Возможности и перспективы преподавания робототехники

Утверждено на Педагогическом Совете ГБУ ДПО СО «Сергиевский РЦ»

Протокол № ____ от ___________

Методические рекомендации

«Возможности и перспективы

преподавания робототехники»

Составитель:

Аргунова Е.В., методист

ГБУ ДПО СО «Сергиевский РЦ»

Сергиевск 2017

Содержание

Глава 1. Возможности и перспективы преподавания робототехники. 3

1.1. Введение. Робототехника. 3

1.2. Учебный план. 7

1.3. Система оценки. Состязания. 11

Глава 2. Основы конструирования 14

2.1. Знакомство с конструктором. 14

2.2. Механическая передача. 16

Глава 1. Возможности и перспективы преподавания робототехники.

Введение. Робототехника.

Что такое робототехника?

Робототехника – прикладная наука, занимающаяся разработкой автоматизированных технических систем. Робототехника опирается на электронику, механику, кибернетику, информатику и другие дисциплины. Когда мы изучаем робототехнику в школе, мы можем говорить о том, что в неё входит физика, математика, информатика или программирование. Осваивая эти науки, школьники могут интегрировать их вместе и получить совершенно новый результат.

Немного из истории: Сам термин «Робот» появился в 1920 году и ввёл его Карел Чапек «Россумские универсальные роботы» (РУР), тогда робот был представлен как человекоподобная машина, восставшая против людей и причинившая немало зла. В 1941 году появился термин «Робототехника». Его ввёл Айзек Азимов в рассказе «Лжец». Он же разработал 3 закона робототехники и по этим законам робот стал более послушным и доброжелательно относящимся к человеку. 1942г. – Айзек Азимов «Хоровод».

Несмотря на то, что робототехника зародилась вXX веке, первые попытки сделать робота относились ещё к 400г. до н.э., а может быть и раньше. Люди пытались создавать механических птиц, животных и даже подобных себе людей.

Основные виды роботов:

- Стационарные. Чаще всего используются в промышленности. Это роботы манипуляторы, задачей которых является перекладывание предметов с места на место.

- Мобильные. К ним можно отнести следующих роботов:

Колёсные;

Гусеничные (для трудно проходимой местности);

Шагающие;

Ползающие (для шпионских целей);

Летающие;

Плавающие.

Области применения робототехники:

Промышленная робототехника. Здесь чаще всего применяются роботы-манипуляторы, которые заменяют человека на монотонном или очень тяжёлом труде, либо в таких областях, где человеку находится опасно. К этой области также можно отнести экстремальную робототехнику. Например, ликвидация аварии с радиационным или химическим загрязнением, ликвидация опасных предметов оставленных террористами, а так же может быть ликвидация или пленение самих террористов.

Военная робототехника. Вполне возможно, что в недалёком будущем воевать будут не люди, а роботы между собой. Военные роботы сейчас всё больше и больше заполняют пространство. Это и водные роботы (которые патрулируют водное пространство), летательные аппараты, наземные роботы (которые обладают различными видами вооружения, сами находят цель, но пока что принятие решения о поражении цели оставляют человеку, с которым связываются по радио каналам).

Космическая робототехника. Очень дорогая и чрезвычайно новая эффективная область. Первые роботы, появившиеся в космосе, сами космические корабли, луноходы, марсоходы и другие устройства, которые высаживаются на космические тела. Это могут быть и роботы манипуляторы на поверхности космических кораблей, многие роботы действуют внутри.

Персональная робототехника. Взаимодействие робота с человеком начинает приобретать самые различные формы. Роботы появляются в доме, на улице, на работе. В недалёком будущем нас ожидает бум в робототехнике и значительное увеличение.

Логистическая робототехника. Используется для перемещения товаров на складах, морских портах и др. местах. Сейчас это становится всё более актуально.

Принципы управления. Управление с прямой связь. Управляющий объект передаёт команды объекту управления и не дожидается результатов их выполнения, независимо выполнена команда или нет. Естественно с таким типом управления трудно достичь желаемого результата, поэтому чаще всего используется управление с обратной связью. Т.е. от управляющего объекта поступают команды к объекту управления, а объект управления сообщает по обратной связи о своём состоянии управляющему объекту.

