Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение
«Гимназия №16 «Французская»
Робот «Рисовальщик»
Шульженко Александра,
учащиеся инженерного 7 «В» класса
Руководители проекта:
Бублик Анна Николаевна,
Краскова Мария Ивановна,
учителя информатики
г. Новосибирск 2016
Задачи:
Составить план сбор автономного робота «Рисовальщик»;
Осуществить сборку робота, который способен рисовать на плоскости геометрические фигуры при помощи зерна;
Составить программу для корректной работы робота;
Провести апробацию робота «Рисовальщика».
Тип проекта
Творческий проект.
Используемые технологии
3D принтер , ПО LEGO Mindstorms EV3 Home Edition, набор LEGO Mindstorms education.
Форма продукта проекта
Робот «Рисовальщик».
Результативность
Участие в турнире юный инженер-исследователь.
С недавнего времени в школах появились инженерные классы, в том числе и в нашей гимназии.
Инженер-конструктор - инженерная специальность , чья деятельность необходима для разработки и создания конечного продукта из продуктов и ресурсов существующего материального производства. Например, инженер-конструктор деревообрабатывающего и мебельного производства, инженер-конструктор стальных конструкций и т. д. Под созданием конечного продукта при этом понимают объединение продуктов, например, сборка, монтаж, сварка, бетонирование и т. д.
Инженер - специалист, осуществляющий . Инженеры вовлечены, как правило, во все процессы жизненного цикла , являющихся предметом инженерного дела, включая , планирование, разработку технологии изготовления, подготовку технической документации, производство, наладку, испытание, эксплуатацию, техническое обслуживание, ремонт и утилизацию устройства, и . В своей деятельности инженер опирается на и . В список должностных обязанностей инженера входит разработка технической документации, а также предложения и мероприятия по осуществлению разработанных проектов и программ, участие в работах по исследованию, разработке проектов и программ предприятия, в проведении мероприятий, связанных с испытаниями оборудования и внедрением его в эксплуатацию, а также выполнении работ по стандартизации технических средств, систем, процессов, оборудования и материалов, в рассмотрении технической документации и подготовке необходимых обзоров, отзывов, заключений по вопросам выполняемой работы и многое другое. Для формирования этих навыков в нашем «Робототехника», «инженерном классе ведется много интересных предметов, например, Программирование», «Проектная деятельность» и другие.
В 5 классе на уроках робототехники мы впервые попробовали собрать и запрограммировать робота. В декабре 2014г. мы приняли участие в городском конкурсе по робототехнике, попробовав свои силы в «Сумо», «Линия». В декабре 2015г. мы приняли участие в городском конкурсе по робототехнике в категориях: «Сумо. Перетягивание каната», «Линия. Доставка грузов».
В начале 2016 года по муниципальным образовательным учреждениям были отправлены задачи на турнир юных инженеров – исследователей. И мы подумали: «А действительно, можно ли сделать робота, который рисует зерном?», как было сказано в одной из задач.
Мы обозначили следующую гипотезу: может ли робот рисовать геометрические фигуры при помощи пшена?
Цель нашего проекта: на основе микрокомпьютера EV3, деталей конструкторов ЛЕГО и различных дополнительных материалов сделать робота, способного «нарисовать» на плоскости заданную фигуру (круг, квадрат, треугольник) при помощи пшена.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
составить план сбор автономного робота «Рисовальщик»;
осуществить сборку робота, который способен рисовать на плоскости геометрические фигуры при помощи зерна;
составить программу для корректной работы робота;
провести апробацию робота «Рисовальщика».
Основные методы создания – это моделирование, конструирование и программирование нашей модели с помощью конструктора LEGO Mindstorms .
В ходе выполнения проекта нами был создан робот «Рисовальщик», который способен нарисовать геометрические фигуры при помощи пшена.
На первом этапе осуществлялся поиск необходимой информации, знакомство с 3D принтером и его программным обеспечением. Мы просмотрели в интернете множество моделей роботов «Рисовальщик», все они, безусловно, интересные, но нам хотелось создать робота с крепкой и устойчиво конструкцией.
