Файл: Применение биомеханики в робототехнике Автор проекта Белявская Арина Георгиевна.docx
Добавлен: 11.01.2024
Просмотров: 351
Скачиваний: 15
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №422
Кронштадтского района Санкт-Петербурга
Применение биомеханики в робототехнике
Автор проекта:
Белявская Арина Георгиевна,
ученица 9 класса «М».
Руководитель проекта:
Ненахова Ирина Викторовна,
учитель технологии.
2020 год
СОДЕРЖАНИЕ
| | | |
| 1. | Введение | |
| 2. | Основная часть | |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| |
| 3. | Проектирование робокошки | |
| |
| |
| |
| |
| 4. | Заключение | |
| 5. | Перечень вспомогательных источников | |
| | | |
-
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы одновременно с информатизацией общества лавинообразно расширяется применение микропроцессоров в качестве ключевых компонентов автономных устройств, взаимодействующих с окружающим миром без участия человека. Стремительно растущие коммуникационные возможности таких устройств, равно как и расширение информационных систем, позволяют говорить об изменении среды обитания человека. Авторитетными группами международных экспертов область взаимосвязанных роботизированных систем признана приоритетной, несущей потенциал революционного технологического прорыва.
В связи с активным внедрением новых технологий в жизнь общества, появляется возможность применять биомеханические изобретения в качестве детских игрушек, домашних питомцев, также для военной разведки и в определенных областях медицины.
В наше время обсуждаются бионические возможности использования локомоционных (двигательных) принципов статики, кинематики и динамики в задачах современной робототехники и нелинейной динамики. В частности, при разработке захватных устройств манипуляторов целесообразно использовать те принципы оптимизации процесса удержания объекта в схватке, которые характерны для лапок птиц и пресмыкающихся. Ещё более важное значение для робототехники и нелинейной динамики машин имеют биодинамические принципы беговой локомоции человека и крупных хищников, в которых отчётливо проявляется взаимосвязь линейных режимов колебаний конечностей при спокойной ходьбе и нелинейных режимов при переходе к бегу и прыжкам.
Цель: изучить принципы построения роботов на основе платы ArduinoUno. Создать действующую модель робокошки и разработать алгоритм его поведения.
Задачи:
-
Изучить особенности построения роботов на базе плат Arduino и их модулей. -
Изучить особенности среды программирования роботов на базе платформы Arduino. -
Создать 3d модель робокошки -
Распечатать детали на 3d принтере -
Разработать алгоритм движения робота на базе анализа входной информации. -
Запрограммировать робокошку.
-
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Биомеханика и бионика
Биомеханика — раздел естественных наук, изучающий на основе моделей и методов механики механические свойства живых тканей, отдельных органов, или организма в целом, а также происходящие в них механические явления.
Биомеханика как одна из биологических наук нового типа сближается по методам исследования с точными науками. Общая биомеханика как раздел биофизики возникла на стыке физико-метематических и биологических областей знания. Успехи этих наук, использование идей и подходов кибернетики сказывается на развитии биомеханики. Но и эти науки обогащаются данными биомеханики о физике живого. То есть тут налицо двусторонняя связь.
Кроме того, биомеханика обслуживает такие отрасли знания или области действия как разработка роботов (бионика), инженерная биомеханика, медицинская биомеханика дает обоснование методам протезирования, ортопедии, ЛФК.
Бионика — прикладная наука о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы, то есть формах живого в природе и их промышленных аналогах. Различают: биологическую бионику, изучающую процессы, происходящие в биологических системах. Бионика – стержень робототехники.
Если роботы первою поколения, похожие на бесчувственные часовые механизмы, известны человечеству с давних времён, то роботы второго и третьего поколений смогли появиться лишь в XX веке, вслед за выдающимися достижениями современной науки и техники. Своим существованием они обязаны бионике и кибернетике. Эти науки создали научный фундамент для построения мыслящих машин высших поколений.
Необходимость приспособления (адаптации) роботов к изменяющимся условиям внешней среды потребовала разработки для них органов чувств, аналогичных человеческим: слуха, зрения, осязания. Здесь конструкторы вынуждены были обратиться за консультацией к природе, создавшей у живых существ самые разнообразные органы чувств.
Цель бионики (так называется эта сравнительно новая наука) – перенесение в технику принципов действия систем, управляющих живыми организмами.
Робототехника
Бионические роботы - роботы, созданные на основе идей, подсмотренных в природе, либо внешне напоминающие живые существа (зооморфные роботы)
За время развития жизни на Земле в процессе естественного отбора природа создала массу замечательных образцов живых «инженерных систем». Многие изобретения природы заимствовались людьми для создания конструкций ещё в древности. Так, древние арабские врачи, изучая глаз человека, создали линзы – подобие хрусталика глаза. Великий русский учёный Н. Е. Жуковский, исследовав полет птиц, разработал теорию подъёмной силы крыла и современную аэродинамику.
