⚙️ Программирование дополнительных механизмов

От простого робота к многофункциональной системе

🦾 Манипуляторы • 🔧 Захваты • 📱 Сервоприводы • 🔄 Интеграция
7 класс • Технология • 45 минут
mw285748 • 15.06.2025

🎯 Цель урока

💡 Научимся:

Подключать дополнительные механизмы к роботу
Программировать сервоприводы и манипуляторы
Интегрировать несколько систем в одной программе
Создавать многофункциональных роботов

🤖 Результат: Робот с рабочими “руками” и инструментами!

🤔 Зачем роботу дополнительные механизмы?

🏭 Примеры из реального мира

Промышленные роботы:

Сварочные роботы с горелками
Покрасочные роботы с распылителями
Сборочные роботы с множеством инструментов
Упаковочные роботы с захватами

Бытовые роботы:

Робот-пылесос с щетками и всасыванием
Газонокосилка с ножами
Робот-мойщик окон с резиновыми скребками

Исследовательские роботы:

Марсоход с буром и анализаторами
Подводный робот с манипулятором
Медицинский робот с хирургическими инструментами

📊 Функциональность = Базовые возможности + Дополнительные механизмы

Математика многофункциональности:

F_{total} = F_{base} + \sum_{i=1}^{n} F_{mechanism_i}

Базовый робот:

Движение ✅
Навигация ✅
Сенсоры ✅

+ Дополнительные механизмы:

Захват предметов ✅
Обработка материалов ✅
Точные манипуляции ✅
Специализированные функции ✅

⚙️ Типы дополнительных механизмов

🦾 Манипуляторы

Степени свободы:

1 DOF: простой подъем/опускание
2 DOF: подъем + поворот
3+ DOF: сложные движения

Конструкция:

 1Базовый манипулятор:
 2┌─────────────┐
 3│  Звено 3    │ ← Рабочий инструмент
 4└─────┬───────┘
 5      │ Сустав 2
 6┌─────▼───────┐
 7│  Звено 2    │
 8└─────┬───────┘
 9      │ Сустав 1
10┌─────▼───────┐
11│  Звено 1    │ ← Основание
12└─────────────┘

Программирование:

1def move_arm(joint1_angle, joint2_angle, joint3_angle):
2    servo1.write(joint1_angle)
3    delay(500)  # Ждем завершения движения
4    servo2.write(joint2_angle)
5    delay(500)
6    servo3.write(joint3_angle)
7    delay(500)

🤏 Захватные механизмы

Типы захватов:

Клешневый захват:

1def gripper_control(action):
2    if action == "open":
3        gripper_servo.write(180)  # Открыть
4    elif action == "close":
5        gripper_servo.write(0)    # Закрыть
6    elif action == "half":
7        gripper_servo.write(90)   # Полуоткрыт

Вакуумный захват:

1def vacuum_control(state):
2    if state == "on":
3        vacuum_pump.start()
4        vacuum_valve.open()
5    else:
6        vacuum_pump.stop()
7        vacuum_valve.close()

Магнитный захват:

1def magnetic_gripper(state):
2    if state == "attract":
3        electromagnet.power_on()
4    else:
5        electromagnet.power_off()

🏗️ Специализированные инструменты

Инструменты по типу задач:

Обработка материалов:

Дрель/бор
Пила/резак
Шлифовальный диск
Паяльник

Измерения:

Щуп для измерений
Камера на подвижном кронштейне
Сканирующий датчик

Транспортировка:

Конвейерная лента
Подъемная платформа
Толкатель
Захватные крюки

Пример программы дрели:

 1def drill_operation(depth_mm):
 2    drill_motor.start()           # Включить дрель
 3    delay(1000)                   # Разгон
 4    
 5    for step in range(depth_mm):
 6        lift_servo.write(current_position - 1)  # Опускаем на 1мм
 7        delay(100)                # Медленное погружение
 8    
 9    drill_motor.stop()            # Выключить дрель
10    lift_servo.write(0)           # Поднять в исходное положение

🔧 Технические аспекты подключения

🔌 Подключение сервоприводов

Стандартное подключение:

1Сервопривод:
2┌─────────────┐
3│   Красный   │ ← +5V (питание)
4│   Коричневый│ ← GND (земля)
5│   Оранжевый │ ← Сигнал (PWM)
6└─────────────┘

Инициализация в программе:

 1// Arduino код
 2#include <Servo.h>
 3
 4Servo arm_base;     // Основание манипулятора
 5Servo arm_shoulder; // Плечо
 6Servo arm_elbow;    // Локоть
 7Servo gripper;      // Захват
 8
 9void setup() {
10    arm_base.attach(9);     // Подключить к пину 9
11    arm_shoulder.attach(10);
12    arm_elbow.attach(11);
13    gripper.attach(12);
14    
15    // Установить начальные позиции
16    arm_base.write(90);     // Центральное положение
17    arm_shoulder.write(45);
18    arm_elbow.write(135);
19    gripper.write(0);       // Закрытый захват
20}

