Ғылыми жоба "Автоматтандырылған жем салғыш"

Қазақстан Республикасы Оқу ағарту министрлігі

Батыс Қазақстан облысы

Казталов ауданы

Балалар шығармашылығы және жаңа технологиялар орталығы

Бағыты: Ауыл шаруашылық техникалар мен жабдықтар саласындағы техникалық құрастыру

Тақырыбы:

«Автоматтандырылған жем салғыш»

Авторы: Арыстанова Жансулу 11-сынып, Ғ.Молдашев атындағы орта жалпы білім беретін мектебі, Жалпақтал ауылы

Жетекшісі: Уразаев Тулеген Жанузакович. Ғ.Молдашев атындағы орта жалпы білім беретін мектебі, Жалпақтал ауылы

2022 жыл

Мазмұны:

Аннотация ................................................................................................. 3

Кіріспе ....................................................................................................... 6

Теориялық бөлім .................................................................................... 8

Зерттеу бөлімі ........................................................................................ 10

Қорытынды .............................................................................................. 15

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі ........................................................ 16

Аннотация

Мақсаты: Күнделікті тұрмыста адам күшін алмастыратын автоматтандырылған роботтарды жасау мақсатында іздену. Ардуино аппараттық-бағдарламалық ортасында робот үлгісін жасау, роботтың сыртқы келбетін және қозғалмалы бөлшектерін құрастыру, бағдарламалау және жобалау жұмыстары жүзеге асыру.

Көкейкестілігі: ХХІ ғасыр, заман талабына сай елімізде робототехника саласының дамуына көп көңіл бөлініп келеді. Роботтар адам өмірінің көптеген салаларына көптеп енуде: ауыл шаруашылығында, өнеркәсіпте, тұрмыста, медецинада, ғарыш саласында және тағы басқа салаларда.

Аталған салалардың әрқайсысының жоғары даму қарқыны салдарынан өз қатарына білікті мамандарға мұқтаж. Осыған орай білім саласындағы робототехникаға баса назар аударылуы заман талабынан туындап отыр. Мектеп қабырғасында робототехниканы үйрену арқылы, болашақта техникалық шығармашылыққа, жобалау және робот құрастыру арқылы математика, физика, информатика пәндері мен инженерлік мамандыққа, жобалау және ғылыми зерттеу бағытындағы мамандықтарға балалардың қызығушылықтары.

Жаңалығы

Бұл жобаны іске асыру барысында Arduino IDE бағдарламалық ортасында жұмыс жасау кезінде бағдарламалау тілін меңгеру қажет болады. Сондай-ақ робот-машинамыздың сыртқа сұлбасын жасау барысында дизайнерлік дағды қажет болады. Жобаның жаңалығы жоба барысында жүргізілген жаңа технологияларды қолдану арқылы жүзеге асырылған техникалық-зерттеу бағытындағы жұмыстар. Жұмыс барысында түрлі бөлшектерді құрастырып, электр тізбегін жинақтау.

Жобамызды іске асыру барысында автоматтандырылған робот-машинамыздың моделін жасау мақсатында көп іздену мен шығармашылық көзқкркс қажет болады. Жобамыздың тақырыбына сай көптеген әдебиеттер мен ауыл шаруашылық саласының қызметкерлерімен пікір алмасып, мағұлматтар жиналды. Кейбір ұтымды идеялардан сәйкес құрал-жабдықтардың болмауына байланысты бас тартып, көбірек жұмысты қажет ететін жолды таңдауға тура келді. Ізденістер мен көптеген эксперименттердің нәтижелері бүгінгі назарларыңызға ұсынылып отырған робот-машинаны жасап шығуға мүмкіндік берді. Бұл жұмыстар бұдан әрі жалғасын табады.

Аннотация

Цель: Поиск с целью создания автоматизированных роботов, заменяющих человеческие силы в повседневной жизни. Создание модели робота в аппаратно-программной среде Ардуино, выполнение работ по конструированию, программированию и проектированию внешнего вида и движущихся частей робота.

Актуальность: ХХІ век, в соответствии с современными требованиями, в стране уделяется большое внимание развитию робототехники. Роботы проникают во многие сферы жизни человека: в сельском хозяйстве, промышленности, быту, медицине, космической отрасли и так далее.

