🎯 SERVO и STEPPER моторы - АБСОЛЮТНАЯ ТОЧНОСТЬ! Миллиметр к миллиметру!
📋 Паспорт спринта
| Параметр | ЗНАЧЕНИЕ НА МАКСИМАЛКАХ |
|---|---|
| Предмет | Интернет вещей (элективный курс) |
| Класс | 9 класс |
| Спринт № | 29 из 36 🚀🎯 |
| Тип занятия | PRECISION ENGINEERING + МИКРОХИРУРГИЯ РОБОТОВ ⚡🔬 |
| Продолжительность | 90 минут АБСОЛЮТНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ |
| Формат | ЛАБОРАТОРИЯ ТОЧНОСТИ с нано-контролем |
🎯 Цели спринта (СНАЙПЕРСКИЕ ЗАДАЧИ!)
ГЛАВНАЯ МИССИЯ:
Овладеть искусством МИЛЛИМЕТРОВОЙ точности! Создать IoT системы с хирургической точностью движений!
КОНКРЕТНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ ТОЧНОСТИ:
- Понимают различия между DC, SERVO и STEPPER моторами
- Программируют SERVO моторы для точных угловых позиций
- Управляют STEPPER моторами пошагово (step-by-step precision)
- Создают multi-axis координатные системы
- Реализуют feedback control для абсолютной точности
- 🆕 Строят CNC-подобные системы с микронной точностью
- 🆕 Создают роботизированные манипуляторы с 6 степенями свободы
- 🆕 Интегрируют computer vision для visual servoing
🔄 Sprint Retrospective (0-3 мин): ОТ СИЛЫ К ТОЧНОСТИ!
Адреналиновая проверка:
- “КТО заставил DC моторы ВРАЩАТЬСЯ на полной мощности?!”
- “У кого танк ТОЧНО ехал туда куда нужно?!”
- “Готовы перейти от МОЩНОСТИ к ХИРУРГИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ?!”
СНАЙПЕРСКАЯ связка: “DC моторы дали вам СИЛУ! Но иногда нужна не сила, а ТОЧНОСТЬ! Сегодня мы создаем роботов-часовщиков, роботов-хирургов, роботов-снайперов! EVERY DEGREE MATTERS!” 🎯💎
🕐 Sprint Timeline (90 минут ЛАЗЕРНОЙ ФОКУСИРОВКИ)
⚡ SPRINT START (3-8 мин): ДЕМО МИКРОННОЙ ТОЧНОСТИ!
🆕 MIND-BLOWING демонстрация precision:
-
DC vs SERVO vs STEPPER SHOWDOWN:
- DC мотор: “Поверни примерно на 90 градусов” → крутится как попало
- SERVO мотор: “Поверни ТОЧНО на 90.0 градусов” → CLICK! Идеально!
- STEPPER мотор: “Сделай РОВНО 200 шагов” → tick-tick-tick-STOP!
-
ЛАЗЕРНАЯ точность в действии:
- Laser pointer на servo → ТОЧНОЕ позиционирование луча
- Stepper рисует ИДЕАЛЬНЫЙ квадрат на бумаге
- “Разница между ‘примерно’ и ‘ТОЧНО’!”
-
🆕 Computer Vision + Motors:
- Камера видит цель → servo АВТОМАТИЧЕСКИ наводится
- “Глаза робота + мышцы робота = КИБОРГ!”
-
Industrial precision demo:
- 3D printer head positioning (steppers)
- Робо-рука берет ИГОЛКУ (servos)
- “От промышленности до хирургии!”
ВЫЗОВ КЛАССУ:
- “КТО может угадать позицию servo с точностью до ГРАДУСА?”
- “Сколько шагов stepper’а в полном обороте?”
- “ГДЕ нужна такая точность в РЕАЛЬНОЙ ЖИЗНИ?”
PRECISION CHALLENGE: “DC моторы - это молотки. Servos - это скальпели. Steppers - это лазеры. Сегодня учимся PRECISION SURGERY!” 🔬⚡
📚 THEORY BLOCK (8-25 мин): НАУКА АБСОЛЮТНОЙ ТОЧНОСТИ
Микро-блок 1 (8-13 мин): SERVO МОТОРЫ - Угловые снайперы
1🎯 SERVO = УМНЫЙ МОТОР С МОЗГОМ
2
3АНАТОМИЯ SERVO:
4┌─────────────────┐
5│ DC Motor │ ← Сердце
6│ Gear Reduction │ ← Мускулы
7│ Potentiometer │ ← Глаза (feedback)
8│ Control Circuit │ ← Мозг
9└─────────────────┘
10
11КАК РАБОТАЕТ МАГИЯ:
121. Команда: "Повернись на 90°"
132. Мозг: "Сейчас я на 45°, нужно +45°"
143. Мотор: вращается до 90°
154. Глаза: "Стоп! Я на 90°!"
165. Мозг: "Держи позицию!"
