[ ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРОДА МОСКВЫ
ДВОРЕЦ ТВОРЧЕСТВА ДЕТЕЙ И МОЛОДЕЖИ «ИНТЕЛЛЕКТ»
Программа
курса
«Основы робототехники»
Москва 2012
Пояснительная записка
Робототехника является одним из важнейших направлений научно-технического прогресса,
в котором проблемы механики и новых технологий соприкасаются с проблемами искусственного интеллекта.
Новизна Образовательная программа объединения «Робототехника» является актуальной и социально значимой, так как ориентирована на решение важных задач по воспитанию гуманной, духовно богатой, технически грамотной личности ребенка.
Актуальность Программа направлена на помощь школьникам в выборе будущей специальности, привлечение их к получению образования по инженерным дисциплинам. Современные науки мехатроника и робототехника невозможны без хорошего понимания математики, физики, информатики, черчения. Школьникам предоставляется возможность не только узнать, где и как можно применить знания, полученные в школе, но при содействии руководителя начать самостоятельную работу, попробовать свои силы в проектной работе по конструированию робототехнических и мехатронных систем. Школьники делают первые шаги к созданию школьных робототехнических команд для участия в молодежных соревнованиях.
Подготовка робота к соревнованиям и участие в них, очевидно, требует от членов команды высокой ответственности за свой участок работы, хорошего понимания взаимодействия своей подсистемы с другими устройствами робота, учета действий и затруднений коллег, готовности при необходимости "подставить плечо". Комплексность задачи обеспечивает интересной работой молодых людей с разными склонностями: находится дело «аналитику», «программисту», «электронщику», «конструктору», «механику», «дизайнеру» и «менеджеру».
Изучение принципов работы над сложными проектами особо актуально в современном мире. Робототехника с ее безграничностью дает богатую пищу для фантазии школьников.
Обучение через игру позволит развить творческие способности школьников, стимулировать их и на новые технические решения. Дети в возрасте 7-18 лет учатся конструировать «от простого к сложному». Обучение «от простого к сложному» позволяет детям продвигаться вперед в собственном темпе, стимулирует желание учиться и решать новые, более сложные задачи. Связь теории и практики позволит школьникам в удобном темпе приступить к творческой созидательной работе с видимым результатом. Знания и опыт - в процессе практической деятельности. Успех вдохновляет на дальнейшие исследования.
Чтобы достичь высокого уровня творческого и технического мышления, школьники должны освоить принципы конструирования сложных систем. Такие задачи ставятся, когда учащиеся имеют определённый уровень знаний, опыт работы, умения и навыки и дополнены теорией, практикой и хорошей мотивацией. Учащиеся 7-18 лет вплотную подходят к созданию своих первых управляемых роботов.
Данная программа предназначена для детей 7-18 лет и рассчитана на 3 года обучения.
Программа имеет спиральную структуру. Наполняемость группы - 12 – 15 человек. Учебные цели соответствуют индивидуальным способностям обучающихся. Дети занимаются по 2 часа два раза в неделю и имеют возможность посещать индивидуальные занятия – 2 часа в неделю.
Цель дополнительной образовательной программы:
- овладение детьми навыками работы над комплексным инженерно-техническим проектом, развитие научно-технического потенциала ребенка путем организации его деятельности, формирование технического мышления, знакомство с основами технического конструирования, основами механики, электротехники.
Задачи:
- выявление и поддержка творческой молодежи, мотивированной на профессиональную деятельность и получение высококачественного высшего образования в современных и перспективных областях знаний инженерного и профиля;
- развитие творческих способностей и логического мышление школьников;
- формирование навыков работы в команде;
- формирование умения работы с научно-технической литературой;
- освоение навыков использования возможностей Интернет для работы над проектом;
- содействие формированию умения самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей (выбор материала, планирование предстоящих действий, самоконтроль, умение применять полученные знания, приемы и опыт в конструировании других объектов и т.д.);
- стимулирование находчивости, изобретательности и поисковой творческой деятельности школьников и ориентация их на решение интересных и практически важных комплексных задач.