Из-за высоких темпов развития каждой из перечисленных отраслей в свои ряды нуждаются квалифицированные специалисты. В этой связи особое внимание в сфере образования уделяется робототехнике. Интерес детей к математике, физике, информатике и инженерным профессиям, проектированию и научным исследованиям через изучение робототехники в стенах школы, в будущем к техническому творчеству, проектированию и конструированию роботов.

Новизна

В ходе реализации данного проекта необходимо будет освоить язык программирования при работе в программной среде Arduino IDE. Также при создании внешнего контура робота-машины потребуются дизайнерские навыки. Новизна проекта заключается в работе технико-исследовательского направления, осуществленной с использованием новых технологий, проведенных в ходе проекта. Сборка электрических цепей, сборка различных деталей в процессе работы.

В ходе реализации нашего проекта потребуется много поиска и творческого подхода к созданию модели автоматизированного робота-машины. На тему нашего проекта собрано большое количество литературы, а также обмен мнениями с работниками сельского хозяйства. От некоторых рациональных идей пришлось отказаться из-за отсутствия соответствующего оборудования и выбрать путь, который требовал бы больше работы. Результаты изысканий и многочисленных экспериментов позволили создать робот-машину, которая сегодня представлена вашему вниманию. Эта работа будет продолжена.

Abstract

Рurpose: Search for the purpose of creating automated robots that replace human forces in everyday life. Creating a robot model in the Arduino hardware and software environment, performing work on designing, programming and designing the appearance and moving parts of the robot.

Relevance: XXI century, in accordance with modern requirements, the country pays great attention to the development of robotics. Robots penetrate into many spheres of human life: in agriculture, industry, everyday life, medicine, space industry and so on.

Due to the high rates of development of each of the listed industries, qualified specialists need to join their ranks. In this regard, special attention in the field of education is paid to robotics. Children's interest in mathematics, physics, computer science and engineering professions, design and scientific research through the study of robotics in school, in the future to technical creativity, design and construction of robots.

Novelty

During the implementation of this project, it will be necessary to master the programming language when working in the Arduino IDE software environment. Also, when creating the external contour of the robot machine, design skills will be required. The novelty of the project lies in the work of the technical research direction carried out using new technologies carried out during the project. Assembly of electrical circuits, assembly of various parts in the process of work.

During the implementation of our project, a lot of searching and creative approach will be required to create a model of an automated robot machine. A large amount of literature has been collected on the topic of our project, as well as an exchange of views with agricultural workers. Some rational ideas had to be abandoned due to the lack of appropriate equipment and chose a path that would require more work. The results of research and numerous experiments allowed us to create a robot machine, which is presented to your attention today. This work will continue.

Кіріспе

Адамзат баласы өзінің даму тарихы бойына өз еңбегін жеңілдету немесе қорғану мақсатында түрлі механизмдер, машиналар, құрылғылар ойлап табуға әрекеттеніп келеді. Осы ізденістердің салдарынан қолданысқа машиналардың жаңа бір түрі – роботтар ене бастады. Сонымен қатар робототехника атты ғылымның жаңа саласы пайда болды. Бүгінгі күні робототехника ғылымы тез дамып келе жатқан ғылымдардың қатарына жатады. Робототехника ғылымы өз дамуында механика, элкетроника және информатика ғылымдарына негізделгенімен басқа да көптеген ғылым салаларымен тығыз байланыста болады. Сонымен қатар робоботехниканың дамуы көптеген ғылым саласында (медицина, транспорт, ауыл шаруашылығы, космонавтика, т.с.с.) дамуды жеделдете түскені рас.

Жұмысымның негізгі мақсаттарының бірі өздігінен қозғалып, белгілі бір әрекеттер жасай алатын робот үлгісін жасау болатын. Бұл мақсатыма жеттім деп ойлаймын. Робот үлгісі алға және артқа жүре алады, өзіне артылған жүкті белгілі уақыт бойынша малдың алдына жеткізіп бере алады. Әзірге мен жасаған робот күрделі іс-әрекеттер жасай алмайды, оған себеп қолымыздағы құрылғылардың тапшылығы. Сыртқы келбеті, қимыл-қозғалыс механизмдерін де әлі жетілдіру керек екені сөзсіз. Бірақ, қолда бар материалдармен ғана жасалған (ардуино жинақтары, 3D принтер мектепімізде жоқ, ардуино жинақтарын өзіміз сатып алдық) жұмыс үшін жақсы жұмыс болды деп есептеймін.