17
18PWM CONTROL СИГНАЛЫ:
19┌─┐ ┌─┐ ← 1.5ms pulse = 90° (center)
20│ │ │ │
21└─┘─────└─┘───── 20ms period (50 Hz)
22
23┌──┐ ┌──┐ ← 2.0ms pulse = 180° (max)
24│ │ │ │
25└──┘────└──┘────
26
27┌┐ ┌┐ ← 1.0ms pulse = 0° (min)
28││ ││
29└┘──────└┘──────
30
31ТИПЫ SERVO:
32🎯 STANDARD (180°): SG90, MG996R
33 • Дешевые ($2-10)
34 • Простые в использовании
35 • Ограниченный угол
36
37🔄 CONTINUOUS (360°): FS90R
38 • Как DC мотор, но с PWM speed control
39 • Может крутиться бесконечно
40 • Контроль скорости, не позиции
41
42🏋️ HIGH-TORQUE: MG996R, DS3218
43 • Металлические шестерни
44 • Высокий крутящий момент (20+ kg⋅cm)
45 • Для тяжелых нагрузок
46
47⚡ DIGITAL SERVO: Futaba, Hitec
48 • Цифровая обратная связь
49 • Быстрее, точнее, дороже ($50+)
50 • Программируемые параметры
Интерактив: “Попробуйте РУКАМИ повернуть servo когда он включен! ПОЧУВСТВУЙТЕ сопротивление!”
Микро-блок 2 (13-18 мин): STEPPER МОТОРЫ - Пошаговые перфекционисты
1👣 STEPPER = МОТОР БЕЗ КОМПРОМИССОВ
2
3ПРИНЦИП РАБОТЫ:
4🧲 Электромагниты активируются по очереди
5🔄 Ротор поворачивается ТОЧНО на один шаг
6📐 Шаг = 360° / количество шагов
7
8ТИПЫ STEPPER'ОВ:
9📏 FULL STEP:
10 • 200 steps/revolution = 1.8° per step
11 • Максимальный момент
12 • Простое управление
13
14🔬 HALF STEP:
15 • 400 steps/revolution = 0.9° per step
16 • Более плавное движение
17 • Чуть сложнее в управлении
18
19⚡ MICROSTEPPING:
20 • 1600+ steps/revolution = 0.225° per step
21 • Ультра-плавное движение
22 • Нужен специальный драйвер
23
24STEPPER ДРАЙВЕРЫ:
25🔧 ULN2003 (для 28BYJ-48):
26 • 4-wire control
27 • 5V, слабый момент
28 • Отлично для обучения
29
30💪 A4988/DRV8825:
31 • 2-wire control (step + direction)
32 • Microstepping support
33 • Variable current control
34
35🏭 TMC2208/TMC2209:
36 • Silent operation
37 • Stallguard (обнаружение препятствий)
38 • UART configuration
39
40STEPPING PATTERNS:
41FULL STEP (4-phase):
42Step 1: A=1, B=0, C=0, D=0
43Step 2: A=0, B=1, C=0, D=0
44Step 3: A=0, B=0, C=1, D=0
45Step 4: A=0, B=0, C=0, D=1
46
47WAVE STEP (1-phase):
48Step 1: A=1, B=0, C=0, D=0
49Step 2: A=0, B=1, C=0, D=0
50Step 3: A=0, B=0, C=1, D=0
51Step 4: A=0, B=0, C=0, D=1
52
53HALF STEP (8-phase):
54Step 1: A=1, B=0, C=0, D=0
55Step 2: A=1, B=1, C=0, D=0 ← Промежуточный
56Step 3: A=0, B=1, C=0, D=0
57Step 4: A=0, B=1, C=1, D=0 ← Промежуточный
58...
59
60🆕 ADVANCED FEATURES:
61• Homing sequences (поиск нулевой позиции)
62• Acceleration/deceleration profiles
63• Load sensing и stall detection
64• Closed-loop steppers с энкодерами
Микро-блок 3 (18-25 мин): КООРДИНАТНЫЕ СИСТЕМЫ И КИНЕМАТИКА
1📐 МНОГООСЕВЫЕ СИСТЕМЫ
2
3XY PLOTTER СИСТЕМА:
4 Y-axis (stepper)
5 ↑
6 ┌──────┼──────┐
7 │ │ │
8────┼──────┼──────┼──── X-axis (stepper)
9 │ │ │
10 └──────┼──────┘
11 ↓
12 Pen (servo Z-axis)
13
14КООРДИНАТНОЕ ПРОГРАММИРОВАНИЕ:
15void moveTo(float x, float y) {
16 int stepsX = (x - currentX) * STEPS_PER_MM_X;
17 int stepsY = (y - currentY) * STEPS_PER_MM_Y;
18
19 // Синхронное движение обеих осей
20 moveSteppers(stepsX, stepsY);
21
22 currentX = x;
23 currentY = y;
24}
25
26void drawLine(float x1, float y1, float x2, float y2) {
27 int steps = max(abs(x2-x1), abs(y2-y1)) * RESOLUTION;
28
29 for (int i = 0; i <= steps; i++) {
30 float t = (float)i / steps;
31 float x = x1 + t * (x2 - x1);
32 float y = y1 + t * (y2 - y1);
33 moveTo(x, y);
34 delay(DRAW_SPEED);
35 }
36}
37
38РОБО-РУКА КИНЕМАТИКА:
39Joint Angles → End Effector Position
40
41FORWARD KINEMATICS:
42x = L1*cos(θ1) + L2*cos(θ1+θ2) + L3*cos(θ1+θ2+θ3)
43y = L1*sin(θ1) + L2*sin(θ1+θ2) + L3*sin(θ1+θ2+θ3)
44z = shoulder_height + elbow_offset
45
46INVERSE KINEMATICS (сложнее!):
47θ1 = atan2(y, x)
48θ2 = acos((x²+y²+z²-L1²-L2²)/(2*L1*L2))
49θ3 = target_orientation - θ1 - θ2
50
51🆕 TRAJECTORY PLANNING:
52• Point-to-point motion
53• Smooth acceleration curves
54• Obstacle avoidance
55• Minimum time paths
56• Energy optimization
57
58CALIBRATION ПРОЦЕДУРЫ:
591. Home position detection (limit switches)
602. Backlash compensation
613. Step calibration (steps per mm/degree)
624. Repeatability testing
☕ NO BREAK: PRECISION ТРЕБУЕТ КОНЦЕНТРАЦИИ!
