🚀 Транспортные роботы: инженерия движения

Физика, математика и технология мобильной робототехники

⚙️ Механика • 📐 Кинематика • 🔧 Конструирование • 🧮 Расчеты
6 класс • Технология • 45 минут

👨‍🏫 Учитель: Ахметов Рустам
🏫 Школа: ГБОУ № 1362
📅 Дата: 2025-06-13
🎯 Цель: Понять принципы создания роботов, которые умеют двигаться!

🎯 Маршрут исследования

🔬 Наша инженерная миссия:

  1. 🤔 Проблема мобильности - зачем роботам нужно двигаться
  2. ⚙️ Физические основы движения - силы, трение, энергия
  3. 📐 Математика транспорта - расчеты скорости и мощности
  4. 🛠️ Классификация по типам движения - колеса, гусеницы, ноги
  5. 🔧 Конструирование шасси - выбор оптимального решения
  6. 💻 Системы управления - как роботом управлять
  7. 🌍 Применение в реальном мире - где работают транспортные роботы

🎯 К концу урока вы сможете:

  • ⚗️ Объяснить физические принципы движения роботов
  • 📊 Рассчитывать основные параметры транспортных систем
  • 🔧 Классифицировать роботов по способам передвижения
  • 🛠️ Проектировать простые транспортные механизмы

🤔 Проблемная ситуация

Почему роботам нужно двигаться?

🌍 Вызовы современного мира

🏭 Промышленные задачи:

Складская логистика:

  • Перемещение грузов весом до 1000 кг
  • Работа 24/7 без усталости
  • Точная навигация в узких проходах
  • Автоматическая загрузка и разгрузка

Опасные производства:

  • Работа в радиоактивных зонах
  • Транспортировка химически опасных веществ
  • Операции при высоких температурах
  • Доступ в труднодоступные места

Исследование и разведка:

  • Изучение поверхности других планет
  • Разведка морского дна
  • Инспекция трубопроводов и шахт
  • Поисково-спасательные операции

❓ Ключевой вопрос: Какие физические принципы позволяют роботам эффективно передвигаться в разных условиях?

💡 Транспортные вызовы для роботов

🎯 Основные требования к мобильности:

Грузоподъемность:

1Легкие роботы: 1-10 кг полезной нагрузки
2Средние роботы: 10-100 кг
3Тяжелые роботы: 100-1000 кг
4Сверхтяжелые: более 1 тонны

Скорость движения:

1Точные операции: 0.1-0.5 м/с
2Обычная работа: 0.5-2 м/с  
3Быстрая доставка: 2-10 м/с
4Экстренные ситуации: более 10 м/с

Энергоэффективность:

1Время автономной работы: 2-24 часа
2Соотношение масса робота / масса груза: 1:1 до 1:5
3Энергия на 1 км пути: 0.1-10 кВт·ч

Проходимость:

1Гладкие поверхности: 100% проходимость
2Неровности до 2 см: 90% роботов
3Неровности до 10 см: 50% роботов  
4Лестницы и препятствия: специальные роботы

🔄 Эволюция транспортных решений

📈 От природы к технологиям:

🐍 Ползание (змеи, черви):

  • Принцип: Изгибание тела, трение о поверхность
  • Преимущества: Проход через узкие отверстия
  • Применение: Инспекция труб, медицинские роботы

🚶 Ходьба (люди, животные):

  • Принцип: Поочередное перемещение опор
  • Преимущества: Максимальная проходимость
  • Применение: Роботы-гуманоиды, военные роботы

🏃 Бег (гепарды, собаки):

  • Принцип: Фаза полета, накопление энергии
  • Преимущества: Высокая скорость на короткие дистанции
  • Применение: Роботы-курьеры, спортивные роботы

🛞 Качение (изобретение человека):

  • Принцип: Вращение круглого объекта
  • Преимущества: Минимальное трение, высокая скорость
  • Применение: 90% транспортных роботов

🛤️ Скольжение по направляющим:

  • Принцип: Движение по рельсам или магнитной подушке
  • Преимущества: Высокая скорость, точность
  • Применение: Высокоскоростные транспортные системы

⚗️ Физические основы движения

🔧 Фундаментальные силы в робототехнике:

Сила тяжести:

\[F_g = m \cdot g = m \cdot 9.8 \text{ Н}\]

Сила трения:

\[F_{тр} = \mu \cdot N = \mu \cdot m \cdot g \cdot \cos(\alpha)\]

Сила инерции:

\[F_и = m \cdot a\]

Мощность для движения:

\[P = F \cdot v = F_{тр} \cdot v = \mu \cdot m \cdot g \cdot v\]

🎯 Практический пример: Робот массой 50 кг движется со скоростью 2 м/с по бетонной поверхности (μ = 0.8)

\[P = 0.8 \cdot 50 \cdot 9.8 \cdot 2 = 784 \text{ Вт}\]

Нужен двигатель мощностью около 1 кВт!