«Робот» сөзі алғаш рет чех авторы Карел Чепаканың  пьесасында кездесті. Пьеса фабрика жұмысының ешқандай адамның қатысуынсыз өздігінен жұмыс істейіні туралы сөз қозғайды. Бұл қойылым 1920  жылы жарық көрді. Тілдік жүйесіне байланысты орыстың «работа» сөзі мен «робот» сөзі бір түбірлес сөздер. «Робот» сөзі чех тілінде «ауыр жұмыс», «каторга»  деген мағынаға ие. 1927 жылы Нью-Йорк қаласында америкалық инженер Д.Уэксли дүниежүзілік көрмеде өзі құрастырып шыққан алғашқы  роботты  көрсетті. Инженер Уэкслидің роботының жұмыс істеу  мүмкіндіктері аз болды, ол тек қарапайым ғана қимылдарды орындайтын. “Seiko Epson” деп аталатын жапондық компания дүниедегі ең кішкентай роботты құрастырды. Роботтың салмағы небәрі бір жарым килограмм, ал ұзындығы 1 сантиметр. 1950 жылы өнері өрге жүзген Леонардо Да Винчидің жазбалары табылған болатын. Ол жазбаларда адам тектес роботтың сызбалары болған. Ұлы суретші, ғалым, сәулетші, жазушы, өнертапқыш Леонардо Да Винчидің 15-ші  ғасырда өмір сүргенін ескерсек, роботтың алғашқы сызбасының парақ беттеріне сол ғасырда түскендігін білуге болады. Оның сызба нұсқаларына байланысты зерттеуші Марио Таддеи толықтай түсіндірме беріп, «Leonardo da Vinci’s robots» деген кітап басып шығарды. Толығымен автономды роботтар XX ғасырдың екінші жартысында ғана пайда болды. Ең бірінші сандық басқаруы бар бағдарламанатын робот Unimate болған. Ол робот ыстық темір бөлшектерді балқыту машинасынан көтеріп, жинауға арналған. Қазіргі таңда коммерциялық және индустриалдық роботтар кеңінен тараған. Ол роботтар адамдарға қарағанда жұмысты арзанырақ, жинақы және нық орындайды. Сол салада қолданылатын роботтардың кейбір жұмыстары адам үшін лас, қауіпті және жалықтыратын болып табылады. Роботтар кеңінен құрастыру, жинақтау, жеткізу, жер және ғарыш зерттеулері үшін, медициналық оталар, жарақ ретінде, зертханалық зерттеулер, қауіпсіздік үшін қолданылады.

Автономды түрде жұмыс істейтін роботтар туралы мәлімет көне кезден бастап ойлана бастаған, алайда сол тақырыптағы зерттеулер XX ғасырға дейін басталмаған. Ертегі кезеңнен бастап, роботтар бір күні адамдардың жүріс-тұрысына еліктейді және де адамдар сияқты адамдардың жұмыстарын істей алады деп болжалған. Қазіргі таңда робототехника тез дамып келе жатқан сала. Технология қалай тез дамыса, робототехника да солай тез дамиды, өйткені робототехника технологиямен тығыз байланыста. Технология дамыған сайын зерттеулер, әрлендер өзгеріп дамиды, соның арқасында роботтардың қолдану аймағы да ұлғаяды. Қазіргі таңда роботтар үйде, кәсіпорындар мен әскери салада қолданылады. Көптеген роботтар миналар мен бомбаларды залалсыздандыру сынды адамдарға тікелей зардап алып келетін жағдайларда қолданылады.

Робототехника қандай да роботтарды зерттеп әзірлемесе да, ол роботтар Айзек Азимовтың үш заңына бағынуы тиіс. Ол заңдарды 1942 жылы жазылған «Хоровод» атты әңгімесінде баяндаған. Ол заңдар мынадай оймен жазылған:

1. Бір де бір робот адамға залал келтіре алмайды, немесе әрекетсіздігімен залал келуіне жол бермейді.

2. Бірінші заңға қарсы келмесе, робот адамның барлық бұйрықтарын орындауға тиіс.

3. Бірінші және екінші заңдарға қайшы келмесе, робот өз қауіпсіздігін қамтамасыз ету керек.