Робототехника — отдел прикладной науки, который занимается проектированием, производством и применением автоматизированных технических систем — роботов.
Робот — это программируемое механическое устройство, способное действовать без помощи человека.
Роботы бывают манипуляционными и мобильными. За исполнение действий манипуляционного робота отвечает манипулятор с несколькими степенями подвижности и устройство программного обеспечения. Манипуляционные роботы получили большое распространение в машиностроительных и приборостроительных отраслях. Мобильный робот более подвижен, чем манипуляционный, поскольку у него есть движущееся шасси с автоматически управляемыми приводами — «мышцами» роботов.
Роботы могут перемещаться по любой поверхности, в воде и в воздухе. Так, по типу передвижения роботы бывают:
-
Колесными и гусеничными (наиболее распространенный вид роботов); -
Шагающими; -
Летающими — автопилоты и беспилотные летательные аппараты; -
Ползающими — передвигаются по принципу змей и червей, применяются для поиска людей под обломками рухнувших зданий; -
Плавающие — перемещаются в воде, подражая движениям рыб, и тем самым становятся бесшумными и очень маневренными; -
Роботы, передвигающиеся по вертикальным поверхностям — действуют по принципу человека, взбираясь на стену с помощью выступов, или же с помощью специальных присосок.
Робот — автоматическое устройство, предназначенное для осуществления различного рода механических операций, которое действует по заранее заложенной программе.
Робот обычно получает информацию о состоянии окружающего пространства посредством датчиков (технических аналогов органов чувств живых организмов). Робот может самостоятельно осуществлять производственные и иные операции, частично или полностью заменяя труд человека. При этом робот может как иметь связь с оператором, получая от него команды (ручное управление), так и действовать автономно, в соответствии с заложенной программой (автоматическое управление).
Назначения роботов могут быть самыми разнообразными, от увеселительных и прикладных и до сугубо производственных. Внешний вид роботов разнообразен по форме и содержанию, может быть каким угодно, хотя нередко в конструкциях узлов заимствуют элементы анатомии различных живых существ, подходящие для выполняемой задачи.
Плата Arduino
Arduino — это электронный конструктор и удобная платформа быстрой разработки электронных устройств для новичков и профессионалов. Платформа пользуется огромной популярностью во всем мире благодаря удобству и простоте языка программирования, а также открытой архитектуре и программному коду. Устройство программируется через USB без использования программаторов.
Arduino позволяет компьютеру выйти за рамки виртуального мира в физический и взаимодействовать с ним. Устройства на базе Arduino могут получать информацию об окружающей среде посредством различных датчиков, а также могут управлять различными исполнительными устройствами.
Микроконтроллер на плате программируется при помощи языка Arduino и среды разработки Arduino (основана на среде Processing). Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно, либо же взаимодействовать с программным обеспечением на платы могут быть собраны пользователем самостоятельно или куплены в сборе.
Построение роботов с использованием любой технологии подразумевает изучение принципов работы специальных микросхем, которые называются микроконтроллерами. Они предназначены для управления электронными устройствами и представляют собой однокристальный компьютер, способный выполнять простые задачи. Контроллер, являясь «уменьшенной копией» компьютера, содержит все присущие ему основные модули: центральный процессор, оперативную память, flash-память, внешние устройства.
Структура микроконтроллера. Для построения роботов используются различные платформы. В рамках проводимого исследования для разработки робота-гонщика была выбрана платформа Arduino. Первый прототип Arduino был разработан в 2005 году программистом Массимо Банци. На сегодняшний день платформа Arduino представлена не одной платой, а целым их семейством. Такой подход позволяет собирать всевозможные электронные устройства, работающие работать как автономно, так и в связке с компьютером. Платы Arduino представляют собой наборы, состоящие из готового электронного блока и программного обеспечения. Электронный блок — это печатная плата с установленным микроконтроллером. Фактически электронный блок Arduino является аналогом материнской платы компьютера. На нем имеются разъемы для подключения внешних устройств, а также разъем для связи с компьютером, по которому осуществляется программирование.
Самой популярной и наиболее универсальной платформой семейства является плата ArduinoUno. Она выполнена на базе процессора с тактовой частотой 16 МГц, обладает памятью 32кБ, два из которых выделено под загрузчик, позволяющий прошивать Arduino с обычного компьютера через USB. Также имеется 2 кБ SRAM-памяти, которые используются для хранения временных данных (это оперативная память платформы) и 1кБ EEPROM-памяти для долговременного хранения данных (аналог жёсткого диска).
На платформе расположены 14 контактов, которые могут быть использованы для цифрового ввода и вывода. Какую роль исполняет каждый контакт