⚙️ Колесные транспортные роботы

Самый распространенный тип движения

🛞 Преимущества колесного движения

📊 Эффективность колеса:

Коэффициенты трения качения:

1Стальное колесо по рельсу: μ = 0.001-0.002
2Резиновое колесо по асфальту: μ = 0.01-0.02
3Резиновое колесо по бетону: μ = 0.02-0.03
4Колесо по песку: μ = 0.1-0.3
5Колесо по траве: μ = 0.05-0.1

Сравнение энергозатрат:

  • Трение качения в 10-100 раз меньше трения скольжения
  • Возможность достижения высоких скоростей
  • Простота управления направлением движения
  • Надежность и долговечность механизмов

🔧 Схемы колесных роботов

🚗 Автомобильная схема (управляемые передние колеса):

\[R = \frac{L}{\tan(\delta)}\]

где R - радиус поворота, L - колесная база, δ - угол поворота

Преимущества:

  • Привычная схема управления
  • Высокая скорость движения
  • Хорошая устойчивость

Недостатки:

  • Большой радиус поворота
  • Сложность точного позиционирования

🤖 Дифференциальная схема (танковая):

Кинематика дифференциального привода:

\[v_{центр} = \frac{v_L + v_R}{2}\] \[\omega = \frac{v_R - v_L}{L}\]

где v_L и v_R - скорости левого и правого колес, L - колея робота

Радиус мгновенного поворота:

\[R = \frac{L}{2} \cdot \frac{v_L + v_R}{v_R - v_L}\]

Преимущества:

  • Поворот на месте (R = 0)
  • Простота управления
  • Высокая маневренность

🔄 Всенаправленные колеса (омни-колеса):

Принцип работы:

  • Основное движение: вращение вокруг главной оси
  • Боковое движение: свободное вращение роликов
  • Результирующее движение: векторная сумма

Скорость робота с 3 омни-колесами:

\[v_x = \frac{2}{3}(v_1 - \frac{v_2}{2} - \frac{v_3}{2})\] \[v_y = \frac{\sqrt{3}}{3}(v_3 - v_2)\]

Применение:

  • Точное позиционирование
  • Работа в ограниченном пространстве
  • Складские роботы

🏭 Расчет колесного робота

📝 Инженерная задача: Спроектировать робота-курьера для офиса:

  • Масса робота: 30 кг
  • Грузоподъемность: 20 кг
  • Скорость: 1.5 м/с
  • Время работы: 8 часов

⚙️ Расчет мощности двигателей:

Сила сопротивления движению:

\[F_{общ} = F_{тр} + F_{воздуха} + F_{наклона}\]

Для горизонтального движения по гладкому полу:

\[F_{тр} = \mu \cdot (m_{робот} + m_{груз}) \cdot g\] \[F_{тр} = 0.02 \cdot (30 + 20) \cdot 9.8 = 9.8 \text{ Н}\]

Мощность двигателя:

\[P = F_{тр} \cdot v = 9.8 \cdot 1.5 = 14.7 \text{ Вт}\]

С учетом КПД системы (η = 0.7) и запаса (k = 2):

\[P_{двиг} = \frac{P \cdot k}{\eta} = \frac{14.7 \cdot 2}{0.7} = 42 \text{ Вт}\]

🔋 Энергетический расчет

Потребляемая энергия за 8 часов:

\[E = P \cdot t = 42 \cdot 8 = 336 \text{ Вт}\cdot\text{ч}\]

Выбор аккумулятора (с запасом 50%):

\[E_{\text{акк}} = E \cdot 1.5 = 336 \cdot 1.5 = 504 \text{ Вт}\cdot\text{ч}\]

Вес Li-ion аккумулятора (удельная энергия 150 Вт·ч/кг):

\[m_{\text{акк}} = \frac{E_{\text{акк}}}{150} = \frac{504}{150} = 3.36 \text{ кг}\]

🎯 Вывод: Для робота-курьера достаточно двух двигателей по 50 Вт и аккумулятора 3.5 кг