Основной принцип работы - «обучение через игру».
Ожидаемые результаты реализации программы.
Учащиеся должны знать:
правила безопасной работы;
правила работы с литературой;
правила и порядок чтения чертежа схемы и наглядного изображения;
основные приемы конструирования;
особенности дизайна (оригинальность конструкторского строения, закономерность и некоторые средства художественной выразительности);
основные этапы развития робототехники;
уровень развитие робототехники в настоящее время;
основные характеристики и типы роботов современности, эволюцию систем;
области применение роботов;
элементы робототехнических систем;
программные элементы робототехники, программные платформы, языки программирования и переносимость кода, алгоритмы и приемы разработки;
особенности сопряжение элементов робототехнических систем;
принципы проектирования конструирования робототехнического устройства;
необходимое оборудование для реализации узлов робота;
что такое технологические чертежи и технология производства принципы управление проектом регламенты соревнований управляемых роботов Учащиеся будут уметь:
работать с научно-технической литературой, с журналами, с каталогами, в Интернете, с видеотекой (изучать и обрабатывать информацию по теме проекта);
читать графические изображения, создавать мысленный образ в процессе конструирования моделей;
выразить свой замысел на плоскости (с помощью эскиза, рисунка, простейшего разрабатывать конструкторско-технологическую документацию по теме проекта;
самостоятельно решать технические задачи в процессе конструирования моделей (выбор материала, планирование предстоящих действий, самоконтроль, умение применять полученные знания, приемы и опыт конструирования модели и других разрабатывать механические и электронные элементы роботов;
разрабатывать программные элементы роботов, создавать алгоритмы управления мехатронными устройствами;
грамотно сопрягать элементы конструкции;
тестировать робототехнические устройства и их элементы;
формировать команду для работы над проектом и распределять обязанности;
подготовить творческие работы к защите (создавать презентации средствами Power Point) и уметь представлять их на школьных, окружных и городских конкурсах;
демонстрировать технические возможности роботов и принимать участие в соревнованиях роботов.
Оценка результатов достигнутого каждым воспитанником проводится по шести основным критериям выполнения им (обучающимся) творческого проекта.
Критерии оценки проекта:
Соответствие формы и содержания проекта поставленной цели.
Понимание ребенком проекта в целом (не только своей части групповой работы).
Проработка темы проекта.
Умение находить, анализировать и обобщать информацию.
Количество практических предложений.
Доступность изложения и презентации.
Уровень дизайнерского решения Форма представления (макет, видео, компьютерная презентация, и т.п.) Возможность использования проекта в разных областях деятельности.
Междисциплинарная применимость.
Степень самостоятельности в процессе работы Успешность презентации Доля индивидуального вклада в коллективный труд Дисциплина выполнения возложенных обязанностей (преподавателем, группой).
Удовлетворенность членов групп.
Тематическое планирование всего теория практика Инд.занятия 1 Вводное Знакомство с учениками. Инструктаж по технике занятие безопасности и охране труда на рабочем месте.
робототехники механизмами). Классификация роботов.
робототехнических 4 Элементы Источники питания. Источники света. 60 10 10 10 10 10 Электротехники. Электродвигатель. Электрогенератор.
роботов задачи. Разработка концепции. Подготовка проектом и высокотехнологичных специальностей:
командное проектирование, механика, электроника, взаимодействие программирование, инжиниринг.
7 Основы проектной Обзор существующих систем. Поиск данных 42 6 7 8 6 7 деятельности по теме проекта. Выбор оптимальных 8 Графическая Подготовка чертежей как проекта в целом, так 36 6 6 6 6 6 подготовка и всех составных частей, узлов и механизмов.
этап проектирование. Подготовка чертежей в программирования программного продукта.