Теориялық бөлім

Қазіргі кезде роботтардың қолданылыс аясы күн санап кеңейіп келе жатыр десек қателаспейміз. Адам баласы бұрын өзі жасап келген жұмыстардың көпшілігін роботтардың мойнына артық қана қойған жоқ, бүгінгі таңда роботтар адам қолынан келмейтін шаруаларды да тындырып жүр. Атап айтар болсақ, алыс планеталардың бетіне қонып табиғаты адам төзгісіз жағдайда зерттеу жүргізеді, терең мұхит түбін түсіп ғалымдарға қажетті мәліметтер жинап, ғылымның дамуына үдестерін қосып жүр. Сонда адамның айтқанын қарсылық көрсетпей бұлжытпай орындайтын, шаршауды білмейтін робот дегеніміз не? Бұл сұраққа әркім – әртүрлі жауап береді. Бұлардың арасында «Робот – түрлі жұмыстарды орындауға арналған электронды-механикалық құрылғы». Немесе «Робот – іс-әрекеті саналы болып көрінетін машина» деген пікірлерді кездестіруге болады.

Біздің түсінігімізде робот компьютерлік бағдарламамен басқарылатын механикалық немесе виртуальды құрылғы, электронды-механикалық машина. Роботтарр қоршаған орта немесе оның өзгерісі жайындағы барлық ақпаратты арнайы датчиктер арқылы алып отырады. Оларды адамның сезім мүшелеріне теңеуге болады. Робот жағдайға байланысты өз бетімен шешім қабылдап әрекет жасауы мүмкін немесі ол адамның бұйрығын орындайды. Көптеген роботтардың басты міндеті, өндірістің белгілі бір кезеңінде, адамның денсаулығына қауіпті болуы мүмкін жұмыстарда оларды алмастыру. Олардың сырт пішіні әртүрлі болуы мүмкін. Кейбірі шынайы адамға ұқсаса, кейбірі мүлдем адамға ұсамайды. Робот ұғымын «ақылды» бағдарламалық агенттерге де қатысты айтуға болады, мысалы: іздеу роботтары Google және Яндекс. Бұл атақты іздеу роботтары аз уақыттың ішінде адамға қолжетімсіз өте үлкен көлемдегі ақпаратты өңдеу және сараптау қабілетіне ие. Роботтар өз қолданылу саласында адамдарға қарағанда бірнеше есе тез, әрі тиімді жұмыс жасай алады.

Қазіргі кезде роботтардың көптеген түрлері бар, әртүрлі орталарда әртүрлі жолмен қолданылады. Қолдану мақсаты мен сыртқы келбеті әртүрлі болғанымен, құрылымына келгенде баршасында 3 бірдей жерлері бар:

1. Әр робот механикалық негізі - құрылғы, рамадан тұрады. Сол раманың түрі қолданылатын мақсатына қарай өзгереді. Мысалы, робот лай мен құмның үстімен жүретін болса, шынжыр тракторлар қолданылуы мүмкін. Механикалық жағы ойлап табушының бір бөлек мәселенің шешімі, робот жүретін жердің қоршаған ортасына байланысты. Роботтың формасы атқаратын функциясымен тікелей байланысты.

2. Әр робот электр бөлшектерден тұрады. Сол бөлшектер робот жүйелерін толығымен бақылайды. Мысал ретінде шынжыр арқылы жүретін роботты алсақ, сол шынжырларды жүргізу үшін күш керек. Сол күш электр қуаты ретінде келіп, сымдар арқылы өтіп, батареяда сақталады; осы негізгі схема. Газбен істейтін машиналар да газды қолдану үдерісі үшін токты керек етеді. Сол себептен, газбен жүретін көлік сынды машиналарда да батареялар бар. Электр жүйесі роботтың қозғалуында (мотор) қолданылады, өлшеу үшін (электр сигналдар жылу, дауыс, тұрған жері мен энергия мөлшерін анықтау үшін) және жалпы қолдану үшін (робот жалпы негізгі операцияларды жасау үшін өз мотор мен сенсорларына біраз энергия жолдауы керек).

