Проект по робототехнике Дуэт: «Обезьянка – барабанщица и Танцующие птички»

Проект                          по робототехнике

Дуэт: «Обезьянка – барабанщица и Танцующие птички»

Проект выполнили обучающиеся 5 класса                                                                     МКОУ Пузевская СОШ                                                                                         Руководитель: учитель математики  Головкова С. А. 2016 год.

Муниципальное казенное  общеобразовательное учреждение

Пузевская средняя общеобразовательная школа

Бутурлиновского  муниципального района
 

Содержание

1.     Актуальность темы проекта.. 2

II.        Работа над проектом... 5

1.      Подготовительный этап.. 5

2.      Конструирование. 8

3.      Исследование работы моделей.. 10

4.      Реализация проекта. 12

III.      Заключение.. 12

IV.      Список литературы... 14

V.        Приложение. 16

1.    Актуальность темы проекта

Появление в школе комплектов Робототехники  LEGO Education WeDo нас очень заинтересовало. Это не просто детская игра, а целая наука, объединяющая в себе физику, математику, информатику, английский язык. Мы решили изучить данную науку, чтобы воплощать в роботах свои фантазии.

Робототехника стимулирует мыслить творчески, анализировать ситуацию и применять критическое мышление для решения реальных проблем.

Работая с конструктором парами и в командах, мы учимся создавать и программировать модели, проводим исследования, составляем отчёты и обсуждаем идеи, возникающие во время работы с этими моделями. Работа в команде и сотрудничество укрепляет коллектив, а соперничество на соревнованиях дает стимул к учебе. Возможность делать и исправлять ошибки в работе самостоятельно заставляет нас - школьников находить решения без потери уважения среди сверстников. Робот не ставит оценок и не дает домашних заданий, но заставляет работать умственно и постоянно.

Различные языки программирования графическими элементами помогают нам мыслить логически и рассматривать вариантность действия робота. Обработка информации с помощью датчиков и настройка датчиков дают представление о различных вариантах понимания и восприятия мира живыми системами.

Использование конструктора LEGO Education WeDo во внеурочной деятельности повышает мотивацию обучающихся к обучению, т.к. при этом требуются знания практически из всех учебных дисциплин от искусств и истории до математики и естественных наук. Одновременно занятия LEGO как нельзя лучше подходят для изучения основ алгоритмизации и программирования, а именно для первоначального знакомства с этим непростым разделом информатики.  Конструктор LEGO Education WeDo дает возможность обучающимся собрать и запрограммировать простые модели LEGO через приложения в компьютере. Уникальность ПервоРоботов LEGO состоит в том, что они возвращают обучающихся к эмпирическому познанию мира, в то же время приучают к систематической обработке и анализу полученных данных с помощью компьютера. Т.е. выводят работу обучающихся на современный уровень проведения научных экспериментов.

Основная проблема нашего проекта: собрать модели обезьянки-барабанщицы и танцующих птиц, исследовать влияния изменения расположения механизмов на работу моделей роботов с помощью программирования их поведения, модифицировать модели и придумать собственную программу для программирования роботов.

Новизна программы заключается в занимательной форме знакомства обучающегося с основами робототехники, радиоэлектроники и программирования роботов шаг за шагом, практически с нуля. Избегая сложных математических формул, на практике, через эксперимент, обучающиеся постигают физику процессов, происходящих в роботах, включая двигатели, датчики, источники питания.

Цель проекта: обучение основам робототехники, создание и испытание действующих механических моделей программируемого робота.

Задачи проекта:

1.     Построить модель механической обезьянки с руками, которые поднимаются и опускаются, барабаня по поверхности и модель двух механических птиц, которые способны издавать звуки и танцевать из конструктора  ПервоРобот LEGO Wedo 9580;

2.     Изучить процесс передачи движения и преобразования энергии в модели;

3.     Изучить работу рычажного механизма и влияние конфигурации кулачкового механизма на ритм барабанной дроби;

4.     Познакомиться с системой шкивов и ремней (ременных передач), работающих в модели «Танцующие птицы», анализ влияния смены ремня на направление и скорость движения;

5.     Научиться программировать и испытывать модели, модифицируя их поведения за счёт изменения конструкции моделей. Программирование соответствующего звукового сопровождения, чтобы поведение модели стало более эффектным.

