Мастер- класс создания робота-уборщика с помощью Lego Mindstorms EV3

Автор: Веричева Диана Евгеньевна

Организация: НТГСПИ

Населенный пункт: Свердловская область, г. Нижний Тагил

Аннотация: этот мастер-класс познакомит вас с процессом создания простого робота-уборщика, используя конструктор LEGO Mindstorms EV3. Мы сосредоточимся на основных принципах робототехники и программирования, необходимых для реализации данной задачи. Этот проект подходит как для новичков, так и для тех, кто уже знаком с EV3.

Ключевые слова: робот уборщик, лего, робототехника, прототип, макет.

В настоящее время в содержание школьной учебной программы 7-9 классов входит робототехника. Это сделано для решения проблемы по подготовке кадров по данной отросли. Согласно образовательной программе, учащиеся должны:

Знать:

– особенности механической составляющей конструкций мобильных роботов;

– назначение и принципы работы центрального управляющего блока и электромеханических приводов;

– назначение и принципы работы датчиков мобильных роботов;

– основные принципы программирования мобильных роботов;

Уметь:

– осуществлять сборку конструкций мобильных роботов по заданным функциональным требованиям;

– составлять алгоритмы и реализовывать на их основе программы в среде программирования NXT-G;

– осуществлять оптимизацию созданных конструкций, алгоритмов и программ

Ведь именно они открывают новые возможности для создания новых и не повторимы роботов, повышают уровень вовлеченности учащихся и развивают ключевые навыки XXI века.

Материалы для мастер-класса:

• • • Набор LEGO Mindstorms EV3 (базовый набор достаточно)
    • Дополнительные кубики LEGO (для корпуса и манипулятора)
    • Плоская поверхность для тестирования робота

Этап 1: Теоретические основы

Для начала объясним обучающимся технику безопасности и вводим основную теорию по робототехнике. Рассмотрим краткий перечень основных детали в образовательной робототехнике:

1. Программный блок EV3 (EV3 Brick): это "мозг" робота. Он обрабатывает программы, управляет моторами и датчиками, и обеспечивает взаимодействие с пользователем через экран и кнопки. Без программного блока робот не будет функционировать. Он содержит процессор, память, порты для подключения датчиков и моторов, а также Bluetooth для беспроводного соединения с компьютером.
2. Датчики:
   1. Датчик цвета: Этот датчик может определять цвет поверхности, на которую он указывает. Он используется для следования по линиям определенного цвета, сортировки объектов по цвету, распознавания объектов и т.д. Может работать в режимах отраженного света (определяет цвет поверхности) и окружающего света (измеряет интенсивность освещения).
   2. Датчик касания: простой датчик, который срабатывает при нажатии. Он используется для обнаружения столкновений, активации действий по команде "нажать кнопку", создания простых переключателей и т.д. Он имеет всего два состояния: нажато/не нажато.
   3. Удаленный инфракрасный датчик (IR Seeker): этот датчик обнаруживает сигналы от пульта дистанционного управления (IR Beacon) и определяет направление и расстояние до него. Он используется для дистанционного управления роботом, следования за объектом, ориентации в пространстве.
   4. ИК-датчик (Infrared Sensor): позволяет роботу обнаруживать объекты, отражающие инфракрасный свет, на относительно небольшом расстоянии. Он менее точен, чем IR Seeker, и обычно используется для обнаружения препятствий или приближения к объекту на коротком расстоянии.
3. Моторы:
   1. Большой мотор (Large Motor): cамый мощный из доступных моторов EV3. Он используется для привода колес робота, подъема тяжелых грузов, вращения больших механизмов и выполнения других задач, требующих значительного крутящего момента.
   2. Средний мотор (Medium Motor): менее мощный, чем большой мотор, но более компактный. Он подходит для задач, где требуется меньший крутящий момент, например, для поворота манипулятора, вращения небольших механизмов или работы с мелкими деталями. [2]

Этап 2: Создание(сборка) робота

1. Шасси: Создайте прочное шасси с помощью больших колес EV3. Используйте два больших мотора для привода колес. Разместите их симметрично на шасси, обеспечивая достаточный клиренс для манёвра. Убедитесь, что робот стабилен и легко перемещается. Можно использовать гусеничный ход для лучшего преодоления препятствий, но для начала достаточно колесного.