Проанализировав всю информацию, мы поняли, что основой нашего робота будет трёхколёсный бот с тележкой, в которой находится емкость для хранения и подачи зерна.
На втором этапе мы определились с тем, как будет выглядеть робот «Рисовальщик», какое количество моторов, деталей нам нужно будет использовать, как, каких и сколько нужно использовать микропроцессоров.
Для создания модели робота мы использовали:
3 D принтер;
набор LEGO Mindstorms education ;
программное обеспечением LEGO Mindstorms EV3 Home edition.
В таблице приведены основные блоки и их использование в проекте.
ИзображениеНазвание
Для чего используется
Микропроцессор EV3 .
Управляют движением сервомоторов NXT
2 Сервомоторов EV3
Электромоторы управляют движением робота
Средний сервомотор EV3
Электромотор управляет функцией подачи пшена
Воронка
Для хранения и подачи зерна
Продумав все конструкционные элементы, мы приступили к конструированию нашей модели. Модель робота состоит из двух частей трехколесного бота и тележки с воронкой. В основу трехколесного бота входит микропроцессор EV 3 и 2 сервомоторов EV3, отвечающих за движения робота.
Тележка состоит из деталей лего, а вот воронку нам пришлось моделировать и создавать с помощью 3 D принтера. За подачу пшена в воронке отвечает средний сервомотор EV3.
Как и у всех конструкций есть плюсы и минусы, наш робот не исключение. Преимущество конструкции: Крепкая, легкая, устойчивая конструкция. Работает быстро и манёвренно. Может помогать людям (в рассортировки зерна, посадки культур).
Сложность возникла при сборке устройства выдачи робота «Рисовальщик». Первоначально конструкция робота задумывалась таким образом, чтобы зерно высыпалось только тогда, когда робот движется по заданной траектории. Для этого был создан клапан, который задерживал зерно внутри устройства. Но мы столкнулись с тем, что пшено просто не высыпалось из устройства. Поэтому нам пришлось переделать клапан на лапку, которая периодически ударяет по носику, тем самым помогает зерну высыпаться. Вот плюсы и минусы нашего робота:
Плюсы данной конструкцииМинусы данной конструкции
Крепкая, легкая, компактна, устойчивая конструкция.
Неудобно расположен аккумулятор робота.
Работает быстро и манёвренно.
Сложность при сборке (конструкция выдачи).
Может помогать людям в посадке полевых культуры в удобрении почвы.
Этапы сборки:
Выявление функций, необходимых роботу;
Создание конструкции робота, отвечающей этим функциям;
Создание программы, испытание;
Устранение дефектов;
Показ робота.
На третьем этапе мы создавали программу движения робота в среде программирования LEGO MINDSTORMS EV 3 Home Edition . В ходе работы над программой нами был составлен алгоритм движения робота по траектории: квадрат, круг, треугольник с заданными сторонами и углами.
3)
4) Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота Lego Mindstorms EV3 в среде EV3: основные подходы, практические примеры, секреты мастерства / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. – Челябинск: ИП Мякотин И.В., 2014. – 204 с.
Данный проект рассчитан на начинающих ардуинщиков и даст хорошую базу для дальнейшего освоения Arduino, Matlab, программирования и механики.
Электроники в проекте немного. Робот представляет из себя манипулятор с 2-мя степенями свободы, в качестве рабочего органа у которого используется карандаш. В проекте решена обратная задача кинематики и задача определение положения рабочего органа в плоскости в зависимости от углов поворота сервоприводов.
Подберите подходящую прищепку (или другой схват) и прикрепите ее к серве так, чтобы расстояние от второй сервы до рабочего органа составляло около 20 сантиметров.