🛠️ ПРАКТИЧЕСКИЙ БЛОК (25-75 мин): PRECISION ENGINEERING LAB
Этап 1: SERVO Mastery - Точное позиционирование (25-35 мин)
🆕 SERVO PRECISION CHALLENGES по группам:
🔵 ГРУППА “PRECISION TURRET”:
1🎯 HARDWARE SETUP:
2• Arduino Uno
3• 2x High-torque servos (MG996R)
4• Pan-tilt bracket
5• Laser pointer module
6• Potentiometer для manual control
7• OLED display для feedback
8
9ПОДКЛЮЧЕНИЕ СНАЙПЕРСКОЙ ТОЧНОСТИ:
10Servo X (pan): Signal→Pin 9, VCC→6V, GND→GND
11Servo Y (tilt): Signal→Pin 10, VCC→6V, GND→GND
12Laser: Control→Pin 8, VCC→5V, GND→GND
13Potentiometer: Wiper→A0, VCC→5V, GND→GND
14OLED: SDA→A4, SCL→A5
15
16#include <Servo.h>
17#include <Wire.h>
18#include <Adafruit_SSD1306.h>
19
20Servo panServo, tiltServo;
21Adafruit_SSD1306 display(128, 64, &Wire);
22
23struct TargetPosition {
24 int panAngle; // 0-180 degrees
25 int tiltAngle; // 0-180 degrees
26 bool laserOn;
27};
28
29void aimAt(TargetPosition target) {
30 // Плавное движение к цели
31 int currentPan = panServo.read();
32 int currentTilt = tiltServo.read();
33
34 int steps = max(abs(target.panAngle - currentPan),
35 abs(target.tiltAngle - currentTilt));
36
37 for (int i = 0; i <= steps; i++) {
38 float progress = (float)i / steps;
39
40 int newPan = currentPan + progress * (target.panAngle - currentPan);
41 int newTilt = currentTilt + progress * (target.tiltAngle - currentTilt);
42
43 panServo.write(newPan);
44 tiltServo.write(newTilt);
45
46 updateDisplay(newPan, newTilt);
47 delay(20); // Smooth 50fps movement
48 }
49
50 digitalWrite(8, target.laserOn); // Laser control
51}
52
53ПЕРВАЯ БОЕВАЯ ЗАДАЧА:
54✓ Точное наведение на 4 угла комнаты
55✓ Следование за движущейся целью (ручное управление)
56✓ Preset позиции: "North", "South", "East", "West"
57✓ Laser ON только при точном позиционировании
58✓ MQTT remote control: {"pan": 90, "tilt": 45, "laser": true}
🔴 ГРУППА “ROBOTIC HAND”:
1🤖 HARDWARE SETUP:
2• Arduino Mega (много PWM!)
3• 5x Servo motors (SG90)
4• 3D-printed hand или mechanical gripper
5• Flex sensors (опционально)
6• Force sensitive resistor
7• RGB LED для status
8
9ПОДКЛЮЧЕНИЕ КИБЕР-РУКИ:
10Thumb: Pin 3 (большой палец)
11Index: Pin 5 (указательный)
12Middle: Pin 6 (средний)
13Ring: Pin 9 (безымянный)
14Pinky: Pin 10 (мизинец)
15Wrist: Pin 11 (поворот кисти)
16
17struct HandPose {
18 int thumb, index, middle, ring, pinky, wrist;
19 String name;
20};
21
22// Предустановленные позы
23HandPose poses[] = {
24 {90, 90, 90, 90, 90, 90, "Open"},
25 {0, 0, 0, 0, 0, 90, "Fist"},
26 {90, 0, 90, 90, 90, 90, "Point"},
27 {0, 0, 90, 90, 90, 90, "Peace"},
28 {45, 45, 45, 45, 45, 90, "Gentle_Grip"}
29};
30
31void setPose(HandPose pose) {
32 Serial.println("Setting pose: " + pose.name);
33
34 // Плавный переход между позами
35 HandPose current = getCurrentPose();
36
37 for (int step = 0; step <= 100; step++) {
38 float t = step / 100.0;
39
40 int newThumb = lerp(current.thumb, pose.thumb, t);
41 int newIndex = lerp(current.index, pose.index, t);
42 int newMiddle = lerp(current.middle, pose.middle, t);
43 int newRing = lerp(current.ring, pose.ring, t);
44 int newPinky = lerp(current.pinky, pose.pinky, t);
45 int newWrist = lerp(current.wrist, pose.wrist, t);
46
47 setFingerPositions(newThumb, newIndex, newMiddle, newRing, newPinky, newWrist);
48 delay(50); // Realistic human-like speed
49 }
50}
51
52// 🆕 Adaptive grip с force feedback
53void adaptiveGrip(int targetForce) {
54 int currentForce = analogRead(FORCE_SENSOR);
55
56 while (abs(currentForce - targetForce) > 10) {
57 if (currentForce < targetForce) {
58 tightenGrip(5); // Increase grip gradually
59 } else {
60 loosenGrip(5); // Decrease grip gradually
61 }
62
63 currentForce = analogRead(FORCE_SENSOR);
64 delay(100);
65
66 // Safety: don't crush objects!
