Практическая работа «Конструирование и программирование робота-манипулятора»
Образовательная организация: ГБОУ Школа № 1362
Учитель: Ахметов Рустам
Дата проведения:
Класс: 6
Модуль: Мобильная робототехника
Тема урока: Практическая работа «Конструирование и программирование робота-манипулятора»
Цель урока: Создать условия для формирования практических навыков конструирования и программирования транспортного робота с манипулятором, способного захватывать и перемещать объекты из одной зоны в другую.
Предметные:
- Умение конструировать робота с манипулятором, обеспечивая его устойчивость
- Навык программирования согласованной работы нескольких моторов для управления манипулятором
- Понимание принципов распределения нагрузки и балансировки робота
- Умение создавать алгоритмы для захвата и перемещения объектов
Метапредметные:
- Регулятивные УУД: умение планировать сложную конструкцию, тестировать работу системы и вносить необходимые корректировки
- Познавательные УУД: умение применять знания из физики и математики при создании сбалансированной и точной робототехнической системы
- Коммуникативные УУД: умение работать в команде при решении комплексной технической задачи, распределять роли и координировать действия
Личностные:
- Развитие инженерного мышления и пространственного воображения
- Формирование настойчивости и целеустремленности при решении сложных технических задач
- Воспитание ответственности за качество выполненной работы
- Развитие творческого подхода к решению инженерных проблем
Образовательные:
- Закрепить знания о принципах работы манипуляторов
- Научить методам обеспечения устойчивости мобильной платформы с манипулятором
- Сформировать понимание координации движений нескольких моторов
Развивающие:
- Развивать навыки конструирования сложных робототехнических систем
- Формировать умение отлаживать и оптимизировать алгоритмы управления манипулятором
- Развивать способность решать комплексные технические задачи
Воспитательные:
- Воспитывать культуру проектной деятельности
- Формировать навыки командной работы и взаимопомощи
- Развивать ответственность за результат коллективной работы
Тип урока: Практическая работа
Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:
- Робототехнические наборы с достаточным количеством конструктивных элементов и моторов
- Дополнительные детали для создания манипулятора (захваты, удлинители, соединители)
- Компьютеры с установленной средой программирования
- Демонстрационная модель робота-манипулятора (при наличии)
- Инструкции по сборке базовых конструкций манипуляторов
- Примеры программ для управления простыми манипуляторами
- Тестовые объекты для захвата и перемещения (кубики, мячи, цилиндры)
- Разметка зон для начального и конечного положения объектов
- Весы для измерения нагрузки (опционально)
Образовательные технологии:
- Проектное обучение
- Практико-ориентированное обучение
- Работа в малых группах
- Проблемное обучение
Межпредметные связи:
- Физика: Баланс робота при работе манипулятора, распределение нагрузки, моменты сил, центр тяжести, противовес
- Математика: Координация работы нескольких моторов для точного позиционирования, расчет углов поворота, последовательность операций
- Информатика: Алгоритмы управления, параллельное выполнение задач, условные операторы, циклы
- Технология: Конструирование механизмов, соединение узлов, прочность конструкции
Основные понятия: Манипулятор, степень свободы, захват (схват), противовес, центр тяжести, момент силы, точность позиционирования, координация движений, последовательность операций, грузоподъемность, рычаг, устойчивость конструкции, алгоритм перемещения
| Этап урока | Деятельность учителя | Деятельность ученика | Планируемые результаты предметные | Планируемые результаты УУД |
|---|---|---|---|---|
| 1. Организационный момент (3 мин) | Приветствует учащихся, проверяет готовность к уроку. Проверяет наличие необходимых компонентов и оборудования. Проводит инструктаж по технике безопасности при работе с конструкторами и движущимися механизмами. | Готовят рабочие места, проверяют комплектность наборов, включают компьютеры | Подготовка к практической работе | Регулятивные: самоорганизация |