Стоит сказать несколько слов об искусственном интеллекте. Определим его как – аппаратное и программное моделирование интеллектуальных видов человеческой деятельности. Области применения ИИ:

- экспертные системы;

- базы знаний;

- машинное обучение.

В этих областях робот или компьютер накапливает данные, строит правила, накапливает знания и будущее решение принимает на основе полученного опыта.

Так же можно отнести к ИИ:

- техническое зрение, которым робот распознаёт объекты, сравнивает их с имеющимися в своей базе данных, а так же строит картину реального окружающего мира, например с помощью трёхмерных датчиков.

- распознавание речи и перевод с одного языка на другой. Такими сервисами сейчас может воспользоваться любой человек через интернет. В будущем, скорее всего, каждый робот будет оснащён доступам к этим сервисам и сможет отвечать человеку на достаточно сложные вопросы, просто обращаясь в сеть интернет. Когда робот отвечает человеку, естественно хотелось бы, что бы он это делал не железным голосом, монотонным, а с эмоциональной окраской.

- моделирование речи с эмоциональной окраской. Это тоже элемент ИИ. Смоделировать такую интонацию речи, чтобы она была приятна уху не так-то просто, и будем надеяться, что в будущем эта проблема так же будет решена.

- стратегическое планирование в больших масштабах. Раньше этим занимались люди, а сейчас всё больше и больше отдаётся на откуп компьютерам и роботам. Возможно, что в будущем многие сферы человеческой деятельности будут планироваться исключительно с помощью компьютеров.

- системы с адаптивным управлением, в которых робот попадает в новые условия и принимает решение о том, как лучше действовать в этих условиях, адаптируется к ним.

Теперь рассмотрим базовые понятие, на которых строится робот:

Механизм – с одной стороны это устройство, с помощью которого человек может выполнять работу. Например, лопата или экскаватор. Но с точки зрения роботов – это внутреннее устройство машины, обеспечивающее её работу. Сам по себе механизм сделать ничего не может. Для того чтобы система работала эффективно, требуется программа. Устройство, которое выполняет работу самостоятельно, по заложенной внутрь программе уже называется автомат.

Автомат. А если есть обратная связь, по которой автомат получает информацию об окружающей среде, либо о своём собственном организме, то это можно было бы назвать автомат с обратной связью. Робот – это в некотором смысле тоже автомат с обратной связью и элементами искусственного интеллекта в программе робота.

Рассмотрим структурную схему робота. Во-первых, это контроллер с программой, в ней могут присутствовать элементы ИИ, контроллер подаёт команду исполнительным элементам, скорее всего это моторы. Моторы взаимодействуют с окружающей средой, каким-то образом изменяют её, либо изменяют положение робота по отношению к окружающей среде и об этом узнают датчики. Датчики называются чувствительными элементами. Они передают информацию в контроллер и цикл замыкается. Весь этот цикл операции может происходить с огромной скоростью. Несколько тысяч раз в секунду. В результате мы можем получить очень точное и аккуратное управление. Собственно это и есть структурная схема робота.

Учебный план.

Базовый курс. Основы робототехники 5-7 класс. Этот курс может быть проведён в рамках предмета «Технология» из расчёта:

2 часа в неделю (1 занятие)

68 часов в год

204 часа за 3 года

2 часа имеет смысл объединять в 1 занятие, так чтобы ребята успевали, и поработать с компьютером, и сконструировать, и разобрать своего робота, и сдать конструктор преподавателю. В таком режиме на 2х часовом занятии школьники не будут уставать, поскольку смена деятельности это и есть отдых.

Одно занятие включает: программирование, конструирование, отладка, сдача набора.

Итак, рассмотрим основные программы за 3 года обучения. Сразу нужно обратить внимание, что курс робототехники необходимо подкреплять курсом информатики, который и так необходим в основной школе, но в данной ситуации мы рассматриваем робототехнику в плотной связке с информатикой и математикой. Робототехника: информатика+математика+физика.

Программа 1 года обучения (5 класс).