67 if (currentForce > MAX_SAFE_FORCE) {
68 emergencyRelease();
69 break;
70 }
71 }
72}
73
74ПЕРВАЯ БОЕВАЯ ЗАДАЧА:
75✓ Демонстрация всех preset поз
76✓ Захват объектов разного размера
77✓ Адаптивный grip с force control
78✓ "Rock Paper Scissors" игра
79✓ MQTT жесты: {"gesture": "peace", "speed": "slow"}
Этап 2: STEPPER Mastery - Пошаговое совершенство (35-50 мин)
🟢 ГРУППА “CNC PLOTTER”:
1📐 HARDWARE SETUP:
2• Arduino Uno
3• 2x NEMA17 stepper motors
4• 2x A4988 stepper drivers
5• XY mechanical frame
6• Servo для pen lift
7• Limit switches для homing
8• 12V power supply
9
10ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ:
11X-Stepper Driver:
12├── Step → Pin 2
13├── Dir → Pin 3
14├── Enable → Pin 4
15└── VDD → 12V, VMOT → 12V
16
17Y-Stepper Driver:
18├── Step → Pin 5
19├── Dir → Pin 6
20├── Enable → Pin 7
21└── VDD → 12V, VMOT → 12V
22
23Pen Servo: Signal → Pin 9
24Limit Switches: X→Pin 10, Y→Pin 11
25
26#include <AccelStepper.h>
27#include <MultiStepper.h>
28
29AccelStepper stepperX(AccelStepper::DRIVER, 2, 3);
30AccelStepper stepperY(AccelStepper::DRIVER, 5, 6);
31MultiStepper steppers;
32
33// Калибровка системы
34const float STEPS_PER_MM_X = 80.0; // Зависит от шкивов/винтов
35const float STEPS_PER_MM_Y = 80.0;
36const float MAX_SPEED = 1000; // steps/second
37const float ACCELERATION = 500; // steps/second²
38
39void setup() {
40 stepperX.setMaxSpeed(MAX_SPEED);
41 stepperX.setAcceleration(ACCELERATION);
42 stepperY.setMaxSpeed(MAX_SPEED);
43 stepperY.setAcceleration(ACCELERATION);
44
45 steppers.addStepper(stepperX);
46 steppers.addStepper(stepperY);
47
48 homeAxes(); // Найти нулевую позицию
49}
50
51void homeAxes() {
52 // Двигаемся к limit switches
53 while (!digitalRead(10)) { // X limit
54 stepperX.move(-1);
55 stepperX.run();
56 }
57
58 while (!digitalRead(11)) { // Y limit
59 stepperY.move(-1);
60 stepperY.run();
61 }
62
63 // Устанавливаем текущую позицию как (0,0)
64 stepperX.setCurrentPosition(0);
65 stepperY.setCurrentPosition(0);
66}
67
68void moveToMM(float x, float y) {
69 long targetX = x * STEPS_PER_MM_X;
70 long targetY = y * STEPS_PER_MM_Y;
71
72 long positions[2] = {targetX, targetY};
73 steppers.moveTo(positions);
74 steppers.runSpeedToPosition(); // Синхронное движение
75}
76
77void drawCircle(float centerX, float centerY, float radius, int segments) {
78 penUp();
79
80 for (int i = 0; i <= segments; i++) {
81 float angle = 2.0 * PI * i / segments;
82 float x = centerX + radius * cos(angle);
83 float y = centerY + radius * sin(angle);
84
85 if (i == 0) {
86 moveToMM(x, y);
87 penDown();
88 } else {
89 moveToMM(x, y);
90 }
91 }
92
93 penUp();
94}
95
96// 🆕 G-code interpreter
97void processGCode(String command) {
98 if (command.startsWith("G0") || command.startsWith("G1")) {
99 // Linear movement
100 float x = parseFloat(command, 'X');
101 float y = parseFloat(command, 'Y');
102 moveToMM(x, y);
103 }
104 else if (command.startsWith("M3")) {
105 penDown(); // Pen down
106 }
107 else if (command.startsWith("M5")) {
108 penUp(); // Pen up
109 }
110 else if (command.startsWith("G28")) {
111 homeAxes(); // Home
112 }
113}
114
115ПЕРВАЯ БОЕВАЯ ЗАДАЧА:
116✓ Нарисовать идеальный квадрат 50x50mm
117✓ Нарисовать окружность радиусом 25mm
118✓ Написать текст "IoT 2025"
119✓ Homing sequence при старте
120✓ MQTT G-code commands: {"gcode": "G1 X50 Y50"}
🟡 ГРУППА “AUTOMATED CAMERA SLIDER”:
1📸 HARDWARE SETUP:
2• ESP32 (WiFi + больше памяти)
3• NEMA17 stepper + TMC2208 (silent!)
