bigpo.ru
добавить свой файл
1
Программа курса «Кружок робототехники» Пояснительная записка

Данная программа составлена на основе программы по курсу «Введение в андроидную робототехнику», апробированного авторами в лаборатории робототехнического конструирования.

Цели и задачи

Целью данной программы является обучение воспитанников основам робототехники, программирования с ориентацией их на получение программистских специальностей в колледжах, вузах.

Обучение по данной программе основано на принципах интеграции теоретического обучения с процессами практической, исследовательской, самостоятельной научной деятельности воспитанников и технико-технологического конструирования.

Задачи:

  • формирование творческой личности установкой на активное самообразование;

  • ранняя ориентация на инновационные технологии и методы организация практической деятельности в сферах общей кибернетики и роботостроения;

  • формирование навыков современного организационно-экономического мышления, обеспечивающих социальную адаптацию к современным рыночным отношениям;

  • приобретение навыков коллективного труда;

  • организация разработок технико-технологических проектов.

^ Особенности программы

Программой предусмотрено 3 года обучения для учащихся 6-12 классов: первый год обучения — 152 часа, второй и третий — 216 часов. Количество обучаемых в группе 8-12 человек.

Программа базируется на основе системного анализа технических средств
робототехники и принципа типичности. Сущность принципа сводится к рассмотрению
типичных схем, раскрывающих наиболее устойчивые, характерные признаки всего класса вместо изучения всех разновидностей.

В основу программы положено моделирование андроидных (человекообразных) роботов, как прогрессивного, наглядного и одновременно практически полезного раздела-робототехники, вобравшего в себя ее передовые достижения.

Одновременно рассматриваются принципиальные теоретические положения, лежащие
в основе работы ведущих групп робототехнических систем. Такой подход предполагает
сознательное и творческое усвоение закономерностей робототехники, с возможностью, их
реализации в быстро меняющихся условиях, а также в продуктивном использовании в
практической и опытно-конструкторской деятельности.

Содержание программы доработано в ходе экспериментальной проверки с целью освещения тем, интересных учащимся как теоретически, так и для самостоятельного конструирования и моделирования разнообразных роботов.

В процессе теоретического обучения воспитанники знакомятся с назначением, структурой и устройством роботов различных классов, с технологическими основами сборки и монтажа, основами электроники и вычислительной техники, средствами отображения информации, историей и перспективами развития робототехники.

Программа включает проведение практикума начинающего робототехника, включающего проведение лабораторно-практических, исследовательских работ и прикладного программирования. В ходе специальных заданий воспитанники приобретают обще-трудовые, специальные и профессиональные умения и навыки по монтажу

отдельных элементов и сборке готовых роботов, их программированию, закрепляемые в процессе разработки проекта. Содержание практических работ и виды проектов могут уточняться, в зависимости от наклонностей учащихся, наличия материалов, средств и др. С третьего года обучения углубляется специализация, практикум и проект становятся основными в процессе конструирования и программирования.

Учебные занятия предусматривают особое внимание соблюдению учащимися правил безопасности труда, противопожарных мероприятий, личной гигиены и санитарии, выполнению экологических требований при работе с робототехникой, монтаже и пайке ее электронных элементов, изготовлении некоторых несуще-механических узлов и т. д.

Программа содержит сведения по истории современной электроники, информатики и робототехники, о ведущих ученых и инженерах в этой области и их открытиях с целью воспитания интереса учащихся к профессиональной деятельности, направлениям развития и перспективам робототехники.

Содержание программы реализуется во взаимосвязи с предметами школьного цикла. Теоретические и практические знания по робототехнике значительно углубят знания учащихся по ряду разделов физики (статика и динамика, электрика и электроника, оптика), черчению (включая основы технического дизайна), математике и информатике.

1-й год обучения

Тема 1. Введение. Предмет и содержание курса. Значение теоретического и практического материала программы.

  • Обсуждение тематики занятий, порядок работы лаборатории.

  • Значение робототехники для современного общества.

  • Исторические сведения.

  • Понятие о проектировании и конструировании робототехнических устройств.

  • Учебные пособия и литература, рекомендованные для освоения курса и самостоятельного изучения.

  • Знакомство с материально-технической базой. Вводный инструктаж по технике безопасности при работе с электроинструментами и приборами, питающимися от сети переменного тока.

Практическая работа. Фантазийный рисунок на тему, «Какие бывают роботы», «Робот моей мечты» и т. д.