🛤️ Гусеничные транспортные роботы

Максимальная проходимость

⚙️ Принцип гусеничного движения

🔧 Конструкция гусеничного движителя:

Основные элементы:

  • Ведущая звездочка (приводится от двигателя)
  • Ленивец (натяжное колесо)
  • Опорные катки (распределяют вес)
  • Гусеничная лента (траки соединены шарнирно)

Передаточное отношение:

\[i = \frac{z_{\text{ведомая}}}{z_{\text{ведущая}}} = \frac{\omega_{\text{ведущая}}}{\omega_{\text{ведомая}}} = \frac{d_{\text{ведомая}}}{d_{\text{ведущая}}}\]

Скорость движения робота:

\[v = \omega_{звездочка} \cdot R_{звездочка} = \frac{\omega_{двигатель}}{i} \cdot R_{звездочка}\]

📊 Преимущества гусеничного хода

🌍 Проходимость по разным поверхностям:

Поверхность Колесный робот Гусеничный робот Улучшение
Песок 30% проходимость 85% проходимость ×2.8
Снег 10% проходимость 75% проходимость ×7.5
Болото 0% проходимость 60% проходимость ∞
Камни 50% проходимость 90% проходимость ×1.8
Лестницы 0% проходимость 40% проходимость ∞

⚗️ Физическое объяснение:

Давление на грунт:

\[P = \frac{F}{S} = \frac{m \cdot g}{L \cdot b}\]

где L - длина гусеницы, b - ширина гусеницы

Пример расчета: Робот массой 100 кг с гусеницами 1.5×0.3 м:

\[P = \frac{100 \cdot 9.8}{2 \cdot 1.5 \cdot 0.3} = \frac{980}{0.9} = 1089 \text{ Па}\]

Тот же робот на колесах 0.2 м:

\[P = \frac{100 \cdot 9.8}{4 \cdot \pi \cdot 0.1^2} = \frac{980}{0.126} = 7778 \text{ Па}\]

Давление на грунт в 7 раз меньше!

🏔️ Преодоление препятствий

📐 Геометрия препятствий:

Максимальная высота препятствия:

\[h_{max} = R \cdot (1 - \cos(\alpha_{max}))\]

где R - радиус ведущей звездочки, α_max - максимальный угол подъема

Угол подъема на склон:

\[\tan(\alpha) = \frac{\mu \cdot \cos(\alpha) - \sin(\alpha)}{\cos(\alpha)}\]

Максимальный преодолеваемый угол:

\[\alpha_{max} = \arctan(\mu)\]

Пример: При μ = 0.6 максимальный угол подъема = 31°

🤖 Примеры гусеничных роботов

🔍 Робот-разведчик PackBot:

1Технические характеристики:
2Масса: 24 кг
3Скорость: до 9.6 км/ч  
4Преодолеваемый подъем: 45°
5Время автономной работы: 4-8 часов
6Управление: дистанционное до 1 км

🏗️ Строительный робот Brokk:

1Технические характеристики:
2Масса: 500-5000 кг
3Мощность гидравлики: до 100 кВт
4Усилие разрушения: до 3000 Дж
5Радиус действия: 360°
6Дистанционное управление: до 300 м

🔥 Пожарный робот Colossus:

1Технические характеристики:
2Масса: 2700 кг
3Подача воды: 2500 л/мин
4Дальность струи: 60 м
5Термостойкость: до 800°C
6Время непрерывной работы: 20 часов

⚙️ Расчет гусеничного робота

📝 Инженерная задача: Робот для инспекции трубопроводов:

  • Масса: 80 кг
  • Диаметр трубы: 1.2 м
  • Скорость движения: 0.5 м/с
  • Угол подъема трубы: до 30°

🔧 Расчет силы тяги:

На горизонтальном участке:

\[F_{тяги} = F_{тр} = \mu \cdot m \cdot g = 0.3 \cdot 80 \cdot 9.8 = 235.2 \text{ Н}\]

На подъеме 30°:

\[F_{тяги} = m \cdot g \cdot (\mu \cdot \cos(30°) + \sin(30°))\] \[F_{тяги} = 80 \cdot 9.8 \cdot (0.3 \cdot 0.866 + 0.5) = 80 \cdot 9.8 \cdot 0.76 = 596 \text{ Н}\]

Требуемая мощность:

\[P = F_{тяги} \cdot v = 596 \cdot 0.5 = 298 \text{ Вт}\]