защита проектов. выполненной работы. Описание Участие в конкурсах достижений. Выступление на публике Итоговое Подведение итогов. Обобщение изученного занятие материала и полученного опыта.
Содержание программы:
Программа включает следующие учебные циклы:
история робототехники;
основы робототехники;
практическая часть.
История робототехники Учебный элемент включает в себя информационные блоки о развитии робототехники в России и мире. На примерах прошлого поясняются принципы работы простейших механизмов.
Тенденции развития современной робототехники зависят от накопленного многовекового опыта.
История также хорошо иллюстрирует эволюцию инженерной мысли и подходов в построении механизмов. В результате изучения учебного элемента учащиеся приобретают знания, необходимые для понимания работы современных устройств, а также знания о современном техническом уровне. Материал способствует развитию творческого подхода в работе, формированию изобретательских навыков. Учебный элемент носим теоретический характер.
Основы робототехники Учебный элемент включает теоретические занятия, необходимые для понимания принципов работы и построения современных робототехнических систем. В результате изучения учебного элемента учащиеся будут ориентироваться в компонентной базе робототехнических систем, принципах их конструирования, особенностях технологических и дизайнерских решений. Школьники узнаю, что такое, исполнительные механизмы, электрические элементы, силовая электроника, программные элементы, программные платформы, языки программирования и переносимость кода, сопряжение элементов робототехнических систем. Школьники получают основы знаний по созданию технологических чертежей и управлению проектом и принципам командного взаимодействия.
Практическая часть Практическая часть позволяет закрепить теоретические знания и сформировать навыки работы, необходимые на производстве. Командный подход и разделение ответственности за результат является ключевым фактором успеха современных предприятий. Создание управляемого робота учит всем стадиям производственного процесса от проектирования до реализации и наглядно демонстрирует учащимся их возможности. Практические занятия предполагают демонстрацию образцов моделей, сделанных учащимися в прошлые годы.
Просмотр видеоматериала о прошедших соревнованиях и выступлениях. Работа с литературой, с журналами, с каталогами, в Интернете, с видеотекой. Сбор, изучение и обработка информации по теме проекта. Формируется команда, и распределяются обязанности. Учащиеся приступают к созданию технологических чертежей и конструированию устройства. Разработка различных вариантов выполнения проекта: эскизы, наброски, технические рисунки и схемы различных вариантов, определение их достоинства и недостатков.
Школьники осваивают элементы художественного конструирования и художественного оформления моделей. Особенности дизайна.
Методическое обеспечение программы:
Занятия проводятся в форме лекций, обсуждения и прикладных лабораторных работах.
Первые занятия по робототехническим соревнованиям, основам робототехники проводятся в форме лекций с показом презентаций или фотографий соревнований и робототехнических систем, или натурным объяснением принципов, задач и общего устройства. Учащиеся получают теоретические знания по современной прикладной робототехнике.
Занятия по проектированию робота и его узлов, а также занятия по основам систем управления проводятся в форме обсуждения с элементами лекции и показа примеров. На этих занятиях учащиеся получают дополнительные знания по принципам проектирования робота, приводным механизмам, методам управления механикой. Эти знания подкрепляются их применением в текущем проекте, обсуждением, планированием конкретной реализации.
Занятия по изготовлению деталей робота, их сборке и отладке системы управления проводятся в форме прикладной работы с ручным инструментом. На этих занятиях учащиеся получают практические навыки по изготовлению отдельных деталей и узлов робота, обработке материала, разметке и подгонке размеров, сборке механизмов, отладке их работы.
Во время занятий преподаватель знакомит учащихся с лабораторией, на примере реальных роботов объясняет принципы работы его основных систем, механизмы формирования движения, логику обратной связи. Далее учащиеся знакомятся с предстоящими задачами и проектами, принципами командной работы. Педагог осуществляет роль учителя, руководителя проекта и помощника.