^ Тема 2. Понятие о техническом задании.

Требования к роботам различного назначения. Понятие о технической эстетике и дизайне. Вспомогательные средства конструирования — чертежные (готовальня, чертежный прибор, шаблоны и др.), программные (знакомство с популярными программами ЗD-моделирования и конструирования).

Практическая работа. Определение технических требований при конструировании и программировании манипуляторов и простейших роботов.

Технический рисунок намеченных для изготовления роботов и их узлов.

Введение в язык программирования Robobasic. Демонстрация готовых программ


^ Тема 3. Общая структура. Способы соединения деталей и узлов робота. Общая структура и основные узлы андроидного робота. Разъемные и неразъемные, подвижные и неподвижные соединения. Электрические контакты и коммутация разъемов.

Практическая работа. Определение возможных способов соединения деталей выбранных для изготовления роботов (с помощью схем, таблиц и технических рисунков). Сборка отдельных узлов (манипуляторов, ног — по группам) из готовых деталей. Регулировка.

Программирование основных команд манипуляторов. Знакомство с отладкой программ. Модификация параметров готовых программ робота из учебного набора и анализ результатов.


^ Тема 4. Виды приводов. Электродвигатели. Сервоприводы. Обзор робототехнических приводов. Знакомство с основными видами электродвигателей и сервоприводов. Основные технические характеристики. Правила выбора оптимального типа привода.

Практическая работа. Определение и подбор двигателя (правила снятия технических характеристик). Знакомство с командами и способами программирования сервопривода. Программирование основных движений андроидного робота.


^ Тема 5. Кинематическая схема. Вращательное Движение. Редукторы. Способы передачи движения. Понятие о редукторах. Определение возможных кинематических схем. Правила расчета и сборки простейших редукторов из готовых деталей (на примере сервомотора).

Практическая работа. Подбор оптимального варианта кинематической схемы. Изготовление (при необходимости) дополнительных деталей.

Анализ и программирование простейших комплексов движений (имитация деятельности человека). Примеры: «Семафорная азбука». «Регулировщик» и т. д.

^ Тема 6. Технические расчеты. Правила расчета общей кинематики и скорости движения робота и его узлов, скорости вращения деталей.

Практическая работа. Выполнение простейших расчетов по кинематике андроидного робота. Продолжение работ по аппаратной и программной отладке модели.


^ Тема 7. Электронная схема. Микроконтроллер. Датчики. Принципиальная электрическая схема робота. Общее устройство и основы программирования микроконтроллера. Принципы устройства и описание основных видов датчиков.

Практическая работа. Модификация модели готовыми дополнительными
датчиками. Продолжение программирования модели.


^ Тема 8. Испытания робототехники. Виды испытаний. Организациями проведение испытаний изготовленных конструкций и их программ.

Практическая работа. Кинематические (ходовые) испытания. Оценка логики и замер скорости исполнения операций. Отладка программного кода.


^ Тема 9. Практикум юного робототехника.

Практическая работа. Устранение неисправностей и недоработок, выявленных в ходе испытаний робота. Совершенствование конструкции.


^ Тема 10. Техническая документация. Понятие о технической документации на изделие. Оформление документации.

Практическая работа. Оформление технической документации: технический рисунок, чертеж отдельных (дополнительных) деталей, фотография общего вида, краткая техническая характеристика. Написание пояснительной записки о назначении, принципе действия и правилах эксплуатации, описание пользовательского интерфейса.

Подготовка к итоговой выставке технического творчества. Определение роботов и программ для демонстрации. Подготовка к транспортировке, инструкции по упаковке/распаковке и т. д.


^ Тема 11. Заключительное занятие. Подведение итогов работы за истекший год. Дальнейшие перспективы.


Воспитанники I года обучения должны знать:

  • Роль и место робототехники в жизни современного общества;

  • Назначение, особенности проектирования и программирования роботов различных классов, включая андроидных.

Уметь:

  • Работать с популярными программными пакетами технического моделирования;

  • Самостоятельно проектировать и собирать из готовых деталей манипуляторы и роботов различного назначения;

  • Программировать собранные конструкции под задачи начального уровня сложности;

  • Оформлять начальную техническую документацию на готовые изделия.

2-й год обучения

Тема 1. Введение. Общие вопросы организация работы. Правила безопасности при пользовании электросетью, измерительной аппаратурой, станочным оборудование, слесарным и монтажным инструментом. Определение основных целей и направлений работы на год.

