Механика и схемотехника | Информатика 10-11 класс

1. Основы механики в робототехнике

Механика — раздел физики, изучающий движение тел и силы, действующие на них. В робототехнике механика определяет, как робот двигается, поднимает предметы и взаимодействует с средой.

Ключевые компоненты механики

⚙️ Шестерни

Передают и преобразуют вращательное движение. Зубчатые колёса с разным числом зубьев создают передаточное число

🔧 Рычаги

Усиливают или изменяют направление силы. Опора, плечо и точка приложения — основа любого рычага

🔌 Валы и подшипники

Передают вращение от мотора к механизмам. Подшипники снижают трение

⛓️ Ремни и цепи

Связывают удалённые валы. Гибкая передача на большие расстояния

🎯 Сервоприводы

Мотор с обратной связью. Точно устанавливает угол поворота (0–180°)

🔩 Линейные actuаторы

Преобразуют вращение в поступательное движение. Шток выдвигается и задвигается

Примеры из жизни

🤖
Робот-пылесос — два независимых колеса + сервопривод щётки. Механика обеспечивает маневренность
🦾
Промышленный манипулятор — 6 сервоприводов, каждый управляет суставом. Шестерни передают крутящий момент
🚗
Автопилот — рулевая рейка (линейный actuator), тормоза (гидравлика), подвеска (пружины + амортизаторы)

⚙️ Факт: Промышленный робот Fanuc M-2000iA поднимает груз до 2300 кг! Секрет — мощные сервоприводы и прочная шестерёнчатая передача из hardened steel.

2. Шестерни и передаточное число

Передаточное число (i) — отношение числа зубьев ведомой шестерни (Z₂) к числу зубьев ведущей (Z₁): i = Z₂ / Z₁. Если i > 1 — момент усиливается, скорость падает. Если i < 1 — наоборот.

Закон сохранения энергии в шестернях

// Мощность на входе = Мощность на выходе (идеально) P₁ = M₁ × ω₁ = P₂ = M₂ × ω₂ // Где: M₁, M₂ — крутящий момент (Н·м) ω₁, ω₂ — угловая скорость (рад/с) i = Z₂/Z₁ = ω₁/ω₂ = M₂/M₁

Типы зубчатых передач

Тип	Описание	Применение
Цилиндрические	Оси параллельны. Самый простой тип	Редукторы моторов
Конические	Оси пересекаются под углом 90°	Дифференциал автомобиля
Червячные	Большое передаточное число (1:20–1:300). Самоблокирующиеся	Подъёмники, лифты
Реечные	Вращательное → поступательное	Рулевое управление

⚠️ Важно: В реальном мире КПД шестеренчатой передачи 90–98%. Остальное — потери на трение и нагрев. Для червячных — КПД может быть 40–60%!

⚙️ Интерактивное задание: Калькулятор шестерен

Задание: Рассчитайте передаточное число, крутящий момент и скорость на выходе. Подберите шестерни для робота!

Ведущая шестерня (Z₁):

Ведомая шестерня (Z₂):

Мощность мотора (Вт):

Скорость мотора (об/мин):

Передаточное число: 4.00 | Момент: 1.27 Н·м | Скорость: 75 об/мин

Формулы:
i = Z₂ / Z₁ (передаточное число)
M₂ = M₁ × i × КПД (крутящий момент)
n₂ = n₁ / i (скорость на выходе)
M₁ = P / (2π × n₁/60) (момент мотора)

3. Электрические компоненты

Электроника — наука об электрических цепях и компонентах. Каждый робот работает на электричестве: от батареек, аккумуляторов или от сети.

Основные компоненты

⚡

Резистор

Ограничивает ток. Сопротивление измеряется в Омах (Ω). Цветовая маркировка определяет номинал.

🔋

Конденсатор

Накапливает заряд. Ёмкость в Фарадах (Ф). Фильтрация помех, задержка времени.

