Роботы для детей: от идеи до конструкции

Современная отрасль роботостроения объединяет множество научных, технических и исследовательских учреждений. Роботы применяют в различных сферах – на промышленных предприятиях, в домашних условиях и индустрии развлечений.

Сейчас робота-официанта, робота-пылесоса или даже самообучающегося робота-кота как детскую игрушку не удивишь. Простую машину можно построить уже в начальной школе.

Робот — механическое устройство с заранее установленной программой и сенсорами. Сенсоры передают ему сведения об окружении, а программа управляет его работой.

Робототехника – это прикладная наука, которая занимается производством роботов и созданием автоматизированных технических систем.
Существуют промышленные, бытовые, медицинские, строительные, авиационные и экстремальные робототехнические системы. Последняя включает в себя самые передовые военные, космические и океанические разработки.

История робототехники

С античности люди стремились создать механизмы, упрощающие жизнь. Само слово «робот» впервые появилось в 1921 году на сцене театра в пьесе чешского драматурга Карела Чапека. Этому предшествовал ряд этапов развития робототехники.

  • В 1913 году разработали машину, решающую логические задачи.
  • 1934 год – создана машина для покраски на конвейере.
  • В 1950-х годах создали манипулятор, похожий на человеческую кисть, для взаимодействия с радиоактивными веществами.
  • 1963 год – создана механическая рука Rancho Arm.
  • 1971 год – появился первый микропроцессор.
  • В 1980 году промышленный рынок освоили японские роботы, что привело к росту отрасли.
  • 1992 год – прошли бои роботов.
  • 2000 год – создан первый робот-пылесос.
  • В 2003 году был создан робот-игрушка QRIO с адаптивным поведением и словарем из 60 000 слов.
  • В 2006 году робот освоил определение вкуса продуктов и умел предлагать рецепты блюд.
  • В 2009 году 3D принтер создал искусственную человеческую кожу.
  • В 2010 году появился на рынке робот, мыющий окна.
  • В 2013 году на космической станции появился первый робот-астронавт, а также началась эра гироскутеров.
  • В 2015 году вышла «умная» посуда для лиц с болезнью Альцгеймера.

Робототехника активно развивается, создавая роботов для различных задач.

Строение роботов

Современные роботы представляют собой огромное разнообразие форм, моделей и функций.

  • приводам,
  • способу перемещения,
  • системе управления.

Соединяя элементы произвольно, получится собственный неповторимый робот.

Привод

Привод — сложная машина, которая переводит один вид энергии в другой и заставляет механизм работать.

Приводы разделяют по типу двигателя.

  1. Электродвигатели постоянного тока.
  2. Шаговые электродвигатели работают с подачей тока через интервалы, называемые шагами. Программа регулирует длину шага и количество шагов. Каждое движение – это микродвижение механизма, например, поворот на один градус.
  3. Ультразвуковые и пьезодвигатели весьма эффективно преобразуют электричество в вращательный момент. Пьезомеханизмы обладают высокой мощностью при миниатюрных габаритах.
  4. Пневматические двигатели, также называемые воздушными мышцами, копируют работу человеческих или животных мышц. При поступлении воздуха под давлением эти конструкции сжимаются на 40%.
  5. Электроактивные полимеры – это пластмассы, которые меняются под воздействием тока. Широкого применения электроактивные полимеры пока не получили из-за быстрого разрушения при действии электричества.
    Надежды связаны с разработкой улучшенной формулы полимера.
  6. Эластичные нанотрубки — перспективная технология, находящаяся в разработке. Нанотрубки-мышцы способны имитировать работу человеческих, но при этом выдерживать значительные нагрузки.

Способ перемещения

Условно роботов делят на:

  • стационарные манипуляторы,
  • мобильные устройства.

Стационарные манипуляторы используютcя для сложных технических задач, а их перемещение подчинено пространству и траектории, требующимся для работы. Мобильные роботы не обладают такими ограничениями.

Колёсные и гусеничные роботы

Наиболее простой вариант шасси оснащен четырьмя колесами. Недостатком такого варианта является ограниченная проходимость и радиус разворота.

Двух- и одноколёсные роботы не сталкиваются с этой проблемой, но у вертикальных конструкций на оси колеса появляется другая — устойчивость. Робот на двух колёсах сохраняет равновесие благодаря гироскопу и принципу обратного маятника. К такому устройству относится сигвей – самобалансирующееся транспортное средство.

