Различия принципов конструирования RIS и NXT
Хотя система NXT и была разработана, чтобы усовершенствовать RIS, многие приверженцы старой системы, как это часто случается, были сначала недовольны некоторыми изменениями. Одна из претензий была связана с новым типом строительных деталей в системе NXT (детали без выступов). В RIS большинство строительных элементов похожи на обычные строительные блоки Lego, у них есть выступы или шипы (такие маленькие круглые части, которое выпирают на верхушке деталей, придавая им классический вид Lego). Строительные детали системы NXT практически все относятся к серии Technic и не имеют выступов. Кстати говоря, вы можете услышать, как многие пользователи говорят о «гладком» конструировании, имея ввиду именно эти новые детали серии Technic! Однажды привыкнув к конструированию с использованием деталей с выступами, может быть, сложно перейти к «гладкому» конструированию. Однако, скорее всего, вы обнаружите, что на самом деле оно упрощает построение более сильных и гибких конструкций.
Конструирование с деталями Technic действительно улучшает модели; детали крепче соединяются друг с другом и благодаря разнообразию их форм NXT-наборы предлагают много новых модификаций в форме роботов.
Используя RIS, пользователи часто жаловались, что модели выглядят коробкообразно, и «квадратные» роботы были нормой, так как строились с помощью стандартных кирпичиков Lego (а они прямоугольные). Роботы NXT, напротив, могут иметь различные формы, и пользователи на самом деле получают удовольствие, создавая уникальный, никем не виданный дизайн. Кроме того, роботы NXT выглядят более похожими на реальных роботов.
|
|
|
Другой причиной жалоб была хрупкая природа роботов на базе RCX. Многих из них постигла неприятная судьба: в результате падения с высоты стола роботы разбивались вдребезги на дюжины или даже сотни кусочков. Этого больше не повторится! Детали NXT Technic более шершавы и крепко держатся вместе; они, конечно, разъединятся, если робот будет сброшен с достаточной высоты, но все равно скрепляются вместе намного лучше своих предшественников.
В общем и целом работа с деталями Technic достаточно легка для понимания, крепление деталей и создание новых моделей происходит довольно быстро.
Первая игра: фантастическое животное
Эта игра очень проста. Участвуют двое. Надо разделить часть имеющихся деталей на два одинаковых комплекта (чем младше участники, тем меньше деталей в комплекте). Один игрок втайне от второго строит из своих деталей некое фантастическое животное. Затем второй игрок берется за свой комплект. Оба отворачиваются друг от друга и второй игрок под диктовку первого строит копию этого фантастического животного, ни разу не взглянув на него. А первый тоже не должен видеть, что делает второй. К концу строительства обе конструкции сравниваются (рис. 2.1). Во втором раунде игроки меняются ролями.
|
|
|
Рис. 2.1. Не все пары получаются похожими, но что-то в этом есть.
Интереснее всего будет зрителю, который наблюдает со стороны. «Возьми серую загогулину, в которой по четыре дырочки. Прикрепи к ней оранжевый зуб с помощью синей палочки…» — это самое понятное из того, что можно будет услышать в ходе игры. Вывод напрашивается сам собой. Чтобы понимать друг друга, надо знать названия деталей. К сожалению, эти названия не прилагаются к конструкторам и доступны только в методических пособиях. Но часть из них мы все-таки публикуем в Приложении 1.
Высокая башня
Долго рассказывать о способах крепления деталей бессмысленно, надо сразу начинать конструировать. Первая самостоятельная задача, которую стоит поставить перед начинающим робототехником, — это строительство высокой башни из всех возможных деталей конструктора. Возможно, до потолка. Правда, было замечено, что при высоте более одного метра башня начинает терять равновесие, падать и разваливаться. В связи с этим стоит принять за правило не вешать микроконтроллер на саму верхушку. Это понятно: шпиль должен быть легким, а основная масса сосредоточена внизу. Для того чтобы создать устойчивую конструк-
|
|
|
цию, волей-неволей придется пе- репробовать многие способы Рис. 2.2. Лишь бы не упала! крепления деталей (рис. 2.2).
