Автор работы
Мицкевич Артём, обучающийся 4 «А» класса
Руководители
Степаненко Ольга Владимировна, учитель информатики,
Мячина Светлана Александровна, педагог-организатор МБОУ БГО "Борисоглебская гимназия № 1", г. Борисоглебска Воронежской области
Оглавление
Аннотация проекта 3
Введение 3
1. Теоретическая часть 4
«Стопоходящая машина» – прототип современного робота 4
Алгоритм действий стопоходящей машины П.Л.Чебышева 5
2. Практическая часть 7
Модель стопоходящей машины П.Л.Чебышева из LEGO WeDo 7
Конструкция робота 10
Результаты и выводы 11
Список использованной литературы и Интернет-источники 11
?
Аннотация проекта
Исследовательский проект «Модель стопоходящей машины П.Л.Чебышева» представляет собой модель шагающей машины Чебышева – прототипа современного робота.
Для создания модели использовался робототехнический конструктор LEGO WeDo. Модель стопоходящей машины способна перемешаться вперед и назад, шагая по ровной поверхности.
Введение
Шагающие машины не сказка, и не выдумка из жанра научной фантастики. Вам кажется, что это дело далёкого будущего, а на самом деле первое в мире такое механическое чудо изобрёл русский математик П.Л. Чебышев в то время, когда в России появилась первая мартеновская печь, а Пржевальский только отправился в свою экспедицию. Это была вторая половина XIX века. Много лет Пафнутий Львович увлекался изобретением плоских шарнирных механизмов и придумал их несколько десятков.
Плоские шарнирные механизмы в повседневной жизни можно встретить везде и всюду – зонтик, велосипед, дверцы духовки. Работа этих систем не перестаёт нас удивлять. Взять, к примеру, стеклоочистители автомобиля – «дворники», смахивающие воду с лобового стекла влево – вправо. Неужели вам никогда не было интересно, как они приходят в движение? В этом «дворникам» помогают специальные реечки, преобразующие равномерное вращение оси в круговые движения – это и есть плоский шарнирный механизм.
Ранее изобретатели похожих устройств полагались при их создании только на свой опыт и техническое чутьё. Математик Пафнутий Львович Чебышев первым стал исследовать шарнирные механизмы с помощью математики. В работах Чебышева собрано много уникальных идей. Одна из которых удивительный механизм - «стопоходящая машина», которая по праву считается первым шагающим механизмом в мире.
Сказанное выше подтверждает актуальность избранной темы исследовательского проекта: «Модель стопоходящей машины П.Л.Чебышева».
Цель работы: разработка модели стопоходящей машины Чебышева
В соответствии с целью были сформулированы следующие задачи:
• изучить принцип работы шарнирного механизма, переводящего движение по окружности в прямолинейное движение;
• познакомиться с лямбда-механизмом Чебышева, собрать необходимый информационный материал по данной теме;
• создать конструкцию модели стопоходящей машины Чебышева из конструктора LEGO WeDo;
• провести эксперименты и доработать модель в соответствии с выявленными проблемами конструкции;
• обработать результаты исследования, сделать выводы и подготовить презентационный материал.
Для решения поставленных задач использовался комплекс методов: изучение и анализ литературы по проблеме исследования, в том числе из сети Интернет, сбор информационного материала, его анализ; конструирование модели стопоходящей машины Чебышева; обобщение, сравнение, эксперимент; формулирование выводов по результатам исследования.
1. Теоретическая часть
«Стопоходящая машина» – прототип современного робота
Природа создала бесконечное количество конструкций ног. Каких здесь только нет! Ноги, обеспечивающие высокую скорость передвижения. Ноги, пригодные для движения по песку, снегу, болоту; ноги для прыжков, опорные ноги и ноги толкатели, ноги, с помощью которых можно взбираться на гладкую стену и ходить по потолку.
В конструкции органов передвижения человек сделал весьма принципиальное изобретение, которому могла бы позавидовать сама природа. Это изобретение – колесо. И что наиболее важно – в изобретении колеса человек не копировал природу, а шёл своим самобытным путём.
Рассматривая историю развития транспортных колёсных средств за много веков, мы думаем, что шаговый принцип передвижения наиболее примитивный и неинтересный для современного технического века. Мы привычно думаем, что колесо эффективнее ног. Но использовать колёса хорошо только на ровной, твёрдой и гладкой поверхности. К сожалению, в природе это встречается не часто.
Колёса на мягкой почве беспомощны, машины, застрявшие в грязи, становятся бесполезными.
Вы скажите: «А вездеход?» Ведь он ездит по любой дороге. Если рассмотреть внимательно, то колесо находится на жесткой мостовой – гусенице, которую вездеход прокладывает вперёд себя, а после едет как по «твёрдой дороге». В отличие от других, шагоход может отлично двигаться по различной поверхности. Присесть, пролезая под низким трубопроводом, развернуться в небольшом пространстве, как бы переступая. Легко подняться на «цыпочки», не боясь поцарапать днище за выступ или неровность на дороге.
