XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Перетягивание каната в мире роботов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Георгиев А.О. 1Попова А.С. 1Седых П.А. 1Симон З.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Мы живем в эпоху активной информатизации, компьютеризации и роботостроения. Технические достижения всё быстрее проникают во все сферы человеческой жизнедеятельности, в том числе и в спорт. Кто сильнее, точнее, выносливее и быстрее? Этот вопрос все чаще мы задаем не человеку, а роботу. Соревнование между роботами – актуально и перспективно!

Соревнование «Перетягивание каната» одно из первых и самых популярных в мире робототехники. В процессе подготовки и участия в этом соревновании включаются дети с 6 до 14 лет. Условия и правила проведения могут быть разными, а цель одна - выявление лучших конструкций, как по прочности, так и по силе. Эти соревнования помогают начинающим робототехникам изучить сложные механические передачи и на практике увидеть результат.

Цель: разработать на базе конструктора LEGO Wedo 2.0 модель робота-победителя соревнования «Перетягивание каната», пройти испытания и сделать выводы.

Задачи:

узнать об игре «перетягивание каната» как о виде спорта;

изучить стратегию и технику для победы в перетягивании каната;

познакомиться с соревнованиями по робототехнике с включением категории «Перетягивание каната» в городах России;

проанализировать полученную информацию и создать успешную конструкцию робота;

провести несколько испытаний робота с целью усовершенствования конструкции;

пройти финальные испытания на региональном соревновании хакатона по мобильной робототехнике «РоботОн», сделать выводы.

В качестве источников мы использовали информационный сайт wikipedia, интернет журналы: «Наука и техника» (https://lenta.ru/), «Лайфхакер» (https://lifehacker.ru/). При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [4].

Глава 1.Игра «Перетягивание каната» в мире спорта

Изначально перетягивание каната имело мало общего со спортом [5]. Многие народы Азии рассматривали перетягивание каната, как компонент в борьбе с тёмными силами. Противоборствующие стороны обычно символизировали добро и зло. Были и другие вариации, например, одна команда – дождь; вторая – засуха. Таким образом, наши предки пытались прогнозировать будущее. Если побеждала команда, представляющая злые силы, то ждали беды.

Перетягивание каната вышло на серьёзный уровень в начале прошлого века и было представлено на пяти Олимпиадах с 1900 по 1920-й годы (Рисунок 1.1, Приложение). Тогда в этой дисциплине доминировали британские атлеты. Наверняка им бы составили конкуренцию и русские богатыри, но тогда наши предки в Олимпиадах участия не принимали.

Варианты конкурса “перетягивание каната” [6]:

• Перетягивание каната один на один.

• Связать концы каната. Три или четыре ребенка берутся за связанный канат на равных расстояниях друг от друга (Рисунок 2.1, Приложение). Позади каждого ребенка ведущий размещает мяч. По команде каждый из детей тянет канат в свою сторону. Побеждает ребенок, который дотянул канат до своего мяча.

• Держаться за канат только одной рукой. Можно отдельно провести соревнование для правых и для левых рук. Можно попросить одну команду тянуть только правой рукой, а другую – только левой. И так объяснить понятия левша-правша.

• Игроки двух команд могут встать не лицом друг к другу, а спиной.

История Международной Федерации перетягивания каната (TWIF)

Инициатива создания TWIF принадлежит Георгу Хитону-представителю Ассоциации Великобритании и в сотрудничестве с представителями Шведской Ассоциации идея была воплощена в жизнь в 1960 году [7]. Первые Международные соревнования по перетягиванию каната состоялись в 1964 году в Мальме (Швеция) «Балтийские игры», в которых МФПК была представлена 4 странами: Великобритания, Швеция, Нидерланды, Дания. В настоящее время TWIF является признанной Федерацией, объединяющей 35 членов и несколько кандидатов. TWIF входит в число 29 видов спорта, не включенных в программу Олимпийских игр, имеющих официальное признание Международного олимпийского комитета.

Всероссийские и мировые соревнования.

В ноябре 2021 года в Твери прошли соревнования Чемпионата и Кубка России по перетягиванию каната (Рисунок 2.3, Приложения) [8]. В турнирах приняли участие более 250 спортсменов из десяти регионов России. Абсолютным победителем стала команда Санкт-Петербурга.