1 четверть в основном посвящается конструированию. Сначала мы знакомимся с названием деталей и основными способами их крепления. Следующий этап и самый важный – механическая передача. Расчёт передаточного отношения совпадает по времени с тем периодом, когда пятиклассники изучают обыкновенные дроби. Совпадение двух тем курсов мотивирует их на более тщательное изучение и того другого.

- электродвигатели и построение силовых механизмов. Для роботов сумо или роботов тягачей проводятся специальные соревнования по перетягиванию каната или выталкивание противника из круга.

- возвратно-поступательное движение. Мы строим шагающих одномоторных роботов, которые двигаются по прямой, либо поворачивают с помощью только механических конструкций.

- маятник Капицы.

Построив все эти конструкции, ребята получают достаточный опыт в конструировании, который им пригодится в решении последующих задач. Так же необходимо отметить, что в курс конструирования полезно добавить элементы 3D моделирования. Среды моделирования с конструкторами Lego очень хорошо годятся для этой задачи и позволяют простыми средствами достичь хороших результатов. Одновременно с курсом робототехники рекомендуем ввести курс информатики, например с помощью учебника А. Дуванова «Азы информатики». 1 часть – «Знакомимся с компьютером». 2 часть – «Работаем с информацией». Итак, когда курс конструирования завершён, мы переходим к управлению роботом.

2 – 4 четверть. Управление роботами. Графическая среда программирования.

Здесь мы осваиваем базовые команды, действия и ожидания. Учимся программировать простые перемещения роботов, использование датчиков и применение алгоритмических конструкций. Самой сложной частью курса является использование регуляторов управления. В 5 классе школьники изучают релейный и пропорциональный регуляторы. Ничего сложного из себя они не представляют, какие-то формулы с вычитанием и сложением, но что кроется за множителями и разностями понять пятикласснику не так уж и просто. Поэтому мы решаем большое количество задач на применение таких алгоритмов. В конце 5 класса мы проводим зачёт, он похож на экзамен. Школьники тянут билет в каждом, из которого описан робот, которого надо и сконструировать и запрограммировать, не пользуясь шпаргалками. Сдав такой зачёт, пятиклассники полноценно завершают первый год обучения и готовы к продолжению в 6м классе.

Программа 2 года обучения (6 класс).

В курсе второго года обучения решаются более сложные задачи с составными алгоритмами и конструктивными решениями, которые помогают решить задачу более эффективно. То, что в 5-ом классе разбивалось на несколько задач и решалось по отдельности в 6-ом, может быть объединено в одно. Здесь и активное использование подпрограмм и параллельные задачи и переменные. Кроме того, в курсе информатики 6-го класса мы рекомендуем сделать упор на алгоритмику и применять среды программирования исполнителей.

Составные алгоритмы:

- конструктивные решения;

- подпрограммы;

- параллельные задачи;

- переменные;

- алгоритмика.

Среды программирования исполнителей:

- К.Ю. Поляков «Исполнители» (робот, черепашка, чертёжник). Они программируются на русском языке и дают школьникам достаточное представление о существующих алгоритмах.

Самым сложным и интересным этапом курса алгоритмики можно было бы назвать программирование робота в трёхмерной среде CeeBot. Эти роботы программируются на языке похожем на С++ и в них можно применить и алгоритмы управления и какие-то базовые простые команды.

В конце 6-го класса мы точно так же устраиваем зачет, в котором школьники тянут билеты и строят роботы в соответствии с заданием.

После второго года обучения, графическое программирование заканчивается.

Программа 3 года обучения (7 класс).

Первое полугодие 7 класса – это только текстовое программирование роботов в среде RobotC. Помимо повторения алгоритмов прошлых лет, ребята осваивают массивы, файлы, удалённую связь и множество интересных задач, например Рекурсивное построение Ханойских башен или управление манипулятором. Освоив курс RobotC, школьники переходят к проектной деятельности.