⚡ Управление мощными механизмами

Проблема: Сервоприводы и моторы потребляют много энергии

Решение: Использование драйверов моторов

 1# Пример с драйвером L298N
 2def motor_control(motor_pin1, motor_pin2, speed, direction):
 3    if direction == "forward":
 4        digital_write(motor_pin1, HIGH)
 5        digital_write(motor_pin2, LOW)
 6    else:
 7        digital_write(motor_pin1, LOW)
 8        digital_write(motor_pin2, HIGH)
 9    
10    analog_write(enable_pin, speed)  # PWM скорость 0-255

Расчет потребляемого тока:

I_{total} = I_{base} + \sum I_{servos} + \sum I_{motors}

Правило: Всегда проверяйте, что источник питания обеспечивает достаточный ток!

📡 Координация движений

Последовательное выполнение:

 1def pick_and_place_sequence():
 2    # Шаг 1: Подъехать к объекту
 3    robot.move_to_position(target_x, target_y)
 4    
 5    # Шаг 2: Позиционировать манипулятор
 6    arm.move_to_position(pick_position)
 7    
 8    # Шаг 3: Захватить объект
 9    gripper.close()
10    delay(1000)
11    
12    # Шаг 4: Поднять объект
13    arm.move_to_position(lift_position)
14    
15    # Шаг 5: Переместиться к месту назначения
16    robot.move_to_position(drop_x, drop_y)
17    
18    # Шаг 6: Опустить и отпустить
19    arm.move_to_position(drop_position)
20    gripper.open()

Параллельное выполнение:

 1def efficient_movement():
 2    # Начинаем движение базы и манипулятора одновременно
 3    robot.start_movement_to(target_x, target_y)
 4    arm.start_movement_to(prepare_position)
 5    
 6    # Ждем завершения обоих движений
 7    while robot.is_moving() or arm.is_moving():
 8        delay(10)
 9    
10    # Финальная операция
11    gripper.close()

🛠️ Практическая работа

📋 Выбор проекта

🤏 Проект 1: “Робот-грузчик”

Захватный механизм для предметов
Алгоритм: найти → подъехать → захватить → переместить → отпустить
Сложность: ⭐⭐

🦾 Проект 2: “Робот-манипулятор”

2-3 степени свободы
Точное позиционирование
Программирование траекторий
Сложность: ⭐⭐⭐

📦 Проект 3: “Робот-сортировщик”

Конвейерная система
Датчик цвета/размера
Автоматическая сортировка
Сложность: ⭐⭐⭐

🏗️ Проект 4: “Робот-строитель”

Подъемный кран
Точная установка блоков
Контроль высоты
Сложность: ⭐⭐⭐⭐

⏱️ План работы (60 минут)

 1Этап 1: Проектирование (10 мин)
 2• Выбор типа механизма
 3• Планирование конструкции
 4• Распределение ролей
 5
 6Этап 2: Сборка механизма (20 мин)
 7• Конструирование дополнительного механизма
 8• Интеграция с базовым роботом
 9• Проверка механической части
10
11Этап 3: Подключение (5 мин)
12• Подключение сервоприводов
13• Проверка соединений
14• Тест базовых движений
15
16Этап 4: Программирование (20 мин)
17• Написание функций управления
18• Интеграция в основную программу
19• Отладка координации
20
21Этап 5: Тестирование (5 мин)
22• Финальные испытания
23• Оптимизация работы

💻 Примеры программного кода

🤏 Простой захват

 1# Функция управления захватом
 2def gripper_control(action):
 3    if action == "open":
 4        gripper_servo.write(180)
 5        print("Захват открыт")
 6    elif action == "close":
 7        gripper_servo.write(30)
 8        print("Захват закрыт")
 9    elif action == "half":
10        gripper_servo.write(105)
11        print("Захват полуоткрыт")
12    
13    delay(1000)  # Время на выполнение движения
14
15# Алгоритм захвата объекта
16def pick_object():
17    gripper_control("open")     # Открыть захват
18    robot.forward(10)           # Подъехать к объекту
19    gripper_control("close")    # Захватить
20    robot.backward(10)          # Отъехать с объектом
21
22# Алгоритм освобождения объекта
23def drop_object():
24    gripper_control("open")     # Отпустить объект
25    robot.backward(5)           # Отъехать
26    gripper_control("close")    # Закрыть захват