2. Манипулятор: для сбора объектов потребуется механизм захвата. Простейший вариант – это подвижная "рука" из балок и рычагов, которая будет захватывать предметы. Можно использовать датчик касания для управления захватом.

3. Датчики: для автономной работы роботу необходимы датчики. В этом проекте мы будем использовать:

• Датчик касания: можно использовать для обнаружения столкновений или для активации функции сбора мусора (опционально). Разместите его на передней или боковой части робота.
• Датчик цвета: (по желанию) поможет роботу различать объекты определенного цвета и избегать препятствий определённого цвета.

Этап 3: Программирование робота

Мы будем использовать программное обеспечение LEGO Mindstorms EV3 для написания программы. Программа должна управлять двигателями, обрабатывать данные с датчиков и выполнять действия по уборке. Основные блоки и за что они отвечают:

• Блок "Движение": для управления двигателями робота.
• Блок "Ультразвуковой датчик": для измерения расстояния до препятствий.
• Блок "Датчик касания": для определения столкновений.
• Блок "Цикл": для создания повторяющихся действий.
• Блок "Условие": для принятия решений на основе данных датчиков.

Основной алгоритм для программирования робота:

1. Движение: Создайте блок движения, который будет перемещать робота вперед. Добавьте блок "цикла" для непрерывного движения.
2. Обнаружение препятствий: Используйте датчик касания. Когда датчик обнаруживает препятствие (столкновение), робот должен остановиться, немного повернуться и продолжить движение.
3. Захват объектов: при столкновении с объектом (обнаруженном датчиком касания), активируется механизм захвата. После захвата робот может немного отступить, чтобы не застрять.
4. Выгрузка объектов: (дополнительная функция) После сбора определенного количества объектов, робот может перемещаться к месту выгрузки.

Добавление функции уборки

• Если у вас есть щетка и контейнер, добавьте в программу блок, который включает мотор щетки, пока робот движется вперед.
• Вы можете добавить дополнительную логику для управления щеткой, например, включать её только при обнаружении мусора с помощью датчика касания или датчика цвета (при наличии).

Пример программы (блок-схема):

Начало
Двигаться вперед
Если Датчик Касания = Включено

Остановиться
Активировать Захват
Отступить
Отпустить Захват
Повернуться

Конец Если
Перейти к началу

Пример схемы:

Фото

Этап 4: Тестирование и доработка

После написания программы протестируйте робота на выбранной поверхности. Оцените эффективность работы манипулятора, надежность обнаружения препятствий и общую управляемость робота. Внесите необходимые изменения в конструкцию и программу для улучшения работы.

Для расширения проекта:

• • • Добавление датчика цвета для сортировки объектов по цвету.
    • Использование ультразвукового датчика для обнаружения препятствий на расстоянии.
    • Создание более сложной программы с использованием условий и вложенных циклов.
    • Разработка системы навигации для более эффективной уборки.

Использование мастер-классов по созданию роботов в образовательной программе – это перспективное направление, которое позволяет сделать обучение более интересным, практичным и доступным.

Создание и программирование роботов предоставляет новые возможности для образовательной робототехники, повышая ее понятность, увлекательность и практическую ценность. Она позволяет учащимся развить востребованные навыки XXI века, способствует индивидуализации обучения и делает процесс обучения более эффективным.

Список использованной литературы

1. Ганин, Е. А. Основы робототехники : учебное пособие / Е. А. Ганин. — Чита : ЗабГУ, 2021. — 157 с. — ISBN 978-5-9293-2853-4. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/271652 (дата обращения: 01.11.2024). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
2. Дахин, Д. В. Образовательная робототехника : учебно-методическое пособие / Д. В. Дахин, О. О. Бобков. — Воронеж : ВГПУ, 2022. — 88 с. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/317681 (дата обращения: 01.11.2024). — Режим доступа: для авториз. пользователей.
3. Основы робототехники : учебно-методическое пособие / составитель Д. М. Гребнева. — Нижний Тагил : НТГСПИ, 2017. — 108 с. — ISBN 987-5-8299-0354-1. — Текст : электронный // Лань : электронно-библиотечная система. — URL: https://e.lanbook.com/book/177538 (дата обращения: 01.11.2024). — Режим доступа: для авториз. пользователей.

1. file0.docx (25,6 КБ)

Опубликовано: 11.11.2024