Использование элементов компьютерной графики по курсу робототехники

За последние несколько лет (примерно с 2008-2009 года) в около 80% школ в нашей республики стали заниматься робототехникой. Начало внедрению робототехники способствовало появление роботехнических конструкторов, таких как LegoMindstorms,Roborobo,Arduino и т.д. При этом, как отмечено нами на II Всероссийской научно-практической конференции «Образовательная робототехника в дополнительном образовании детей: опыт, проблемы, перспективы» (г.Якутск, 2014 г.), в большинстве школ Робототехника преподается в виде элективных курсов или кружков.

Основной целью курса Робототехники являются: углубленное изучение основ механики и программирования автоматизированных устройств на основе роботехнических конструкторов. Преимуществом курса является повышенная мотивация учащихся, на начальных этапах воспринимающих обучение как игру. При этом важно использовать это преимущество при усложнении работы. Учитывая это, наиболее успешные учителя, планируют обучение по курсу в виде проектной деятельности.

При разработке программы обучения по курсу учитываются формирование таких компетенций как целеполагание, планирование, анализ, рефлексия, самооценка учебно-познавательной деятельности, навыки поиска и анализа информации, работы в группе. Также для преподавания Робототехники, компаниейLego предлагаются методические пособия в составе комплектов LegoEducation.

Существенной проблемой курса большинством педагогов названо отсутствие общих типовых стандартов преподавания курса. А также сложности сочетания репродуктивной и творческой деятельности у большинства учащихся. Таким образом, во многих школах преподавание курса сводится к простому копированию конструкторских решений с последующей разработкой программ управления. Результатом успешного обучения при этом служит участие школьников в соревнованиях разного уровня по робототехнике с выполнением простых упражнений как движение по траектории, выталкивание кеглей и т. д. При большой конкуренции на соревнованиях высокого уровня, таких как РобоФест, для победы нужно не только правильно собрать и запрограммировать модель, но использовать нестандартное, творческое конструктивное решение. Для этого, на наш взгляд, необходимо повышение творческой активности на занятиях робототехники. Этого можно добиться глубоким изучением основ конструирования с использованием механики и компьютерной графики.

При анализе большинства программ обучения по робототехнике можно выделить три основных тематических раздела:

Конструирование механизмов. При этом изучаются механические передачи, редукторы, шестерни, привода и маятники. Собираются колесные, гусеничные и шагающие модели.

Электрика и электроника в робототехнике. Изучается работа электродвигателей и датчиков, применяемых в робототехнике.

Программирование роботов. Изучаются основные алгоритмические конструкции в применении к управлению роботами.

В среднем на курс отводится 17-36 ч. учебного времени из которого первому разделу отводится не более 2-4 часов. Обучение при этом производится в таких программах какLegoDigitalDesigner, SR 3D Builder, LeoCad, LDraw. Это системы виртуального конструирования, позволяющие моделировать сборки с использованием готовых 3D деталей Lego. Применение виртуальных 3D конструкторов сводится к фиксированию процесса сборки модели для последующего повторения. Каждая из программ имеет свои особенности, но официально компанияLego рекомендует LegoDigitalDesigner.LegoDigitalDesigner программа для создания различных 3D-объектов на основе виртуальных деталей конструктора LEGO. Программа содержит более 700 деталей различных наборов включая LegoMindstormsNXT2,EV3,Pervorobot а также готовые конструкции в качестве руководства по сборке или для доработки. Готовые работы возможно экспортировать в графических форматах или в виде анимации.

Работая в LegoDigitalDesigner, учащиеся получают начальные навыки компьютерного моделирования, близко соприкасаясь с инженерной графикой. Однако в дальнейшем развития данных навыков по курсу робототехники они не получают. В то же время развитие чертежных навыков, в частности по основам инженерной и компьютерной графике, по курсу «Робототехника» безусловно требует расширения.

Одним из способов такого развития мы считаем изучение основ инженерной компьютерной графики с применением САПР.

В нашем колледже моделирование деталей конструктораLego проводилось в проектной деятельности учащихся с использованием пакета Компас 3D. При этом студентами выполнялось моделирование деталей конструктора в соответствии с размерами с соблюдением фасок и свойств материалов. Отдельно выполнялась сборка и конструирование движения механизмов. Особое внимание также уделялось моделированию пользовательских деталей с возможностью изготовления их на устройствах 3D печати.

Для моделирования основных деталей использовались стандартные размеры элементов конструктора опубликованные на сайте www.cailliau.org,www.i.stack.imgur.com. В приводимых размерах встречаются противоречия, обусловленные различиями в деталях разных версий конструктора.

