С чего начинается роботы
Гололобов В.Н. С чего начинаются роботы? О проекте Arduino для школьников (и не только)
Гололобов В.Н. С чего начинаются роботы? О проекте Arduino для школьников (и не только)
Несколько слов о книге
Есть такой открытый проект, который называется Arduino. Основа этого проекта – базовый аппаратный модуль и программа, в которой можно написать код для контроллера на специализированном языке, и которая позволяет этот модуль подключить и запрограммировать.
Модуль легко соединяется с разными исполняющими устройствами, позволяя создавать и роботов, и устройства автоматики, и приборы.
С момента появления проекта Arduino у него появилось множество почитателей – достаточно ввести в поисковую строку слово arduino, как вы обнаружите сотни сайтов, посвящённых этой теме, сотни проектов, основанных на Arduino.
На английском языке издано несколько книг. И эта должна восполнить пробел в части книг на русском языке.
Хотя книга рассчитана на школьников, она может быть интересна радиолюбителям, и, если не книга, то сам проект может быть интересен преподавателям, и не только работающим в школе, но и в других учебных заведениях, где изучают программирование и работу с микроконтроллерами.
Так что же эта книга? Она в основном описывает ряд программ, которые предназначены для работы с модулем Arduino, как сама программа Arduino, как S4A, как VirtualBreadBoard…
Если все эти программы почти обычным образом устанавливаются в Windows, то в Linux, а они работают и в этой операционной системе, есть особенности, которые описаны в этой книге. Повышенное внимание к Linux в последнее время делает актуальным подобное описание.
Помимо этого в книге рассказано о средах разработки AVR-контроллеров общего назначения, которые поддерживают работу с модулем Arduino – AVR Studio, WinAVR, FlowCode. В основном касательно настройки для работы с Arduino.
С чего начинаются роботы? О проекте Arduino для школьников и не только
Есть такой открытый проект, который называется Arduino. Основа этого проекта – базовый аппаратный модуль и программа, в которой можно написать код для контроллера на специализированном языке, и которая позволяет этот модуль подключить и запрограммировать.
Модуль легко соединяется с разными исполняющими устройствами, позволяя создавать и роботов, и устройства автоматики, и приборы.
Научившись программировать модуль Arduino, а программа приходит с огромным набором примеров, касающихся всех областей применения модуля, вы будете готовы создавать интересные и полезные электронные устройства, к которым относятся и роботы. Начните с простых проектов, а остальное в ваших руках.
Радиолюбители давно и успешно осваивают работу с микроконтроллерами. Они с упоением спорят, какой язык программирования лучше. Возможно, проект Arduino позволит им сделать окончательный выбор? Тем более, что модуль Arduino может работать как программатор для программирования других микроконтроллеров.
Словом, всё интересное и полезное, что есть в проекте Arduino, можно узнать, только работая с ним в компании таких же увлечённых людей.
Глава 1. Паровозик из Ромашково, начало
Глава 2. Установка программы Arduino в ALTLinux
Глава 3. Введение в работу с программой Arduino
Глава 4. Введение в язык программирования Arduino
Глава 5. Arduino, визуальное программирование
Глава 6. Введение в язык программирования Scratch
Глава 7. Отладка программы на виртуальной плате
Глава 8. Немного больше о программе VirtualBreadboard
Глава 9. Паровозик из Ромашково, продолжение
Глава 10. С чего начинаются роботы?
Приложение А. О языке программирования Arduino
Приложение Б. Работа с модулем Arduino в других средах разработки
Название: С чего начинаются роботы? О проекте Arduino для школьников и не только
Автор: Гололобов В. Н.
Год издания: 2011
Страниц: 189
Формат: PDF
Качество: отличное
Размер: 14.17 MB
Язык: русский
Скачать книгу С чего начинаются роботы? О проекте Arduino для школьников и не только
С чего начинаются роботы?
Хотите привить ребенку интерес к математике, физике и конструированию? Предложите ему заняться робототехникой.