Механический манипулятор
Эту игрушку можно назвать по-разному. Иногда на ее конце располагается голова клоуна, которая внезапно высовывается из потаенного ящичка на большое расстояние. Иногда она похожа на длинную свернутую трубочку — «тещин язык», которая выпрямляется с противным свистом. Иногда на конце располагается маленькая боксерская перчатка. Добавим игрушке немного функциональности и назовем ее
Рис. 2.3. «Хваталка», созданная из старинного набора «Простейшие машины и механизмы».
механическим манипулятором или просто «хваталкой». И постараемся сделать ее как можно длиннее (рис. 2.3).
Опишем требования к конструкции:
хватательный механизм должен иметь минимальную длину в
сложенном состоянии и максимальную в разложенном; у механизма долж-
но быть две ручки, как у щипцов, и многоколенчатое соединение, ведущее к хватательной части; изобретатель дол-
|
|
|
жен суметь взять с помощью «хваталки» некоторый предмет (например, колесо из набора) и перенести его с места на место.
Начальный этап соз- Рис. 2.4. Серые штифты и бежевые штифтыдания конструкции прост: полуоси предназначены для вращения, а шарнирные соединения с черные и синие – для фиксации [3].
помощью штифтов в трех
точках на каждой из используемых балок: посередине и по краям. Здесь обратим внимание на типы используемых штифтов. Часть из них гладкие, а другие имеют небольшие ребра для фиксации в отверстиях
(рис. 2.4).
Конечно, в нашей конструкции лучше использовать гладкие, пусть даже трехмодульные детали, поскольку штифты с фиксатором затрудняют вращение вокруг них. Но они не блокируют движение полностью, поэтому при отсутствии достаточного числа гладких фиксирующие штифты тоже подойдут.
Рис. 2.5. Задача для механического манипулятора — сложить пирамидку из колес и переместить ее с места на место.
На втором этапе необходимо соорудить хватательную часть, которой будут удерживаться предметы (рис. 2.5). А третий этап — научиться пользоваться манипулятором только одной рукой. Оставляем это для фантазии читателя.
Механическая передача
Важнейшей частью почти каждого робота является механическая передача. В разных конструкторах предлагается несколько ее видов: зубчатая, ременная, цепная и др. Передача бывает необходима, для того чтобы передать крутящий момент с вала двигателя на колеса или другие движущиеся части робота. Довольно часто требуется передать вращение на некоторое расстояние или изменить его направление, например на 180 или 90 градусов.
Передаточное отношение
При всякой передаче существенную роль играет особая величина — передаточное отношение (а также передаточное число), которое надо научиться рассчитывать. Для этого необходимо знать число зубчиков на шестеренках при зубчатой или цепной передаче и диаметр шкивов при ременной передаче. На крупных шестеренках число зубцов указано: например, «Z40» на самой большой. На мелких нетрудно сосчитать их самостоятельно.
Теперь посмотрим, что происходит при зубчатой передаче. Вопервых, направление вращения ведомой оси противоположно направлению вращения ведущей. Во-вторых, можно заметить, что разница в размере шестеренок влияет на угловую скорость вращения ведомой оси. Каким образом?
Ведущая меньше ведомой — скорость уменьшается. Ведущая больше ведомой — скорость увеличивается.
Рис. 2.6. При передаче с малого колеса на большое выигрываем в силе, но теряем в скорости. При передаче с большого на малое — все наоборот [3].
Однако надо понимать: выигрыш в скорости должен обернуться проигрышем в чем-то ином. И наоборот. Что же мы теряем при увеличении скорости? Очевидно, тяговую силу. А при понижении скорости выигрываем в силе (рис. 2.6). Это замечательное свойство зубчатой передачи используется во множестве механизмов, созданных человеком, — от будильника до автомобиля.
Как точно узнать, во сколько раз увеличилась тяговая сила? За это отвечает специальная величина, именуемая «передаточное отношение».
Для нашего конструктора мы определим ее следующим образом:
i = z2 , z1
где i — передаточное отношение, z2 — количество зубцов на ведомой шестерне, z1 — число зубцов на ведущей шестерне.
Таким образом, при i < 1тяговая сила уменьшается, а угловая скорость возрастает (рис. 2.7); при i > 1сила увеличивается, а скорость падает. Очевидно, что при i = 1и сила, и скорость остаются прежними. В этом случае мы можем ощутить изменения только за счет потерь при трении.