Барлық роботтар кішкене болса да компьютер кодын керек етеді. Сол алгоритмде робот қалай жұмыс істейтіні көрсетіледі. Код жазған адам программаның ішінде робот шешімін қалай және қашан қабылдап, әрекет ететінін жазады. Сол шынжыр арқылы жүретін робот өзінің механикалық дизайны мен құрылысының арқасында лайды керемет етіп, өзінің батареясынан сымдар арқылы керек мөлшерде энегия алса да, компьютер программасынсыз орнынан жылжымайды; өйткені программа роботқа қашан, қайда жылжу керек екендігін айтады. Программа роботтың негізгі мәнін құрады. Роботтың механикалық және электр бөлшектері керемет әрленіп, бірақ жазылған программасы нашар болса, роботтың жұмыс істеуі екі талай, істесе де, қозғалуы мен жұмыс істеуі ретсіз болады. Негізгі үш түрлі алгоритмдер бар: қашықтан басқару, жасанды интеллект және гибрид. Қашықтан басқарылатын роботтарда бұйрықтар жиынтығы бар. Ол бұйрықтарды тек қашықтан басқаратын құрылғының сигналын алғаннан кейін ғана орындайды. Жалпы айтқанда, адам сол құрылғы арқылы бір қашықтықта орналасқан роботты басқарады. Жасанды интеллект қолданылатын роботтар қоршаған ортаға байланысты шешімдерді өздері қабылдайды. Роботтың жүйесіне қоршаған ортаның факторларына, объектілеріне әртүрлі реакция жазылған. Жасанды интеллект сол реакцияларды ескере тұрып, қоршаған ортаның факторларына өзі әсер береді. Негізінен, жасанды интеллект адамның ойлау қабілетіне ұқсас болуы керек, немесе ұқсастыруды көздейді. Ал гибрид қашықтан басқару мен жасанды интеллектілердің біріккен кезі.

Зерттеу бөлімі

Ардуино микроконтроллері негізінде жасалған робот құрылғысын жасауға керекті құрал-жабдықтар тізімі.

• Arduino Mini микроконтроллері

• Тұрақты ток моторлары (DC) 2 дана

• Дөңгелек — 4 дана.

• L293D қозғалтқыш драйвері (микросхемасы)

• Сервоқозғалтқыш 9g SG90 - 1 дана

• Аккумуляторы Ni-MH 3.4 В — 2 дана.

• ІR инфрақызыл қабылдағышы.

• Аккумулятор батарейсы «Крона» 9 В — 1 дана.

• Макет платасы

• Жалғағыш сымдар

• Сыртқы сұлбасын жасау үшін ПВХ материалы

Ардуино микроконтроллері негізінде жасалған робот құрылғысын төменде көрсетілген суреттегі сызбаға сәйкес жалпы сұлбасын жинаймыз. Роботтың сыртқы сұлбасы ПВХ материалынан жасалған. Жүріс механизмдері орнатылған раманың рөлін дайын арба (телешка) атқарып тұр. Жүріс механизмі ретінде арба моторлары алынған. Автоматтандырылған жем салғышымыз бұрылмайды, тек тіке түзу жолмен ғана қозғалады. Автоматтандырылған жем салғышымыздың үстіне артылған жемді астауға құюы үшін түтікті ашып-жабу қызметін сервоқозғалтқыш атқарып тұр.

Автоматтандырылған жем салғышымызды іске қосу үшін Arduino IDE бағдарламалық ортасында жазылған скечке кодын енгізілді. Құрылғыны басқаратын Arduino IDE бағдарламалық ортасында жазылған скеч төменде көрсетілген. Arduino IDE бағдарламалық ортада жазылған скечті Arduino nano микроконтроллерінің жадына енгізіледі.

Роботтың қозғалысы L293D қозғалтқыш драйверін (микросхемасы) көмегімен жүзеге асырылады. Arduino Mini микроконтроллеріне мотор тура жалғанатын болса мотор бір бағытта ғана айналған болар еді. Робот тек алға немесе тек артқа ғана жүреді. L293D микросхемасын Arduino nano микроконтроллеріне төменде көрсетілген сызба бойынша жалғап сәйкес бағдарлама жазылса моторлардың полюстеріндегі токтың бағытын өзгертіге мүмкіндік аламыз. Демек моторды алға артқа айналдыруға боладын

L293D қозғалтқыш драйверін жалғау үлгісі.

• +V – микросхеманы қоректендіру 5 В;

• +Vmotor – моторларды қоректендіру 5-36 В;

• 0V – жер;

• En1, En2 –H-көпірді қосып, ажырату;

• In1, In2 – бірінші H-көпірді басқару;

• Out1, Out2 – бірінші H-көпірді қосу;

• In3, In4 – екінші H-көпірді басқару;

• Out3, Out4 -