Сегодня реклама курсов или кружков робототехники попадается везде: в Интернете, на улице, в торговых центрах, в детских развивающих центрах. Родители и дети чаще всего не вникают в суть процесса обучения, и дети начинают посещать занятия. Но, как показывает практика, долго в такой кружок они не ходят. Руководители кружков сами делятся статистикой и приводят сведения, что записываются в группу 20−30 человек, через месяц остается в лучшем случае половина первоначального состава, а через три месяца — от силы человек пять, а то и вовсе только парочка самых настойчивых ребят.
Почему так быстро угасает интерес к такому увлекательному занятию? Ведь роботы все больше входят в жизнь человека. Причин такой ситуации несколько.
Коммерческие кружки робототехники «снимают пенку». Ведь интерес ребенка к роботам неподдельный. Он видит их в мультфильмах, рекламе, фильмах, новостях. Сегодня роботы для детей — такая же естественная часть жизни, как автомобили и самолеты. Даже если сами дети не летали на аэробусах, то все равно стопроцентно уверены, что самолеты реально присутствуют в жизни взрослых.
В магазине игрушек, увидев модель робота-трансформера на прилавке, который лишь отдаленно напоминает реальных роботов, ребенок додумает сам, как бы мог робот двигаться, какие функции ему будут присущи. Этот интерес ребенка к роботам сполна монетизируют коммерческие кружки по робототехнике. 
Фото: Depositphotos
Кружки робототехники набирают группу детей или устраивают кратковременные занятия в торговых центрах. Чем занимаются там? Запускают двигаться машинку из конструктора на батарейках. Пока батарейка не села или аккумулятор не разрядился, машинка резво бежит по дорожке.
Конечно, саму машинку предлагают ребенку вначале собрать из комплектующих деталей. Здесь есть варианты: конструктор может быть с готовыми решениями по сборке моделей; либо предлагают проявить ребенку креативность и собрать что-нибудь самостоятельно.
Хорошо, если работа кружка организована взрослыми разумно. Тогда каждый ребенок на занятиях в кружке может сам взять в руки детали, колесики, микроконтроллер. Своими руками собрать машинку на колесиках или гусеницах.
Но если взрослые не позаботились об организации детского творчества, не сумели каждому участнику занятия обеспечить детали и комплектующие, то срабатывает закон джунглей: «подчиняйся старшему». Приходится видеть на таких занятиях, как самые шустрые ребята загребают себе большую часть деталей, а остальным остается только наблюдать за процессом сборки роботов другими. Долго такие занятия продолжаться не могут, и часть «наблюдателей» перестает посещать занятия.
Улучшенный вариант кружковых занятий робототехникой выглядит примерно так. Если участники кружка робототехники наигрались с машинками на батарейках и не разбежались с занятий сами, им предлагают усовершенствовать конструкцию и подключить к машинке датчики и микроконтроллер. 
Фото: Depositphotos
В стандартном наборе по робототехнике присутствует ультразвуковой датчик (позволяет машинке не натыкаться на препятствия) и трек-сенсор (позволяет следить за черной линией на поле), благодаря которому робот будет двигаться по заданной траектории. Для большого количества робототехнических наборов на этом этапе дети начинают составлять программу поведения роботов на основе объектно-ориентированного языка программирования. Это значит, что стрелочками «влево», «вправо», «вперед», «назад» можно задать алгоритм поведения робота.
Почему же дальше дело стопорится?
Участие в местных соревнованиях по робототехнике для многих ребят, посещающих кружок, становится последним этапом в данном образовательном процессе. Они реально не понимают, в каком направлении им развиваться. Сами тренеры (в кружках робототехники так называют тех, кто ведет занятия) — молодые ребята, чаще всего студенты вузов и колледжей, не могут предложить образовательную траекторию для детей. 
Фото: Depositphotos
У них не хватает собственных академических знаний в физике, математике, электронике, программировании, чтобы брать другие робототехнические высоты. Не хватает материальной части в кружках — датчиков, аккумуляторов, редукторов, компьютеров, чтобы всех ребят полноценно на занятиях обеспечить. Даже если вначале, при открытии кружка, его организаторы приобрели все необходимое, то со временем расходные материалы растворяются…
Приходилось видеть, как собранные в коробочку комплектующие случайно кто-то из ребят ронял на пол и потом собирать их приходилось «с боем». Выдерживать эти «бои» тренерам совсем не хочется. Опять включается закон джунглей.