С учетом КПД (η = 0.6) и запаса (k = 1.5):

\[P_{двиг} = \frac{P \cdot k}{\eta} = \frac{298 \cdot 1.5}{0.6} = 745 \text{ Вт}\]

🚶 Шагающие роботы

Биомиметические решения

🦵 Принципы двуногой ходьбы

⚖️ Баланс и устойчивость:

Центр тяжести и опорная площадь:

\[x_{ЦТ} = \frac{m_1 \cdot x_1 + m_2 \cdot x_2 + ... + m_n \cdot x_n}{m_1 + m_2 + ... + m_n}\]

Условие статической устойчивости: Центр тяжести должен находиться над площадью опоры

Момент опрокидывания:

\[M_{опр} = F_{внешн} \cdot h_{ЦТ}\]

Восстанавливающий момент:

\[M_{восст} = m \cdot g \cdot d_{смещ}\]

где d_смещ - расстояние от центра тяжести до края опоры

🐕 Четвероногие роботы

📐 Кинематика четвероногой походки:

Статические походки (всегда 3 ноги на земле):

  • Треугольная походка - самая устойчивая
  • Низкая скорость, высокая стабильность
  • Применение: точные операции, пересеченная местность

Динамические походки (фазы полета):

  • Рысь, галоп, прыжки
  • Высокая скорость, требует активной стабилизации
  • Применение: быстрое перемещение, преодоление препятствий

Расчет скорости шагающего робота:

\[v = \frac{L_{шаг} \cdot f_{шаг}}{k_{перекрытия}}\]

где L_шаг - длина шага, f_шаг - частота шагов, k_перекрытия - коэффициент перекрытия фаз

🏃 Динамика шагающего движения

⚡ Энергетические затраты:

Потенциальная энергия подъема тела:

\[E_{потенц} = m \cdot g \cdot h_{подъем}\]

Кинетическая энергия разгона ног:

\[E_{кинет} = \frac{1}{2} \cdot m_{нога} \cdot v_{нога}^2\]

Энергия на преодоление инерции:

\[E_{инерц} = \frac{1}{2} \cdot J \cdot \omega^2\]

где J - момент инерции ноги относительно тазобедренного сустава

🎯 Энергоэффективность походок:

1Медленная ходьба: 2-4 Дж/(кг·м)
2Быстрая ходьба: 4-6 Дж/(кг·м)  
3Бег: 3-5 Дж/(кг·м)
4Прыжки: 8-15 Дж/(кг·м)

Сравнение с колесами:

1Колесное движение: 0.1-0.5 Дж/(кг·м)

Шагающие роботы в 10-30 раз менее энергоэффективны!

🤖 Современные шагающие роботы

🦾 Boston Dynamics Atlas:

1Параметры движения:
2Высота: 150 см
3Масса: 80 кг
4Скорость ходьбы: 1.5 м/с
5Скорость бега: 2.5 м/с
6Высота прыжка: 1.2 м
7Время автономной работы: 1 час

Расчет мощности для Atlas:

\[P = \frac{E \cdot v}{L_{шаг}} = \frac{4 \cdot 80 \cdot 1.5}{0.8} = 600 \text{ Вт}\]

🐕 Boston Dynamics Spot:

1Параметры движения:
2Длина: 110 см  
3Масса: 25 кг
4Скорость: 1.6 м/с
5Грузоподъемность: 14 кг
6Время работы: 90 минут
7Угол подъема: 30°

🧮 Математическое моделирование походки

📊 Обратная кинематика ноги:

Для трехзвенной ноги (бедро-голень-стопа):

Положение стопы:

\[x = L_1 \cdot \cos(\theta_1) + L_2 \cdot \cos(\theta_1 + \theta_2) + L_3 \cdot \cos(\theta_1 + \theta_2 + \theta_3)\] \[y = L_1 \cdot \sin(\theta_1) + L_2 \cdot \sin(\theta_1 + \theta_2) + L_3 \cdot \sin(\theta_1 + \theta_2 + \theta_3)\]

Обратная задача (по заданной позиции стопы найти углы суставов): Решается численными методами или аналитически для упрощенных случаев

🎯 Траектория движения стопы:

1Фаза опоры: прямая линия от пятки к носку
2Фаза переноса: дуга над землей
3Время опоры: 60-70% цикла шага
4Время переноса: 30-40% цикла шага

🌍 Применение транспортных роботов

От лаборатории к реальному миру

🏭 Промышленное применение

📦 AGV - Автоматические транспортные тележки:

Технические характеристики современных AGV:

1Грузоподъемность: 100-5000 кг
2Скорость движения: 0.5-2 м/с
3Точность позиционирования: ±5 мм
4Время зарядки: 30-60 минут  
5Время работы: 8-16 часов
6Стоимость: $10,000-$100,000

Экономическая эффективность:

\[\text{Окупаемость} = \frac{\text{Стоимость робота}}{\text{Экономия в год}}\]

Пример расчета для склада:

  • Стоимость AGV: $50,000
  • Замещает 2 работников: $60,000/год
  • Экономия на электричестве: $5,000/год
  • Общая экономия: $65,000/год
\[\text{Окупаемость} = \frac{50,000}{65,000} = 0.77 \text{ года}\]

🏥 Медицинские транспортные роботы

🚑 Госпитальные роботы-курьеры:

Задачи медицинских роботов:

  • Доставка лекарств в палаты
  • Транспортировка анализов в лабораторию
  • Перевозка белья и расходных материалов
  • Доставка еды пациентам

Требования к медицинским роботам:

1Стерильность: специальные покрытия
2Бесшумность: уровень шума < 40 дБ
3Безопасность: аварийная остановка при контакте
4Навигация: работа среди людей
5Дезинфекция: автоматическая обработка

Расчет производительности:

\[P = \frac{N_{рейс} \cdot V_{груз}}{T_{смена}}\]

где N_рейс - количество рейсов за смену, V_груз - объем перевозимого груза

🌊 Подводные и космические роботы

🚀 Марсоходы - пионеры робототехники:

Curiosity (2012-настоящее время):

1Масса: 899 кг
2Размеры: 3×2.7×3.1 м
3Колеса: 6 штук, алюминиевые, ∅52.5 см
4Скорость: до 4.2 см/с (150 м/час)
5Пройденное расстояние: >28 км
6Источник энергии: радиоизотопный генератор 45 Вт

Perseverance (2021-настоящее время):

1Масса: 1025 кг
2Скорость: до 16.76 м/час
3Автономная навигация: до 120 м за день
4Мощность: до 125 Вт от RTG
5Уникальная особенность: вертолет Ingenuity

Расчет энергопотребления на Марсе:

\[P_{движ} = F_{тр} \cdot v = \mu \cdot m \cdot g_{Марс} \cdot v\] \[P_{движ} = 0.2 \cdot 1025 \cdot 3.71 \cdot 0.0047 = 3.6 \text{ Вт}\]

(где g_Марс = 3.71 м/с², v = 16.76 м/ч = 0.0047 м/с)

🌊 Подводные роботы (ROV/AUV)

🤿 ROV - Remotely Operated Vehicles:

Глубоководный ROV Deep Discoverer:

1Рабочая глубина: до 6000 м
2Источники света: 10000 люмен
3Манипуляторы: 2 штуки, 7 степеней свободы
4Движители: 8 штук (4 горизонтальных, 4 вертикальных)
5Мощность: 25 кВт (подача по кабелю)
6Время работы: до 24 часов непрерывно

Расчет плавучести подводного робота:

\[F_{Архимеда} = \rho_{воды} \cdot V_{робот} \cdot g\]

Условие нейтральной плавучести:

\[m_{робот} \cdot g = \rho_{воды} \cdot V_{робот} \cdot g\] \[\rho_{робот} = \rho_{воды} = 1025 \text{ кг/м³}\]

🚗 Автономные автомобили

🤖 Tesla Autopilot - массовая робототехника:

Сенсорная система Tesla:

1Камеры: 8 штук, 360° обзор
2Ультразвуковые датчики: 12 штук
3Радары: 1 миллиметровый (отключен в 2021)
4Вычислительная мощность: 144 TOPS
5Нейронная сеть: >1 млрд параметров

Физика автономного вождения:

Тормозной путь:

\[S = \frac{v^2}{2 \cdot \mu \cdot g} + v \cdot t_{реакц}\]

Для скорости 60 км/ч (16.67 м/с) на сухом асфальте (μ = 0.7):

\[S = \frac{16.67^2}{2 \cdot 0.7 \cdot 9.8} + 16.67 \cdot 0.1 = 20.4 + 1.67 = 22 \text{ м}\]

Безопасная дистанция:

\[D_{безоп} = S_{торм} + v \cdot t_{обработки} + L_{запас}\]

где t_обработки - время обработки сигналов компьютером (~0.1 с)