При разработке механической части важно выдерживать указанные расстояния - 20, 15 сантиметров и правильно проводить калибровку двигателей. Естественно, доработка конструкции возможна и зависит того, какие именно узлы у вас еще есть в наличии. Например, вместо алюминиевых звеньев из набора конструктора можно использовать обычные линейки, куски пластика и т.п.
На рисунке сверху приведена схема подключения платы Arduino. Можно использовать макетную плату, можно распаять шилд , на ваше усмотрение.
Эта часть проекта самая интересная и, наверное, самая важная.
Давайте вкратце разберемся, что именно происходит в программной части.
Сначала мы берем изображение и находим его границы. После начинаем рисовать. Процесс рисования состоит из двух частей.
Часть первая. Сначала мы находим пиксель, который соответствует 1, так как наш рисунок теперь представлен в виде 0 и 1. Проходит проверка того, не являются ли пиксели рядом тоже 1, после чего ручка перемещается на выбранный пиксель и удаляет предыдущую 1. Функция повторяется по кругу и позволяет создавать плавные линии.
Вторая часть. Решение обратной задачи кинематики для перемещения рабочего органа к определенному пикселю. При расчете берутся координаты пикселя и вычисляются соответствующие углы приводов. Как именно решается эта задача можно увидеть на рисунке выше.
Теперь перейдем к настройке Matlab и Arduino для отрабатывания кода.
Для начала установите Arduino IO плагин в Matlab.
После этого замените файл arduino.m тем, что прикреплен к проекту под тем же именем.
Скачайте и сохраните finaldraw.m и draw.m в директорию с матлабом.
Загрузите файл adioes.ino на плату Arduino.
Проверьте, к какому порту подключена ваша плата Arduino, после чего откройте finaldraw.m и измените COM3 на ваш порт.
Измените расширение рисунка, который вы хотите нарисовать на.png. Это можно сделать с посощью большинстве графических редакторов. Сохраните полученный файл в директорию с Matlab. Откройте finaldraw.m и измените emma.png на название вашего рисунка с рисширением.png. Схраните файл emma.png.
По молчанию в проекте загружена фотография Эммы Уотсон, которую вы можете использовать для тестирования. Конечно же, вы можете настроить параметры определения положения рабочего органа в соответствии с вашими габаритами конструкции.
На этом все. Подключите вашу плату Arduino к персональному компьютеру, пропишите в командной строке Matlab слово finaldraw и играйтесь.
Алгоритм работы нашего манипулятора достаточно простой. Давайте немного разберемся в этом вопросе.
Сначала мы конвертируем изображение, которое хотим нарисовать в формат png и сохраняем его в папке с Matlab. После этого наш алгоритм преобразовывает рисунок в формат ч/б пикселей, как это показано на рисунке выше. Самая интересная часть - это прорисовка полученных пикселей.
Начинается проверка пикселей конвертированного рисунка. Когда находится 1, которая соответствует белому пикселю на рисунке, рабочий орган перемещается в это положение и опускает ручку. После этого проверяются ближайшие 8 пикселей и, если находится хоть один, ручка перемещается на него, не отрываясь от плоскости. При этом предыдущий пиксель заменяется на 0, чтобы избежать повторов. Таким образом продолжается работа, пока не исчезнут все 1. После этого, рабочий орган перемещается в новое положение проверяет новый массив пикселей. Данный алгоритм позволяет постепенно воспроизвести весь рисунок.
Результат всех приведенных выше пунктов приведен на видео ниже:
Но и набраться ценного опыта в плане робототехники. Такойробот является манипулятором, который имеет всего две степени свободы. В качестве рабочего инструмента используется карандаш. В этом проекте автор решил обратную задачу кинематики, а также задачу определения расположения рабочего инструмента в зависимости от того, на какой угол развернуты сервоприводы.
Материалы и инструменты для самоделки:
- железный конструктор (Mechanix kit);
- гайки и болты;
- прищепка (или другой держатель для карандаша);
- два колеса (для опор);
- контроллер типа Arduino uno;
- питание (источник 5В 2А);
- макетная плата;
- USB-кабель;
- три серводвигателя;
- дрель, отвертка, ключ;
- необходимое программное обеспечение (Arduino uno, Matlab).