Рис. 2.7. Передача с понижением скорости: слева i = 3 : 1, справа i = 5 : 3 [3].
Если в передаче используется несколько подряд установленных зубчатых колес, то при расчете передаточного отношения учитывается только первое и последнее из них, а остальные называются «паразитными» (рис. 2.8). Паразитные шестерни исполняют полезную функцию только при необходимости передачи вращения на некоторое расстояние. В остальных случаях они лишь увеличивают потери на трение.
Рис. 2.8. Две промежуточные шестерни — паразитные [3].
Однако зубчатую передачу можно построить таким образом, чтобы каждая шестерня выполняла полезную функцию и служила либо для увеличения, либо для уменьшения передаточного отношения.
В этом случае каждая вторая пара соседних шестеренок должна находиться на одной оси. А общее передаточное отношение рассчитывается как произведение всех передаточных отношений соприкасающися шестеренок.
= z2 , i34 = z4 , i56 = z6 … i =i12 i34 i56..., где i12 z1 z3 z5
Нетрудно догадаться, что шестеренки , находящиеся на одной оси, вращаются абсолютно одинаково и их передаточное отношение равно единице. Следовательно, эти значения в произведении могут не участвовать (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Двухступенчатая передача [3].
И, наконец, определим понятие «передаточное число». Его используют, когда необходимо вычислить коэффициент изменения скорости или силы вне зависимости от направления возрастания. Таким образом, передаточное число можно определить как наибольшее из отношений u = i / 1 или u = 1 / i. Следовательно, передаточное число всегда не меньше единицы: i ≥ 1. Для примера, при передаточном отношении i = 1 : 15, как и при i = 15 : 1, передаточное число u = 15 (рис. 2.10).
Рис. 2.10. Передаточное число 15.
Червячная передача — это частный случай зубчатой (рис. 2.11). В нашем конструкторе она обладает определенными свойствами. Вопервых, один оборот червяка соответствует одному зубцу любой шестерни. Значит, при расчете передаточного отношения число зубцов червяка можно считать равным единице: zч = 1. Во-вторых, червячная передача работает только в одном направлении от червяка к шестерне и блокирует движение в обратном направлении.
Задача. Постройте механическую передачу с максимальным передаточным отношением. По приблизительным подсчетам, из всех шестеренок конструктора 8527 можно построить передачу, увеличивающую силу вращения (и понижающую скорость) примерно в 2 млн раз. Это, конечно, теоретически. Но по сути это означает, что для одного полного оборота ведомой оси потребуется около 2 млн оборотов ведущей. Многовато.
Рис. 2.11. Червячная передача работает только в одну сторону: от червяка к шестерне [3].
Рис. 2.12. Механическая передача с передаточным числом 135.
Для начала попробуйте построить передачи с передаточным числом 9, 27, 45, 135 (рис. 2.12). А если не получится, то поможет следующий параграф. Только в нем мы будем не замедлять, а ускорять движение.
Глава 3. Первые модели
Моторы вперед!
Следующие несколько проектов можно выполнить, не вдаваясь особо в программирование. В каждом из них достаточно будет включить один из моторов. Это делается несколькими различными способами. Составим программу, включающую мотор в каждой из трех сред, с которыми мы познакомимся подробнее в главе «Программирование», а также с помощью встроенной оболочки самого NXT.
NXT Program
Во встроенной оболочке NXT есть возможность включить моторы B и C с мощностью около 75 %, не прибегая к компьютеру (рис. 3.1). При этом в некоторых версиях оболочки (Firmware) по умолчанию требуется, чтобы были подсоединены обязательно оба мотора. В случае если хотя бы одного из них не хватает, алгоритм пробуксовывает. Однако вращение так или иначе происходит. В частности, при оригинальной прошивке Lego Mindstorms NXT такое движение будет прерывистым. Избавиться от этого можно подсоединением второго мотора.
Итак, в квадратных ячейках требуется разместить всего пять команд (см. рис. 3.1):
Forward (Backward),
Empty,
Дата добавления: 2019-02-22; просмотров: 570; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!