Творческий проект по робототехнике «Портовый кран»

Авторы проекта: Кобяков Максим, Самсонов Николай, Глебов Егор, обучающиеся МБОУ «Гимназия № 7» СП «Аэрокосмическая школа» города Красноярска.

Руководитель проекта: Гудин Владислав Николаевич,

педагог дополнительного образования

МБОУ «Гимназия № 7» СП «Аэрокосмическая школа» города Красноярска

«Портовый кран»

Творческий проект по робототехнике для обучающихся 3-х классов

Представьте порты будущего – полностью автоматизированные, где грузы перемещаются с невероятной скоростью и точностью, без участия человека в опасных зонах. Наш проект– это первый шаг к реализации такого видения. Нами созданы не просто модели крана, а прототипы интеллектуальных систем, способных к автономной работе, которые ловко поднимают контейнеры и перемещают их.

Данный проект представляет собой разработку и создание функциональной модели портового крана, предназначенной для демонстрации принципов автоматизированных погрузочно-разгрузочных операций.

Проект демонстрирует возможность автоматизации рутинных задач, повышения эффективности и безопасности в логистических процессах, выполнения базовых операций: подъема и опускания груза, перемещения груза вдоль стрелы, а также помогает обучающимся понять, как работают сложные механизмы в реальном мире, например, на заводах или в портах.

Цель проекта: изучение и применение обучающимися 3 классов базовых концепций робототехники, мехатроники и программирования через создание управляемого механизма, имитирующего работу реального портового крана.

Задачи проекта:

-изучить принципы работы портовых кранов;

-разработать и собрать механическую часть модели;

-интегрировать электронные компоненты и системы управления в разработанную механическую модель портового крана;

-спрограммировать логику работы крана;

-провести анализ по усовершенсвованию функциональности и эффективности разработанных решений.

Материалы и оборудование: конструкторы Нuna, Знаток, микроконтроллер Arduino, драйверы двигателей, программное обеспечение.

Этапы проекта

1.Подготовительный этап

2. Конструкторский этап

3. Этап программирования

4. Этап творческого воплощения идеи

5.Итоговый этап

Краткое описание проекта

Идея проекта: создать не просто работающие модели портовых кранов, но и заложить основу для будущих разработок в области автономной робототехники, делая порты более эффективными, безопасными и экологичными.

Ключевые особенности проекта:

-конструирование основных функций портового крана: подъем/опускание груза, перемещение тележки;

-интеграция базовых принципов робототехники с программированием;

-демонстрация потенциала автоматизации в логистике.

Подготовительный этап

Прежде чем приступить к конструированию и программированию портового крана, обучающиеся знакомятся с прототипом через:

-обсуждение вопросов: "Что такое кран? Где мы его можем увидеть? Для чего он нужен?";

-просмотр коротких видеороликов и картинок, демонстрирующих работу настоящих портовых кранов с акцентом на их функции: подъем и перемещение грузов;

-обсуждение основных частей крана (стрела, кабина, основание, крюк) и их назначений;

-изучение принципов работы: как кран поднимает и перемещает грузы (использование рычагов, блоков, моторов);

-демонстрацию простых примеров: как поднять что-то тяжелое с помощью нитки и карандаша (имитацию блока);

-обсуждение, какие движения должен уметь выполнять робот-кран;

-мозговой штурм и планирование по: предложений идей: «Что нам понадобится? Какие детали?»; созданию простого эскиза или схемы будущего крана на доске или в тетради с отметкой ключевых элементов; распределению ролей или задач (если проект групповой): кто будет отвечать за основание, кто за стрелу и т.д.

Конструкторский этап

Обучающиеся разрабатывают и собирают прототипы портового крана, включающие в себя следующие ключевые компоненты:

-механическую конструкцию: основание, стрелу, подъемный механизм (лебедка), механизм перемещения груза (тележка);

-систему управления: микроконтроллер, драйверы двигателей, датчики положения (опционально);

-исполнительные механизмы: электродвигатели для подъема груза, перемещения тележки и вращения стрелы (опционально);

-программное обеспечение: алгоритм управления, реализующий последовательность действий для захвата, подъема, перемещения и опускания груза.