Рабoты на одном колесе работают так же, как и на двух. Разработчики выбрали шар вместо колеса для большей устойчивости. При необходимости преодолеть сложную местность, количество колёс увеличивают до шести. Для лучшего сцепления можно использовать гусеничный механизм. К колесным роботам относится и модель сферической формы, которая передвигается за счёт вращения внутренней массы.

Шагающие роботы

Воссоздание механизма шагания, подобного человеческому, сложная задача. Существуют роботы, ходящие на двух ногах, но их неустойчивость велика. Часто встречаются модели на четырёх конечностях или гибридные, способные ходить на двух и бегать на четырёх. Некоторые роботы умеют прыгать и даже выполнять сальто.

Альтернативные способы передвижения

  1. Роботы, похожие на змей, имеют несколько звеньев, каждое из которых имеет собственный привод.
  2. Летающие роботы — это беспилотники, такие как самолеты и вертолеты.
  3. Существуют роботы, предназначенные для передвижения по вертикальным поверхностям. Для этого используется два принципа: имитация движения человека-скалолаза и применение присосок, подобных тем у гекконов.
  4. Роботы, плавающие по воде, могут быть оснащены гребными винтами или же имитировать движение рыб и других морских животных.

Системы управления

Важным аспектом робототехнических систем является способ управления. Существует несколько их типов.

Биотехнический

  1. Привод управления осуществляется кнопками и рычагами.
  2. Копирование подразумевает имитацию движений человека, животных, рыб, насекомых и др.
    На этом же принципе работает экзоскелет — наружная конструкция, которая снимает нагрузку с опорно-двигательного аппарата.
  3. Для запуска системы достаточно одного рычага или кнопки.

Автоматический

  1. Программируемый — выполняет действия согласно заранее заложенной программе и справляется с определённым набором задач.
  2. Умеет решать стандартные задачи и приспосабливаться к изменениям окружения.
  3. Интеллектуа́л способен преодолевать любые интеллектуальные барьеры.

Интерактивный

  1. Автоматизированный.
  2. Оператор-наблюдатель следит за процессом и вносит необходимые изменения.
  3. Робот общается с человеком, реагируя на команды по заранее заданной программе.

Робототехника в школе

Телевизор, компьютер и смартфон для современных детей – обыденность. С шести лет можно построить собственного робота с помощью набора Lego Education.

Что даёт конструирование роботов:

  • Улучшение мелкой моторики, памяти и концентрации, формирование новых нейронных связей.
  • развитие ответственности и дисциплины;
  • развитие творческого мышления, воображения;
  • умение работать в команде;
  • развитие терпения и целеустремленности;
  • Принцип «от простого к сложному» пригодится для решения логических и жизненных задач: например, навыками технического конструирования или освоением основ программирования.

Создание собственного робота – творческое и увлекательное занятие, которое пробуждает у ребёнка интерес к наукам: математике, логике, физике, информатике и инженерии. Важно родителям правильно подобрать кружок для ребёнка, чтобы этот интерес не пропал.

Как выбрать кружок

Где можно найти курсы по созданию роботов? Что учитывать при выборе такого кружка?

  1. Образовательная программа должна быть построена таким образом, чтобы максимально вовлечь ребёнка в практические занятия по робототехнике, ведь это прикладная наука, которая находит свое воплощение в действительности. Слишком много теоретических занятий по математике и программированию могут вызвать у него скуку и отвращение к занятиям.
  2. Программа включает элементы геймификации, такие как соревнования, гонки или поединки роботов.
  3. Для кружка желательно иметь комплекты для постройки роботов от различных производителей.
  4. Ребёнок желает создать робота с особым дизайном и функциями. Бюджетные наборы позволяют собрать движущуюся банку. Дорогие комплекты оснащены голосом, лампами и красочными деталями.
  5. В кабинете имеются слесарные станки и/или 3D-принтер, что позволяет школьнику изготавливать некоторые детали для своего робота самостоятельно.
  6. Педагог-энтузиаст, создающий уникальные роботы вместо следования инструкциям. Его влечение к новому – дополнительное преимущество.

Развитие роботостроения идёт полным ходом. В учебных заведениях всё чаще появляются инженерийные специальности, связанные с проектированием роботов. Следовательно, робототехника – это перспективная область для развития ребёнка.

Фото: Shutterstock / FOTODOM