вы будете использовать, и создайте модель любого робота, описанную в этой книге. Программное обеспечение LEGO MINDSTORMS Education EV3 предоставляет доступ к содержанию, программированию, регистрации данных, электронным тетрадям и многому другому, о чём вы узнаете, выполняя задания из пособия.
Команда LEGO Education оказывает оперативную поддержку своим пользователям. На сайте http://LEGOeducation.ru можно подробнее ознакомиться с конструктором LEGO MINDSTORMS Education EV3, посмотреть предложенные инструкции, чтобы понять, как собирать роботов.
5
Введение
В каждой главе книги есть параграф с теоретической вводной частью, прочитав которую, вы поймёте, чему посвящены проекты данной главы. Затем следуют параграфы с экспериментами, практическими работами и проектами. Чтобы их выполнить, нужно придерживаться определённого плана работы.
Общий план работы над робототехнической задачей
Планирование (составление плана действий) — это первый шаг для получения хорошего результата. Продумывайте и записывайте действия, которые собираетесь предпринять.
Любая задача в робототехнике состоит из двух разных, тесно связанных частей:
•аппаратной (конструирование непосредственно робота);
•программной (создание управляющей роботом программы).
При экспериментировании нужно принимать во внимание обе части.
Выполняя проекты, пользуйтесь следующим планом работы:
1.Разработка и конструирование робота или корректировка конструкции.
2.Написание алгоритма.
3.Преобразование алгоритма в программу.
4.Тестирование программы.
5.Внесение исправлений и улучшений в конструкцию робота, алгоритм и программу.
Навигационные значки
В работе с книгой вам помогут навигационные значки на полях:
— важное определение или утверждение;
— задание по ссылке на интернет-ресурс;
— групповая работа;
— межпредметные связи.
6
Глава 1 РОБОТЫ
§ 1 Что такое робот
Что приходит на ум, когда мы слышим слово «робот»? В научной фантастике термин предполагает, что робот имеет человекоподобный вид или обладает возможностями человека, но в действительности современные роботы очень мало похожи на людей. Разновидностей роботов столько же, сколько существует для них видов работ. Для
человекоподобных роботов используется термин — андроид. Термин «робот», который придумал в 1920 году писатель,
научный фантаст Карел Чапек, происходит от чешского слова robota, что означает «тяжелая монотонная работа» или «каторга». Название науки произошло от литературного термина — редчайший случай!
Первым промышленным роботом стал Unimate, выпущенный в 1961 году, — это механическая рука, использовавшаяся корпорацией General Motors при производстве автомобилей. Робот выполнял последовательность действий, которая была записана на магнитный барабан.
Роботы успешно освоили рутинные задания, они особенно удобны при выполнении многократно повторяющихся работ, сложных или опасных для людей. Сегодня в мире во всех сферах человеческой деятельности нашлось применение миллионам роботов. Их используют при управлении самолетами и поездами, они спускаются на дно океана, работают в космосе, собирают автомобили, охраняют здания, производят микро-
7
1Роботы
чипы, помогают спасателям. Во всех областях человек старается создать себе автоматического помощника. К 2020 году в медицине и сельском хозяйстве планируется начать использование микророботов размером меньше сантиметра. Это будут умные сенсоры (датчики). А ещё через 10 лет ожидается появление первых нанороботов, способных строить нужные структуры из молекул и атомов.
Настоящий робот — это машина, которую можно обучить, т. е. подобно компьютеру запрограммировать (определить ему набор действий для выполнения разнообразных видов заданий). Машины, которые делают только одну работу и не могут быть переобучены, настоящими роботами не являются. Их называют автоматами (примерами служат микроволновая печь, кофеварка и т. д.).
Действиями робота управляет микропроцессор, запрограммированный в соответствии с заданием. Робота всегда можно быстро перепрограммировать на выполнение нового задания. Он точно следует инструкциям, т. е. выполняет операции по заложенной в нём программе. Иногда про человека, который работает механически и рационально, но неосмысленно, говорят: работает как робот.