15 апреля 2022года, в СК Строймаш г. Тюмени, прошёл Фестиваль силовых видов спорта среди сотрудников органов безопасности и правопорядка Тюменской области. Одним из четырёх видов спорта на данном Фестивале было перетягивание каната. Активное участие в подготовке и проведении соревнований по виду спорта перетягивание каната приняла Федерация перетягивания каната в Тюменской области, под руководством Председателя Федерации - Толстова Сергея Борисовича.

Европейская федерация перетягивания каната приняла решение провести первый официальный Чемпионат Европы именно в России [9]. Турнир пройдёт весной 2023 года в Санкт-Петербурге.

Актуальное применение в жизни навыков по перетягиванию каната:

• Швартовка кораблей, суден к причалу.

• При отлове животных в стадах, в скотоводстве.

• При перемещении грузов подъемным краном, страховку осуществляют с двух сторон канатом.

• При дрессировке бойцовских пород собак.

Тренировки в данном виде спорта отличаются большим разнообразием, представляя собой комбинацию силовых упражнений, кроссовой тренировки, упражнений на выносливость и развитие скорости реакции. У систематически занимающихся перетягиванием каната формируется правильный мышечный корсет, позволяющий выдерживать серьезные нагрузки незамысловатого, на первый взгляд, вида спорта.

Глава 2. Игра «Перетягивание каната» в мире робототехники

Мы живем в эпоху активной информатизации, компьютеризации и роботостроения [10]. Технические достижения всё быстрее проникают во все сферы человеческой жизнедеятельности, в том числе и в спорт. Кто сильнее, точнее, выносливее и быстрее? Этот вопрос все чаще мы задаем не человеку, а роботу. Увлекательно наблюдать, кто из роботов победит!

Соревнование «Перетягивание каната» одно из первых и самых популярных в мире робототехники. В процесс подготовки и участия в этом соревновании включаются дети с 6 до 14 лет. Условия и правила проведения могут быть разными, а цель одна - выявление лучших конструкций, как по прочности, так и по силе.

Мы узнали в каких городах России и на каком учебном роботизированном наборе проводились в 2022 году соревнования «Перетягивание каната», все данные внести в Таблицу 2.1.

Таблица 2.1 Соревнования «Перетягивание каната» в России

Мы заинтересовались этим соревнованием и решили узнать технику реальной игры, стратегию, эти знания применить на практике при конструировании и запуске роботов.

Глава 3. Основы игры «Перетягивание каната»: расстановка в команде, техника, стратегия.

Перетягивание каната — это классическая игра, в которую часто развлекаются на детских праздниках и семейных торжествах.

Тем не менее, занятие не такое простое, как кажется! Есть много стратегий, которые идут на победу в перетягивании каната. Большое внимание следует уделить распределению команды и их технике. [15]

Техника перетягивания каната довольно проста. Изначально нужно поставить руки так, чтобы было удобно, поскольку переставлять их будет нельзя. Во-вторых, канат на руку наматывать запрещается, значит, нужно расположить ладони так, чтобы в процессе не покалечиться и не устать. В-третьих, техника перетягивания каната подразумевает сильную нагрузку на ноги. Встаньте так, чтобы ноги находились на ширине плеч, но ведущая - несколько впереди (у левши, например, это левая нога по большей части). Слегка согните колени, чтобы обрести устойчивость. Чтобы реально иметь шансы на победу, нужно создать действительно командную игру, движения каждого игрока должны быть синхронными, слаженными. Только это может обеспечить хороший результат.

В перетягивании каната вес и рост участника решающего значения не имеют, в составе одной команды могут выступать люди разной комплекции [16]. При определении весовой категории учитывается вес всех членов команды, а не каждого отдельно взятого игрока. Участникам состязаний по перетягиванию каната нужны, в первую очередь, цепкие и крепкие руки; также важна сила и выносливость мышц стоп, бедер, спины и предплечий. Спортсменам также необходима хорошая координация движений и способность к неоднократному перенесению максимальной силовой нагрузки.

