22. Практическая работа «Разработка робота с элементами бионического дизайна»

Модуль: Бионическая робототехника

Тема урока: 22. Практическая работа «Разработка робота с элементами бионического дизайна»

Цель урока: Сформировать практические навыки применения бионических принципов при конструировании и программировании роботов через создание действующей модели с элементами бионического дизайна.

Планируемые результаты:

Предметные:

• Знать основные бионические принципы, применимые в робототехнике
• Уметь анализировать биологические прототипы и выделять полезные механизмы для технической реализации
• Владеть навыками конструирования робототехнических систем с элементами бионического дизайна
• Уметь программировать движения и поведение робота по аналогии с живыми организмами

Метапредметные:

• Регулятивные УУД: умение планировать работу над проектом, определять оптимальные решения, оценивать результат
• Познавательные УУД: перенос принципов из живой природы в техническую систему, анализ эффективности решений
• Коммуникативные УУД: работа в команде над сложной технической задачей, обсуждение идей и решений

Личностные:

• Развитие инженерного мышления и творческого подхода к решению технических задач
• Формирование интереса к междисциплинарным исследованиям и проектам
• Воспитание бережного отношения к природе как источнику технических идей и решений

Задачи урока:

1. Закрепить знания о бионических принципах в робототехнике
2. Научить анализировать биологические системы с точки зрения их технической реализации
3. Сформировать навыки проектирования робототехнических систем с учетом бионических принципов
4. Развить умения конструировать и программировать роботов с элементами бионического дизайна
5. Научить оптимизировать конструкцию и движения робота для повышения энергоэффективности

Тип урока: Практическая работа

Учебно-методическое и материально-техническое обеспечение:

• Робототехнические наборы (по количеству групп)
• Дополнительные материалы для создания бионических элементов (силиконовые трубки, проволока, пружины и т.д.)
• Компьютеры с установленной средой программирования
• Изображения и видеоматериалы биологических прототипов
• Схемы и инструкции по созданию бионических механизмов
• Карточки с заданиями по разработке бионических роботов
• Инструменты для измерения энергопотребления (при наличии)
• Полигоны для тестирования созданных роботов

Образовательные технологии: Проектная деятельность, работа в малых группах, проблемное обучение, исследовательский метод

Межпредметные связи:

• Биология: использование биологических прототипов при проектировании, анализ строения и функций живых организмов
• Физика: оптимизация энергопотребления и эффективности движения, механика, трение, законы сохранения энергии
• Инженерное дело: проектирование, оптимизация конструкций
• Информатика: алгоритмы управления, имитация природных алгоритмов поведения

Биологический прототип: Хобот слона Особенности прототипа:

• Гибкая структура без жесткого скелета
• Возможность точного позиционирования
• Высокая степень свободы
• Возможность манипуляции предметами различной формы и размера Техническая реализация:
• Сегментированная конструкция из соединенных элементов
• Использование гибких материалов (силикона, пружин)
• Система тросов или цепей для управления изгибом
• Датчики положения для контроля формы Задачи для тестирования:
• Захват и перемещение предметов различной формы
• Обход препятствий гибким манипулятором
• Точное позиционирование кончика манипулятора

Биологический прототип: Змея Особенности прототипа:

• Волнообразное движение тела
• Способность преодолевать сложные препятствия
• Высокая маневренность в ограниченном пространстве
• Движение за счет трения с поверхностью Техническая реализация:
• Сегментированная конструкция с множеством шарниров
• Последовательное управление сегментами для создания волнообразного движения
• Специальные накладки для увеличения трения в нужных направлениях
• Датчики для ориентации в пространстве Задачи для тестирования:
• Передвижение по прямой
• Преодоление препятствий
• Движение в ограниченном пространстве (например, в трубе)

Биологический прототип: Шестиногое насекомое (например, жук) Особенности прототипа:

• Шесть конечностей для устойчивого передвижения
• Трехточечная походка (всегда три ноги на земле)
• Адаптация к неровным поверхностям
• Преодоление препятствий Техническая реализация:
• Корпус с шестью конечностями
• Механизм шагания с несколькими степенями свободы для каждой конечности
• Система координации работы конечностей
• Датчики для определения положения и контакта с поверхностью Задачи для тестирования:
• Устойчивое передвижение по ровной поверхности
• Преодоление небольших препятствий
• Движение по неровной поверхности

Биологический прототип: Человеческая рука Особенности прототипа:

• Пять подвижных пальцев с несколькими суставами
• Противопоставление большого пальца
• Широкий диапазон захватов и манипуляций
• Точность и сила Техническая реализация:
• Каркас руки с подвижными пальцами
• Система тросов или сервомоторов для управления пальцами
• Механизм противопоставления большого пальца
• Датчики давления для контроля силы захвата Задачи для тестирования:
• Различные типы захватов (щипковый, силовой, точный)
• Манипуляции с предметами различной формы
• Подъем предметов различного веса

1. Оптимизация формы и структуры:

   • Облегчение конструкции при сохранении прочности
   • Использование полых структур
   • Распределение материала по линиям нагрузок

2. Оптимизация движений:

   • Использование маятникового движения (экономия энергии при ходьбе)
   • Рекуперация энергии при торможении
   • Минимизация трения и сопротивления

3. Адаптация к среде:

   • Изменение параметров движения в зависимости от поверхности
   • Выбор оптимального способа передвижения
   • Использование особенностей среды (течения, склоны)

4. Распределение нагрузки:

   • Последовательное включение мышц/моторов
   • Использование пассивных элементов (пружины, эластичные материалы)
   • Оптимальное распределение массы