Альтернатива кружкам робототехники — самостоятельные занятия. Но если ребенок дома с собственным конструктором попробует по инструкциям собирать робота, то процесс без наставника будет идти медленнее. Не каждый сможет усидчиво работать до конечного результата. Такая форма лишит ребенка чувства соревнования, критического отношения к собственным результатам.
Тогда ему могут помочь взрослые, которые сами с удовольствием погружаются в мир робототехники, тем более что в Интернете огромное количество информации по данной теме.
Байки из лабы: с чего начинаются роботы
— Расскажите, пожалуйста, с чего начался ваш проект?
Антон Бройко, кандидат технических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники ЛЭТИ: В 2012–2013 году у нас велась работа, связанная с летающими роботами. Нужно было сделать для них движитель, то есть актюатор. Тогда еще не рассматривался конкретный материал. Мы сконструировали микромеханические актюаторы, начали их активно исследовать, написали обзорную статью. Наши устройства были тепловыми, то есть в основе их работы лежало температурное расширение и деформация. Нас заинтересовала идея гибких, мобильных и хорошо масштабируемых движителей, а ионные полимер-металлические композиты показались вполне перспективными.
Иван Хмельницкий, кандидат химических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники ЛЭТИ: Эти материалы представляют собой полимерную ионообменную мембрану с полярными сульфогруппами, на которую с двух сторон нанесены металлические электроды. Обычно в качестве материала электродов используется либо платина, либо золото, потому что у них хорошая проводимость и еще они инертны, то есть почти ни с чем не реагируют. Особенностью этих актюаторов является то, что они функционируют в мокром виде, то есть должны быть пропитаны растворителем. На электроды подается разность потенциалов, из-за чего положительно заряженные ионы в жидкости внутри мембраны будут двигаться. Они всегда гидратированы, то есть окружены молекулами воды; те, в свою очередь, связаны друг с другом водородными связями. В конечном счете получается, что при подаче разности потенциалов у нас движутся не просто ионы, но и толща воды внутри мембраны. Мембрана, соответственно, будет менять свою форму, в одном месте разбухая, в другом — сжимаясь.
В итоге мы написали заявку на грант РНФ, выиграли его, а затем и получили продление — вот только что закончился наш пятилетний проект. На первом этапе мы занимались разработкой движителей для плавающих роботов, для рыбок. Такие актюаторы — полоски примерно в два-три сантиметра длиной и полсантиметра шириной — при подаче малого напряжения от одного до пяти вольт могут сильно изгибаться, почти под прямым углом. При большем напряжении, конечно, они и в спираль скрутятся, но электроды закоротятся: в самом начале у нас просто сгорел один образец. Дальше, мы, конечно, подобрали условия, чтобы изгиб был значительным даже при небольшом напряжении.
История робототехники
История автоматизированных механизмов насчитывает тысячи лет, от роботов — слуг богов, упоминаемых в греческой мифологии, до сложных китайских астрономических водяных башенных часов XI века. Даже Леонардо да Винчи разработал ряд автоматов, включая самоходные тележки и роботов-рыцарей. Итак, когда же автоматизированные машины стали роботами?
Современная эпоха робототехники началась во время промышленной революции, с началом использования пара и электричества, проложившими дорогу силовым двигателям и механизмам. Изобретения и открытия, сделанные Томасом Эдисоном и Николой Тесла, способствовали переходу в новую эру робототехники. В 1898 году Тесла представил свою радиоуправляемую лодку, похваставшись, что стал первым в будущей гонке роботов. Многие считают это событие датой рождения робототехники.
Тем не менее слово «робот» не использовалось вплоть до 1920 года, когда чешский драматург Карел Чапек написал научно-фантастическую пьесу «R. U. R.», описывающую восстание роботизированных рабочих фабрики против людей-владельцев. А в 1941 году не менее известный писатель-фантаст Айзек Азимов придумал термин «робототехника», упомянув его в коротком рассказе «Лжец!».
Спустя полгода Азимов написал рассказ «Хоровод», в котором с оптимизмом характеризовал роботов как полезных слуг человека. В этом же рассказе впервые упоминаются «три закона робототехники» Азимова, которые продолжают влиять на литературу, кино и науку по мере продолжения исследований в области искусственного интеллекта.