Осуществляется дополнительное образование в сфере теоретической механики, физики, электроники, информационных технологий и программировании. Для этого, на лекциях и семинарах, рассказываются различные задачи научно-технического содержания и методы их решения, объясняется материал, которого нет в образовательной программе учеников.
Обучающимся необходимо показать, как применять полученные в школе знания. Ведь для многих из них то, что происходит на физике никак не связано с математикой и т.п. А ведь в робототехнике в комплексе применяются разные науки. Для подготовки эскиза робота или чертежей необходимо знание геометрии и черчения. Для расчета мощностей приводов, рычагов, моментов и сил необходимы знания по физике. При решении вопроса о питании системы, проводке проводов, разработке и подключении систем управления необходимы знания по электричеству и электронике. При программировании контроллера следует иметь подготовку по информатике. А для решения сложных вопросов, связанных с работой системы в целом применяются сразу все знания. На занятиях по робототехнике рассказывать о связи наук и прикладных задач.
Отдельное внимание уделяется соревнованиям, фестивалям и выставкам, посвященным научно-техническому творчеству молодежи, а также курсам и открытым урокам, проводимым на базе МГУ им.М.В. Ломоносова, ИПМ им. М.В. Келдыша РАН, МГТУ им.Н.Э.Баумана. Посещение подобных мероприятий является мощным стимулом для развития учащегося.
Учебное оборудование.
Для реализации программы необходимо обеспечить каждого учащегося учебным комплектом.
Учебный комплект включает:
Электронный конструктор «Знаток»
Электронный конструктор «Знаток-Лидер»
Металлический конструктор Пластиковый конструктор Набор комплектующих по механике (шестерни, колеса, двигатели и т.д.) микропереключатели и т.д.) Для общего пользования:
Комплект слесарных инструментов;
Набор электроинструмента;
Комплект расходных материалов;
Соревновательный полигон;
набор измерительных приборов электрические и шаговые двигатели, серводвигатели, направляющие, механизмы передачи и преобразования движения, редукторы и мотор-редукторы;
набор электронных компонентов.
1. Использованная и рекомендованная ЛИТЕРАТУРА И ИНТЕРНЕТ-РЕСУРСЫ.
Павловский В.Е., Петровская Н.В., Евграфов В.В. «Исследование динамики движения цепочки «робопоезд». Управляемое движение», Препринт ИПМ им М.В.Келдыша РАН, Павловский В.Е., Евграфов В.В., Забегаев А.Н., Котова О.А., Петровская Н.В., Павловский В.В. «Динамика и управление мобильным роботом с двумя раздельными ведущими колесами», Тр. IX всероссийского съезда по теоретической и прикладной механике, Александров В.В., Болтянский В.Г., Лемак С.С., Парусников Н.А., Тихомиров В.М.
«Оптимальное управление движением», М. Физматлит, 2005.
Александров В.В., Гомес А., Кастро А., «Математическое моделирование управляемых динамических систем», Гавана, Изд. Гаванского ун-та, 1990.
Буданов В.М., Девянин Е.А. «О движении колесных роботов», Прикладная математика и Карпов В.Э. «Мобильные минироботы. Часть1 – знакомство с автоматикой и электроникой», М.2009, изд. Политехнического музея, метод. пособие.
Карпов В.Э., Волкова Т.А., Платонова М.В. «Мобильные минироботы. Часть 2 – знакомство с микроконтроллерами и интегральной схемотехникой», М.2009, изд.
Политехнического музея, метод. пособие.
Карпов В.Э. «Мобильные минироботы. Часть 3 – спортивная робототехника», М.2009, изд.
10.
Политехнического музея, метод.пособие.
11.
искусственного интеллекта», сб.науч.трудов, М., 1980.
12.
«робопоезд». Частные решения», М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, препринт, №117, 2005.
13.
«робопоезд». Управляемое движение», М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, препринт, №120, 14.
«робопоезд». Методы планирования движения», М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, препринт, №121, 2005.