Ожидаемые результаты:

1.     Умение работать с продуктами LEGO Education;

2.     Умение конструировать различные модели роботов;

3.     Заинтересованность обучающихся школы в изучении Робототехники.

Методы реализации проекта:

1.     Объяснительно-иллюстративный – предъявление информации различными способами (объяснение, рассказ, беседа, инструктаж, демонстрация, работа с литературой и др);

2.     Эвристический – метод творческой деятельности (создание творческих моделей и т.д.);

3.     Проблемный – постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения;

4.      Программированный – набор операций, которые необходимо выполнить в ходе выполнения практических работ (компьютерный практикум);

5.     Репродуктивный – воспроизводство знаний и способов деятельности (собирание моделей и конструкций по образцу, упражнения по аналогу);

6.     Частично-поисковый – решение проблемных задач с помощью педагога;

7.     Поисковый – самостоятельное решение проблем.

Материальные ресурсы:

Для реализации проекта необходимо следующее оборудование:

-         конструктор с программным обеспечением LEGO Education WeDo;

-         АРМ ученика и учителя (компьютер, проектор, сканер, принтер)

Этапы проекта:

1.     Подготовительный:

1)    установление взаимосвязей,

2)    гипотеза,

3)    знакомство с механизмами, используемыми в моделях;

2.     Конструирование;

3.     Исследования работы моделей:

1)    эксперименты с механизмами,

2)    эксперименты с программами моделей;

4.     Реализация проекта: создание Дуэта: «Обезьянка-барабанщица и Танцующие птички».

 II.            Работа над проектом

1.     Подготовительный этап

Установление взаимосвязей.

Наша работа над проектом началась с обсуждения ряда вопросов, возникших у нас:

·        За счёт чего двигаются руки обезьянки?

·        Что является источником звука барабанной  дроби?

·        Птицы поворачиваются в одном направлении, или могут поворачиваться в противоположных направлениях?

·        Что приводит птиц в движение?

Для поиска ответов на вопросы мы обратились к просмотру анимационных роликов «Обезьянка-барабанщица» и «Танцующие птички».

 

Руки барабанщика действуют как рычаги. Они двигаются вверх и вниз, вращаясь вокруг оси. Обезьянка-барабанщица тоже двигает руками вверх-вниз с определённым ритмом.

Мы предположили, что можно использовать рычаги, чтобы заставить руки обезьянки двигаться вверх и вниз, кулачки – чтобы сделать эти движения разнообразными, а птицы танцуют потому, что их приводит в движение система шкивов и ремень.

В разделе «Первые шаги» к конструктору LEGO Wedo 9580 мы нашли информацию о работе всех интересующих нас механизмах и изучили их.

Рычаг – это простейший механизм, состоящий из перекладины, вращающейся вокруг опоры. Сторона перекладины, на которую действует груз, называется «плечо груза». Другое плечо – «плечо силы», на него действует управляющая рычагом сила.

Мы построили модель рычага, плечо, на конце которого установлены три кирпичика (груз) – это плечо груза. Плечо с зелёным кирпичиком – это плечо силы. А точка опоры там, где ось. Кабель, идущий от датчика наклона, подсоединили к ЛЕГО-коммутатору. Составили программу для изучения работы рычага: Начало, Цикл, Экран.

Чтобы программа заработала надо щёлкнуть на Блок «Начало» и повернуть плечо рычага, нажав на зелёный ЛЕГО-кирпич. На вкладке Экран отобразится число, соответствующее одному из возможных положений датчика наклона. При перемещении рычага числовое значение на вкладке Экран будет изменяться.

Если переставить ось так, чтобы плечо силы стало короче, то  груз поднимать будет труднее. Если переставить ось так, чтобы плечо силы стало длиннее, то груз поднимать легче.

Вывод: чем длиннее плечо силы рычага, тем легче поднимать груз, чем короче плечо силы, тем труднее поднимать груз.

Кулачок. Для  изучения работы кулачка также построили модель, кабель идущий от мотора присоединили к ЛЕГО-коммутатору. Составили программу: Начало, Цикл, Мощность мотора, Включить мотор на… .

 

Понаблюдаем за движением модели. Как ведёт себя колесо, установленное над кулачком?

Во-первых, кулачок – механизм, имеющий яйцеобразную форму. При вращении кулачка, колесо над кулачком движется вверх-вниз, отслеживая форму кулачка. То есть, вращение кулачка создает колебательное движение колеса и его оси.

