Урок «Манипуляторы» по LEGO SPIKE Prime: степени свободы и рабочая зона

Курс: «Инженерное бюро ПРАЙМ», занятие 27 из 36
Раздел: Отдел автоматизации: системы с обратной связью
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

Центр реабилитации заказывает настольный манипулятор для человека с ограниченной подвижностью рук: брать со стола предметы разной формы — стакан, книгу, ключи — и подавать их к краю стола. Рабочая зона — полукруг радиусом не меньше 25 см.

Чему научатся дети

объяснять, что такое звено, шарнир и степень свободы
строить карту рабочей зоны
проектировать схват под разные предметы
учитывать падение грузоподъёмности с ростом вылета

Что понадобится

набор SPIKE Prime — один на пару
набор объектов разной формы и массы
миллиметровая бумага для карты рабочей зоны
линейка
транспортир
инженерный дневник, разворот 27

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. Манипулятор с поворотным основанием, стрелой и схватом (3 мотора). Режим: по собственному эскизу, эскиз выполняется до сборки.

Программа. Согласованное управление тремя моторами; программа «взять предмет в точке А — перенести в точку Б»; ограничение усилия схвата (занятие 12).

Что рассказать на теории

Степень свободы — независимое движение звена. Настольный манипулятор обычно имеет 3–6 степеней свободы.
Рабочая зона — множество точек, достижимых схватом. Определяется длинами звеньев и пределами поворота шарниров.
Грузоподъёмность падает с увеличением вылета (условие равновесия рычага с занятия 7).
Универсальный схват — компромисс: он хуже специализированного на каждой конкретной форме, но работает со всеми.
Ассистивная робототехника — быстро растущее направление; требования к безопасности здесь выше, чем в промышленности.

Испытание

Гипотеза: «Максимальная масса переносимого предмета уменьшается с увеличением вылета стрелы». Серия — 4 испытания. В протокол записывают: вылет стрелы, см; максимальная масса, г; произведение масса × вылет; предмет захвачен надёжно? (да/нет).

Вопросы на повторение

Одинаковую ли массу манипулятор поднимет вблизи и на краю зоны?
Нет. Чем больше вылет, тем меньше груз — это то же условие равновесия рычага.

Один схват на все предметы или три разных?
Универсальный схват работает со всеми, но каждому специализированному уступает. Выбор — компромисс.

Что определяет рабочую зону?
Длины звеньев и пределы поворота шарниров.

Инженерный вызов

Для тех, кто справился быстрее: начертите карту рабочей зоны вашего манипулятора на миллиметровке и отметьте область, где он поднимает 100 г. Сравните с картой соседней пары.

Линия поддержки: собирает двухзвенный манипулятор (поворот + схват), переносит один предмет между двумя точками.
Базовая линия: собирает трёхзвенный манипулятор, проводит 4 измерения грузоподъёмности на разных вылетах.
Линия вызова: выполняет вызов с картой рабочей зоны; предлагает конструктивное изменение, расширяющее зону без потери грузоподъёмности.

Итог урока

Произведение массы на вылет остаётся приблизительно постоянным — манипулятор ограничен моментом на оси стрелы, а не силой мотора как таковой.

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 автоматизации»: Движение по линии · Пропорциональный регулятор · Объезд препятствий · Python в SPIKE · Сортировочная станция.

{{title}}