2-е полугодие посвящено проектной деятельности. Учащиеся разбиваются на группы по 2-3 человека, придумывают тему своего проекта, могут взять предложенную учителем или могут воплотить свою мечту. Исследуют интернет на наличие аналогов и приступают к планированию проекта. Сам этап планирования может занять месяц, а то и больше. Но когда всё готово к созданию, процесс идёт очень быстро и захватывающе. Созданные проекты представляются на научных конференциях для школьников. Представив проект на конференции и получив диплом I,II и III степени ученик может считать себя успешно выполнившим заданием по программе 7-го класса, это приравнивается к сдаче зачёта. Конечно защита проекта это важная часть, но не завершающая. Завершающей частью является последовательная сдача всех материалов проекта. Видеоролик, набор фотографий, презентация, доклад, 3D модель, сделанная среди графического моделирования и многое другое. В итоге мы получаем совершенно новый опыт применения всех знаний и умений, полученных за предыдущие годы.

2-е полугодие. Проектная деятельность.

Выбор темы

Обзор аналогов

Планирование

Создание проекта

Выступления на конференциях

Зачёт – защита проекта

Сдача материалов проекта

1.3. Система оценки. Состязания.

Здесь мы рассмотрим систему оценки знаний и мотивацию к состязаниям. В предыдущем разделе мы уже касались темы зачётов в процессе обучения. Все проверочные, самостоятельные работы и зачёты очень полезны. Но надо иметь в виду, что в 10-12 лет ребёнок обладает колоссальной любознательностью и стремлением к творчеству, этим можно воспользоваться для общей пользы. Каким образом? Очень просто! Проводить соревнования, которые будут подкреплять учебный процесс, которые не будут являться обязательными, но, несомненно, будут собирать огромное количество участников. Начиная от соревнований в рамках одного занятия и заканчивая окружными, областными, всероссийскими и всемирными соревнованиями. Обращаю внимание, что далеко не каждому ребёнку необходимо выиграть самые большие соревнования, которые только возможны, иногда достаточно просто выступить, почувствовать азарт, вкус участия и, если повезёт, вкус победы.

Итак, давайте рассмотрим, какие соревнования мы проводим в процессе нашего обучения:

- 1-е полугодие (1 год обучения) начинается с конструирования и в декабре мы вводим 1 из 2 видов соревнования, это либо механическое сумо, либо перетягивание каната. В обоих случаях роботы двигаются прямолинейно, либо навстречу друг другу, либо друг от друга и стремятся вытолкнуть соперника с занимаемой позиции. Здесь практически нет программирования и могут даже использоваться не совсем роботы, а просто механизмы с электроприводом. Но как только ребята начинают изучать управление роботом, сразу появляются 2 новых вида соревнований. Это следование по линии для начинающих и кегельринг для начинающих. В таких соревнованиях, как и в предыдущих видах, участвуют только ребята первого года обучения. В кегельринге робот выталкивает кегли за пределы чёрного круга, ну а в следовании по линии мы применяем по началу очень простой релейный регулятор, который позволяет запустить робота с одним датчиком и он доедет до финиша.

- 2-е полугодие (1 год обучения) появляются более сложные виды соревнований, когда мы проходим подпрограммы. Ребята осваивают лабиринт по правилу правой или левой руки. Робот с помощью датчиков расстояния или касания находит выход из лабиринта. Алгоритм достаточно простой, классический и позволяет достаточно быстро начать участвовать в соревнованиях. Ещё можно предложить ребятам много различных видов, например, во втором полугодии могут появиться шагающие роботы, которые конструктивно тоже двигаются прямолинейно, как и силовые, но могут пройти по коридорчику отталкиваясь от стенок и даже может сбить какие-то предметы. Одним из самых популярных видов соревнований является Интеллектуальное сумо (15*15). Как только ребята понимают конструктивную часть механического сумо, освоили алгоритмы кегельринга, они соединяют это воедино и получают достаточно интересное и популярное (и в России и в Европе) Сумо 15*15, ещё его иногда называют Lego Сумо. Одним из самых массовых видов соревнований является Футбол управляемых роботов (Bluetooth – NXT-Remote). Его можно организовать с помощьюbluetooth управления между двумя контроллерами, либо с помощью простых программ, которые запускаются на смартфоне или ноутбуке, таких как NXT-Remote, и управляют роботами удалённо по bluetooth. В таких состязаниях ребята принимают участие 3*3 робота или 5*5 роботов, и это, несомненно, вызывает ажиотаж не только у самих участников, но и у родителей и у преподавателей.