Предполагаемые результаты: созданы действующие прототипы портового крана, способные выполнять заданные операции и состоящего из нескольких частей:

-«Руки» крана (стрелы), которая может подниматься и опускаться, а также вращаться, чтобы достать груз в нужном месте;

-«Лебедки»- веревки с крючком, которая поднимает и опускает сам груз;

-«Тележки», перемещающей груз вперед и назад.

Этап программирования

Программирование «Мозга» крана - специального компьютера (Arduino), который получает команды и заставляет все двигатели работать правильно.

Обучающиеся составляют программу, которая направляет действия робота, когда поднимать, когда опускать, куда двигаться, т.е. учит робота выполнять определенную работу:

- с высокой точностью поднимать и опускать грузы;

-использовать гибкость перемещения: стрела крана вращается, а тележка перемещается вдоль нее, позволяя захватывать и доставлять грузы в различные точки;

-осуществлять интеллектуальное управление: разработанное программное обеспечение позволяет роботу выполнять последовательность действий, имитируя реальные погрузочно-разгрузочные процессы.

Используемые для этого технологии и компоненты:

-сердце робота: микроконтроллер Arduino, который управляет всеми движениями;

-движущая сила: набор приводов и двигателей, обеспечивающих плавность и мощность работы;

-программная логика: алгоритмы, написанные на языке программирования C++, для точного выполнения команд.

Этап творческого воплощения идеи

На этапе творческого воплощения идеи в ходе реализации проекта включены моменты обучения:

-инженерии и конструированию, где обучающиеся учатся собирать механическую часть крана из разных деталей, соединять их так, чтобы все двигалось правильно и было прочным;

-электронике: где ребята узнают, как работают моторы, датчики и "мозг" робота – микроконтроллера (Arduino), учатся подключать все эти компоненты, чтобы они «общались» друг с другом;

-программированию: когда пишутся команды для крана, чтобы он знал, когда поднимать груз, когда его перемещать, а когда опускать, обучается робот на выполнение определенных действия по инструкциям, в которых строчки кода превращаются в реальные движения робота.

Данный этап предполагает решение проблем: в процессе сборки и программирования всегда возникают сложности. Поэтому проводится работа по поиску ошибок, придумываются новые решения и доводится проект до конца. Это очень важный навык для любого инженера или изобретателя!

Как это работает: наш кран будет иметь «руку» (стрелу), которая может поворачиваться; по этой "руке" будет ездить маленькая тележка, а на ней – лебедка с крючком, которая будет поднимать и опускать груз; все эти движения будут контролироваться маленьким компьютером (Arduino), который мы запрограммируем.

В итоге создаётся действующая модель портового крана, которая сможет выполнять заданные операции.

Итоговый этап

Данный этап предполагает проектирование инновационных аспектов для дальнейших усовершенствований крана:

-продумывание модульной архитектуры: проекты портовых кранов будут разработаны с учетом возможности масштабирования и интеграции дополнительных модулей (систем машинного зрения для распознавания грузов, датчиков для предотвращения столкновений);

-использование продвинутого управления: помимо базовых движений, в модель крана интегрируются алгоритмы для оптимизации траектории перемещения груза, минимизации раскачивания и повышения энергоэффективности;

-интерфейс будущего: добавится возможность управления не только через код, но и через интуитивно понятный графический интерфейс или даже голосовые команды;

-разработку механизма «умного» захвата, способного адаптироваться к различным типам грузов.

Доработанный прототип портового крана продемонстрирует потенциал для создания полностью автономных логистических систем, способных работать круглосуточно с минимальным риском ошибок и максимальной производительностью. Это может в перспективе привести к революционным изменениям в портовой индустрии, складской логистике и других отраслях, связанных с перемещением грузов.

Используемые Интернет-ресурсы

1. https://kond-dmitrii.netfolio.ru/files/dde6449d-36be-418a-99cd-2bbd832d0f8a.pdf

2. https://videouroki.net/razrabotki/proiekt-robot-podiemnyi-kran.html?ysclid=ml7scdi34318224381

3. https://easyen.ru/load/nachalnykh/proekt/proekt_po_robototekhnike_roboport/284-1-0-74681?ysclid=ml7sbbr63424133614

Адрес публикации: https://www.prodlenka.org/metodicheskie-razrabotki/630960-tvorcheskij-proekt-po-robototehnike-portovyj-