Практическая работа. Практикум по программированию андроидных роботов.


^ Тема 2. Конструирование. Некоторые особенности конструирования моделей роботов. Этапы конструирования. Общие требования к формулировке технической задачи. Анализ и уточнение конструкторского задания. Правила определения главного принципа будущего робота. Методы поиска идей технического решения. Понятие о правилах определения требований к результатам конструирования (определение главной полезной функции, функциональная пригодность, габариты, вес, шум, энергозатраты и др.). Выбор общей схемы. Предварительный дизайн. Определение требований к аппаратно-программному и его интерфейсу.

Практическая работа. Определение объектов конструирования. Формулировка конструкторской задачи. Решение практических задач по ходу конструирования выбранной схемы. Практикум по программированию андроидных роботов.


^ Тема 3. Технический расчет. Понятие об ошибках (в определении главного принципа, алгоритмические, математические, технические и др.). Методика поиска ошибок. Вычисления. Понятия о допущениях в робототехнических моделях. Виды проверок результатов вычислений: арифметическая, проверка физического смысла пределов. Анализ результатов технических расчетов. Работа с технической литературой (журналы, справочники, схемы, таблицы и. т. д.), поиск информации в Интернет (известные источники, методика поиска и т. д.).

Практическая работа. Практикум по поиску информации в заданном направлении. Выполнение технических расчетов: вычисления, проверка, анализ ошибок. Выбор и изготовление отдельных датчиков и узлов будущего робота. Продолжение проектирования аппаратно-программного комплекса.


^ Тема 4. Задачи робототехнического программирования и конструирования. Роль и место программиста и технолога в современном производстве. Понятие о программной и технологической документации.

Практическая работа. Составление блок-схем и технологических карт на конкретные детали. Изготовление деталей и программирование отдельных функций будущего робота.


^ Тема 5. Принципы организации коллективного творчества. Формирование творческих бригад. Начало специализации, распределение работы. Критерии оценки результатов коллективного творчества.

Практическая работа. Распределение работы с учетом интересов и подготовки каждого участника. Изготовление избранного работа. Сборка и регулировка отдельных узлов, отладка модулей кода. Консультации со специалистами.


^ Тема 6. Организация испытаний готовых изделий. Планирование испытаний. Организация и проведение экспериментальных исследований в кружке. Техническая документация исследователя. Подбор приборов для замера параметров роботов. Техника безопасности при проведении технических испытаний и экспериментальных исследований.

Практическая работа. Проведение испытаний и экспериментальных исследований. Работа с измерительной аппаратурой. Обобщение результатов, выводы. Оформление технической документации по результатам исследований.


^ Тема 7. Основы исследовательской работы. Знакомство с основными направлениями и принципами современных робототехнических исследований (искусственное зрение, слух, интеллект, взаимодействие робогрупп и т. д.). Выбор темы мини-исследования.

Практическая работа. Модельное решение небольших практических задач по теме мини-исследования.


^ Тема 8. Модельный эксперимент

Углубленное изучение избранной темы, сбор дополнительной информации.

Практическая работа. Модельное решение поставленных индивидуальных и групповых творческих задач в области робототехники.


^ Тема 9. Робототехнический практикум

Продолжение изготовления и отладки конструкций, доступных по сложности обучаемым второго года обучения.

Практическая работа. Монтаж узлов, программирование, проверка режимов работы устройств, налаживание и испытание. Работа над внешним дизайном роботов.


^ Тема 10. Оформление исследовательских проектов. Создание технической документации на готовое изделие. Основные требования к технической и программной документации.

Практическая работа. Подготовка технических описаний готовых роботов. Фотографирование образцов. Оформление чертежей (технических рисунков) и описаний программ. Составление пользовательских инструкций.


^ Тема 11. Подведение итогов работы

Защита индивидуальных и коллективных проектов. Демонстрация законченных конструкций. Перспективы дальнейшей работы.

Практическая работа. Отбор лучших устройств на выставку технического творчества. Выставка.


Воспитанники II года обучения должны знать:

  • правила и меры безопасности при роботе с электроинструментами;

  • общее устройство и принципы действия роботов;

  • основные характеристики основных классов роботов;

  • общую методику проектирования роботов различных классов;

  • общую методику расчета основных кинематических схем;

  • порядок отыскания неисправностей в различных роботизированных системах;

  • методику проверки работоспособности отдельных узлов и деталей;

  • основы популярных языков программирования;

Уметь:


  • самостоятельно разрабатывать кинематические, логические и электрические схемы андроидных роботов;

  • пользоваться монтажными инструментами и электроизмерительными приборами;

  • вести индивидуальные и групповые исследовательские работы;

  • самостоятельно изготавливать андроидных роботов из готовых и самодельных узлов и деталей;

  • самостоятельно программировать андроидных роботов на одном из популярных языков программирования.