Ключевые изобретения XX века, включая цифровой компьютер, транзистор и интегральную схему, привели к тому, что ученые смогли начать разработку электронного, программируемого мозга для роботов. Промышленные роботы сейчас — обычное явление на современном производстве. Они используются для решения самых разнообразных задач — от транспортировки материалов до сборки деталей.
В биомедицинской, обрабатывающей, транспортной, космической и оборонной промышленности роботы используются намного чаще, чем раньше. Значительные достижения в области программного обеспечения и искусственного интеллекта (ИИ) привели к созданию роботов, имитирующих базовую форму и взаимодействие людей, таких как двуногий «Асимо» корпорации Honda. Суперкомпьютер IBM Watson, оснащенный продвинутой системой ИИ, был первоначально разработан для соревнования с людьми на американской викторине Jeopardy!, в которой победил, а затем поступил в коммерческую эксплуатацию в качестве врача-диагноста онкологических заболеваний.
Четырехногий робот «БигДог» компании Boston Dynamics создан для перемещения по пересеченной местности и способен перевозить тяжелые грузы. Современные системы автопилотирования, интегрированные в самолеты, беспилотные автомобили и даже космические планетоходы, такие как «Кьюриосити», блуждавший по поверхности Марса, демонстрируют, насколько сложными стали программируемые роботы.
Роботы больше не ассоциируются с греческими мифами или голливудскими блокбастерами. Дроиды, беспилотные летательные аппараты и роботы теперь широко распространенная и важная часть нашего общества.
Первый медицинский робот
«Артробот» — небольшой робот для выполнения артропластики тазобедренного сустава (операции по восстановлению функции сустава). Он был спроектирован для точного сверления тазобедренных суставов, с возможностью программирования для создания полостей в определенных позициях и под определенным углом для последующей имплантации протезов.
Несмотря на то что небольшие и относительно простые усовершенствования и модификации оригинального «Артробота» привели к использованию роботов в более сложных хирургических операциях, таких, как полная замена коленного сустава, подобные новаторские решения в области медицинской робототехники таковыми и оставались вплоть до 1997 года, пока медицинские роботы не получили распространение.
Система «да Винчи» корпорации Intuitive Surgical Inc стала первым хирургическим роботом, получившим одобрение Управления по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарственных препаратов США. Робот «да Винчи» представляет собой полноценный хирургический комплекс с набором инструментов, камерами, датчиками и прочими принадлежностями.
Знаете ли вы? В 1998 году в Лейпциге было осуществлено первое в мире аортокоронарное шунтирование сердца с использованием хирургического комплекса «да Винчи».
Первый военный робот
Изобретенная в 1898 году Николой Тесла радиоуправляемая лодка, предназначенная для использования в военных целях и предлагаемая США с Великобританией, так и не была разработана.
Хотя и «Голиаф», и «Телетанк» были разработаны в одно и то же время, советские безэкипажные танки стали использоваться первыми и применялись во время Советско-финской войны (1939– 1940) в Восточной Финляндии.
Первый гуманоидный робот
Человекоподобные роботы, часто называемые андроидами в научной фантастике, проектируются с учетом человеческих форм. Простые гуманоидные автоматоны создавались испокон веков и постепенно совершенствовались для более точной имитации внешнего вида и поведения человека. Одним из первых задокументированных примеров является механический рыцарь Леонардо да Винчи.
Робот-рыцарь Леонардо управлялся комбинацией шкивов и тросов, которые позволяли ему стоять, сидеть и независимо двигать руками. Он имел человеческую форму и даже был одет в доспехи, словно рыцарь. Хотя механизм да Винчи примитивен по сегодняшним меркам, ему не хватает искусственного интеллекта и дистанционного управления, но он опережал свое время в XV веке.
Да Винчи использовал во многих своих изобретениях шкивы, гири и шестерни, в том числе и в самоходной тележке, которую многие считают первым роботом. Позже он занялся дизайном робота-рыцаря для королевского театрализованного представления в Милане, которое состоялось в конце 1490-х годов.
