Занятие 18. Тележка с изменением передаточного отношения

Первая задача на сегодня - на основе тележки сделать гоночный автомобиль. Для увеличения скорости достаточно увеличить передаточное отношение.

Попробуйте поэкспериментировать.  Можно заметить, что при достаточно высоком передаточном числе тележка просто не тронется с места: ее придется самим разгонять и подталкивать.

Вторая задача - робот-тягач. Теперь наша тележка должна ехать не спеша, но двигать максимально возможный груз. Что следует поменять? Верно - опять передаточное отношение.

Чем медленнее будет двигаться тележка, тем больший груз она сможет вывести. Но и здесь есть ограничения. Когда груз лежит в кузове, он  придавливает тележку к земле, сцепление колес с поверхностью увеличивается и все работает. Но если груз расположен вне тележки, то ситуация резко меняется. Колеса будут прокручиваться так, словно тележка уперлась в стену. В такой ситуации надо искать золотую середину между передаточным отношением, массой тележки  и площадью поверхности колес.

Еще одна подсказка. Для того чтобы увеличить площадь сцепления ведущих колес, нужно строить полноприводный автомобиль.

Занятие 16-17. Тележки

Требования, предъявляемые к этому механизму:

• четыре колеса, плотно сцепленные с поверхностью земли, попарно соединены осями, колеса должны вращаться;
• отсутствие других частей конструкции, соприкасающихся с  поверхностью;
• наличие электомотора, приводящего в движение передние и/или задние колеса;
• наличие источника питания для электромотора и программы управления им;
• по команде оператора тележка должна двигаться вперед или назад и транспортировать груз.

Одномоторная тележка

Первая тележка не должна уметь поворачивать, поэтому ограничимся одним мотором с передним приводом. Первая 12-модульная ось будет ведущей.

Обе оси закрепляются на отдельную балку:

Колеса крепятся так, чтобы не было трения с балками:

 Тележка поедет под управлением через второй мотор:

Вращая управляющий мотор, добьемся движения тележки:

Такая тележка не может справиться даже с таким простым препятствием:

Полноприводная тележка

Наиболее эффективное расположение шестеренок для полноприводной тележки:

Три из пяти шестеренок паразитные, но польза от них есть. Передаточное отношение будет 1:1. Нечетное количество паразитных шестеренок позволяет сохранить направление. Малая шестерня в центре не занимает пространство для преодоления бугристых препятствий.

При таком расположении колес возникает трение с соседними шестеренками.

Если колеса насажены слишком глубоко, может возникнуть трение с соседними шестеренками, которые вращаются в противоположную строну. Этого можно избежать: заменить каждую 12-модульную ось двумя 8-модульными, состыковав их в оранжевом моторном цилиндре, или просто удлинив оси специальными втулками.

Итак, прототип "вездеходика" с ручным управлением готов.

Тележка с автономным управлением

Разместим на корпусе тележки блок NXT. Переднее крепление для NXT на базе одномоторной тележки.

Трехмодульные штифты скрепляют сразу три детали:

Для заднего крепления придется отсоединить боковые балки:

С добавленными уголками боковые балки встают на место:

Набор штифтов, мини-осей и фиксаторов для заднего крепления NXT:

Можно сказать, создали новую деталь:

 Закрепили на угловые балки:

Установка шестеренок и колес уже знакома по предыдущей модели, поэтому повторять не станем.
Остается прикрепить контролер. Для этого требуется еще одна доработка конструкции: необходимо поднять крепление на один модуль, чтобы оставить пространство для аккумулятора. Заодно можно добавить угловые балки для последующей установки бампера.

