Конструируем роботов на ScratchDuino. Первые шаги

Конструируем 
роботов

на ScratchDuino

Первые шаги

3-е издание, электронное 

Ю. А. Винницкий
К. Ю. Поляков

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК 621.86/.87
ББК 32.816
В48

С е р и я о с н о в а н а в 2016 г.
Ведущие редакторы серии Т. Г. Хохлова, Ю. А. Серова
Винницкий Ю. А.
В48
Конструируем роботов на ScratchDuino

R○. Первые шаги /
Ю. А. Винницкий, К. Ю. Поляков. — 3-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2020. — 119 с. — (РОБОФИШКИ). — Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". —
Загл. с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-901-5
Тем,
кто
освоил
LEGO
и
хочет
двигаться
дальше,
открывая
для
себя
безграничные
возможности
робототехники,
мы
предлагаем
познакомиться
с
новой
платформой,
которая
называется
«ScratchDuino».
Из
этой
книги,
представляющей
собой практическое руководство, вы узнаете об особенностях
программирования
в
среде
разработки
Scratch,
о
том,
как
устроены роботы, научитесь собирать их и управлять ими. В итоге
вы
сможете
придумывать
собственные
проекты,
с
помощью
которых проверите, на что способны собранные вами роботы.
Для юных исследователей и программистов, а также всех
тех, кто увлечен конструированием роботов.
УДК 621.86/.87
ББК 32.816

Деривативное издание на основе печатного аналога: Конструируем роботов на ScratchDuino

R○. Первые шаги / Ю. А. Винницкий, К. Ю. Поляков. — 2-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2018. —
116 с. : ил. — (РОБОФИШКИ). — ISBN 978-5-00101-086-9.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель
вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-901-5
c○ Лаборатория знаний, 2016

2

Здравствуйте!

Издание, которое вы держите сейчас в руках, — не просто книга. Это 
ключ. Он открывает двери, за которыми находится увлекательное и притягивающее пространство реальной робототехники. Оно называется 
«Мир ScratchDuino». Постепенно, шаг за шагом, этот мир станет знакомым и привычным. И то, что в результате вы самостоятельно сумеете собрать своими руками настоящее работающее устройство, — это, конечно, 
победа и успех!
Но главное — вы поймете, что такие ценные качества характера, как 
терпение, аккуратность, настойчивость и творческая мысль, проявленные при работе над проектом, останутся с вами навсегда, помогут уверенно создавать свое будущее, стать реально успешным человеком, независимо от того, с какой профессией свяжете жизнь.
Создавать будущее — сложная и ответственная задача. Каждый день 
становится открытием, если он приносит новые знания, которые затем 
могут быть превращены в проекты. Особенно это важно для тех, кто выбрал дорогу инженера и технического специалиста. Знания — это база, 
которая становится основой для свершений.
Однако технический прогресс зависит не только от знаний, но и от смелости создавать новое. Все, что нас окружает сегодня, придумано инженерами. Их любознательность, желание узнавать неизведанное и конструировать то, чего никто до них не делал, и создает окружающий мир. 
Именно от таких людей зависит, каким будет наш завтрашний день. 
Только идеи, основанные на творческом подходе, прочных знаниях и постоянном стремлении к новаторству, заставляют мир двигаться вперед.
И тогда, уверенно освоив пространство ScratchDuino и перейдя последовательно к следующим мирам реальной робототехники, вы сделаете очередной шаг по этой дороге.

Успехов вам!

Команда Программы «Робототехника:
инженерно-технические кадры инновационной России»
Фонда Олега Дерипаска «Вольное Дело»

