🏗️ Разработка конструкции робота

От технического задания к рабочему прототипу

📐 Проектирование • ⚙️ Механика • 🧮 Расчеты • 🔧 Сборка
7 класс • Технология • 45 минут

🎯 Инженерная миссия

📋 Цель: Спроектировать и собрать оптимальную конструкцию робота

🔄 Процесс разработки:

1ТЗ → Анализ → Расчеты → Проект → Сборка → Тесты → Оптимизация

🏆 Критерии успеха:

Выполнение технических требований
Оптимальное соотношение вес/прочность
Устойчивость и функциональность
Качество документации

🧠 Принципы инженерного проектирования

⚖️ Физика устойчивости

Центр тяжести определяет все:

\text{Устойчивость} = \frac{\text{База опоры}}{\text{Высота ЦТ}} \times \text{Коэффициент формы}

🎯 Золотые правила:

Тяжелые элементы (батарея, контроллер) - вниз
Широкая база - лучше узкой
Низкий силуэт - выше устойчивость

1УСТОЙЧИВО:          НЕУСТОЙЧИВО:
2   [ЦТ]                  [ЦТ]
3  ┌─────┐                 │
4  │  █  │                 │
5  └─────┘                ─┴─
6 ◄──────►              ◄───►
7широкая база          узкая база

🏗️ Оптимизация по весу и прочности

Принцип пустотелых конструкций:

\frac{\text{Прочность}}{\text{Вес}} = f(\text{геометрия сечения})

📊 Сравнение профилей:

Сплошной брус: прочность 100%, вес 100%
Двутавр: прочность 95%, вес 60%
Трубчатый: прочность 85%, вес 40%

💡 Практические решения:

Используем рамные конструкции вместо сплошных
Ребра жесткости вместо толстых стенок
Треугольные фермы - максимум прочности

⚙️ Механические передачи

Расчет передаточного отношения:

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

🎯 Выбор по задаче:

Скоростной робот (i < 1):

Быстрое перемещение
Низкий крутящий момент
Гладкие поверхности

Силовой робот (i > 1):

Преодоление препятствий
Подъем грузов
Точное позиционирование

📋 Технические задания

🏔️ Задание 1: “Вездеход”

Техтребования:

Преодоление препятствий до 3 см
Устойчивость на наклоне до 30°
Максимальный вес: 500 г
Размеры: не более 25×25×20 см

🔧 Ключевые решения:

Большие колеса или гусеницы
Низкий центр тяжести
Мощные моторы с редукторами
Защита от опрокидывания

🦾 Задание 2: “Манипулятор”

Техтребования:

Подъем груза до 200 г
Точность позиционирования ±1 см
Рабочая зона: полусфера R=20 см
Устойчивость платформы

🔧 Ключевые решения:

Противовес или широкая база
Передачи с большим i для точности
Жесткие соединения звеньев
Эффективный захват

🛤️ Задание 3: “Следопыт”

Техтребования:

Следование по линии со скоростью 20 см/с
Объезд препятствий высотой 2 см
Возврат на линию после объезда
Плавность движения

🔧 Ключевые решения:

Дифференциальный привод
Оптимальное расположение датчиков
Низкая инерция для быстрых поворотов

🛠️ Этапы практической работы

⏱️ Временной план (60 минут)

👥 Команды по 2-3 человека

 1Этап 1: Анализ ТЗ и проектирование (15 мин)
 2• Изучение технического задания
 3• Расчет основных параметров
 4• Создание эскиза конструкции
 5• Распределение ролей в команде
 6
 7Этап 2: Конструирование (25 мин)
 8• Сборка основания и рамы
 9• Установка ходовой части
10• Монтаж приводов и датчиков
11• Проверка механизмов
12
13Этап 3: Испытания и оптимизация (10 мин)
14• Тестирование по критериям ТЗ
15• Измерение параметров
16• Внесение улучшений
17• Финальная проверка
18
19Этап 4: Документирование (7 мин)
20• Заполнение технической документации
21• Фиксация результатов испытаний
22• Подготовка к презентации
23
24Этап 5: Презентация (10 мин)
25• Демонстрация работы робота
26• Объяснение конструкции
27• Обоснование решений

📐 Инженерные расчеты

Расчет центра тяжести: $x_{ЦТ} = \frac{\sum m_i \cdot x_i}{\sum m_i}$

Пример для платформы:

1Компонент     | Масса, г | X, см | m×x
2Контроллер    |    45    |   5   | 225
3Батарея       |    85    |   8   | 680  
4Моторы        |    60    |  12   | 720
5Корпус        |    80    |  10   | 800
6ИТОГО         |   270    |   -   |2425
7
8X_ЦТ = 2425/270 = 9.0 см

Проверка устойчивости:

База опоры: 20 см
Высота ЦТ: 6 см
Критический угол: arctan(10/6) = 59°

🔬 Испытания конструкций

📊 Протокол тестирования

🏔️ Тест на проходимость:

1def test_obstacle_climbing():
2    obstacles = [1, 2, 3]  # высота в см
3    results = []
4    
5    for height in obstacles:
6        success = robot.climb(height)
7        results.append((height, success))
8    
9    return results

⚖️ Тест на устойчивость: $\alpha_{критич} = \arctan\left(\frac{L_{база}/2}{h_{ЦТ}}\right)$

🏋️ Тест на прочность:

Статическая нагрузка: 100г, 200г, 300г
Динамическая нагрузка: падение с высоты 5 см
Циклическая нагрузка: 100 циклов работы

📈 Анализ результатов

Матрица оценки эффективности:

Критерий	Вес	Оценка 1-5	Балл
Выполнение ТЗ	30%
Вес конструкции	20%
Устойчивость	25%
Прочность	15%
Инновации	10%

🎯 Формула интегральной оценки: $Q = \sum w_i \times s_i$

где w_i - весовой коэффициент, s_i - оценка по критерию

📋 Техническая документация

📊 Паспорт робота

 1═══════════════════════════════════════
 2    ТЕХНИЧЕСКИЙ ПАСПОРТ РОБОТА
 3═══════════════════════════════════════
 4
 5Команда: _____________________
 6Тип робота: __________________
 7
 8ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
 9┌─────────────────────────────────────┐
10│ Габариты (Д×Ш×В): _____ см         │
11│ Масса: _____ г                      │
12│ Количество моторов: _____ шт        │
13│ Передаточное число: _____           │
14│ Высота ЦТ: _____ см                 │
15│ База опоры: _____ см                │
16└─────────────────────────────────────┘
17
18РЕЗУЛЬТАТЫ ИСПЫТАНИЙ:
19┌─────────────────────────────────────┐
20│ □ Препятствие 1 см                  │
21│ □ Препятствие 2 см                  │
22│ □ Препятствие 3 см                  │
23│ □ Наклон 10°                        │
24│ □ Наклон 20°                        │
25│ □ Наклон 30°                        │
26│ □ Нагрузка 100 г                    │
27│ □ Нагрузка 200 г                    │
28│ □ Нагрузка 300 г                    │
29└─────────────────────────────────────┘
30
31ОЦЕНКА КАЧЕСТВА: ___/20 баллов

🎤 Презентация проектов

📋 Структура защиты (2 минуты)

1. Техническое решение (45 сек):

Анализ ТЗ и выбранная концепция
Ключевые конструктивные решения
Расчетные обоснования

2. Демонстрация (45 сек):

Показ работы робота
Прохождение тестов
Измерение параметров

3. Результаты и выводы (30 сек):

Достигнутые характеристики
Обнаруженные проблемы
Предложения по улучшению

❓ Вопросы для обсуждения

🔧 Технические аспекты:

Почему выбрана именно такая компоновка?
Как рассчитывался центр тяжести?
Какие компромиссы пришлось принять?

📊 Результаты:

Какие тесты прошли успешно?
Где конструкция показала слабость?
Что можно улучшить в следующей версии?

🤔 Рефлексия “PNI”

📝 Анализ работы

P (Positive) - что получилось хорошо:

N (Negative) - какие трудности возникли:

I (Interesting) - что показалось интересным:

💡 Главный вывод урока:

🏠 Домашнее задание

🔍 Анализ реальных роботов

📋 Исследовательское задание:

Выберите реального робота (промышленный, бытовой, исследовательский)
Проанализируйте его конструкцию:
- Как решена проблема устойчивости?
- Какие материалы использованы?
- Как оптимизирован вес?
- Какие передачи применяются?
Предложите улучшения:
- Создайте эскиз модернизированного узла
- Обоснуйте техническое решение
- Оцените эффективность предложения

🌟 Дополнительно: Создание 3D-модели оптимизированного узла в любом CAD-редакторе

🎉 Итоги инженерной работы

🏆 Что освоили

✅ Навыки инженера-конструктора:

Анализ технических требований
Расчет параметров конструкции
Оптимизация по нескольким критериям
Документирование технических решений

🔧 Понимание физики:

Устойчивость и центр тяжести
Прочность конструкций
Механические передачи
Компромиссы в проектировании

🌟 Главные принципы

“Хорошая конструкция - это баланс противоречивых требований”

🎯 Универсальные законы:

Простота надежнее сложности
Расчет важнее интуиции
Тестирование выявляет истину
Документация сохраняет знания

🚀 Следующий уровень: Программирование роботов с учетом особенностей их конструкции

💡 Вы теперь настоящие инженеры-конструкторы!