🛠️ Конструирование роботов

От идеи к действию: строим умные машины

⚙️ Механика • 💻 Программирование • 🎯 Тестирование
7 класс • Технология • 45 минут
mw285748 • 2025-06-15

🎯 Цель урока

🔧 Научимся:

Проектировать роботов под конкретные задачи
Связывать конструкцию с программой управления
Тестировать и оптимизировать модели
Работать в команде инженеров-робототехников

📋 План действий:

1Проект → Конструкция → Программа → Тест → Улучшение

🧠 Принципы робо-конструирования

🎯 Конструкция определяет возможности

Задача робота → Требования к конструкции

🏃 Скоростной робот:

Легкая рама
Мощные моторы
Низкий центр тяжести
Аэродинамическая форма

🏋️ Грузовой робот:

Прочная платформа
Широкая база
Высокий крутящий момент
Дополнительные опоры

🎯 Точный робот:

Жесткая конструкция
Высококачественные передачи
Точные датчики обратной связи

⚖️ Физика устойчивости

Центр тяжести и устойчивость:

\text{Устойчивость} = \frac{\text{Площадь опоры}}{\text{Высота центра тяжести}}

📐 Правило: чем ниже центр тяжести, тем устойчивее робот

1УСТОЙЧИВЫЙ:     НЕУСТОЙЧИВЫЙ:
2    [●]              [●]
3   ┌─────┐            │
4   │  █  │            │ ← высокий ЦТ
5   └─────┘           ─┴─ ← узкая база
6  ← широкая база

💡 Практические решения:

Батарея и контроллер - в нижней части
Широкая колесная база
Дополнительные опорные точки

⚙️ Передаточные отношения

Мощность vs Скорость:

i = \frac{Z_2}{Z_1} = \frac{n_1}{n_2} = \frac{M_2}{M_1}

где i - передаточное отношение, Z - число зубьев, n - обороты, M - момент

🎯 Выбор передач:

i > 1 - увеличиваем силу, уменьшаем скорость
i < 1 - увеличиваем скорость, уменьшаем силу
i = 1 - без изменений

📊 Примеры:

1Подъем грузов: i = 5:1 (больше силы)
2Гонки: i = 1:3 (больше скорости)
3Точное позиционирование: i = 50:1 (точность)

🔧 Типы конструкций по задачам

🏃 Мобильные платформы

🚗 Колесная база (дифференциальный привод):

1Преимущества:
2+ Простота конструкции
3+ Маневренность (поворот на месте)
4+ Низкое энергопотребление
5
6Недостатки:
7- Проходимость ограничена
8- Скольжение на поворотах

Математика поворота:

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

где R - радиус поворота, L - расстояние между колесами, v - скорости колес

🦾 Манипуляторы

📐 Кинематика руки робота:

Рабочая зона манипулятора:

x = L_1\cos\theta_1 + L_2\cos(\theta_1 + \theta_2)

y = L_1\sin\theta_1 + L_2\sin(\theta_1 + \theta_2)

🎯 Типы захватов:

Клешневой - для круглых объектов
Вакуумный - для плоских поверхностей
Магнитный - для металлических деталей
Адаптивный - подстраивается под форму

🛤️ Следящие роботы

Алгоритм следования по линии:

1error = line_center - current_position
2correction = Kp * error
3
4left_motor = base_speed + correction
5right_motor = base_speed - correction

📊 Настройка PID-регулятора:

u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}

Kp - пропорциональная составляющая (скорость реакции)
Ki - интегральная (устранение постоянной ошибки)
Kd - дифференциальная (сглаживание)

🛠️ Практическая работа

📋 Задания на выбор

🚧 Задание 1: “Штурмовик препятствий”

Преодолевает подъемы и неровности
Обнаруживает и объезжает препятствия
Устойчив на наклонных поверхностях

🤖 Задание 2: “Робо-грузчик”