🧪 Практическая работа

Аналитическая таблица “Классификация транспортных роботов”

📋 Задание для групповой работы

🎯 Цель работы: Создать систематизированную классификацию транспортных роботов с техническим обоснованием выбора конструктивных решений

👥 Формат работы: Группы по 3-4 человека
⏱️ Время выполнения: 15 минут
📊 Формат результата: Аналитическая таблица + обоснование

🗃️ Структура аналитической таблицы

Тип робота Принцип движения Физические основы Максимальная скорость Проходимость Энергоэффективность Область применения Преимущества Ограничения Пример

📝 Инструкции по заполнению:

Принцип движения:

  • Механизм создания движущей силы
  • Способ взаимодействия с поверхностью
  • Система управления направлением

Физические основы:

  • Основные силы (трение, тяга, сопротивление)
  • Формулы для расчета основных параметров
  • Энергетические процессы

🔬 Критерии для анализа

📊 Количественные характеристики:

Скорость движения:

1Сверхмедленные: < 0.1 м/с (точные операции)
2Медленные: 0.1-1 м/с (обычная работа)
3Средние: 1-5 м/с (транспортировка)
4Быстрые: 5-15 м/с (доставка)
5Сверхбыстрые: > 15 м/с (специальные задачи)

Проходимость (преодолеваемые неровности):

1Минимальная: < 1 см (гладкие поверхности)
2Низкая: 1-5 см (небольшие препятствия)
3Средняя: 5-15 см (умеренно пересеченная местность)
4Высокая: 15-50 см (серьезные препятствия)
5Максимальная: > 50 см (экстремальные условия)

Энергоэффективность (Дж на 1 кг груза на 1 м пути):

1Отличная: < 1 Дж/(кг·м)
2Хорошая: 1-5 Дж/(кг·м)
3Удовлетворительная: 5-15 Дж/(кг·м)
4Плохая: 15-50 Дж/(кг·м)
5Критическая: > 50 Дж/(кг·м)

🎯 Рекомендуемые типы для анализа

🚀 Обязательные типы (выберите 5-6):

  1. Колесные роботы с дифференциальным приводом
  2. Гусеничные роботы
  3. Шагающие двуногие роботы
  4. Шагающие четвероногие роботы
  5. Летающие роботы (дроны)
  6. Подводные роботы

⭐ Дополнительные типы (для продвинутых групп): 7. Роботы с омни-колесами 8. Змееподобные роботы 9. Прыгающие роботы 10. Роботы на воздушной подушке 11. Магнитные роботы (для вертикальных поверхностей) 12. Роботы с изменяемой геометрией

🧮 Примеры расчетов для таблицы

Пример 1: Колесный робот-курьер

1Масса: 25 кг
2Скорость: 2 м/с
3Коэффициент трения: 0.02
4
5Энергоэффективность:
6E = μ·g·1 м = 0.02·9.8·1 = 0.196 Дж/(кг·м) ✓ Отличная

Пример 2: Шагающий робот

1Энергия подъема тела на каждом шаге: 5 Дж/кг
2Длина шага: 0.5 м
3
4Энергоэффективность:
5E = 5/0.5 = 10 Дж/(кг·м) ✓ Удовлетворительная

Пример 3: Дрон-курьер

1Мощность: 200 Вт
2Скорость: 10 м/с  
3Грузоподъемность: 2 кг
4
5Энергоэффективность:
6E = (200 Дж/с)/(2 кг·10 м/с) = 10 Дж/(кг·м) ✓ Удовлетворительная

📊 Критерии оценивания работы групп

📈 Шкала оценивания (25 баллов максимум):

Полнота классификации (5 баллов):

  • 5 б: Рассмотрены все основные типы с подтипами
  • 4 б: Рассмотрены все основные типы
  • 3 б: Рассмотрено большинство типов
  • 2 б: Рассмотрена половина типов
  • 1 б: Недостаточное количество типов

Техническая корректность (5 баллов):

  • 5 б: Все технические данные и расчеты верны
  • 4 б: Минимальные технические неточности
  • 3 б: Есть технические ошибки, но логика верна
  • 2 б: Значительные технические ошибки
  • 1 б: Критические технические ошибки

Физико-математическое обоснование (5 баллов):

  • 5 б: Приведены формулы и расчеты для всех типов
  • 4 б: Физические принципы объяснены для большинства типов
  • 3 б: Есть попытки физического обоснования
  • 2 б: Поверхностное понимание физики
  • 1 б: Отсутствие физического обоснования