- 3-е полугодие (2 год обучения) мы осваиваем сложное управление, которое может быть двухсоставным, т.е. робот одновременно выполняет две задачи. Например, он движется по линии и одновременно объезжает предметы находящиеся на линии. Это соревнование – Слалом. На линии стоят кегли, такие же какие используются в кегельринге. Тут требуется чуть более сложное программирование, ну а конструктивно просто добавляются дополнительные датчики. Аналогичным видом соревнования является Инверсная линия и кегельринг квадро, который проводится на том же поле, что и кегельринг, просто добавляются чёрные кегли, которые запрещено выталкивать. В теме с использованием элементов конструирования и регуляторов, появляется более скоростная линия. Это уже линия для продолжающих в ней, в роботе, есть шестерёнки. Тут не обойтись обычным релейным или пропорциональным регулятором, который ребята изучают в 5 классе, и требуется пропорционально дифференциальный регулятор. Кроме того, гонки шагающих роботов могут получить новое продолжение в виде марафона шагающих роботов, где они должны двигаться по линии. Тут требуются более сложные конструкции с возможностью поворота и чуть более сложные алгоритмы.

- 4-е полугодие (2 год обучения) появляются более сложные регуляторы и такие соревнования, как Дорога-2, где роботы-судьи движутся по линии и участник должен их объехать, оставаясь при этом на линии. Соревнования Кегельринг-макро, которые продолжают тему Кегельринг-квадро. Появляется интересный вид Ралли по коридору, где роботы с рулевым управлением двигаются по длинному коридору со стеночками. Соревнования Манипуляторы, сейчас они становятся всероссийскими и в теме 6 класса как раз попадают на тему роботы-манипуляторы. Ну и в теме коллективного управления появляется интересный вид Эстафета с взаимодействием роботов, где двигаясь по линии, роботы должны передавать друг другу кеглю и дальше преодолевать определённые препятствия в одиночку.

- 5-е полугодие (3 год обучения). В 7 классе, на 3 году обучения, когда учащиеся начинают осваивать текстовое программирование на языке Робот-си, появляются более сложные задачи. Такие как: Линия профи, Гонки балансирующих роботов, где уже используются пид регуляторы, Лабиринт туда и обратно, где возможно запоминание лабиринта в массив, ну и интересный вид соревнований – Футбол автономных роботов, пожалуй, самый сложный из существующих видов соревнований и имеющий постоянное развитие.

- 6-е полугодие (3 год обучения). Здесь школьники осваивают творческие проекты. Мы начинаем с планирования, затем подготавливаем проект, выступаем на конференциях и в конце сдаём материалы проектов, которые были созданы в процессе работы.

Этот цикл соревнований, трёхгодичный, может быть аккуратно распределён на всё время обучения и не создавать перегрузки для детей. Может быть, эмоциональная перегрузка и физическая, потому что соревнования, несомненно, конечно же, вызывают некий стресс, поэтому необходимо создавать из них праздник. Для проведения соревнований разработан специальный открытый механизм, называется РобоФинист (robofinist.ru). На этом портале возможно открытие регистрации на соревнования, проведения их по каждому виду соревнований, судейство (каждый вид соревнования обладает своими формулами судейскими) судьи могут вводить результаты просто в компьютер, или планшет и они сразу появляются на сайте и в конце печать дипломов победителей.

Глава 2. Основы конструирования

2.1. Знакомство с конструктором.