| 2. Постановка задачи (7 мин) | Формулирует цель практической работы: “Сегодня вы будете создавать транспортный робот с манипулятором, который должен захватывать предметы из одной зоны и перемещать их в другую”. Демонстрирует пример работы такого робота (видео или реальную модель). Объясняет критерии успешного выполнения задачи: робот должен стабильно перемещаться, не терять равновесие при работе манипулятора, точно захватывать и надежно удерживать объекты при перемещении. | Слушают задание, смотрят демонстрацию, задают уточняющие вопросы, обсуждают возможные решения | Понимание цели и критериев успешного выполнения задания | Познавательные: целеполагание Коммуникативные: формулирование вопросов |
| 3. Актуализация знаний (5 мин) | Задает вопросы: “Какие типы манипуляторов мы изучили?”, “Что влияет на устойчивость робота с манипулятором?”, “Как координировать работу нескольких моторов?”, “Какие факторы нужно учитывать при программировании захвата предметов?” | Отвечают на вопросы, вспоминают материал предыдущих уроков, обсуждают принципы работы манипуляторов и физические аспекты устойчивости | Актуализация знаний о манипуляторах и физических принципах их работы | Познавательные: извлечение имеющихся знаний Коммуникативные: участие в обсуждении |
| 4. Планирование конструкции (10 мин) | Объясняет этапы проектирования робота с манипулятором: 1) Определение типа платформы (колесная, гусеничная) 2) Выбор типа манипулятора и количества степеней свободы 3) Размещение манипулятора на платформе с учетом баланса 4) Проектирование захвата под конкретные объекты Демонстрирует различные варианты конструкций, обращая внимание на распределение массы и устойчивость. | Работают в группах: обсуждают и выбирают тип платформы и манипулятора, делают эскизы конструкции, распределяют роли для дальнейшей работы | Умение планировать конструкцию робота-манипулятора | Познавательные: моделирование Регулятивные: планирование Коммуникативные: совместное решение задач |
| 5. Конструирование базовой платформы (15 мин) | Консультирует группы в процессе конструирования. Обращает внимание на необходимость создания прочной и устойчивой платформы. Напоминает о размещении центра тяжести и возможности использования противовеса. | Собирают базовую транспортную платформу робота: конструируют раму, устанавливают колеса/гусеницы, монтируют моторы для передвижения, обеспечивают устойчивость конструкции | Умение создавать устойчивую мобильную платформу для робота с манипулятором | Регулятивные: реализация плана Познавательные: применение знаний на практике |
| 6. Физкультминутка (2 мин) | Проводит короткую динамическую паузу с упражнениями для рук и плечевого пояса. | Выполняют физические упражнения | - | Регулятивные: переключение внимания |
| 7. Конструирование манипулятора (20 мин) | Организует работу по созданию манипулятора. Консультирует по вопросам механики, балансировки, размещения моторов. Обращает внимание на надежность креплений и диапазон движений. | Конструируют манипулятор: создают основание, звенья манипулятора, механизм захвата, устанавливают моторы для управления движениями, монтируют манипулятор на платформу, балансируют конструкцию | Умение конструировать функциональный манипулятор и интегрировать его с мобильной платформой | Регулятивные: контроль и коррекция Познавательные: техническое творчество |
| 8. Программирование базовых движений (15 мин) | Объясняет принципы программирования базовых движений манипулятора: 1) Управление отдельными моторами 2) Последовательность команд для захвата 3) Координация работы нескольких моторов Демонстрирует примеры программ для отдельных элементов манипулятора. | Программируют базовые движения: создают функции для управления каждым мотором, программируют открытие и закрытие захвата, реализуют подъем и опускание манипулятора, тестируют отдельные движения | Умение программировать базовые движения манипулятора | Познавательные: алгоритмическое мышление |