На практике роботами можно назвать даже машинки с моторчиками, но при условии, что они реализуют какую-либо последовательность действий (либо самостоятельно следуют по какому-то маршруту).
В жизни всегда существует дата — отправная точка, после которой о событии, явлении или объекте узнаёт весь мир. В робототехнике тоже есть такая дата, это 17 ноября 1970 года. В этот день самоходный аппарат 8ЕЛ, более известный как «Луноход-1» (рис. 1), в составе автоматической станции E8 № 203 впервые в истории человечества достиг лунной поверхности. Всего он проехал 10 540 м и передал на Землю 211 лунных панорам и 25 тысяч фотографий. Общая масса первого лунохода составляла 756 кг, его длина с открытой крышкой солнечной батареи — 4,42 м, ширина — 2,15 м, высота — 1,92 м.
А датой рождения лунохода можно считать 18 мая 1966 года, когда главный конструктор Машиностроительного завода имени С. А. Лавочкина Григорий Николаевич Бабакин подписал проект «E8».
8
Что такое робот § 1
Рис. 1. Первый самоходный аппарат «Луноход-1»
Робот — это автоматическое устройство для осуществления производственных и других операций по определённой программе.
Итак, робот — это автоматическая машина, которая:
•отвечает на внешние воздействия;
•работает по программе.
У робота есть три важные характеристики:
•мобильность (быстрая смена видов работ);
•универсальность (выполнение большого числа заданий);
•автоматизм (после программирования работает автоматически).
9
1Роботы
Задание 1
С помощью Всемирной свободной интернет-эн- циклопедии (Википедия, http://ru.wikipedia.org) подготовьте небольшой рассказ с мультимедиапрезентацией по следующим темам:
1.Роботы и древнегреческие мифы.
2.Первые механические прототипы роботов.
3.Роботы в литературе.
4.Роботы в кино.
5.Андроиды.
6.Промышленные роботы.
7.Бытовые роботы.
8.Персональные роботы.
9.Системы передвижения роботов.
§2
Робот EV3
Для изучения основ робототехники мы будем использовать образовательный робототехнический конструктор, из которого можно создавать модели различных роботов и автоматизированных
устройств. Его основные части (как и любого робо- 
та): блок управления, двигатели и датчики. Схема подключения изображена на рис. 2, внимательно изучите её.
Знакомясь с конструктором, обратите внимание, что все датчики подключаются к портам (разъёмам) с цифрами (1, 2, 3, 4), а моторы — к портам с буквами (A, B, C, D).
10
Робот EV3 § 2
Рис. 2. Структура набора по робототехнике
Блок управления подключается к компьютеру через USBпорт или Bluetooth.
Задание 2
Вы ведь хотите, чтобы робот на следующих занятиях был «живой» и «здоровый»? Тогда внимательно прочитайте правила работы и соблюдайте их.
11
1Роботы
Правила работы с роботом
Увеличение веса обременительно и для вас, и для робота
Резкие движения не идут на пользу вашему роботу!
Роботу не угрожают грипп или простуда, его враги — пыль и грязь
Вы сегодня завтракали? Робот тоже не хочет быть голодным!
Если робот ничего не делает, то и энергию он использовать не должен
Вам было бы приятно, если бы ваш зуб удаляли без обезболивания?
Представьте, что это робот заставляет вас выполнять его программы, а не наоборот
Не перегружайте робота деталями — это всегда приводит к снижению его быстродействия!
Не включайте наибольшую мощность моторов без особой надобности!
Оберегайте робота от загрязнений!
Проверьте на перемене уровень заряда аккумулятора!
Не забывайте выключать вашего робота!
Все подключения датчиков и моторов производите только в выключенном состоянии робота!
Чем позже вы обнаружите ошибку, тем больше времени уйдёт на её исправление
12