Во-вторых, странное движение можно запрограммировать. На входе Блока Мотор случайное число изменяется в диапазоне от 1 до 10. Как можно использовать Вход Случайное число при программировании модели? Программа изменяет уровень мощности мотора посредством Входа Случайное число, так что мощность возрастает или падает случайным образом в диапазоне от 1 до 10. Поэтому и скорость вращения кулачка также меняется случайно.

Шкивы и ремни.

Что происходит после включения мотора?

Шкив, насаженный на ось мотора, начинает вращаться. Шкив вращает ремень. Ремень вращает второй шкив. При этом скорость вращения ниже нормальной, которая соответствует 10. Первый шкив – ведущий. Второй шкив – ведомый. Почему они так называются? Один шкив включается первым. Он передает движение второму шкиву. Шкивы вращаются примерно с одинаковой скоростью, потому что они одинакового размера (диаметра). Но ремень может проскальзывать, поэтому ременная передача не такая точная, как зубчатая, где зубья сцеплены. Шкивы вращаются в одном направлении.

Вывод: можно запрограммировать мотор так, чтобы он крутился быстрее! Задать во Входе Число вместо 5 любое другое – от 6 до 10. Если задать во Входе Число вместо 5 любое другое от 1 до 4, то мотор будет крутиться медленнее. При нулевом значении (0) мотор работать не будет.

Перекрестная ременная передача.

Шкивы вращаются примерно с одинаковой скоростью, потому что они одинакового размера и в противоположных направлениях, т.к. перекрещенный ремень меняет направление вращения.

Снижение скорости.

Что происходит после включения мотора?

Сначала начинает вращаться маленький шкив, насаженный на ось мотора. Этот шкив вращает ремень. А ремень вращает второй, большой шкив. Шкивы вращаются с разной скоростью, потому что они разного размера (диаметра). Большой шкив вращается медленнее, чем маленький. Шкивы вращаются в одном направлении.

Увеличение скорости.

Большой шкив на оси мотора вращается. Шкив вращает ремень. Ремень вращает второй, маленький шкив. Шкивы вращаются с разной скоростью, потому что они разного размера (диаметра). Большой шкив вращается медленнее, чем маленький. Вращаются шкивы в одном направлении.

Вывод: Как изменить направление вращения одного из шкивов на противоположное? Перекрестить ремень. Как сделать так, чтобы один из шкивов вращался быстрее, чем другой? Заменить один из них шкивом меньшего диаметра.

2.     Конструирование

Изучив работу механизмов, мы приступили к созданию моделей Обезьянки-барабанщицы и Танцующих птичек.

Следуя пошаговым инструкциям, мы создали модель Обезьянки-барабанщицы, которая отбивает различные ритмы. Наша модель использует мотор для вращения малого зубчатого колеса, малое зубчатое колесо вращает коронное зубчатое колесо, а то, в свою очередь, вращает кулачок. Кулачок толкает рычаг руки.

В программе «Обезьянка-барабанщица» для включения мотора используются Блоки «Начало» и «Мотор по часовой стрелке». При желании мощность мотора можно изменять при помощи Блока «Мощность мотора».

Модель Танцующих птичек, которые крутятся в разные стороны, использует мотор для вращения малого зубчатого колеса, малое зубчатое колесо вращает большое, большое колесо вращает шкив и птицу наверху. Шкив крутит ремень, ремень крутит другой шкив с другой птицей.

Чтобы включить мотор, в программе для танцующих птиц используются Блоки «Начало» и «Мотор по часовой стрелке». Мощность мотора можно изменять при помощи Блока «Мощность мотора».

Энергия передается от компьютера на мотор, который приводит в движение механизмы моделей. Энергия превращается из электрической (компьютера и мотора) в механическую (вращение зубчатых колёс, шкивов, осей и ремней, зубчатых колёс, кулачков, движение рычагов).

3.     Исследование работы моделей

Эксперименты с механизмами

После того, как модели были созданы, апробированы и подкорректированы программы и сами модели, мы приступили к исследованию влияния изменения расположения кулачкового механизма на ритм барабанной дроби. Мы составили таблицу данных, где зафиксировали изменения положения кулачков, а также то, как каждое положение влияет на характер движений рычагов.