| 9. Программирование комплексных действий (15 мин) | Объясняет принципы создания комплексных алгоритмов для выполнения задачи перемещения предметов: 1) Подъезд к объекту 2) Позиционирование манипулятора 3) Захват объекта 4) Подъем и транспортировка 5) Позиционирование для выгрузки 6) Размещение объекта Консультирует группы в процессе программирования. | Программируют комплексные действия: создают алгоритм перемещения робота к зоне захвата, программируют последовательность действий для точного позиционирования и захвата, создают программу для транспортировки и размещения объекта в целевой зоне | Умение программировать согласованную работу платформы и манипулятора | Регулятивные: планирование действий Познавательные: создание сложных алгоритмов |
| 10. Тестирование и отладка (10 мин) | Организует тестирование роботов. Предлагает методику систематической отладки: сначала проверка отдельных движений, затем тестирование полного цикла операций. Помогает выявлять и устранять проблемы. | Тестируют работу робота: проверяют стабильность платформы при работе манипулятора, тестируют точность захвата и перемещения объектов, выявляют и устраняют проблемы, корректируют программы и конструкцию | Умение тестировать и отлаживать работу робототехнической системы | Регулятивные: контроль и коррекция Познавательные: анализ результатов |
| 11. Демонстрация и соревнование (10 мин) | Организует демонстрацию и мини-соревнование роботов. Задача: переместить максимальное количество предметов за отведенное время или точно разместить объекты в целевой зоне. | Демонстрируют работу своих роботов, участвуют в соревновании, наблюдают за работой других команд, анализируют различные решения | Умение применять созданного робота для решения практической задачи | Коммуникативные: презентация результатов Познавательные: сравнительный анализ |
| 12. Рефлексия и подведение итогов (3 мин) | Подводит итоги практической работы, отмечает успешные решения и типичные проблемы. Задает вопросы: “Какие технические решения оказались наиболее эффективными?”, “С какими трудностями вы столкнулись и как их преодолели?”, “Как можно улучшить вашего робота?” | Отвечают на вопросы, делятся опытом создания робота, анализируют возникшие проблемы и способы их решения, оценивают свою работу | Осознание полученного практического опыта | Регулятивные: оценка результатов Познавательные: рефлексия |
Базовый уровень:
- Составить отчет о проделанной практической работе с описанием конструкции робота и алгоритма его работы
- Предложить способы улучшения созданной конструкции и программы
Повышенный уровень:
- Разработать идею модификации манипулятора для работы с объектами разной формы и размера
- Спроектировать алгоритм для сортировки объектов по цвету или размеру при перемещении
Критерии оценивания практической работы:
- Качество и прочность конструкции робота и манипулятора (1-5 баллов)
- Устойчивость робота при работе манипулятора (1-5 баллов)
- Точность захвата и перемещения объектов (1-5 баллов)
- Эффективность алгоритма работы (1-5 баллов)
- Оригинальность и функциональность инженерного решения (1-5 баллов)
Шкала оценивания:
- “5” - 21-25 баллов
- “4” - 16-20 баллов
- “3” - 10-15 баллов
- “2” - менее 10 баллов
По итогам урока учащиеся должны:
Знать:
- Принципы конструирования устойчивых мобильных роботов с манипуляторами
- Способы балансировки и распределения нагрузки в робототехнических системах
- Методы координации работы нескольких моторов для управления манипулятором
- Алгоритмы точного позиционирования и захвата объектов
Уметь:
- Конструировать транспортного робота с функциональным манипулятором
- Программировать согласованную работу движущейся платформы и манипулятора
- Обеспечивать устойчивость робота при работе с грузами
- Создавать алгоритмы для захвата и перемещения объектов
Владеть:
- Навыками создания комплексных робототехнических систем
- Методами отладки и оптимизации программ управления манипуляторами
- Техникой проектирования сбалансированных механизмов
- Приемами решения инженерных задач в области мобильной робототехники
Дополнительные материалы к уроку:
- Схемы различных типов манипуляторов для мобильных роботов
- Примеры программ для управления отдельными компонентами манипулятора
- Рекомендации по балансировке робота и распределению нагрузки
- Видеоматериалы с примерами работы роботов-манипуляторов
- Таблица типичных проблем при работе манипуляторов и способов их решения
- Памятка по программированию последовательности действий для захвата и перемещения