// Пример псевдокода для управления манипулятором типа "хобот слона"

// Инициализация
инициализировать_сервомоторы();
калибровать_положение();

// Основной цикл
пока (true) {
    // Получение целевого положения
    целевая_точка = получить_координаты_цели();
    
    // Инверсная кинематика для определения положения сегментов
    углы_сегментов[] = рассчитать_инверсную_кинематику(целевая_точка);
    
    // Плавное движение к целевой позиции
    для (i = 0; i < количество_сегментов; i++) {
        текущий_угол = получить_текущий_угол(i);
        шаг = (углы_сегментов[i] - текущий_угол) / 10; // Разбиваем движение на 10 шагов
        
        для (j = 0; j < 10; j++) {
            установить_угол(i, текущий_угол + шаг * j);
            ждать(20); // Пауза для плавности
        }
    }
    
    // Операция захвата
    если (достигнута_цель()) {
        выполнить_захват();
    }
    
    // Оптимизация энергопотребления
    если (не_требуется_движение()) {
        перейти_в_энергосберегающий_режим();
    }
}

// Функция инверсной кинематики для хоботоподобного манипулятора
функция рассчитать_инверсную_кинематику(точка) {
    // Реализация алгоритма расчета положений сегментов
    // для достижения заданной точки кончиком манипулятора
    // ...
    
    вернуть рассчитанные_углы[];
}

// Пример псевдокода для змееподобного движения робота

// Инициализация
инициализировать_сервомоторы();
калибровать_положение();

// Параметры волнообразного движения
амплитуда = 30; // Амплитуда волны в градусах
частота = 1; // Частота волны (Гц)
фазовый_сдвиг = 30; // Сдвиг фазы между сегментами в градусах
направление = 0; // Направление движения (0 = прямо)

// Основной цикл
пока (true) {
    текущее_время = получить_время();
    
    // Управление каждым сегментом для создания волны
    для (i = 0; i < количество_сегментов; i++) {
        // Расчет угла для создания волны с учетом фазового сдвига
        угол = амплитуда * 
               sin(2 * PI * частота * текущее_время - i * фазовый_сдвиг * (PI/180)) + 
               направление;
        
        установить_угол(i, угол);
    }
    
    // Адаптация к поверхности
    если (обнаружено_изменение_трения()) {
        адаптировать_параметры_движения();
    }
    
    // Обход препятствий
    если (обнаружено_препятствие()) {
        обойти_препятствие();
    }
    
    ждать(10); // Пауза для плавности
}

// Функция адаптации параметров движения
функция адаптировать_параметры_движения() {
    коэффициент_трения = измерить_трение();
    
    // Корректировка амплитуды и частоты в зависимости от поверхности
    если (коэффициент_трения > высокое_трение) {
        амплитуда = амплитуда * 1.2; // Увеличить амплитуду для лучшего сцепления
        частота = частота * 0.8; // Снизить частоту для экономии энергии
    } иначе если (коэффициент_трения < низкое_трение) {
        амплитуда = амплитуда * 0.8; // Уменьшить амплитуду на скользкой поверхности
        частота = частота * 1.2; // Увеличить частоту для поддержания скорости
    }
}

Анализ энергоэффективности бионического робота

Группа: _______________________
Название проекта: _____________
Биологический прототип: _______

Параметры измерений:
1. Исходное потребление энергии: ________ мА
2. Потребление после оптимизации: ________ мА
3. Улучшение (%): ________

Примененные принципы оптимизации:
□ Оптимизация структуры и веса
□ Оптимизация алгоритма движения
□ Использование пассивных элементов
□ Рекуперация энергии
□ Адаптивное управление мощностью
□ Другое: ___________________

Описание примененных методов оптимизации:
_________________________________
_________________________________

Результаты тестирования (время работы от одного заряда батареи):
- До оптимизации: _________
- После оптимизации: _________

Выводы об эффективности:
_________________________________
_________________________________

Бионический дизайн (0-5 баллов):

• Соответствие выбранному биологическому прототипу (0-2)
• Функциональность бионических элементов (0-2)
• Оригинальность и творческий подход (0-1)

Техническая реализация (0-5 баллов):

• Качество конструкции (0-2)
• Надежность и устойчивость работы (0-2)
• Сложность реализованных механизмов (0-1)

Программирование (0-5 баллов):

• Реализация имитации природных движений (0-2)
• Адаптивность и реакция на изменения среды (0-2)
• Эффективность алгоритмов (0-1)

Энергоэффективность (0-3 балла):

• Оптимизация энергопотребления (0-1)
• Эффективность движения (0-1)
• Использование физических принципов для повышения эффективности (0-1)

Защита проекта (0-2 балла):

• Понимание использованных бионических принципов (0-1)
• Качество презентации и ответы на вопросы (0-1)

Максимальный балл: 20 Шкала перевода в оценку:

• 18-20 баллов - “5”
• 14-17 баллов - “4”
• 10-13 баллов - “3”
• менее 10 баллов - “2”

Фамилия, имя: _________________________
Группа: _______

Биологический принцип, который мы использовали:
_________________________________________________
_________________________________________________

Как мы реализовали этот принцип технически:
_________________________________________________
_________________________________________________

Что получилось лучше всего:
_________________________________________________
_________________________________________________

Что можно улучшить:
_________________________________________________
_________________________________________________

Какое открытие я сделал(а) в процессе работы:
_________________________________________________
_________________________________________________

Моя оценка нашего бионического робота (от 1 до 10): _______