Практическая значимость (5 баллов):

  • 5 б: Четкая связь с реальными применениями
  • 4 б: Понимание практических ограничений
  • 3 б: Общее понимание применимости
  • 2 б: Слабая связь с практикой
  • 1 б: Отсутствие практических выводов

Качество презентации (5 баллов):

  • 5 б: Отличная структура, ясное изложение
  • 4 б: Хорошая организация материала
  • 3 б: Удовлетворительная подача
  • 2 б: Есть недочеты в структуре
  • 1 б: Плохая организация материала

🎤 Презентация результатов групп

📋 Регламент выступлений

⏱️ Временные рамки:

  • Время выступления: 3 минуты на группу
  • Вопросы аудитории: 1 минута
  • Общее время: 4 минуты на группу

📊 Структура выступления:

1. Представление классификации (1 минута):

  • Краткий обзор проанализированных типов
  • Ключевые критерии классификации
  • Самый интересный тип робота

2. Техническое обоснование (1 минута):

  • Физические принципы одного типа (на выбор)
  • Примерные расчеты характеристик
  • Сравнение эффективности разных типов

3. Практические выводы (1 минута):

  • Рекомендации по выбору типа для конкретных задач
  • Перспективные направления развития
  • Нерешенные технические проблемы

🏆 Конкурсные номинации

🥇 Специальные номинации для групп:

“Инженерная точность”

  • Самые точные технические расчеты
  • Корректное использование физических формул
  • Понимание реальных ограничений

“Системный подход”

  • Наиболее логичная классификация
  • Учет взаимосвязей между характеристиками
  • Комплексный анализ факторов

“Практическая значимость”

  • Лучшие рекомендации по применению
  • Понимание реальных потребностей
  • Связь с существующими технологиями

“Научная перспектива”

  • Выявление трендов развития
  • Анализ нерешенных проблем
  • Предложения по улучшению

“Инновационное мышление”

  • Необычные типы роботов в анализе
  • Креативные решения проблем
  • Нестандартный подход к классификации

🤔 Вопросы для обсуждения

💡 Дискуссионные темы:

Какой тип робота самый перспективный?

  • Аргументы в пользу колесных роботов
  • Потенциал шагающих роботов
  • Роль гибридных решений

Что важнее: скорость или проходимость?

  • Анализ компромиссов в конструкции
  • Адаптация к условиям применения
  • Универсальность против специализации

Как учесть экологические факторы?

  • Энергоэффективность различных типов
  • Влияние на окружающую среду
  • Использование возобновляемых источников энергии

Будущее транспортной робототехники?

  • Интеграция различных способов движения
  • Роль искусственного интеллекта
  • Взаимодействие роботов и людей

🏠 Домашнее задание

📋 Базовый уровень

1. Решение инженерных задач

Задача А: Расчет колесного робота

1Условие:
2Робот-пылесос массой 4 кг движется по ковру (μ = 0.15) 
3со скоростью 0.3 м/с. КПД двигателей η = 0.8.
4Найти: мощность двигателей и энергопотребление за 2 часа работы.
5
6Дано: m = 4 кг, μ = 0.15, v = 0.3 м/с, η = 0.8, t = 2 ч
7Найти: P_двиг, E_общ

Задача Б: Сравнение эффективности

1Условие:
2Сравните энергозатраты колесного и шагающего роботов
3одинаковой массы 50 кг на преодоление 1 км пути.
4
5Данные:
6Колесный: μ = 0.02, η = 0.7
7Шагающий: E_удельн = 8 Дж/(кг·м), η = 0.6
8
9Найти: во сколько раз отличаются энергозатраты

2. Описание робота для конкретной задачи

Выберите одну из задач и опишите оптимальный тип транспортного робота:

Варианты задач:

  • Доставка пиццы в городе
  • Уборка парка от мусора
  • Инспекция высотных зданий
  • Работа в шахте
  • Исследование Антарктиды
  • Помощь в больнице

Структура описания:

  • Технические требования к роботу
  • Выбор типа движения с обоснованием
  • Расчет основных параметров
  • Анализ ограничений и рисков

🎯 Повышенный уровень

🔬 Исследовательские проекты:

Проект 1: “Гибридные транспортные системы” Исследуйте роботов, сочетающих несколько способов движения:

  • Колесно-шагающие роботы
  • Наземно-воздушные системы
  • Анализ преимуществ комбинированных решений
  • Расчет сложности управления