Таблица 1. Размеры деталей Lego из сайта www.cailliau.org

Рис. 1. Размеры деталей Lego из сайта www.i.stack.imgur.com

Одной из наиболее интересных возможностей КОМПАС-3D является параметрический ввод деталей, фрагментов или чертежей, позволяющий использовать переменные и математические функции в качестве параметров детали. Выполнив детали в Компас 3D, мы заменили некоторые их параметры на переменные и математические функции для взаимосвязанных значений. Таким образом мы получили возможность изменив один ключевой параметры детали, полностью изменить ее форму. Так параметрический ввод был использован для прямой однорядной планки, крестового вала, шестерни. Возможность параметризации в программе Компас позволяет использовать в сборках гибкие детали, размеры которых можно изменить в переменных не нарушая функциональных связей в конструкции. Этот принцип использован при формировании библиотек деталей. Таким образом, используя инструменты менеджера библиотек Компас, возможно создание пользовательской библиотеки деталей или фрагментов.

Важным при параметризации является правильная последовательность операций Компас. Так при моделировании простой планки мы использовали следующие этапы:

выполнение трубки отверстия (операция вращения по заданному эскизу);

прямоугольный одномерный массив трубки вдоль планки через заданный зазор (количество шагов задали переменной К);

выполнение тела планки операцией выдавливания из эскиза по заданным размерам (высота выдавливания задается функциейf(x)=K*7,4, где 7,4 мм – ширина зазора между центрами трубок.

Сложнее выполняется зубчатая шестерня:

выполнили внешний диаметр шестерни, задав размер переменной D

выполнили внутреннее кольцо шестерни задав размеры функцией f(x)=D-5 для внешнего края и f(x)=D-7 для внутреннего

выполнили выдавливание внутреннего кольца

выполнили эскиз зуба использовав вспомогательную окружность размером D-5,2 и нижнюю сторону зуба присоединили операцией касание из панели параметризации

завершаем построение зуба операциями выдавливания и фаски

затем выполняем радиальный массив зуба с центром на оси координат и количеством шагов в виде функции f₁(x)=D*3,14/4

тело шестерни состоит из внутреннего диска с диаметром D-7 и ступицы с отверстием стандартных размеров

Используя выполненные детали, студенты выполняли виртуальные сборки в Компас. Основным условием выполнения сборки была функциональность модели, что обеспечивалось правильным сопряжением деталей. На практике студенты столкнулись с такими трудностями как невозможность выполнения дубликатов сборок с заданными параметрами. Так были вопросы «Почему нельзя выполнить зеркальный дубликат блока колеса, если левое и правое колесо идентично?» и т.д. Ответом вероятно можно считать изменение свойств сопряжения элементов сборки имеющего полярность. Еще одним требованием выполнения сборочной модели было выполнение разноса деталей. Функции разноса включены в модуль сборочных моделей Компас. В разнесенном виде можно точно увидеть весь порядок сборки.

Вариантом конструирования пользовательских деталей для Lego была разработка корпуса робота. С учетом наличия сборочной модели, моделирование корпуса заняло примерно 2 часа учебного времени. При этой работе сложностью было точно рассчитать форму в соответствии со сборкой. В перспективе предполагалось изготовление пользовательских деталей на 3D принтере. Для этого изготавливаемые детали должны быть экспортированы в универсальный формат ACIS (*.sat).

Существенным фактором мотивации при выполнении такой работы, очевидно является возможность совмещения компьютерного моделирования и практической работы с реальными деталями. Потенциал развития данной темы бес сомнения не исчерпывается на этом. В программе Компас также возможно моделирование сборочных узлов конструктора с заданными параметрами. Используя при этом собственные детали в сочетании с готовыми. Это могут быть редукторы с заданным передаточным числом, червячные, фрикционные или ременные передачи, храповые механизмы и т. д. Использованием систем проектирования при этом, дает возможность не только наглядно-практического изучения механических конструкций, но и получение навыков инженерного документирования подобных разработок.

Литература

1.Большаков В.П. Создание трехмерных моделей и конструкторской документации в системе КОМПАС-3D. БХВ-Петербург, 2010

2.Образовательный сайт: http://www.kompas-edu.ru

3.Сайт АСКОН: http://www.ascon.ru

4. Конвертация файлов КОМПАС-3D в формат AutoCAD: www.sapr-journal.ru/uroki-autocad.

5. Программы LEGO. http://www.lego-le.ru/mir-lego/programmi-lego.html

6.Lego: Dimensions. General Considerations www.cailliau.org

7. LEGO® Answers beta http://bricks.stackexchange.com

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/176970-ispolzovanie-jelementov-kompjuternoj-grafiki-