💡

Светодиод (LED)

Светит при прохождении тока. Напряжение 1.8–3.3В. Обязательно нужен резистор!

🔌

Транзистор

Электронный ключ. Управляет большим током малым сигналом. NPN и PNP.

🔧

Микроконтроллер

«Мозг» робота. Arduino, ESP32, STM32 — читают датчики и управляют моторами.

📡

Драйвер мотора

Управляет мощными моторами через микроконтроллер. L298N, TB6612 — популярные модели.

⚡ Факт: Arduino Uno потребляет всего 50 мА тока. А сервопривод SG90 — до 750 мА! Поэтому для моторов нужен отдельный источник питания.

⚡ Интерактивное задание: Закон Ома

Задание: Рассчитайте ток, напряжение или сопротивление. Постройте электрическую цепь!

Напряжение (V):

Сопротивление (Ω):

Рассчитать:

Ток: 22.73 мА | Мощность: 0.11 Вт

Закон Ома: V = I × R
V — напряжение (Вольты), I — ток (Амперы), R — сопротивление (Омы)
Мощность: P = V × I (Ватты)

4. Arduino: мозг робота

Arduino — открытая электронная платформа на базе микроконтроллера. Программируется на C/C++. Имеет цифровые и аналоговые входы/выходы для подключения датчиков и актуаторов.

Плата	Процессор	Цифровые пины	Применение
Arduino Uno	ATmega328P (16 МГц)	14	Обучение, прототипы
Arduino Mega	ATmega2560 (16 МГц)	54	Сложные проекты, манипуляторы
ESP32	Xtensa LX6 (240 МГц)	34	Wi-Fi/Bluetooth, IoT-роботы
Raspberry Pi Pico	RP2040 (133 МГц)	26	Микропитание, датчики

Пример кода: мигание светодиодом

// Подключаем светодиод к пину 13
const int ledPin = 13;

void setup() {
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(ledPin, HIGH);  // включить
  delay(1000);                 // ждать 1 сек
  digitalWrite(ledPin, LOW);   // выключить
  delay(1000);
}
            

Схема подключения сервопривода

// Управление сервоприводом через Arduino
#include <Servo.h>

Servo myServo;
const int servoPin = 9;

void setup() {
  myServo.attach(servoPin);
}

void loop() {
  myServo.write(0);     // влево
  delay(1000);
  myServo.write(90);    // центр
  delay(1000);
  myServo.write(180);   // вправо
  delay(1000);
}
            

🔧 Факт: На Arduino Uno можно подключить до 12 сервоприводов одновременно! Каждый управляется ШИМ (PWM) сигналом на соответствующем пине.

🔌 Симуляция: Arduino в действии

Симуляция 1: Нажмите «Запустить» и наблюдайте, как мигает светодиод на пине 13. Используйте ползунок для изменения скорости.

Arduino Uno

Пин 13

220Ω

LED

GND

Скорость: 500 мс

LED выключен | digitalWrite(13, LOW)

Симуляция 2: Управление сервоприводом. Введите угол или используйте ползунок.

Arduino Uno

Пин 9 (PWM)

Сервопривод SG90

0°

Угол:

myServo.write(0) | Позиция: 0°

Симуляция 3: Ультразвуковой датчик HC-SR04. Перемещайте объект мышкой, чтобы изменить расстояние.

HC-SR04

T← | →R

📦

25 см

Расстояние

см

Объект: 25

Готово | Trig → HIGH/LOW | Echo → время

Код Arduino:

                            long duration, cm;

                            digitalWrite(trig, LOW); delayMicroseconds(2);

                            digitalWrite(trig, HIGH); delayMicroseconds(10);

                            digitalWrite(trig, LOW);

                            duration = pulseIn(echo, HIGH);

                            cm = duration / 29 / 2;  // скорость звука

Светодиод: digitalWrite(pin, HIGH) — подаёт 5В на пин. Ток течёт через резистор и LED. Резистор 220Ω защищает LED от перегорания (I = 5В/220Ω ≈ 23мА).