LegoMindstormsNXT 9797. Под крышкой конструктора нас ожидает две карточки с указанием количества деталей, их изображением и расположением в ячейках. Оранжевый пенал наполнен деталями Лего Техник, а под ним находится другой, белый пенал наполненный электроникой, проводами и колёсами. Когда дети приходят на урок робототехники они думают, что знают о Лего всё. Для них будет приятным сюрпризом обнаружить, что есть ещё очень много интересного и неизведанного. Здесь не хочется разочаровывать ребят и превращать сразу Лего в цифры и формулы, поэтому мы начинаем с фантазии. Первым делом решим такую задачу, из небольшого количества деталей нужно построить фантастическое животное. После построения, следующий этап заключается в том, чтобы кто-то из других ребят построил такое же животное, не глядя на него и не зная как оно сконструировано, а автор должен рассказать ему как сконструировано (как-бы по телефону), какие детальки нужно взять и к какому месту прикрепить. Получится очень забавно. В конце занятия следует спросить детей: «Почему так получилось? Что было самым трудным?» Ответ всегда бывает один: «Мы не знаем как называются детали, поэтому не можем друг другу объяснить». И это хорошая мотивация для того, что бы познакомиться с названиями деталей. Основная деталь конструктора «Балка». Балка с отверстиями и расстояние между центрами двух отверстий называется модулем, это единица измерения конструктора. Балки бывают гладкие и с выступами. Если взять две балки с одинаковым количеством отверстий (15), то гладкая называется 15-ти модульной, а с выступами 16-ти модульной. Так же в модулях измеряется длина осей. Оси имеют специфическое крестообразное сечение и они достаточно свободно вращаются в отверстиях и позволяют закреплять на себе шестерёнки или зубчатые колёса. Шестерёнки стыкуются между собой определённым образом и это будет отдельный блок. Очень важная деталь называется «Штифт». Штифты позволяют соединять между собой балки (свободно в виде шарнира, либо жёстко, с двумя точками крепления), скрепляя балки таким образом можно получить достаточно длинную и прочную конструкцию (шпага, башня). Если дать задание ребятам построить за один урок башню, они могут построить башню высотой до 2х метров, но здесь действует правило: можно использовать детали только одного конструктора. Потребуется достаточно инженерной смекалки, для того, чтобы эта башня стояла и не падала, потому что по второму правилу нельзя держать её рукой и упирать её ещё куда-либо. В этот момент мы переходим от скучного домашнего лего уже к серьёзному инженерному конструированию и через некоторое время с ребятами можно будет решать гораздо более сложные задачи.

2.2. Механическая передача.

Сейчас мы с вами познакомимся с механической передачей и построим простейший редуктор, который обеспечит нам понижение скорости вращения и увеличения силы. Для этого используем 16-ти модульные балки, чтобы построить Козлы (Козлы – основа для построения учебной механической передачи), на них будет размещена наша механическая передача. Балки скрепляем пластинами 2*4 и 1*4(рис.1) и устанавливаем на ножки из изогнутых балок (рис.2), чтобы приподнять всю конструкцию над землёй, балки крепим на 2 штифта. Ведущая ось – это ось, которая получает вращение либо от двигателя, либо от руки человека. На ней установим ведущую шестерёнку, она будет восьмизубая и рукоятку, а с обратной стороны закрепим втулкой и поставим специальный фиксатор, который покажет нам сколько оборотов мы сделали. Следующая ось называется ведомая, на ведомой оси разместим 24 зубую шестерню и с другой стороны такой же фиксатор. В первом случае мы использовали восьмимодульную ось, во втором 6-ти модульную, для того чтобы увидеть как вращаются оси и с какой разностью скоростей. Давайте посмотрим, для того чтобы ведомая ось сделала один полный оборот, требуется три полных оборота ведущей оси.

Это легко рассчитать по формуле передаточного отношения:

Передаточное отношение рассчитывается как отношение диаметра ведомой шестерни и диаметра ведущей шестерни, но нам трудно посчитать диаметр, поэтому проще заменить это на количество зубчиков. Легко доказать пропорциональную зависимость между двумя этими величинами. Таким образом, разделив 24 на 8, мы получим отношение 3 к 1:

Если мы изучаем это в пятом классе, то это тот период, когда дети едва начинают изучать обыкновенные дроби. Можно было бы говорить 3 целых или 3 первых, но поскольку мы говорим о передаточном отношении, то мы сохраняем термин 3 к 1. Так же если мы построим отношение в обратную сторону получим 1 к 3.

Теперь попробуем увеличить количество зубчиков на ведомой шестерёнке замен 24-х зубую на 40-ка зубую. Проверим количество оборотов (1, 2, 3, 4, 5). Для одного оборота ведомой оси требуется пять оборотов ведущей.