3-й год обучения

Обучение в группе третьего года индивидуальное, с углубленным изучением механики, электроники, программирования. При помощи педагога воспитанник составляет индивидуальный тематический план обучения с учетом мотивов, увлечений, теоретических и практических знаний и умений, накопленных за предыдущие годы, а также материально-технической базы лаборатории.

В список устройств и комплексов, планируемых для изготовления, включаются изделия повышенной сложности: сложные андроидные модели с развитыми программами поведения, разработка систем искусственного интеллекта и робототехнических* комплексов.

Предпочтение отдается групповой работе, когда учащиеся разного уровня подготовки и избранных специализаций (роботомеханики, электроприводчики, схемотехники, программисты) объединяются работой над общим проектом.

Педагог выступает в роли руководителя проекта, главного технического консультанта, старшего товарища и воспитателя.


Воспитанники III года обучения должны знать:

  • правила и меры безопасности при работе с электроинструментами;

  • методы проектирования, сборки, налаживания, испытаний готовых устройств;

  • элементы технической эстетики;

  • основные понятия о системах автоматического регулирования и управления;

  • основы программирования роботов и роботизированных комплексов.

Уметь:


  • самостоятельно разрабатывать логические, кинематические, программные схемы андроидных роботов;

  • разрабатывать и изготавливать различные робототехнические комплексы;

  • грамотно применять электроизмерительные приборы и комплексы для наладки изготовленных роботов;

  • разрабатывать и конструировать учебно-демонстрационные пособия по робототехнике.



Примерная тематика работ

  1. Разработка, конструирование и изготовление электронных блоков с применением цифровых и аналоговых модулей.

  2. Создание моделей промышленных манипуляторов.

  3. Моделирование технического зрения, слуха, осязания и т. д.

  4. Разработка и конструирование учебно-демонстрационных пособий по робототехнике.

  5. Изготовление различных робототехнических устройств, игровых комплексов.

  6. Программирование робототехнических комплексов различной сложности.



^ Тематический план

(1 год обучения)



Тема

Количество часов

теор.

практ.

всего

1.

Введение

2

-

2

2.

Понятие о техническом задании. Основы программирования

10

12

22

3.

Общая структура робота. Соединения деталей и узлов. Принципы электрокоммутации

4

6

10

4.

Виды приводов. Электродвигатели. Сервоприводы

4

2

6

5.

Кинематическая схема. Вращательное движение. Редукторы

6

8

14

6.

Технические расчеты

4

8

12

7.

Электрическая схема. Микроконтроллер. Датчики

4

16

20

8.

Испытания робототехники

2

6

8

9.

Практикум юного робототехника

6

42

48

10.

Техническая документация

2

4

6

11.

Подведение итогов работы

4

-

4




Всего:

48

104

152

^ Тематический план

(2 год обучения)



Тема

Количество часов

теор.

практ.

всего

1.

Введение

2

-

2

2.

Конструирование

6

14

20

3.

Технический расчет

4

10

14

4.

Задачи робототехнического программирования и конструирования

8

14

22

5.

Принципы организации коллективного творчества

2

10

12

6.

Организация испытаний готовых изделий

2

2

4

7.

Основы исследовательской работы

2

4

6

8.

Модельный эксперимент

2

6

8

9.

Робототехнический практикум

16

102

118

10.

Оформление исследовательских проектов

2

4

6

11.

Подведение итогов работы

2

2

4




Всего:

48

168

216



Литература:

Книги

Основы моделирования

  1. Глинский Б. А. Моделирование как метод научного исследования. — М.: 1965. Технология

  2. Техническое творчество. Программы для внешкольных учреждений и общеобразовательных школ. — М.: Просвещение, 1978.

  3. Программа образовательной области «Технология». — М.: ВННК «Технология», 1996

Механика

  1. Артоболевский И. И. Механизмы в современной технике. — М.: Наука, 1970.

  2. Ханзен Р. Основы общей методики конструирования. — М.: Знание, 1968. Электроника

  3. Бессонов В. Кружок радиоэлектроники. — М.: Просвещение, 1993-

  4. Борисов В. Кружок радиотехнического конструирования. — М.: Радио и связь, 1989.