Сербенюк Н.С., Платонов А.К., Ярошевский В.С., Охоцимский Д.Е. «Согласование колес 15.
робота «Трикол» при «вальсирующем» движении», Материалы Науч. Школы-конференции «Мобильные роботы и мехатронные системы», М. Изд. МГУ, 2005.
http://ru.wikipedia.org/wiki/ 16.
17. http://eurobot-russia.ru/ 18. http://roboforum.ru/ 19. http://4robots.ru/ 20. http://raai.org/ 21. http://railab.ru/ Политехнического музея 22. http://www.mobilerobots.msu.ru/ проф. Е.А.Девянина 23. http://scm.aintell.info/ 24. http://aidt.ru/ 25. http://roboting.ru/ 26. http://www.robot.bmstu.ru/ им.Н.Э.Баумана 27. http://www.prorobot.ru/ интеллекте.
28. http://myrobot.ru/ 29. http://www.robolive.ru/ 30. http://www.membrana.ru/ 31. http://www.alfarobot.ru/ 32. http://robotforum.ru/ 33. http://www.robo-cleaner.net/ 34. http://roboto.ru/ 35. http://www.allrobots.ru/ 36. http://www.all-robots.info/ 37. http://www.robotics.su/ 38. http://imobot.ru/ 39. http://easyelectronics.ru/ 40. http://vicgain.sdot.ru/ Использованы материалы обзорной лекции д.ф.-м.н. Павловского В.Е.
Основу для подготовки материала составляет многолетний опыт автора по подготовке к соревнованиям по робототехнике в МГУ им. М.В. Ломоносова и ИПМ им.М.В.Келдыша РАН под руководством Павловского В.Е., опыт по подготовке юниорских команд в образовательных учреждениях г.Москвы.
Тема № урока Тема урока Вводное занятие 1 Знакомство с учениками.
2 Инструктаж по технике безопасности и охране труда на рабочем месте.
Развитие робототехники 3 Что такое "Робот"?
4 Практическое занятие. Сборка конструктора.
5 Классификация роботов 6 Практическое занятие. Сборка конструктора.
7 Первые прототипы роботов от мифов до первых механизмов 8 Практическое занятие. Сборка конструктора.
9 Развитие современной робототехники от промышленных автоматов до бытовых роботов.
10 Практическое занятие. Сборка конструктора.
Элементы робототехнических систем 11 Основные элементы робототехнических систем 12 Практическое занятие. Сборка конструктора.
13 Базовое шасси, типы движителей.
14 Практическое занятие. Сборка конструктора.
15 Механические узлы, типы исполнительных механизмов 16 Практическое занятие. Сборка конструктора.
17 Механизмы Чебышёва 18 Практическое занятие. Сборка конструктора.
19 Виды передаточных механизмов 20 Практическое занятие. Сборка конструктора.
21 Редукторы.
22 Практическое занятие. Сборка конструктора.
23 Механизмы вращения 24 Практическое занятие. Сборка конструктора.
25 Механизмы перемещения 26 Практическое занятие. Сборка конструктора.
27 Манипуляторы 28 Практическое занятие. Сборка конструктора.
29 Крепежные элементы 30 Практическое занятие. Сборка конструктора.
Предварительная защита проектов 31 Выставка-показ.
32 Соревнования 33 Источники питания. Гальванические батареи, батарея «Вольта», Элементы классификация современных батарей. Аккумуляторы. Изготовление Электротехники.
34 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
35 Источники света. Лампа Лодыгина, электрические лампы. Материалы электрических ламп (проводники с большим удельным сопротивлением). Понятие светодиода. Их особенности.
36 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
37 Электродвигатель. История появления, рамка с током. Виды электродвигателей.
38 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
39 Резисторы. Их классификация. Обозначение на схеме. Назначение, способы включения.
Изготовление проволочного сопротивления.