4• Linear rail system
5• Camera mount
6• Hall sensor для position feedback
7• OLED display
8• Battery pack для portable operation
9
10ПОДКЛЮЧЕНИЕ КИНЕМАТОГРАФИЧЕСКОЙ ТОЧНОСТИ:
11TMC2208 → ESP32:
12├── Step → GPIO 2
13├── Dir → GPIO 4
14├── EN → GPIO 16
15├── UART → GPIO 17 (для настройки)
16└── VMotor → 12V
17
18Hall Position Sensor → GPIO 34 (analog)
19OLED Display → SDA: GPIO 21, SCL: GPIO 22
20
21#include <TMCStepper.h>
22#include <AccelStepper.h>
23
24TMC2208Stepper driver(&Serial2, R_SENSE, DRIVER_ADDRESS);
25AccelStepper stepper = AccelStepper(stepper.DRIVER, 2, 4);
26
27struct CameraMove {
28 float startPos; // mm from home
29 float endPos; // mm from home
30 float duration; // seconds
31 String easing; // "linear", "ease_in", "ease_out", "ease_in_out"
32};
33
34void executeMove(CameraMove move) {
35 long startSteps = move.startPos * STEPS_PER_MM;
36 long endSteps = move.endPos * STEPS_PER_MM;
37 long totalSteps = abs(endSteps - startSteps);
38
39 unsigned long startTime = millis();
40 unsigned long moveDuration = move.duration * 1000; // Convert to ms
41
42 while (millis() - startTime < moveDuration) {
43 float progress = (float)(millis() - startTime) / moveDuration;
44
45 // Apply easing function
46 if (move.easing == "ease_in") {
47 progress = progress * progress;
48 } else if (move.easing == "ease_out") {
49 progress = 1 - (1 - progress) * (1 - progress);
50 } else if (move.easing == "ease_in_out") {
51 progress = progress < 0.5 ?
52 2 * progress * progress :
53 1 - 2 * (1 - progress) * (1 - progress);
54 }
55
56 long targetSteps = startSteps + progress * (endSteps - startSteps);
57 stepper.moveTo(targetSteps);
58 stepper.run();
59
60 // Update position display
61 updateOLED(stepper.currentPosition() / STEPS_PER_MM, progress * 100);
62 }
63}
64
65// 🆕 Time-lapse photography integration
66void timelapseSequence(int shots, float totalDistance, int intervalSeconds) {
67 float stepDistance = totalDistance / (shots - 1);
68
69 for (int shot = 0; shot < shots; shot++) {
70 float position = shot * stepDistance;
71
72 // Move to position
73 stepper.moveTo(position * STEPS_PER_MM);
74 stepper.runToPosition();
75
76 // Trigger camera (relay or servo)
77 triggerCamera();
78
79 // Wait for interval
80 delay(intervalSeconds * 1000);
81
82 // MQTT status update
83 publishTimelapseProgress(shot + 1, shots, position);
84 }
85}
86
87// 🆕 Motion control profiles
88void cinematicMove(float distance, float maxSpeed, float acceleration) {
89 // Professional cinema-quality motion profiles
90 long targetSteps = distance * STEPS_PER_MM;
91
92 stepper.setMaxSpeed(maxSpeed * STEPS_PER_MM);
93 stepper.setAcceleration(acceleration * STEPS_PER_MM);
94 stepper.moveTo(targetSteps);
95
96 while (stepper.distanceToGo() != 0) {
97 stepper.run();
98
99 // Real-time position feedback
100 float currentPos = stepper.currentPosition() / STEPS_PER_MM;
101 float currentSpeed = stepper.speed() / STEPS_PER_MM;
102
103 publishMotionTelemetry(currentPos, currentSpeed);
104 delay(10);
105 }
106}
107
108ПЕРВАЯ БОЕВАЯ ЗАДАЧА:
109✓ Smooth linear движение на 1 метр за 30 секунд
110✓ Time-lapse: 10 кадров с интервалом 5 секунд
111✓ Ease-in/ease-out motion profiles
112✓ Position feedback с точностью ±1mm
113✓ MQTT cinema control: {"move": "linear", "distance": 500, "time": 20}
Этап 3: Multi-axis coordination - Хореография роботов (50-65 мин)
🆕 ИНТЕГРАЦИЯ ВСЕХ СИСТЕМ - “ROBOTIC ORCHESTRA”:
1// 🎼 MULTI-ROBOT COORDINATION SYSTEM
2#include <WiFi.h>
3#include <PubSubClient.h>
4#include <ArduinoJson.h>
5
6// Global coordination state
7struct RobotState {
8 String robotId;