 Угловые балки можно использовать для установки бампера:

Готовая тележка (автор Юра Парадовский):

Занятие 15. Волчок

Каждый из нас с детства знаком с замечательной игрушкой - юлой. Несколько движений  - и юла около минуты держит вертикальное положение. С волчком еще проще. Стержень, закрепленный на нем диск, быстрое круговое движение пальцами, и с волчком происходит то же самое, что и с юлой, только без какого-либо механизма. Но так или иначе через некоторое время волчок падает, исчерпав заложенный в нем ресурс.
Ваша задача создать механизм, который многократно увеличит начальную скорость вращения волчка. Вторая задача - максимально продлить время вращения волчка.
Требования к волчку и механизму:

• волчок должен иметь ось вращения и достаточно тяжелый диск, маховик, который сохранит инерцию вращения;
• центр тяжести волчка должен быть расположен достаточно низко, но не слишком, чтобы края диска не цеплялись  за поверхность стола (или пола);
• на оси вращения волчка необходимо установить шестерню для начального сцепления с механизмом;
• на механизме должны присутствовать две детали: для удержания одной рукой и придания вращения другой;
• в момент раскручивания волчок должен иметь плотное соприкосновение с механизмом;
• сразу после раскручивания волчок должен свободно отделяться от механизма.

Ниже предложена схема сборки волчка и запускающего механизма из учебного пособия Филиппова С.А. "Робототехника для детей и родителей".
Построение волчка

Маховик волчка может быть любым колесом, не обязательно зубчатым. Волчок с более тяжелым маховиком вращается дольше.

Простейший механизм для запуска с передаточным отношением 1:3. В качестве ведущей выбрана 8-модульная ось.

При запуске необходимо быстро повернуть ведущую ось на механизме и сразу поднять его, чтобы волчок вращался свободно.

Задание. Самостоятельно постройте механизм запуска 1:5.

Переходим к двухступенчатой передаче. Схема двухступенчатой передачи 1:9. Следует заменить первую ось на более короткую (например, 4-модульную), а вместо втулки поставить малую 8-зубчатую шестеренку.

Теперь соберите передачу 1:15 по данному рисунку:

Третья ступень передачи может быть построена с помощью 40-зубой шестерни.Передаточное отношение в этом случае будет 1:45. Соответственно и усилие для раскручивания потребуется в 45 раз больше. Поэтому на ведущею ось следует поставить рычаг (ручку) или дополнительное колесико, которое облегчит задачу запускающему.

Когда при запуске слышен характерный треск зубчиков шестеренок, который возникает на холостом прокручивании, стоит побеспокоиться. Если ваши роботы будут трещать, зубчатые колеса быстро выйдут из строя. Это происходит из-за непрочного крепления осей в балках: они с легкостью отклоняются на несколько миллиметров. От этого можно защититься, добавив дополнительные балки и удлинив тем самым отверстие, в котором расположена ось.

Наша защита действует, но при чрезмерных перегрузках сдает и она. Подумайте, как еще можно укрепить механизм дополнительными балками, например над шестеренками.
Проводим соревнования, чей волчок  будет крутиться дольше.

Занятие 14. Подведение итогов

Уважаемые учащиеся! Приглашаем вас на новогоднюю ёлку, которая состоится 23 декабря в 15:00. Поскольку мероприятие включает в себя чаепитие, то с собой необходимо принести кружку и что-то вкусненькое к чаю. Не забудьте одеться празднично и прихватите с собой хорошее настроение!

Занятие 13. Механическая передача

Важнейшей частью почти каждого робота является механическая передача. Передача бывает необходима для того, чтобы передать крутящий момент с вала двигателя на колеса или другие движущиеся части робота. Довольно часто требуется передать вращение на некоторое расстояние или изменить его направление, например на 180 или 90 градусов.
Соберите вот такую конструкцию посмотрите, что происходит при зубчатой передаче.
Передаточное отношение. 

где i - передаточное отношение, Z - количество зубцов на ведомой шестерне (в числителе) и ведущей шестерне (в знаменателе).

Задание. Постройте механическую передачу с различными передаточными отношениями, допустимыми для нашего набора. Посчитайте передаточное отношение, запишите в тетрадь, оформив это в виде таблицы:

№ п/п	Количество зубьев ведомой шестерни	Количество зубьев ведущей шестерни	Передаточное отношение
1
2

Если в передаче участвуют несколько подряд установленных зубчатых колес, то при расчете передаточного отношения учитывается только первое и последнее из них, а остальные называются "паразитными".