40 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
41 Измерительные приборы. Гальванометр. Вольтметр. Амперметр. Пределы измерения.
Шкала прибора. Погрешность.
42 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
43 Динамики. Назначение, устройство. Обозначение на схеме.
44 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
Микрофон. Назначение, устройство. Обозначение на схеме. Принцип действия.
46 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
47 Конденсаторы. Назначение, устройство. Классификация. Обозначение на схеме.
48 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
49 Переключатели.
50 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
51 Фоторезисторы.
52 Практическое занятие. Сборка электронного конструктора.
Предварительная защита проектов 53 Выставка-показ.
54 Соревнования Конструирование роботов 55 Этапы конструирования робота.
56 Практическое занятие по теме 57 Постановка задачи.
58 Практическое занятие по теме Разработка концепций.
60 Практическое занятие по теме Обсуждение и выбор окончательной концепции.
62 Практическое занятие по теме 63 Подготовка технического эскиза.
64 Практическое занятие по теме 65 Разработка основных узлов робота и их взаимодействия.
66 Практическое занятие по теме 67 Взаимодействие основных узлов робота.
68 Практическое занятие по теме 69 Подбор комплектующих.
70 Практическое занятие по теме 71 Подготовка проекта.
72 Практическое занятие по теме Управление проектом и командное взаимодействие 74 Решение задач по ТРИЗ-технологии 75 Распределение ролей в команде и их взаимодействие.
76 Решение задач по ТРИЗ-технологии 77 Мастер-тренинг на командообразование 78 Решение задач по ТРИЗ-технологии 79 Как повысить эффективность работы в команде 80 Решение задач по ТРИЗ-технологии 81 Выставка-показ.
82 Соревнования Основы проектной деятельности 84 Практическое занятие по теме 85 Сбор, изучение и обработка информации по теме проекта 86 Практическое занятие по теме 87 Выбор оптимальных решений и способа реализации.
88 Практическое занятие по теме 89 Изложение и представление проекта 90 Практическое занятие по теме 91 Что такое патент 92 Практическое занятие по теме 93 Школа самопрезентации 94 Практическое занятие по теме Графическая подготовка 95 Основы черчения 96 Практическое занятие по теме 97 Эскизные чертежи 98 Практическое занятие по теме 99 Компоновочные чертежи 100 Практическое занятие по теме 101 Чертежи отдельных узлов 102 Практическое занятие по теме 103 Соотношение размеров 104 Практическое занятие по теме 105 Проектная документация 106 Практическое занятие по теме Конструкторский этап 107 Программы САПР.
108 Практическое занятие по теме 109 Компьютерное моделирование и проектирование.
110 Практическое занятие по теме Подготовка чертежей в САПР.
112 Практическое занятие по теме 113 Создание трехмерной модели в САПР.
114 Практическое занятие по теме Предварительная защита проектов 115 Выставка-показ.
116 Соревнования Технологический этап 117 Изготовление деталей. Знакомство с материалами.
118 Практическое занятие по теме 119 Знакомство с оборудованием. Виды станков. Работа с инструментом.
120 Практическое занятие по теме 121 Сверлильный станок, электроинструмент.
122 Практическое занятие по теме 123 Токарный станок.
124 Практическое занятие по теме 125 Станок лазерной резки.
126 Практическое занятие по теме 127 Станок трехмерного прототипирования.
128 Практическое занятие по теме 129 Фрезерный станок 130 Практическое занятие по теме 131 Паяльное оборудование 132 Практическое занятие по теме 133 Работа с паяльником 134 Практическое занятие по теме 135 Обработка деталей 136 Практическое занятие по теме Элементы программирования 137 Основы программирования.
138 Практическое занятие по теме 139 Сенсоры и датчики.
140 Практическое занятие по теме Предварительная защита проектов 141 Выставка-показ.
142 Соревнования Итоговое занятие 143 Подведение итогов.
144 Обобщение изученного материала и полученного опыта.
Итого:
«