Захватывает объекты разной формы
Перемещает грузы точно в цель
Сортирует по размеру/цвету

🛤️ Задание 3: “Умный следопыт”

Следует по черной линии
Объезжает препятствия на пути
Возвращается на линию после объезда

⏱️ Этапы работы (55 минут)

👥 Команды по 2-3 человека

 1Этап 1: Проектирование (10 мин)
 2• Анализ задачи
 3• Эскиз конструкции  
 4• Выбор компонентов
 5• Распределение ролей
 6
 7Этап 2: Конструирование (25 мин)
 8• Сборка механической части
 9• Установка датчиков и моторов
10• Проверка подвижности
11• Балансировка конструкции
12
13Этап 3: Программирование (20 мин)
14• Создание алгоритма управления
15• Тестирование на полигоне
16• Отладка и оптимизация
17• Финальные испытания

🏆 Критерии успеха:

Выполнение основной задачи
Надежность конструкции
Эффективность программы
Командная работа

🎯 Связь конструкции и программы

🔄 Итерационный процесс

Цикл разработки:

1Идея → Проект → Сборка → Код → Тест
2  ↑                               ↓
3  └─────── Улучшение ←─────────────┘

🎯 Примеры взаимовлияния:

Датчик расстояния:

Конструкция: установка на нужной высоте
Программа: калибровка под размер препятствий

Поворотный механизм:

Конструкция: люфт в передаче = ±2°
Программа: компенсация погрешности в коде

📊 Оптимизация решений

Анализ эффективности:

1# Время выполнения задачи
2efficiency = tasks_completed / time_spent
3
4# Энергоэффективность  
5energy_ratio = work_done / battery_consumed
6
7# Надежность
8reliability = successful_runs / total_runs

🔧 Методы улучшения:

Снижение веса конструкции
Оптимизация алгоритмов
Улучшение механических передач
Повышение точности датчиков

🎤 Демонстрация и анализ

📋 Презентация проектов (2 мин на команду)

План защиты:

Задача - что должен делать робот
Конструкция - ключевые решения
Программа - логика управления
Демо - робот в действии
Проблемы - что было сложно и как решили

❓ Вопросы для обсуждения:

Почему выбрана именно такая конструкция?
Как программа учитывает особенности механики?
Что можно улучшить в следующей версии?

🔍 Сравнительный анализ

📊 Анализируем решения:

Какая конструкция оказалась наиболее эффективной?
Где программа хорошо компенсирует недостатки механики?
Какие инженерные компромиссы были найдены?

💡 Универсальные принципы:

Простота надежнее сложности
Тестирование выявляет скрытые проблемы
Командная работа ускоряет разработку
Итерации приводят к лучшему результату

🤔 Рефлексия “3-2-1”

📝 Подводим итоги

3 новых навыка, которые освоили:

2 принципа, которые запомнили:

1 идея для следующего проекта:

🏠 Домашнее задание

🎯 Проект улучшения

📋 Основное задание: Создать эскиз усовершенствованной версии вашего робота:

Что не устроило в текущей конструкции?
Как можно улучшить механику?
Какие программные доработки нужны?
Оценить стоимость улучшений

🌟 Исследовательское задание: Найти примеры реальных роботов с похожими задачами:

Промышленные аналоги
Принципы работы
Сравнение с учебными моделями
Перспективы развития технологий

🎉 Итоги урока

🏆 Что мы создали

✅ Освоили:

Принципы конструирования под задачу
Связь механики и программирования
Процесс итерационной разработки
Командную инженерную работу

🚀 Поняли:

Робот = механика + электроника + программа + команда
Каждое решение - это компромисс
Тестирование критически важно
Простота часто лучше сложности

🌟 Главный вывод

“Успешный робот рождается не в момент сборки, а в процессе многократных улучшений и тестирования”

🔮 Следующий шаг: Изучение продвинутых алгоритмов ИИ для автономных роботов

💡 Вы теперь настоящие инженеры-робототехники!