Двухступенчатая передача. Зубчатую передачу можно построить таким образом, чтобы каждая шестерня выполняла полезную функцию. В этом случае каждая вторая пара шестеренок должна находиться на одной оси.А общее передаточное отношение определяется как произведение всех передаточных отношений.

Передаточное число. Это число, которое показывает изменение скорости или силы вне зависимости от направления. Т.о. это число всего больше или равно 1.

Задание. Постройте механическую передачу с передаточным числом большим 9, например, 25, 45, 75, 135.

Задание. Постройте механическую передачу с максимальным передаточным числом.

Занятие 12. Хваталка

Уточняем название некоторых деталей:

Механический манипулятор (хваталка). Используя балки и штифты, создать механизм, способный изменять длину и захватывать детали.
Требования к конструкции следующие:

• хватательный механизм должен иметь минимальную длину в сложенном состоянии и максимальную в разложенном;
• у механизма должно быть две ручки, как у щипцов, и многоколенчатое соединение, ведущее к хватательной части;
• изобретатель должен суметь взять с помощью хваталки некоторый предмет  и перенести его с места на место.

А теперь фото отчет о результатах занятия.Первая работа Дениса и Лизы. Максимальная длина хваталки - 50 см, минимальная - 22 см. Эксперимент по переносу предметов прошел успешно, в том числе и одной рукой.

Следующая работа. Авторы - Сергей и новичок Паша. Максимальная длина "хваталки" - 49 см, в сложенном состоянии - 27 см. Все эксперименты поведены успешно.

Третий манипулятор создан Женей и Димой. Его максимальная длина - 64 см, минимальная - 27 см. В работе проверен.

Максим сегодня работал в одиночестве. Это изобретение имеет максимальную длину - 44 см, минимальную - 12 см. Работает "хваталка" без сбоев.

И последняя работа Максима и Антона. Имеет самую маленькую длину в сложенном состоянии - 9 см, в разложенном - 50 см. Эксперименты прошли успешно.

Переходим к подсчету баллов за урок. Вычисляю следующую сумму для каждого изобретения: max+(max-min), где max - максимальная длина, min - минимальная длина. По величине данного параметра определяю место (I место - 35 баллов, каждое следующее на 5 баллов меньше). И добавляю 5 баллов за успешный эксперимент одной рукой.

Вычисления перед вами:

50/22 50+(50-22)=78 III место 25+5 баллов;

50/9 50+(50-9)=94 II место 30+5 баллов;

44/12 44+(44-12)=76 IV место 20+5 баллов;

49/27 49+(49-27)=71 V место 15+5 баллов;

64/27 64+(64-27)=101 I место 35+5 баллов.

К сожалению, за недопустимое поведение два участника оштрафованы на 50 баллов каждый.

Занятие 11. Башня

Задача, которую предстояло решить юным робототехникам - строительство самой высокой башни из всех возможных деталей конструктора. При этом учитываем, что микроконтроллер не надо вешать на самую верхушку, шпиль должен быть легким, а основная масса сосредоточена внизу.

Самая высокая башня получилась у группы Тейковцева Дениса, Афониной Лизы и Шмелёва Максима. Конструкция у башни необычная - шпиль имеет наклон, для равновесия которого снизу укреплены наклонные упоры. Изначально казалось, что эта конструкция стоять не будет, тем более построить ее достаточно высокой не удастся. Но перепробовав различные варианты сохранения равновесия, ребята построили самую высокую башню.

Практически одной высоты (определить было сложно, так одна из бащен наклонялась) получились строения двух групп: Жени Омельяновича и Димы Шмелева; Прадовского Юрия и Шуткова Сергея.

А это башенка Антона Лукашевича и Максима Сергеева.

Вот окончательный вариант: