Смешиваем несовместимые конструкторы роботов
Сергей Косаченко, учитель Томского физико-технического лицея, делится опытом стимулирования конструкторских находок учеников. Идея «нежно разложить педагогические грабли», «подсунув» лицеистам конструктивно несовместимые наборы, появилась при подготовке к соревнованиям Роботраффик.
Итоговый вариант робота
Регламент соревнований Роботраффик предлагает участникам построить автономных роботов, которые будут самостоятельно без участия человека передвигаться на смоделированных городских улицах, соблюдая правила дорожного движения (ПДД) и избегая дорожно-транспортных происшествий (ДТП).
Образовательная робототехника появилась недавно, но уже имеет свои устойчивые традиции при конструировании роботов. Одним из таких традиционных подходов является «танковая схема» шасси робота. Роботы, собранные по такой схеме, осуществляют повороты, прокручивая вперед только одну гусеницу или колесо (если шасси собрано на колесах). В случае использования колес в шасси, для третьей точки опоры робота на землю часто применяют «флюгерное колесо» или специальную шариковую опору.
Но в Роботраффике требования однозначно регламентируют использование поворотного механизма шасси, такое же, как в «больших автомобилях». Механизм несложный, но алгоритм автоматического управления таким роботом был для нас новым, необычным, а потому обещал быть интересным. К тому же выяснилось в новой редакции правил, что дополнительные баллы будут давать за применение в конструкции дифференциала на задней оси шасси робота.
Приступили к конструированию шасси с учетом требований регламента. Уже первый прототип показал, что конструкция будет крупной, а потому нужно сразу решить проблему транспортировки робота к месту соревнований. Для упрощения упаковки робота перед транспортировкой можно было бы разъединить робота на несколько крупных частей. Решили собирать отдельно передний мост с механизмом управления и задний мост с дифференциалом и двигателем, которые двумя винтами скреплялись бы между собой.
В этот момент мне пришла в голову идея «нежно разложить педагогические грабли» для стимулирования конструкторских находок, а именно: «подсунуть» лицеистам не один, а два робонабора, причем с несовместимыми друг с другом деталями. Так к шасси из набора HUNA TOP предложил ребятам подсоединить дифференциал от ресурсного набора LEGO. Проблема, которую нужно было решить ребятам, — это найти простой и надежный способ для состыковки между собой оси с колесами от набора HUNA TOP (шестигранная, на фото черная) и оси от дифференциала LEGO (крестообразная, на фото серая), к которой потом нужно было еще подсоединить электродвигатели от HUNA TOP.
На решение этой проблемы ушло полторы недели. От двигателей HUNA TOP в итоге решили отказаться в пользу электродвигателя от LEGO Technik, который легко соединили с дифференциалом стандартными LEGO-шестеренками, собрав готовый цельный модуль. И вот теперь этот модуль предстояло совместить и скрепить с деталями HUNA TOP.
Решения ребятами предлагались разные: напечатать стыковочные муфты на 3D-принтере (точность нашего 3D-принтера оказалась недостаточной), использовать слепленную муфту из термопласта, который размягчается при нагревании в горячей воде, потом твердеет (получалось грубо, ненадежно и некрасиво) и т.д. Однако, самым простым и удачным оказалось предложение использовать соединительную муфту из резиновой трубки. Трубку подходящего диаметра искали долго, опрашивали родителей. Медсестра предложила отрезок резиновой трубки от списанного аппарата для измерения давления, а водители лицея подарили ребятам небольшой кусочек от медицинского трубчатого жгута из автомобильной аптечки, который идеально подошел к обеим осям. Задний мост собрали так, чтобы строго соблюдалась соосность оси дифференциала и осей задних колес, иначе часть мощности двигателя тратилась бы на преодоление деформации резиновой трубки при вращении колес и скорость робота на трассе замедлится.
На задний мост прикрутили ранее распечатанную на 3D-принтере платформу для крепления Arduino. В конечной версии конструкции робота эта платформа будет заменена и место ее крепления сдвинется вперед, а пока она по решению юных робототехников смотрелась таким образом:
Передний мост с рулевым управлением было бы здорово нам собрать с углами Аккермана, но на расчеты у нас не оставалось времени, поэтому собрали поворотный механизм так, чтобы передние колеса при разных углах поворота всегда оставались параллельными друг другу. В нашей конструкции шасси поворотную тягу приводил в движение серводвигатель от HUNA TOP. Разъединенные мосты выглядели так:
Я рад, что ребята смогли собрать прототип шасси по новой для себя схеме поворотных колес, познакомились на практике с принципом работы дифференциала, нашли способ соединения между собой деталей двух разнотипных робонаборов. Уже только для этого нам стоило принимать вызов участия в соревнованиях Роботраффик!
Теперь нам предстояло собрать электрическую схему робота с датчиками линии, ультразвуковыми дальномерами, шилдами, приемным инфракрасным модулем IrDA-сигналов.
Мы решили использовать электронные компоненты, которые используем в нашем Томском физико-техническом лицее ТФТЛ на занятиях по микроэлектронике. Набор для микроэлектроники мы планомерно комплектовали и расширяли сами, поэтому дали ему веселое и неофициальное название «ТеФТеЛька».
Первоначально мы решили использовать:
- контроллер — Freeduino 2009 (полный аналог Arduino Duemilanove),
- мезонинную плату Troyka Shield от компании Амперка — для подключения нескольких датчиков,
- ультразвуковые датчики расстояния — HC-SR04,
- MotorShield v2.0 — для управления серводвигателем рулевого управления и мотором постоянного тока для шасси,
- датчики линии от HUNA TOP — наши исследования этих датчиков показали, что они собраны по резистивной схеме, а значит могут быть подключены к аналоговым входам Arduino,
- серводвигатель от HUNA TOP — совместим с Arduino и управляется по ШИМ.
- двигатель постоянного тока для шасси от HUNA TOP,
- модуль IrDA Click — инфракрасный приемо-передатчик данных, работающий с протоколом IrDA SIR (скорость передачи данных 115.2 kbit/s),
- комплект соединительных проводов и макетную плату.
Заинтересовавшись данным регламентом, параллельно с нами еще две команды из Томска решили строить роботов для Роботраффика, причем для ориентации роботов в пространстве они применили оптическое распознавание, применив для обработки видеопотока от вебкамеры контроллер CubieBoard A20 и библиотеку OpenCV, а шасси использовали готовые от наборов freescale. Такой серьезный подход требовал глубоких знаний, поэтому в эти команды входили студенты ВУЗов. Считаю, что изучение оптического распознавания в старших классах очень перспективная тема, о чем свидетельствует регламент робототехнических соревнований Лоуренского технологического университета, но статья не об этом.
Источник: edugalaxy.intel.ru, edugalaxy.intel.ru.