От авторов

Вы открываете книгу, которая называется «Конструируем роботов 
на ScratchDuino». Это означает, что мы будем собирать самых разных 
по назначению роботов на этой платформе. Роботами называют любые 
устройства, которые выполняют какую-то работу автоматически, то есть 
без участия человека. Роботов вокруг нас становится с каждым годом все 
больше и больше. Они вместо человека убирают мусор в квартире, собирают точные электронные приборы на заводах, обслуживают посетителей в кафе и даже выполняют хирургические операции в больницах.
Но эта книга — особенная. Вы не просто прочитаете про роботов, 
но и научитесь управлять некоторыми из них.
Конечно, построить реальных роботов довольно непросто. Сначала нужно придумать конструкцию робота, затем изготовить все детали, 
собрать робота, и только потом можно будет приступить к испытаниям. 
Для нас пока такой путь слишком сложен, он займет очень много времени (возможно, несколько лет!).
Но есть хорошая новость: специально для того, чтобы научиться 
управлять роботами, выпускаются готовые наборы-конструкторы, в которых уже есть все необходимые части. Существует несколько типов таких наборов, например, LEGO MINDSTORMS, ТРИК и др.
Мы тоже будем использовать готовый набор, который называется 
«ScratchDuino». Он разработан российской компанией ЗАО «ТЫРНЕТ» 
и содержит готовую робоплатформу — специальную плату на колесах, 
в которую вставляется управляющий компьютер. К платформе остается только подключить нужные датчики (реагирующие на свет, касание 
и т.д.), и она готова к работе. Поэтому сборка робота выполняется очень 
быстро, и вот уже роботом можно управлять!
Из этой книги вы узнаете, как правильно настраивать робота, и научитесь писать программы для управления им. Первые работы вы будете делать вместе с нами — каждый шаг подробно объясняется в книге, а затем 
вас ждет работа над самостоятельными творческими проектами нашей 
серии «РОБОФИШКИ».
Успехов!

ВАЖНО!
Научившись собирать и программировать роботов, вы 
сможете провести их испытания в специально разработанных проектах. Проекты могут объединять знания и умения, 
полученные вами в ходе изучения нескольких предметов. 
В большинстве случаев это физика, математика, информатика и технология.
Результаты своих работ можно сохранить в личном портфолио (в цифровом виде) и использовать в самых разных 
конкурсах и даже при поступлении в институт.

Благодарности

Над проектом ScratchDuino работает много творческих людей, объединенных в сетевые сообщества. Но особенно хочется поблагодарить 
Анну Самарину, Дарью Буркут, Елену Вострикову и Леонида Захарова 
за идеи, советы, предложения, нашедшие отражение в книге.

Роботы и робототехника

Зачем нужны роботы?

Вы, конечно, слышали слово «робот» и знаете, что роботом называют 
техническое устройство, которое может заменить человека во время выполнения сложных, утомительных или опасных работ.
Само слово «робот» придумал чешский писатель Карел Чапек, он образовал его от чешского 
слова robota, что значит «подневольный труд».
Большинство роботов не похожи на человека. 
На современных заводах используется огромное 
количество промышленных роботов — станков 
с числовым программным управлением. Они работают по заложенной в них программе. Каждая 
программа соответствует определенной операции 
или детали. Для того чтобы перенастроить станок 
на изготовление другого типа деталей, достаточно просто заменить программу.
Роботы используются на конвейерных линиях, изготавливающих микросхемы для компьютеров: процессоры, память и др.
Все более популярными становятся технологии 3D-печати, позволяющие с помощью роботов специального типа (3D-принтеров) послойно 
изготавливать различные детали.
Нас окружают автоматизированные системы, которые тоже можно 
назвать роботами, например, система управления движением поездов 
метро, система управления отоплением дома.
Роботы, в отличие от людей, не устают, работают 24 ч в сутки, не болеют, могут работать в жаре и в холоде, в опасных для человека условиях. 
Во многих странах используют роботизированные установки пожаротушения. Уже продаются бытовые роботы — автоматические пылесосы, которые могут убрать пыль и самостоятельно вернуться на место для под
Карел Чапек
(1890—1938)

ГЛАВА 1. Роботы и робототехника

8

зарядки. В XXI в. роботам стали доверять даже 
выполнение хирургических операций. Для добычи нефти и газа в глубинах вод используются 
подводные робототехнические установки. В вооруженных силах многих стран «служат» боевые 
роботы, которые могут вести наблюдение и разведку, а также уничтожать противника самостоятельно, без риска для жизни солдат.
Некоторые роботы похожи на человека, их называют андроидами. Самый известный робот-андроид Asimo выпущен компанией Honda.
Существует особый класс роботов, которые 
работают самостоятельно. Они называются автономными роботами. Это, например, беспилотные автомобили и летательные аппараты, роботы для исследования космоса и Мирового океана.
Полностью автономный робот может:
• перемещаться и работать длительное время без вмешательства человека;
• собирать информацию об окружающей среде;
• приспосабливаться к изменению обстановки, изменяя алгоритм
своей работы.