Отношение рассчитывается так же. Z2 количество зубчиков ведомой делить наZ1 количество зубчиков ведущей шестерёнки. 40 к 8 получаем 5 к 1. Это одноступенчатая передача и теперь мы можем провести так называемый «смертельный поединок» между двумя участниками процесса. Один человек держится за рукоятку и вращает её, второй пытается удержать её за фиксатор на ведомой оси и это скорее всего у него не получится, потому что сила возрастает во столько же раз, во сколько падает скорость. Таким образом механическая передача позволяет нам изменить сразу две величины: понизить скорость и увеличить силу.

Если мы поменяем местами шестерёнки, получим прямо противоположный эффект. На ведомую ось устанавливаем малую шестерёнку, на ведущую большую. Один оборот ведущей оси приводит к 5 оборотам ведомой оси. Если мы проведём ещё один поединок, то мы увидим что побеждает ведомая ось, потому что на ней мы повысили скорость, но понизили силу. Соответственно приходится прилагать дополнительные усилия в 5 раз больше на ведущей оси, чтобы сравняться силами.

Это была одноступенчатая передача, мы можем попробовать использовать большее количество шестерёнок, но тут нас ожидает интересный эффект. Во-первых, если мы поставим подряд несколько шестерёнок, то и скорость и сила могут остаться прежними. Например устанавливаем на ведущей оси 24 зубчика, на финальной ведомой тоже 24, а между ними 8. Если мы начнём вращать такую передачу, то видим что скорость и направление сохраняются. Промежуточная шестерёнка вращается в противоположном направлении, но с другой скоростью.

Не трудно построить отношение двух пар шестерёнок по которому мы увидим, что сокращается количество зубчиков в промежуточной шестерёнке, таким образом она не влияет на результат передаточного отношения и называется паразит. Паразитные шестерёнки не влияют на передаточное отношение. Все шестерёнки которые будут выставлены в цепочку между ведущей и ведомой осями, называются паразитами и не влияют на передаточное отношение.

Для того, чтобы использовать шестерёнки более эффективно, необходимо построить многоступенчатую передачу. Возвращаем исходную конструкцию. Ведущая будет восьмизубая, а на ведомой вместо втулки, так же устанавливаем восьмизубую шестерёнку и стыкуем с ней ещё одну 24-х зубую. Закрепляем втулкой. Мы получили, что для одного оборота ведомой оси необходимо выполнить 9 оборотов ведущей.

Как это рассчитывается. Перемножается каждая пара отношений. Z2 делим на Z1 (первая пара), Z4 делим на Z3 (вторая пара отношения количества зубчиков на шестерёнках).

Если пятиклассники ещё не проходили обыкновенные дроби, то им возможно будет трудно найти их произведение или сократить. Мы используем всего несколько видов дробей и достаточно лёгких. Таким образом это будет пропилептикой курса обыкновенных дробей в математике, а если же они это уже прошли на математике, то хорошим закреплением. Итак мы получили двухступенчатую передачу. Мы могли бы изменить передаточное отношение, например на 15 к 1. Для этого заменяем на ведомой оси 24-х зубую шестерёнку на 40-ка зубую. Получаем новое отношение 40 к 8 и 24 к 8. В 15 раз замедляется ведомая ось.

Следующая передача которую следует построить – это 3-х ступенчатая. Вернёмся к конструкции двухступенчатой передачи с отношением 9 к 1. Нам придётся сдвинуть на самый край ведущую ось, для того чтобы конструкция поместилась вся. Первые две ступени почти совпадают, но затем, на второй ступени, между балками мы можем добавить третью восьмизубую шестерёнку и состыковать с ней третью 24-х зубую опять таки внутри, самый надёжный способ крепления. Теперь для одного оборота ведомой оси, необходимо выполнить 27 оборотов ведущей. Мы получили передаточное отношение 27 к 1. Которое рассчитывается из трёх пар передаточных отношений на каждую ступень.

Используя эти принципы можно предложить детям замечательную задачу построить редуктор с максимальным передаточным отношением из всех шестерёнок набора. Если при этом ещё использовать ременную передачу, со шкивами резиночками, червячную передачу и даже колёса, то можно достичь огромных чисел.

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/291870-vozmozhnosti-i-perspektivy-prepodavanija-robo