Чертежи робота-рыцаря Леонардо да Винчи до сих пор используются современными робототехниками и даже вносят свою лепту в разработку роботов для NASA.
Первый роботизированный транспорт
После Всемирной выставки 1964 года писатель-фантаст Айзек Азимов в своих записях предсказал, что спустя 50 лет автомобили будут управляться «робомозгами». В течение многих лет после этого беспилотные транспортные средства существовали лишь в виде теоретических концепций и исследовательских проектов.
Настоящий прогресс начался в 1986 году, когда в Мюнхенском университете был запущен проект PROMETHEUS под управлением Европейского агентства координации исследований (EUREKA, European Research Coordination Agency). В течение почти десятилетия команда разработчиков трудилась над проектом беспилотного автомобиля под названием VITA, оборудованного датчиками, позволяющими регулировать скорость машины при обнаружении опасности.
В 1994 году автомобиль VITA совершил 1000-километровую поездку по парижскому шоссе в условиях плотного трафика, достигнув скорости в 128 километров в час. Позднее некоторые аспекты VITA были учтены при конструировании будущих автомобилей Mercedes-Benz.
Первый космический робот
Можно сказать, что «Спутник-1», запущенный СССР в 1957 году, стал первым роботом в космосе. А «Робонавт», разработанный в сотрудничестве General Motors с NASA, получил звание первого гуманоидного робота в космосе и первого робота для работы с инструментами, созданными для людей, в космосе. В настоящее время он трудится на Международной космической станции (МКС).
«R1», первый вариант «Робонавта», был прототипом, разработанным с целью исследовать, как гуманоидные роботы могли бы помочь астронавтам в открытом космосе. Его преемник «R2» оборудован полноценным роботизированным экзоскелетом, современной системой технического зрения, программным обеспечением для распознавания изображений, датчиками и алгоритмами управления, а также роботизированными руками. Он помогает в работе космонавтам, чтобы сэкономить их силы. Кроме того, «Робонавт» проходит в Хьюстоне подготовку к выполнению медицинских процедур, включая использование шприцев и проведение ультразвукового сканирования.
«Робонавт 2» покрыт мягким материалом и запрограммирован на остановку в случае касания человека, чтобы избежать его травмирования.
Первый промышленный робот
Первый промышленный робот был внедрен на производственной линии завода General Motors в 1961 году. «Юнимейт» представлял собой мощную роботизированную руку для установки литых металлических изделий и сварных компонентов на шасси автомобиля. Это был первый робот-манипулятор, который помог ускорить производственные линии на заводах по всему миру.
Первоначальная стоимость манипулятора «Юнимейт» составила 25 000 долларов. У робота было шесть программируемых осей движения, а конструкция позволяла работать с тяжелыми объектами на высокой скорости. Манипулятор весом 1,8 тонны оказался чрезвычайно универсальным и вскоре стал одним из самых популярных промышленных роботов в мире.
«Юнимейт» стал популярным и вне промышленного производства, приняв участие в «Вечернем шоу Джонни Карсона», в котором он разливал пиво и даже дирижировал оркестром.
Джордж Девол, первым разработавший промышленного программируемого робота в 1954 году, основал первую в мире компанию по производству роботов, Unimation. Роботы стали обычным явлением на современных сборочных линиях, так как их способность выполнять повторяющиеся задачи на высокой скорости превращает их в идеальные средства производства.
Первый беспилотный робот
Дроны, или беспилотные летательные аппараты (БПЛА), использовались в течение сотен лет. Первое задокументированное применение датируется 1849 годом, когда австрийская армия запустила аэростаты, оснащенные бомбами, в сторону осажденной Венеции. Военные исследования в XX столетии привели к появлению ряда технологических инноваций, включая систему глобального позиционирования (GPS) и Интернет.
Это привело к созданию первого полностью автономного беспилотного летательного аппарата в 1973 году. Израильский дрон Tadiran Mastiff был оборудован системой передачи данных, позволяющей в автоматическом режиме и реальном времени вести высококачественную видеосъемку места полета и транслировать ее оператору. Эти БПЛА предварительно программировались на траекторию полета и широко использовались армией обороны Израиля.
Современные военные беспилотники, такие как «Предатор» и «Таранис», играют ключевую роль на поле боя.