🦾 Сложный манипулятор

 1# Класс для управления манипулятором
 2class RobotArm:
 3    def __init__(self):
 4        self.base_servo = Servo(pin=9)
 5        self.shoulder_servo = Servo(pin=10)
 6        self.elbow_servo = Servo(pin=11)
 7        self.gripper_servo = Servo(pin=12)
 8        
 9        # Текущие углы
10        self.base_angle = 90
11        self.shoulder_angle = 45
12        self.elbow_angle = 135
13        self.gripper_angle = 0
14    
15    def move_to_position(self, base, shoulder, elbow):
16        # Плавное движение к целевой позиции
17        steps = 20
18        
19        # Вычисляем шаги для каждого сустава
20        base_step = (base - self.base_angle) / steps
21        shoulder_step = (shoulder - self.shoulder_angle) / steps
22        elbow_step = (elbow - self.elbow_angle) / steps
23        
24        # Выполняем движение пошагово
25        for i in range(steps):
26            self.base_angle += base_step
27            self.shoulder_angle += shoulder_step
28            self.elbow_angle += elbow_step
29            
30            self.base_servo.write(self.base_angle)
31            self.shoulder_servo.write(self.shoulder_angle)
32            self.elbow_servo.write(self.elbow_angle)
33            
34            delay(50)  # Плавность движения
35    
36    def grab_object_at(self, x, y, z):
37        # Обратная кинематика (упрощенная)
38        base_angle = math.atan2(y, x) * 180 / math.pi
39        distance = math.sqrt(x*x + y*y)
40        
41        # Расчет углов для достижения точки (x,y,z)
42        shoulder_angle = calculate_shoulder_angle(distance, z)
43        elbow_angle = calculate_elbow_angle(distance, z)
44        
45        # Движение к объекту
46        self.move_to_position(base_angle, shoulder_angle, elbow_angle)
47        
48        # Захват
49        self.gripper_servo.write(30)  # Закрыть захват
50        delay(1000)
51
52# Использование
53arm = RobotArm()
54arm.grab_object_at(20, 15, 10)  # Захватить объект в точке (20,15,10)

🎤 Демонстрация проектов

📊 Защита работ

План презентации (3 минуты на команду):

Проект - какой механизм создали?
Конструкция - как устроен механизм?
Программа - как происходит управление?
Демонстрация - робот в действии
Проблемы - что было сложно и как решили?

❓ Вопросы для обсуждения:

Как механизм интегрирован с основным роботом?
Какие алгоритмы используются для координации?
Как можно улучшить точность работы?
Где может применяться такой робот?

🏆 Критерии оценки

📊 Оценочная матрица (20 баллов):

Критерий	Максимум	Описание
Конструкция	5	Функциональность, надежность, интеграция
Программирование	5	Корректность, интеграция, оптимальность
Работа механизма	5	Точность, надежность, скорость
Защита проекта	5	Демонстрация, понимание, ответы

🎯 Перевод в оценки:

18-20: “5” (отлично)
14-17: “4” (хорошо)
10-13: “3” (удовлетворительно)

🔧 Типичные проблемы и решения

⚠️ Частые ошибки

Проблема 1: Сервопривод дергается

1# ❌ Неправильно - слишком быстрое изменение
2servo.write(0)
3servo.write(180)
4
5# ✅ Правильно - плавное движение
6for angle in range(0, 181, 5):
7    servo.write(angle)
8    delay(50)

Проблема 2: Недостаток питания

1# ✅ Проверка перед активацией мощных механизмов
2if battery_voltage() > 7.0:
3    heavy_motor.start()
4else:
5    print("Низкое напряжение батареи!")

Проблема 3: Блокировка программы

 1# ❌ Блокирующий код
 2def move_arm():
 3    servo.write(90)
 4    delay(2000)  # Программа "зависает" на 2 секунды
 5
 6# ✅ Неблокирующий код
 7def move_arm_smooth():
 8    target_time = current_time() + 2000
 9    while current_time() < target_time:
10        check_sensors()  # Можем делать другие дела
11        delay(10)

🤔 Рефлексия “Три вопроса”

📝 Самоанализ

1. Что я сегодня узнал/научился делать?

2. Какие затруднения у меня возникли?

3. Как я могу применить полученные навыки в будущем?

Самооценка работы (1-5): ___

🏠 Домашнее задание

🎯 Основное задание

Описать улучшения созданного механизма:

Проанализируйте свой проект и предложите:

3 технических улучшения конструкции
2 программных оптимизации
1 дополнительную функцию
Оценку стоимости доработок

📋 Структура отчета:

Текущие ограничения системы
Предлагаемые улучшения
Техническое обоснование
Ожидаемый эффект

🌟 Исследовательское задание

Найти аналоги в реальном мире:

Промышленные роботы с похожими механизмами
Бытовые устройства с автоматизацией
Медицинские роботы-помощники
Исследовательские роботы

Для каждого примера описать:

Принцип работы механизма
Область применения
Преимущества автоматизации

🎉 Итоги урока

🏆 Что освоили

✅ Научились:

Проектировать дополнительные механизмы для роботов
Программировать сервоприводы и манипуляторы
Интегрировать несколько систем в одной программе
Создавать координированные движения

🧠 Поняли:

Дополнительные механизмы расширяют возможности роботов
Программирование требует учета физических ограничений
Координация движений - сложная инженерная задача
Модульное программирование упрощает разработку

🌟 Главный принцип

“Функциональный робот = Правильная механика + Умное программирование + Точная координация”

🚀 Следующий шаг: Создание автономных роботов с машинным зрением и искусственным интеллектом

💡 Теперь ваши роботы умеют работать руками!