9 float positionX, positionY, positionZ;
10 bool isMoving;
11 unsigned long lastUpdate;
12};
13
14RobotState robots[4]; // Track all robots in system
15
16// 🎯 CHOREOGRAPHED SEQUENCES
17void executeChoreography(String sequenceName) {
18 if (sequenceName == "synchronized_dance") {
19 // All robots move in perfect synchronization
20
21 // Turret: Pan 180° in 10 seconds
22 publishMQTT("robots/turret/command",
23 "{\"action\":\"pan\", \"angle\":180, \"duration\":10}");
24
25 // Hand: Wave gesture
26 publishMQTT("robots/hand/command",
27 "{\"gesture\":\"wave\", \"repetitions\":5, \"speed\":\"medium\"}");
28
29 // Plotter: Draw spiral
30 publishMQTT("robots/plotter/command",
31 "{\"shape\":\"spiral\", \"radius\":50, \"turns\":3}");
32
33 // Camera: Smooth tracking shot
34 publishMQTT("robots/camera/command",
35 "{\"move\":\"tracking\", \"distance\":800, \"duration\":10}");
36 }
37
38 else if (sequenceName == "assembly_line") {
39 // Industrial coordination sequence
40
41 // 1. Plotter draws part outline
42 publishMQTT("robots/plotter/command", "{\"action\":\"draw_template\"}");
43
44 // 2. Camera moves to inspect
45 delay(2000);
46 publishMQTT("robots/camera/command", "{\"action\":\"inspect_quality\"}");
47
48 // 3. Hand picks up part
49 delay(1000);
50 publishMQTT("robots/hand/command", "{\"action\":\"pick_part\"}");
51
52 // 4. Turret laser marks part
53 delay(1500);
54 publishMQTT("robots/turret/command", "{\"action\":\"laser_mark\"}");
55
56 // 5. Hand places finished part
57 delay(1000);
58 publishMQTT("robots/hand/command", "{\"action\":\"place_part\"}");
59 }
60
61 else if (sequenceName == "security_mode") {
62 // Coordinated security scanning
63
64 // Turret: Sweep area in search pattern
65 publishMQTT("robots/turret/command",
66 "{\"action\":\"security_sweep\", \"pattern\":\"spiral\"}");
67
68 // Camera: Follow turret with recording
69 publishMQTT("robots/camera/command",
70 "{\"action\":\"follow_turret\", \"record\":true}");
71
72 // Hand: Ready position for interaction
73 publishMQTT("robots/hand/command",
74 "{\"pose\":\"alert_ready\"}");
75 }
76}
77
78// 🔄 REAL-TIME COORDINATION
79void onMqttMessage(char* topic, byte* payload, unsigned int length) {
80 String message = String((char*)payload, length);
81 StaticJsonDocument<300> doc;
82 deserializeJson(doc, message);
83
84 // Update robot states
85 if (String(topic).startsWith("robots/") && String(topic).endsWith("/status")) {
86 String robotId = extractRobotId(topic);
87 updateRobotState(robotId, doc);
88 }
89
90 // Coordination commands
91 if (String(topic) == "coordination/choreography") {
92 String sequence = doc["sequence"];
93 executeChoreography(sequence);
94 }
95
96 // Emergency coordination
97 if (String(topic) == "coordination/emergency") {
98 emergencyStopAll();
99 }
100
101 // Formation control
102 if (String(topic) == "coordination/formation") {
103 String formation = doc["formation"];
104 executeFormation(formation);
105 }
106}
107
108// 🆕 COLLISION AVOIDANCE
109bool checkCollisionRisk(String robotA, String robotB) {
110 RobotState stateA = getRobotState(robotA);
111 RobotState stateB = getRobotState(robotB);
112
113 float distance = sqrt(pow(stateA.positionX - stateB.positionX, 2) +
114 pow(stateA.positionY - stateB.positionY, 2) +
115 pow(stateA.positionZ - stateB.positionZ, 2));
116
117 return distance < MINIMUM_SAFE_DISTANCE;
118}
119
120void avoidCollision(String robotA, String robotB) {
121 // Pause lower priority robot
122 if (getRobotPriority(robotA) > getRobotPriority(robotB)) {
123 pauseRobot(robotB);
124 } else {
125 pauseRobot(robotA);
126 }
127
