Урок «Датчик силы» по LEGO SPIKE Prime: касание, нажатие и дозированное усилие

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 12 из 36
Раздел: Отдел сенсорики: как робот воспринимает мир
Возраст: 5–7 класс
Длительность: 2 академических часа: теория 0,5 ч, практика 1,5 ч
Набор: LEGO Education SPIKE Prime (45678)
Тип занятия: занятие открытия новых знаний

Это сокращённый конспект. Полный — с ходом урока по минутам, вопросами педагога, протоколом испытаний и критериями приёмки — в программе «Инженерное бюро ПРАЙМ» для SPIKE Prime: 36 занятий, 72 часа.

Задача от заказчика

Лаборатория заказывает захват для переноски чашек Петри: сжимать достаточно, чтобы не выронить, но не раздавить. Пустой пластиковый стакан после переноски должен остаться целым, а порог — измеримым, без «на глазок».

Чему научатся дети

работать с датчиком силы в режимах «нажат / не нажат» и измерения усилия
использовать датчик как концевой выключатель
задавать порог сжатия в ньютонах
защищать мотор от перегрузки программно

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
датчик силы
груз-«хрупкий объект» (пустой пластиковый стакан)
набор предметов разной жёсткости
электронные весы
инженерный дневник, разворот 12

План занятия

Заказ от «заказчика» — 5 мин
Инженерный совет: гипотезы — 7 мин
Техническая справка — 8 мин
Сборка — 20 мин
Программирование — 15 мин
Перерыв — 10 мин
Испытание по протоколу — 15 мин
Инженерный вызов — 10 мин
Приёмка и рефлексия — 7 мин
Разборка и уборка — 3 мин

Сборка. Сборка клешневого захвата со средним мотором и датчиком силы на внутренней стороне губки. Режим: по фотографии узла, доработка — самостоятельно.

Программа. Закрывать захват, пока усилие < порога; при достижении — остановить и удерживать; при нажатии кнопки — раскрыть.

Что рассказать на теории

Датчик силы работает в двух режимах: «нажат/не нажат» (дискретный) и измерение усилия в ньютонах (аналоговый, примерно до 10 Н).
Как концевой выключатель датчик задаёт границу хода механизма — это защищает и мотор, и конструкцию.
Аналоговый режим позволяет дозировать усилие: сжимать до достижения порога.
Мотор, упирающийся в препятствие, потребляет максимальный ток и греется. Программная защита обязательна.
Реальный аналог: коллаборативные роботы на производстве, которые останавливаются при контакте с человеком.

Испытание

Гипотеза: «Существует диапазон усилия, в котором стакан удерживается и не деформируется». Серия — 5 испытаний. В протокол записывают: порог усилия, Н; стакан удержан? (да/нет); стакан деформирован? (да/нет); итог (годен/брак).

Вопросы на повторение

Как робот поймёт, что предмет уже схвачен?
По датчику силы: усилие выросло до порога — значит, предмет зажат и мотор пора остановить.

Что будет с мотором, если он долго упирается в препятствие?
Он потребляет максимальный ток и греется. Поэтому защита в программе обязательна.

Как выбрать порог?
Найти нижнюю границу, при которой предмет не выпадает, и верхнюю, при которой он цел, и взять значение между ними.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: добавьте в программу защиту: если за 3 секунды усилие не достигло порога, робот считает, что объекта нет, раскрывает захват и сообщает об этом.

Линия поддержки: использует датчик в дискретном режиме: захват закрывается до нажатия датчика.
Базовая линия: работает в аналоговом режиме, находит границы диапазона за 5 испытаний.
Линия вызова: выполняет вызов; определяет усилие захвата для трёх разных предметов и объясняет, почему оно разное.

Итог урока

Рабочий диапазон усилия ограничен снизу условием удержания, сверху — условием сохранности объекта; безопасный порог выбирается внутри диапазона.

Что в полном комплекте

Программа ДООП «Инженерное бюро ПРАЙМ» (DOCX и PDF, 135 страниц): паспорт, учебный план, результаты по ФГОС, аттестация и 36 конспектов занятий
Инженерный дневник ученика (75 страниц, 36 разворотов): заказ, гипотеза, протокол испытаний, вывод, самооценка
Альбом эталонных узлов (12 узлов) и 12 кинематических схем в PNG

Другие занятия раздела «Отдел сенсорики»: Датчик расстояния · Датчик цвета · Гироскоп хаба · Энкодеры моторов · Интерфейс робота · Умный турникет.

{{title}}