Именно академик П.Л. Чебышев является родоначальником направления изобретения шагоходов (См. Рис. 1). Он сконструировал «стопоходящую машину», которая состоит из четырёх механизмов в виде греческой буквы Я. Корпус машины перемещается горизонтально вперёд, упираясь башмаком на грунт. Башмак описывает в воздухе кривую, когда отрывается от земли. Эта кривая напоминает траекторию стопы пешехода.
Деревянная модель стопоходящей машины П.Л.Чебышева
URL: http://tcheb.ru/
Выходит, что бабушкой нынешних японских роботов можно с полной уверенностью считать стопоходящую машину.
Иногда сто лет не удаётся изобрести машину, даже если в этом есть острая нужда, а бывало, что новая машина появлялась раньше, чем люди догадывались, для чего она им необходима. Поэтому, на какое-то время наступило затишье и в истории шагающих машин. Вплоть до технологического прорыва 60-70-х годов. Фирма General Electric спустя почти столетие начала выпуск потомка «четырёхнога» Чебышева – гигантов высотой более трёх метров. Эти машины были предназначены для выполнения тяжёлых работ в самых различных отраслях промышленности. Одной своей ногой гигант способен поднять груз весом до половины тонны. Он мог стоять на двух ногах, опускаться на колени, легко перешагнуть через препятствие, вытащить из кювета автомобиль, внести пианино на второй этаж через окно.
Сейчас шагающие роботы разрабатываются для различных практических целей. С их помощью исследуют морские глубины. Они особо необходимы в сложных условиях техногенных катастроф, для аварийно-спасательных работ. И на службе в армии роботы нашли широкое применение – сапёры, разведчики, носильщики.
Алгоритм действий стопоходящей машины П.Л.Чебышева
Два неподвижных красных шарнира, три звена имеют одинаковую длину. Из-за своего вида, похожего на греческую букву «лямбда», этот механизм и получил своё название. Незакреплённый серый шарнир маленького ведущего звена вращается по окружности, при этом ведомый синий шарнир описывает траекторию, похожую на профиль шляпки белого гриба.
Приделаем к лямбда-механизму ногу со «стопой».
Прикрепим к тем же неподвижным осям в противоположной фазе ещё одну такую же.
Для устойчивости добавим зеркальную копию уже построенной двуногой части механизма. Дополнительными звеньями согласовываются их фазы вращения, а общей платформой соединяются оси механизма.
Мы получили, как говорят в механике, кинематическую схему первого в мире шагающего механизма:
2. Практическая часть
Модель стопоходящей машины П.Л.Чебышева из LEGO WeDo
Всё гениальное просто только на первый взгляд. Приступая к созданию собственноq модели стопоходящей машины, я и не предполагал о тех трудностях, с которыми пришлось столкнуться.
Внимательно изучив чертежи механизма Чебышева и компьютерную 3D модель, я приступил к работе.
Однако я столкнулся с несколькими проблемами. Во-первых, уже существующие в конструкторе отверстия сами диктуют размеры сочленений, не позволяя строго соблюсти заданные размеры: у каждого лямбда-механизма должны быть три звена одинаковой длины. Во-вторых, конструкция получилась хлипкой, «ноги» были не в состоянии себя держать.
Конструирование модели стопоходящей машины Чебышева
Один из вариантов модели стопоходящей машины Чебышева, делающей несколько шагов
Проведение экспериментов с механизмом стопоходящей машины
Корректировка «стоп» машины
Однако после долгой и плодотворной работы и бесчисленных проведенных экспериментов мне удалось сконструировать модель стопоходящей машины П.Л. Чебышева из конструктора LEGO WeDo.
Рабочая модель стопоходящей машины П.Л. Чебышева из конструктора LEGO WeDo
Конструкция робота
Ходовая часть.
Ходовая часть робота состоит из четырех ног (лямбда-механизмов) и одного мотора, подсоединенного к аккумулятору.
Ноги стопоходящей машины (лямбда-механизмы)
Каркас
Каркас представляет собой прямоугольник.
Результаты и выводы
В процессе проведения экспериментов и испытания робота приходилось осваивать новое: незнакомый шарнирный механизм, переводящий движение по окружности в прямолинейное движение.
Обобщив все полученные знания, согласно чертежам П.Л.Чебышева я сумел повторить одно из его изобретений – создать свою модель стопоходящей машины из конструктора LEGO WeDo. Уже сейчас я понимаю, как сложна профессия конструктора. Но в то же время она крайне увлекательна, и именно поэтому свою дальнейшую жизнь я бы хотел связать возможно с ней.
Я уверен, что мои идеи найдут свое применение в процессе разработки моделей шагающих роботов и подготовки к соревнованиям шагающих сумоистов.
Список использованной литературы и Интернет-источники
1. Механизмы П.Л. Чебышева – проект фонда «Математические этюды» www.tcheb.ru
2. Стеклов В.А. Теория и практика в исследованиях Чебышева. – Пг.: Росс. Акад. наук, 1921. – 24 с.
3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. - СПб.: Наука, 2013. – 319 с.
Материал работы>>
Видео>>
Плакат>>