Левый кулачок	Правый кулачок	Что я вижу и слышу
		Когда одна рука обезьянки поднимается, то другая опускается. При этом раздаётся равномерная барабанная дробь с частотой примерно два удара в секунду.
		Обе руки по-прежнему поднимаются и опускаются в разное время, но ритм барабанной дроби изменится: тук-тук-пауза. При этом частота стука составит те же два удара в секунду
		Правый рычаг поворачивается и наносит удары вдвое быстрее левого рычага. При этом частота стука возрастает до трёх ударов в секунду: быстрые тук-тук-тук-пауза.
		Руки опять поднимаются и опускаются не одновременно, но в два раза быстрее, чем в первом примере, с частотой четыре удара в секунду: тук-тук-тук-тук.

Эксперименты с программированием моделей

Мы очень увлеклись исследованием, что решили еще немного поэкспериментировать и создать с Обезьянкой-барабанщицей и Танцующими птицами оркестр – дуэт.

Модифицировав программу «Обезьянка-барабанщица», мы  внесли изменения – добавили три отдельные программы воспроизведения звуковых эффектов, которые запускаются Блоком «Начать нажатием клавиши», настроенным на ожидание нажатия определённой клавиши на клавиатуре.

Первая программа запускается нажатием клавиши A и воспроизводит Звук 4 (звук «Волшебство»). Вторая программа ожидает нажатия клавиши B после чего воспроизводит Звук 5 («Струна»). Третья программа запускается клавишей C и воспроизводит Звук 1 («Приветствие»).

В разделе «Звуки» главы «Программное обеспечение LEGO® Education WeDo» приведен список звуков, которые может воспроизводить Блок «Звук», если задать на его входе соответствующее число.

Для создания забавного танца птиц, наша программа использует Блок Мощности мотора, Вход Случайное число и Блок Воспроизведение. Программу «Танцующие птицы» мы модифицировали так, чтобы уровень мощности мотора изменялся случайным образом, а также ввели в программу воспроизведение звука, смену направления вращения мотора, воспроизведение двух звуков с паузой между ними.

4.     Реализация проекта

В итоге у нас получился замечательный дуэт!

III.            Заключение

В ходе работы над реализацией проекта у нас сформировались следующие  умения и навыки:

-        самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования роботов (планирование предстоящих действий, самоконтроль, применять полученные знания, приемы и опыт конструирования с использованием специальных элементов и т.д.);

-        создавать действующие модели роботов на основе конструктора LEGO Education WeDo;

-        модифицировать уже готовые программы и создавать новые для работы моделей;

-        демонстрировать технические возможности моделей;

-        излагать логически правильно действие своей модели (проекта).

Вывод:

В результате реализации проекта мы создали модели «Обезьянка-барабанщица» и «Танцующие птички», которые управляются с помощью программы, созданной на компьютере. Мы получили первые навыки программирования в среде LEGO Education WeDo.

Перспективы развития проекта:

•         создание и исследование новых моделей на основе конструктора LEGO Education WeDo;

                                                                                                                                      

•         познакомиться с конструктором LEGO MINDSTORMS NXT;

•         изучить основы программирования в среде LEGO MINDSTORMS NXT 2.0;

•         создание программируемых роботов на основе конструктора LEGO MINDSTORMS NXT;

•         участие в различных состязаниях роботов;

•         привлечение других школьников к освоению робототехники;

•         применение робототехнике в образовательном процессе.

IV.            Список литературы

1.     Первый шаг в робототехнику: практикум для 5-6 классов/Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 87 стр.;

2.     Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей. – СПб.: Наука, 2010, 195 стр.;

3.     Образовательная робототехника в дополнительном образовании школьников: Методическое пособие/ Гинзбург Е.Е., Винокурова А.В. – Йошкар-Ола: ОАНО «Инфосфера», 2011. – 32 стр.;

4.     Программное обеспечение LEGO Education WeDo и MINDSTORMS NXT 2.0

5.     Первый шаг в робототехнику: рабочая тетрадь для 5-6 классов/ Д.Г.Копосов. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012

Интернет ресурсы:

•        http://lego.rkc-74.ru/

•         http://www.lego.com/education/

•         http://www.wroboto.org/

•         http://www.roboclub.ru/

•         http://robosport.ru/

•         http://www.prorobot.ru/

  V.            Приложение