Шаг первый. Разработка механических элементов робота
Механическая часть собирается очень просто, это делается из конструктора. С такой задачей справится и пятилетний ребенок.
Для крепления карандаша используется прищепка, также можно использовать и любой другой подходящий схват. Ее нужно прикрепить к серводвигателю таким образом, чтобы расстояние между ним и рабочим инструментом было около 20 см.
В процессе сборки важно придерживаться указанных расстояний, а также постоянно проводить калибровку двигателей по мере сборки. Несомненно, робота можно усовершенствовать, но тут уже все зависит от того, какие узлы имеются в наличии. Если так вышло, что нет конструктора, то можно использовать линейки, куски пластика и другие подходящие предметы.
Шаг второй. Электрическая схема робота
На рисунке можно увидеть, как подключается контроллер Arduino. Для подключения можно использовать макетную плату или же можно спаять шилд.
На втором этапе происходит решение обратной задачи кинематики. При этом учитываются координаты пикселей и затем на основе этих данных выбираются углы поворота серводвигателя. Что же именно при этом происходит, можно увидеть на рисунке.
Теперь можно переходить к настройке Matlab и Arduino для того чтобы код отрабатывал. Сперва в Matlab нужно установить плагин Arduino IO. Далее файл под названием arduino.m нужно заменить тем, который прикреплен проекту под точно таким названием.
Файлы finaldraw.m и draw.m нужно сохранить в директорию с Matlab. Файл под названием adioes.ino загружается на плату.
На следующем этапе нужно проверить, к какому порту подключена плата Arduino, открыть файл finaldraw.m и заменить порт COM3 на нужный.
Расширение рисунка, который требуется нарисовать, нужно изменить на тип.png. Это делается очень просто, можно использовать графический редактор, к примеру, стандартный Paint. Файл сохраняется в директорию Matlab.
Затем нужно открыть файл finaldraw.m и заменить там emma.png на название рисунка, который нужно нарисовать.
Как видно на картинке, в качестве теста используется фотография Эммы Уотсон.
Робот рисовальщик - это простой робот рисующий повторяющиеся окружности. Не смотря на простоту с его помощью можно создавать сложные фигуры устанавливая его в разных точках листа. Робот выполнен по технологии "распечатал и вперёд" (unpack and forward). При изготовлении его корпус распечатывается на принтере. Технология сборки полностью ориентирована на начинающих роботостроителей. $CUT$
Плюсы данной разработки:
+Корпус распечатывается на принтере!
+Для сборки паяльник не требуется!
+Нет необходимости изготавливать печатную плату!
+Для сборки используется всего два радиокомпонента: мотор и батарейка!
Робот спроектирован с учётом минимального количества компонентов его возможности невелики. Но в конструкции предусмотрены: простая замена и установка фломастера любого цвета, регулировка диаметра прорисовываемого круга, включение-выключение питания, регулировка угла установки мотора.
1.ВИДЕОТЕСТЫ
Через панель навигации видеоплеера можно избирательно выбрать необходимый видеофрагмент. Панель навигации доступна после запуска видео, справа внизу значок пиктограммы. Перед запуском каждого видеофрагмента автоматически выводится его название в верхнем левом углу. В нижней части окна проигрывателя слева название плейлиста и количество сгруппированных видеофрагментов.
Видеофрагменты 1-3
ВСЕ РОБОТЫ на канале SERVODROID!!! подпишись и смотри. Переход по ссылке жми!
2.ХАРАКТЕРИСТИКИ РОБОТА
На фото.1, фото.2,фото.3 показан робот рисовальщик в сборке.
фото.1.
|
фото.4 |
КОМПОНЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ РОБОТА 1.Пишущий элемент (фломастер)
Примечание.1. На фото.4 недостаточно хорошо виден двусторонний скотч, которым закреплён мотор и батарейка. Проверенный факт, использование строительного двустороннего скотча буквально "примораживает" указанные выше элементы! Поэтому другие способы крепежа не потребуются. нажимайте фото для просмотра в полном размере |
3.ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ.