128 // Resume when safe
129 while (checkCollisionRisk(robotA, robotB)) {
130 delay(100);
131 }
132
133 resumeRobot(robotA);
134 resumeRobot(robotB);
135}
Этап 4: Computer Vision Integration (65-70 мин)
🆕 “VISUAL SERVOING” - Глаза + точность = КИБОРГ:
1// 🎥 COMPUTER VISION + SERVO CONTROL
2#include <OpenCV.h> // Псевдокод для концепции
3
4struct Target {
5 int x, y; // Pixel coordinates
6 float confidence; // Detection confidence 0-1
7 bool detected;
8};
9
10class VisualServoController {
11private:
12 Servo panServo, tiltServo;
13 int currentPan = 90, currentTilt = 90;
14
15public:
16 void trackTarget(Target target) {
17 if (!target.detected) {
18 // Search pattern if target lost
19 searchPattern();
20 return;
21 }
22
23 // Convert pixel error to servo adjustment
24 int centerX = CAMERA_WIDTH / 2;
25 int centerY = CAMERA_HEIGHT / 2;
26
27 int errorX = target.x - centerX;
28 int errorY = target.y - centerY;
29
30 // PID control for smooth tracking
31 float panAdjust = pidX.calculate(errorX);
32 float tiltAdjust = pidY.calculate(errorY);
33
34 // Update servo positions
35 currentPan = constrain(currentPan + panAdjust, 0, 180);
36 currentTilt = constrain(currentTilt + tiltAdjust, 0, 180);
37
38 panServo.write(currentPan);
39 tiltServo.write(currentTilt);
40
41 // Publish tracking data
42 publishTrackingData(target, currentPan, currentTilt);
43 }
44
45 void searchPattern() {
46 // Systematic search when target lost
47 static int searchStep = 0;
48 static unsigned long lastSearch = 0;
49
50 if (millis() - lastSearch > 200) {
51 // Spiral search pattern
52 float angle = searchStep * 0.2;
53 float radius = min(searchStep * 2, 40);
54
55 int newPan = 90 + radius * cos(angle);
56 int newTilt = 90 + radius * sin(angle);
57
58 panServo.write(newPan);
59 tiltServo.write(newTilt);
60
61 searchStep++;
62 lastSearch = millis();
63
64 if (searchStep > 100) searchStep = 0; // Reset search
65 }
66 }
67};
68
69// 🆕 OBJECT RECOGNITION + ROBOT INTERACTION
70void objectRecognitionLoop() {
71 // Capture frame from camera
72 Mat frame = captureFrame();
73
74 // Detect objects (colors, shapes, faces, etc.)
75 vector<Target> detectedObjects = detectObjects(frame);
76
77 for (auto& obj : detectedObjects) {
78 if (obj.confidence > 0.8) {
79
80 // Different actions for different objects
81 if (obj.type == "red_ball") {
82 // Turret: Track red ball
83 visualServo.trackTarget(obj);
84
85 // Hand: Ready to catch
86 publishMQTT("robots/hand/command", "{\"pose\":\"ready_catch\"}");
87 }
88
89 else if (obj.type == "human_face") {
90 // Friendly wave
91 publishMQTT("robots/hand/command", "{\"gesture\":\"wave\"}");
92
93 // Look at person
94 visualServo.trackTarget(obj);
95 }
96
97 else if (obj.type == "qr_code") {
98 // Decode QR and execute command
99 String command = decodeQR(obj);
100 executeQRCommand(command);
101 }
102 }
103 }
104}
105
106// 🆕 AUGMENTED REALITY OVERLAY
107void publishAROverlay() {
108 StaticJsonDocument<500> ar_data;
109
110 ar_data["robots"]["turret"]["position"] = {currentPan, currentTilt};
111 ar_data["robots"]["turret"]["laser_active"] = laserActive;
112
113 ar_data["detection"]["targets"] = detectedTargets.size();
114 ar_data["detection"]["tracking_active"] = trackingActive;
115
116 ar_data["workspace"]["safe_zone"] = calculateSafeZone();
117 ar_data["workspace"]["collision_risk"] = checkCollisionRisk();
118
119 String ar_json;
120 serializeJson(ar_data, ar_json);
121
122 client.publish("coordination/ar_overlay", ar_json.c_str());
123}
🎯 PRECISION OLYMPICS (70-83 мин): ЧЕМПИОНАТ ТОЧНОСТИ!
🆕 Формат: “IoT Precision Olympics - Nanometer Championship!”
🏆 ДИСЦИПЛИНЫ ТОЧНОСТИ:
🎯 SERVO SNIPER CHALLENGE:
1ЗАДАЧА: Laser pointer точное попадание в цели
2✓ 5 мишеней размером 1см на расстоянии 2м
3✓ Время: максимум 30 секунд на все цели
4✓ Scoring: 10 points за попадание, -2 за промах
5✓ BONUS: Движущаяся мишень (+20 points)
6✓ MQTT real-time scoring система
📐 STEPPER PRECISION DRAWING:
1ЗАДАЧА: Нарисовать сложную геометрическую фигуру
2✓ Star with 8 points, каждый луч точно 25mm
3✓ Tolerance: ±0.5mm максимум
4✓ No pen lifts during drawing
5✓ Scoring: Accuracy measurement с штангенциркулем
6✓ BONUS: 3D wireframe cube drawing (+30 points)
🤖 HAND DEXTERITY OLYMPICS:
1ЗАДАЧА: Pick-and-place марафон
2✓ Переложить 10 objects разного размера
3✓ От маленьких (спичка) до больших (теннисный мяч)
4✓ No dropping = perfect score
5✓ Speed bonus: под 60 секунд
6✓ BONUS: Stack objects в tower (+25 points)
📸 CAMERA CINEMATIC CHALLENGE:
1ЗАДАЧА: Снять "professional" video sequence
2✓ Smooth movement без jerks
3✓ Follow moving object
4✓ 3 different motion profiles (linear, ease-in, ease-out)
5✓ Scoring: Visual quality + smoothness
6✓ BONUS: Time-lapse sequence (+15 points)
🎼 COORDINATION MASTERPIECE:
1ЗАДАЧА: Все роботы работают вместе
2✓ Choreographed sequence на 2 минуты
3✓ No collisions между роботами
4✓ Synchronized timing
5✓ Creative storytelling
6✓ BONUS: Audience participation (+40 points)
🔍 PRECISION METROLOGY (83-87 мин): Измерения точности
🆕 Научная оценка достигнутой точности:
1📏 MEASUREMENT PROTOCOLS:
2
3SERVO ACCURACY:
4• Commanded vs actual position (encoder feedback)
5• Repeatability testing (10 cycles to same position)
6• Hysteresis measurement (forward vs reverse)
7• Temperature drift analysis
8
9STEPPER PRECISION:
10• Step accuracy (oscilloscope measurement)
11• Lost steps detection
12• Mechanical backlash quantification
13• Load vs accuracy correlation
14
15SYSTEM PERFORMANCE:
16• End-to-end latency (MQTT command → mechanical response)
17• Throughput (operations per minute)
18• Error rates under different conditions
19• Power consumption vs performance
20
21REAL-WORLD BENCHMARKS:
22• Industrial robot accuracy: ±0.1mm
23• 3D printer precision: ±0.05mm
24• Medical robot precision: ±0.01mm
25• Where do our systems rank?
🔄 SPRINT RETRO (87-90 мин): PRECISION INSIGHTS
🆕 Точная рефлексия:
- Какой тип мотора дает максимальную точность для каких задач?
- Что сложнее - hardware precision или software coordination?
- 🆕 Как computer vision меняет робототехнику?
- 🆕 Где нужна такая точность в промышленности?
📝 Sprint Backlog (ЗАДАНИЕ ТОЧНОСТИ)
🆕 Основное задание: “Precision Manufacturing Cell Design”
Сценарий: Компания хочет автоматизировать сборку часов. Нужна МИКРОННАЯ точность.
1⚙️ PRECISION MANUFACTURING SPECIFICATION:
2
31. ACCURACY REQUIREMENTS:
4 • Position tolerance: ±0.05mm
5 • Angular precision: ±0.1°
6 • Repeatability: 99.9%
7 • Cycle time: <30 seconds per operation
8
92. MULTI-AXIS COORDINATION:
10 • 6-DOF robotic arm design
11 • XY positioning table
12 • Rotary indexing для parts
13 • Vision system для quality control
14
153. PROCESS AUTOMATION:
16 • Pick micro-components (1mm parts)
17 • Precise assembly sequence
18 • Quality inspection
19 • Automatic rejection of defects
20
214. 🆕 INDUSTRY 4.0 INTEGRATION:
22 • Digital twin simulation
23 • Predictive maintenance
24 • Real-time production analytics
25 • Remote monitoring capabilities
26
27DELIVERABLE: Complete automation cell design + precision analysis
📊 Sprint Metrics (ТОЧНОСТЬ ОЦЕНКИ)
| Критерий | СНАЙПЕРСКАЯ ТОЧНОСТЬ (5) | ХОРОШАЯ ТОЧНОСТЬ (4) | БАЗОВАЯ ТОЧНОСТЬ (3) |
|---|---|---|---|
| Servo Control | <1° accuracy + smooth motion | <5° accuracy + good control | Basic positioning works |
| Stepper Precision | <0.1mm positioning accuracy | <1mm positioning accuracy | Basic stepping works |
| System Coordination | Perfect multi-axis synchronization | Good coordination with minor issues | Basic multi-axis control |
| Visual Integration | Real-time tracking + feedback control | Basic computer vision integration | Manual positioning only |
| 🆕 Precision Engineering | Considers all real-world factors | Good engineering practices | Basic technical implementation |
| 🆕 Innovation Factor | Novel precision techniques | Creative improvements | Standard implementations |
🆕 PRECISION BADGES:
- 🎯 Servo Sniper - за surgical servo precision
- 📐 Stepper Master - за micro-stepping excellence
- 🤖 Coordination Conductor - за multi-robot choreography
- 👁️ Vision Pioneer - за computer vision integration
- ⚙️ Precision Engineer - за industrial-grade accuracy
- 🏆 PRECISION CHAMPION - за outstanding accuracy across all systems
🚀 ТОЧНОСТЬ НА МАКСИМУМЕ ДОСТИГНУТА!
- ✅ SURGICAL PRECISION - от градусов к долям градуса!
- ✅ MULTI-AXIS MASTERY - координация как в симфонии!
- ✅ COMPUTER VISION - глаза + мышцы = киборг-точность!
- ✅ INDUSTRIAL THINKING - precision engineering подход!
- ✅ REAL-WORLD APPLICATIONS - от хобби к промышленности!
- ✅ INNOVATION EXPLOSION - творческие precision solutions!
СЛЕДУЮЩИЙ ВЗРЫВ: ПИД РЕГУЛИРОВАНИЕ! Математика встречает ЖЕЛЕЗО! 🧮⚡🎯