  5. Варламов Р. Мастерская радиолюбителя. — М.: Радио и связь, 1983.

  6. Иванов Б. Энциклопедия начинающего радиолюбителя, — М., 1992.

  7. Программы для внешкольных учреждений. Технические кружки по электронике, микропроцессорной технике. — М.: Просвещение, 1987.

  8. Фролов В. Язык радиосхем. — М.: Радио и связь, 1989.

  9. Эндерлайн Р. Микроэлектроника для всех. — М: Мир, 1989. Робототехника

Начинающим

  1. Вильяме Д. Программируемый робот, управляемый с КПК /Д. Вильяме; пер. с англ. А. Ю. Карцева. — М.: НТ Пресс, 2006. — 224 с; ил. (Робот — своими руками).

  2. Комский Д. Кружок технической кибернетики. — М.: Просвещение, 1991.

  3. Мацкевич. Занимательная анатомия роботов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь», 1988. — 128 с; ил. — (Межизд. серия «Научно-популярная библиотека школьника»).

  4. Хейзерман Д. Как самому сделать робота: Пер. с англ. В. С. Гурфинкеля. — М.: Мир, 1979.

Для углубленного изучения

  1. Асфаль Р. Роботы и автоматизация производства / Пер. с англ. М. Ю. Евстегнеева и др. —- М.: Машиностроение, 1989. — 448 с: ил.

  2. Василенко Н. В., Никитин К. Д., Пономарев В. П., Смолин А. Ю. Основы робототехники. — Томск: МГП «РАСКО», 1993.

  3. Градецкий В. Г., Рачков М. Ю. Роботы вертикального перемещения, М.: Тип. Мин. Образования РФ, 1997. — 223 с.

  4. Механика промышленных роботов: Учеб. пособие для втузов: В 3 кн. / Под ред. К. В. Фролова, Е. И. Воробьева. Кн. 3: Основы конструирования / Е. И. Воробьев,

А. В. Бабич, К. П. Жуков и др. — М.: Высш. шк., 1989. — 383 с: ил.

  1. Конструирование роботов: Пер. с франц. / Андре П., Кофман Ж.-М., Лот Ф., Тайар Ж.-П. — М.: Мир, 1986. — 360 с, ил.

  2. Ямпольский Л. С. Промышленная робототехника. - Киев: Техника, 1984.

  3. Янг Дж. Ф. Робототехника: Пер. с англ. / Ред. М. Б. Игнатьев. — Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1979. — 300 с, ил.

Популярное программирование Общие вопросы

  1. Паронджанов В. Д. Как улучшить работу ума: Алгоритмы без программистов — это очень просто! — М.: Дело, 2001. — 360 с, ил.

  2. Очков В. Ф., Пухначев Ю. В. 128 советов начинающему программисту/ В. Ф. Очков, Ю. В. Пухначев, 256,[1] с. ил., 2-е изд. — М.: Энергоатомиздат, 1992.

Бейсик для начинающих

  1. Вонг У. Основы программирования для «чайников» (+CD-ROM). — Киев: Диалектика, 2007. — 336 с/

  2. Давидов П. Д., Марченко А. Л. Бейсик для начинающих. - М.: Наука, 1994 г.

  3. Очков В. Ф., Рахаев М. А. Этюды на языках QBasic, QuickBasic и Basic Compiler — М.: Финансы и статика, 1995. — 386 с.

  4. Сафронов И. К. Бейсик в задачах и примерах. — СПб: БХВ-Петербург, 2006. -320 с.

Журналы:

Юным техникам

Юный техник

Популярно-технические

Популярная механика Техника-молодежи

Моделистам Моделист-конструктор

Радиолюбителям Радио Радиолюбитель

Веб-ресурсы:

Популярная наука и техника

  1. http://www.membrana.ru. Люди. Идеи. Технологии.

  2. http://www.3dnews.ru. Ежедневник цифровых технологий. О роботах на русском языке

  3. http://www.all-robots.ru Роботы и робототехника.

  4. http://www.ironfelix.ru Железный Феликс. Домашнее роботостроение.

  5. http://www.roboclub.ru РобоКлуб. Практическая робототехника.

  6. http://www.robot.ru Портал Robot.Ru Робототехника и Образование.

  7. http://www.rusandroid.ru. Серийные андроидные роботы в России.