фото.5 нажимайте фото для просмотра в полном размере |
КОМПОНЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ РОБОТА НА ФОТО.5
1.Фломастеры цветные. |
4.ИНСТРУКЦИЯ ПО СБОРКЕ.
1.ИЗГОТОВЛЕНИЕ И СБОРКА КОРПУСА.
После скачивания архива, распакуйте и выберите вариант печати. Для струйных принтеров используйте чертежи цветных скинов (по выбору), для лазерного принтера чёрно-белый вариант. Печать необходимо проводить на фотобумаге с клеящей основой или плёнке с клеящей основой. Это необходимо чтобы в дальнейшем без проблем приклеить распечатанный скин к тонкому картону.
Приклеивайте липкой основой распечатанный скин к листу картона. Затем аккуратно вырежьте по контуру. Если использована обычная фотобумага, то приклеивать придётся стойким не вредным клеем. На фото.6 показан скин наклеенный на картон. На этом же фото показаны сгибы выполненные в необходимых местах (указано пунктирной линией).
На фото.7 показано (приближено) большие отверстия, которые необходимо проделать в обозначенных кругами местах. Отверстия помечены белыми стрелками.
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
Приступайте к сборке частей корпуса. Найдите и совместите совместите поверхности обозначенные буквами "E". Совмещение необходимо выполнить с нижней стороны так, чтобы отверстия совпали (фото.8). Далее проденьте в наложенные друг на друга отверстия фломастер и закрепите с помощью степлера. На фото.8 чёрная стрелка указывает на скобу степлера в правильном положении. Скоба "сшивает" поверхности обозначенные буквой "E", и удерживает их.
На фото.9 показан вид конструкции сбоку. Чёрная стрелка указывает направление свёртки передних поверхностей обозначенных буквами A и B.
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
Сверните переднюю часть корпуса разместив их как на фото.10. Обратите внимание на расстояние помеченной красными линиями и стрелками, обозначенное буквой "S". Это расстояние должно быть минимальным! Зафиксируйте область помеченную буквой "A" степлером. Жёлтые стрелки указывают на правильную фиксацию (расположение) скрепками степлера.
На поверхность подписанную "MOTOR" приклейте двусторонний скоч (фото.10 на позицию указывает чёрная стрелка). На фото.11 вид сбоку область установки мотора обозначена стрелкой с буквой "M".
ВНИМАНИЕ! Защитную бумажную ленту с двустороннего скотча на этом этапе не снимать!
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
Корпус в сборке (вид сверху в перспективе) с фиксированными степлером поверхностями показан на фото.12.
С помощью одностороннего прозрачного скотча изолируйте участки со скобами степлера. Это необходимо для того, чтобы получить гладкую поверхность (фото.13). Чёрные стрелки на фото.13 показывают приблизительные границы областей изоляции прозрачным скотчем.
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
Область покрытия прозрачным скотчем показана чёрным квадратом (фото.14). На фото.14 чёрными стрелками показана область с отверстием для установки фломастера. Также рекомендуется изолировать прозрачным скотчем для увеличения надёжности. На фото.15 показана чёрным полупрозрачным квадратом область изоляции скотчем с тыльной стороны (нижняя часть корпуса).
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
2.ИЗГОТОВЛЕНИЕ И УСТАНОВКА ПОДВИЖНОЙ РАМЫ.
Чтобы регулировать диаметр прорисовываемого круга необходимо изготовить подвижную раму. Чертёж подвижной рамы находится в архиве. Чертёж выполнен в точных размерах. Его можно не переводить, а вырезать по контуру и наклеить на тонкий картон. Затем вырезать по контуру и подвижная рама готова (фото.16). Области сгиба поверхностей показаны на чертеже пунктиром. Установите подвижную раму ориентируясь на фото.17.