Проект 2: “Биомиметика в робототехнике” Изучите природные принципы движения и их применение:

  • Анализ движения различных животных
  • Копирование принципов в технике
  • Оценка эффективности биомиметических решений
  • Перспективы развития направления

Проект 3: “Энергоэффективность транспортных роботов” Исследуйте энергетические аспекты:

  • Сравнительный анализ энергопотребления
  • Рекуперация энергии при движении
  • Альтернативные источники энергии
  • Оптимизация траекторий движения

🛠️ Конструкторские задания

⚙️ Проектирование робота

Техническое задание: Спроектируйте транспортного робота для работы в аэропорту:

Требования:

  • Перевозка багажа до 50 кг
  • Скорость движения 1-3 м/с
  • Автономная работа 12 часов
  • Движение среди людей
  • Всепогодность (работа на улице)

Результат проектирования:

  • Выбор типа движения с расчетами
  • Схема конструкции
  • Расчет мощности и энергопотребления
  • Система безопасности
  • Сравнение с существующими решениями

🌐 Дополнительные ресурсы

📚 Рекомендуемая литература:

  • “Основы робототехники” - К. Фу, Р. Гонсалес
  • “Мобильные роботы” - И. Каляев, А. Гайдук
  • “Шагающие роботы” - Д. Охоцимский, А. Голубев

💻 Онлайн-ресурсы:

  • MIT OpenCourseWare - курсы по робототехнике
  • Boston Dynamics - видео современных роботов
  • NASA JPL - материалы по марсоходам
  • Калькуляторы для инженерных расчетов

🎥 Рекомендуемые видео:

  • Документальные фильмы о развитии робототехники
  • Презентации ведущих компаний
  • Лекции университетских курсов
  • Демонстрации работы реальных роботов

🎉 Подведение итогов урока

🏆 Наши инженерные достижения

⚗️ Физические открытия:

  • ✅ Изучили силы, действующие на движущиеся роботы
  • ✅ Поняли принципы различных способов передвижения
  • ✅ Освоили расчеты энергопотребления и эффективности
  • ✅ Разобрались в компромиссах между характеристиками

🧮 Математические навыки:

  • ✅ Научились рассчитывать мощность двигателей
  • ✅ Освоили кинематику колесных и гусеничных роботов
  • ✅ Поняли динамику шагающих систем
  • ✅ Научились оценивать энергоэффективность

🤖 Инженерные компетенции:

  • ✅ Классифицировали транспортные роботы по принципам
  • ✅ Научились выбирать оптимальный тип для задач
  • ✅ Поняли ограничения различных конструкций
  • ✅ Изучили реальные применения в промышленности

🌟 Главные инженерные принципы

🎯 Ключевые выводы урока:

“Не существует универсального решения - каждая задача требует оптимального типа робота”

“Физические законы определяют возможности и ограничения любой конструкции”

“Компромисс между характеристиками - основа инженерного проектирования”

🔮 Тренды транспортной робототехники:

  • Автономность и искусственный интеллект
  • Энергоэффективность и экологичность
  • Безопасность взаимодействия с людьми
  • Миниатюризация и специализация

📊 Рефлексия “Инженерный компас”

🎯 Оцените свое понимание (1-5 баллов):

⚗️ Физические основы движения роботов: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🧮 Математические расчеты характеристик: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🔧 Классификация транспортных систем: ⭐⭐⭐⭐⭐ 🛠️ Выбор оптимальных решений: ⭐⭐⭐⭐⭐

🚀 Техника “Вектор интереса”:

  • 🟢 Хочу изучать дальше: ________________
  • 🟡 Нужно разобраться лучше: ________________
  • 🔴 Вызывает затруднения: ________________

💭 Поделитесь размышлениями:

  • Какой тип транспортного робота показался самым интересным?
  • Где можно применить полученные знания о расчетах?
  • Какие идеи для собственных роботов появились?
  • Какие инженерные проблемы хотелось бы решить?

🔮 Следующий урок: “Системы управления транспортными роботами”

🎯 Готовимся к новым вызовам:

  • Алгоритмы автономной навигации
  • Датчики и сенсоры для ориентации
  • Планирование маршрутов
  • Взаимодействие с окружающей средой

🚀 ВЫ СТАЛИ ИНЖЕНЕРАМИ ТРАНСПОРТНЫХ РОБОТОВ!
Теперь вы понимаете принципы создания роботов, которые могут эффективно двигаться в любых условиях!