Что такое робототехника?

Робототехника — это прикладная наука о разработке и использовании 
автоматизированных технических систем.
Робототехника опирается на достижения таких наук, как механика, 
автоматика, кибернетика, информатика. Некоторые алгоритмы управления роботами используют элементы искусственного интеллекта.
Слово «робототехника» (от англ. robotics) впервые использовал американский писатель-фантаст Айзек Азимов в 1941 г. Он же предложил 
три закона робототехники, которые определяют, как должен вести себя 
робот.
1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием
допустить, чтобы человеку был причинен вред.
2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек,
кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат первому закону.
3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит первому и второму законам.

Робот Asimo
(www.robotonline.net)

Из чего состоит робот?

9

Из чего состоит робот?

Прежде всего робот — это механическое устройство. Поэтому его создание — это инженерно-конструкторская работа. Нужно, чтобы все детали 
были хорошо закреплены, и робот не потерял равновесия и не развалился во время выполнения задания. В то же время все подвижные детали 
должны исправно двигаться и крутиться.
Роботом нужно как-то управлять, поэтому необходима система управления, которая в современных роботах строится на микроконтроллерах.
Микроконтроллер — это миниатюрный компьютер (микросхема), все 
части которого размещены на одном кристалле кремния.
Микроконтроллер содержит процессор, разъемы для управления 
внешними устройствами (порты), оперативную и постоянную память. 
В постоянную память микроконтроллера записана программа, которую 
он при включении сразу начинает выполнять.
Для того чтобы робот мог двигаться, нужны исполнительные устройства — моторы, которые преобразуют электрическую энергию в механическую энергию вращения. Автономные роботы чаще всего передвигаются с помощью колес или гусениц, для неровных поверхностей иногда 
используют шагающие системы (для опоры им нужны небольшие участки поверхности, поэтому они проходят по труднодоступным местностям). Существуют также ползающие и плавающие роботы.
Передвижение роботов — это достаточно сложная самостоятельная 
задача. Например, современные роботы-спасатели должны уметь подниматься по лестнице здания.
Для того чтобы получать данные об окружающей обстановке, роботу нужны датчики (сенсоры, чувствительные элементы) — устройства, 
которые измеряют определенную физическую величину и выдают информацию о ней в виде электрических сигналов. Поскольку эти сигналы 
затем будет обрабатывать цифровой компьютер, их нужно преобразовать в двоичный код, в числа. Эту работу выполняет аналого-цифровой 
преобразователь (АЦП), который, как правило, встроен в микроконтроллер.
Существуют различные типы датчиков (рис. 1.1): температуры, давления, скорости, освещенности, касания («кнопки»), расстояния (они 
измеряют время, за которое ультразвук отражается от препятствия 
и возвращается обратно), инфракрасные датчики для поиска и обнаружения объектов и многие другие. Более сложные роботы имеют системы 
компьютерного зрения, использующие видеокамеры. Они могут «узнавать» простые предметы, определять их расположение в пространстве 
и достраивать невидимые части, используя информацию из своей базы 
данных.

ГЛАВА 1. Роботы и робототехника

10

Датчик 
освещенности

Датчики из наборов ScratchDuino 
(в корпусах с креплением на магнитах):

Датчик 
температуры
Датчик 
газа
Датчик 
движения
Датчик 
давления

Датчик линии
Датчик освещенности
Датчик касания

Рис. 1.1

Таким образом, встроенный в робота микроконтроллер управляет 
исполнительными устройствами и обрабатывает данные, поступающие 
с датчиков (рис. 1.2).

Рис. 1.2