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
3.МОНТАЖ И ПОДКЛЮЧЕНИЕ МОТОРА, БАТАРЕИ.
Возьмите клипсу-разъём и скрутите её красный провод с красным проводом мотора. Чёрный провод клипсы-разъёма скрутите с чёрным проводом мотора (фото.23). Загните место скрутки в сторону более толстого провода. Изолируйте соединения изоляционной лентой (фото.24).
нажимайте фото для просмотра в полном размере
|
Компьютеры уже научились создавать потрясающие произведения искусства, и возможности в этой области ограничены только их способностью обучаться и изображать то, что они знают, в творческой манере.
Но может ли что-то, сделанное с помощью компьютерного алгоритма, где нет человеческих мыслей или эмоций, называться искусством? Мы привыкли к тому, что творчество - это прерогатива людей. Оно субъективно и заряжено чувствами. Это та область, в которой роботы вряд ли когда-нибудь смогут сравниться с живыми художниками. Но, возможно, они смогут помочь им выйти на новый уровень и полностью раскрыть свой потенциал.
Сегодня знакомимся с роботами, которые уже вошли в историю современного искусства.
Робот eDavid был сконструирован на факультете информатики Констанцкого университета в Германии для того, чтобы сваривать детали автомобилей. Но, как это часто бывает с прирождёнными художниками, судьба распорядилась иначе, и теперь Дэвид пишет картины.
Oliver Deussen and Thomas Lindemeier/Univ. of Konstanz
Его создатели, Оливер Дойссен и Томас Линдемайер, снабдили робота камерой, сенсорами и программным обеспечением, которые позволяют ему перерабатывать и воссоздавать изображения в разных техниках. Дэвид даже подписывает свои произведения.
Некоторые свои картины робот Пиндара Ван Армана пишет в полностью автоматическом режиме. Сначала он фотографирует то, что хотел бы изобразить - например, вида на Нью-Йорк, - а затем переносит изображение на холст в «авторской» интерпретации.
В отличие от Дэвида этот робот относится к категории так называемых телероботов и способен создавать произведения совместно с человеком. Результаты такого тандема бывают весьма неожиданными:
«Рисующий дурак» - это детище Саймона Колтона, профессора лондонского колледжа Goldsmith. В июле 2013 года у робота-художника прошла полноценная выставка в парижской галерее Oberkampf. С тех пор его работы не раз выставлялись онлайн и оффлайн.
Коллаж, созданный на основе новостных сводок из Афганистана http://www.thepaintingfool.com/Создатель «дурака» первым предложил оценивать творческие способности искусственного интеллекта отличным от теста Тьюринга образом: робот-художник должен обладать «мастерством» и «образным мышлением», а также быть «восприимчивым» к окружающему миру. Поэтому многие работы «дурака» основаны на реальных событиях.
http://www.thepaintingfool.com/Робот, созданный командой разработчиков из Манитобского университета, выглядит, как плюшевая зелёная змея. Змеебот рисует под музыку, из которой и черпает вдохновение. Это значит, что он танцует под модненький инди-рок и наносит на полотно мазки, которые постепенно превращаются в произведение импровизированного абстрактного искусства.
Патрик Трессет больше не пишет картины, но называет себя художником. Его робот Пол уже много лет остаётся одним из самых успешных творческих роботов. Работы, созданные совместно с Полом, выставлялись в лучших музеях мира, участвовали в серьёзных выставках и полюбились многим ценителям искусства и даже критикам. Кажется, они и впрямь достигли статуса «произведений искусства» в глазах широкой публики.
Удивительно, но художники экспериментируют с искусственным разумом уже довольно давно. В 1973 году Гарольд Коэн, профессор Калифорнийского университета, создавал произведения искусства совместно с программой AARON. Десятилетиями AARON была способна автономно производить творческие работы. В конце 80-х Коэн уже шутил, что станет единственным художником, чья посмертная выставка будет целиком и полностью состоять из картин, написанных после его смерти.