Сервопривод: Управляется ШИМ сигналом (50 Гц). Длина импульса 1мс = 0°, 1.5мс = 90°, 2мс = 180°. Серво содержит мотор, редуктор и потенциометр обратной связи.

Ультразвуковой датчик: Отправляет ультразвуковой импульс (Trig = HIGH 10мкс). Волна отражается от объекта и возвращается (Echo). Время полёта делится на скорость звука (343 м/с): расстояние = время / 29 / 2 (см).

5. Викторина: электроника и механика

Проверьте знания — выберите правильный ответ:

1. Какой компонент ограничивает ток в цепи?

🔋 Конденсатор

⚡ Резистор

💡 Светодиод

🔌 Транзистор

2. Если передаточное число i = 4, то крутящий момент:

Уменьшается в 4 раза

Не меняется

Увеличивается в 4 раза

Увеличивается в 2 раза

3. Какой компонент накапливает электрический заряд?

🔋 Конденсатор

⚡ Резистор

🔌 Транзистор

📡 Драйвер

4. По закону Ома I = V/R. Если V=12В, R=600Ω, то ток равен:

72 А

7.2 А

20 А

0.02 А (20 мА)

5. Какой тип передачи самоблокируется?

Цилиндрическая

Червячная

Коническая

Реечная

6. Какой компонент управляет большим током через малый сигнал?

💡 Светодиод

⚡ Резистор

🔌 Транзистор

🔋 Конденсатор

Правильных ответов: 0 / 6

6. Итоги урока

Что мы узнали:

⚙️
Шестерни — передают и преобразуют вращение. Передаточное число i = Z₂/Z₁
🔧
Механика — шестерни, рычаги, сервоприводы, actuator'ы — «мышцы» робота
⚡
Электроника — резисторы, конденсаторы, транзисторы, светодиоды
🔧
Закон Ома — V = I × R. Основа расчёта любых цепей
🤖
Arduino — микроконтроллер для управления датчиками и моторами
📊
Платформы — Uno для обучения, Mega для сложных, ESP32 для IoT

Домашнее задание:

1. Рассчитайте передаточное число для робота, который должен ехать со скоростью 0.5 м/с при мощности мотора 5 Вт

2. Определите ток через LED (V=3.3В, VLED=2В) с резистором 150 Ом

3. Нарисуйте схему подключения двух сервоприводов и ультразвукового датчика к Arduino Uno

📚 Следующий урок: Урок 3 — «Программирование и алгоритмы управления». Научимся писать программы для роботов на Arduino и Python!

1. Основы механики в робототехнике

Ключевые компоненты механики

⚙️ Шестерни

🔧 Рычаги

🔌 Валы и подшипники

⛓️ Ремни и цепи

🎯 Сервоприводы

🔩 Линейные actuаторы

Примеры из жизни

2. Шестерни и передаточное число

Закон сохранения энергии в шестернях

Типы зубчатых передач

⚙️ Интерактивное задание: Калькулятор шестерен

3. Электрические компоненты

Основные компоненты

Резистор

Конденсатор

Светодиод (LED)

Транзистор

Микроконтроллер

Драйвер мотора

⚡ Интерактивное задание: Закон Ома

4. Arduino: мозг робота

Популярные платформы

Пример кода: мигание светодиодом

Схема подключения сервопривода

🔌 Симуляция: Arduino в действии

5. Викторина: электроника и механика

1. Какой компонент ограничивает ток в цепи?

2. Если передаточное число i = 4, то крутящий момент:

3. Какой компонент накапливает электрический заряд?

4. По закону Ома I = V/R. Если V=12В, R=600Ω, то ток равен:

5. Какой тип передачи самоблокируется?

6. Какой компонент управляет большим током через малый сигнал?

6. Итоги урока

Что мы узнали:

Домашнее задание:

📚 Другие уроки

Урок 1

Урок 3