Есть небольшие уловки, которые могут привести команду к победе в перетягивании каната. Во-первых, выстраиваться нужно по росту (от самого низкого к высокому). Это обеспечит равномерное вытягивание каната и правильное распределение сил в команде. Во-вторых, тот, кто стоит первым (ближе к центральной отметке), может себе позволить не просто упираться ногами в землю со всей силы, но и практически лечь на спину во время перетягивания. Весь силовой упор приходится именно на этого игрока. Будет не лишним на его место выбрать самого стойкого и сильного. В-третьих, расположите игроков команды в шахматном порядке (через одного с каждой стороны от каната). Это обеспечивает распределение сил и удобство вытягивания. В-четвертых, тяните небольшими рывками. Чем их больше, тем больше шансов на победу. В-пятых, сильного соперника можно обойти хитростью. Удерживайте свою сторону, но не сильно тяните канат на себя. Дайте соперникам выдохнуться, чтобы свести игру в свою пользу. Эти небольшие хитрости помогут если не выиграть, то существенно поднять шансы на победу.

В результате изучения тонкостей игры, мы определили выигрышную стратегию и схематично представили её на Рисунке 3.1 Приложения.

Глава 4. Создание и запуск моделей роботов в игре «Перетягивание каната»

4.1 Два робота соперника – две команды

После изучения стратегии игры «Перетягивание каната», знакомства с «фишками», мы решили сконструировать двух роботов и посоревноваться в перетягивании каната. Мы поделились на 2 команды по 2 человека сделали 2 роботов (Рисунок 4.1.1, Приложение):

Веселые имена мы дали своим роботам в процессе конструирования и тренировочных испытаний:

у Ани и Андрея – робот Шеф Ивлев,

у Петра и Захара – робот Динозавр Вася.

Динозавр Вася каждый раз при сборке имел отличия от предыдущего варианта, но шея оставалась неизменной, а ещё в его голову Пётр прикрепил мозги, так, победы и проигрыши было интереснее комментировать. Главные сложные механические передачи Динозавра Васи (Рисунок 4.1.2, Приложение):

зубчатая передача;

червячная передача;

ременная передача, полный привод.

Конструкция Шефа Ивлева требовала концентрации внимания и собиралась долго, иногда требовала ремонта перед новым запуском. Главные сложные механические передачи Шефа Ивлева (Рисунок 4.1.3, Приложение):

червячная передача;

ременная передача, полный привод.

Оба робота сконструированы по принципу рычага: длинное плечо относительно ведущих колес (центр рычага) имеет бóльшую массу. Это помогает роботу оставаться на 4 колеса, то есть обеспечивает сцепление с поверхностью. Основная масса деталей распределена симметрично.

4.2 Успех в игре: тренировочные испытания

К итоговому виду наши роботы пришли после трех тренировочных испытаний

Испытание 1 «Интуитивная конструкция»

Наши первые роботы были с большим весом, передним приводом. Передние и задние колеса были одинаковые. Мы использовали угловую понижающую зубчатую передачу, чтобы движение от мотора шло на ось, на которой было 2 колеса. Победу одерживал тот робот, у которого была больше масса, то есть больше деталей.

Плюсы: быстрая и легкая сборка.

Минусы: проскальзывание колес, отсутствие вращения (мотор не справлялся).

Испытание 2 «Успешная конструкция корпуса»

Наши вторые роботы были, как и первые, с большим весом. Мы изучили принцип рычага и изменили конструкцию роботов, чтобы усилить сцепление с поверхностью. Роботы стал заднеприводными: передние колеса - маленькие, задние - большие. Мы использовали понижающую зубчатую передачу под углом 90 градусов. Теперь победу стало сложнее получить. Роботы были равны.

Плюсы: достигнута успешная конструкция корпуса робота.

Минусы: иногда отсутствие вращения (мотор не справлялся).

Испытание 3 «Главный сложный механизм»

В третьем испытании нам предстояло решить проблемы блокировки вращения колес при сопротивлении противника. В этом нам помогла червячная передача. Роботы были, так же с большим весом. Мы одели на шкивы ремни, и наши роботы стали полноприводными.

Робот Динозавр Вася вернулся к одинаковым колесам и ведущими стали вновь передние колеса, как в первом эксперименте. Червячная передача передает движение на ось к колесам через зубчатую передачу.

Робот Шеф Ивлев остался в прежнем виде: задние колеса меньше, чем передние, задние колеса -ведущие, Червячная передача сообщает вращение от мотора непосредственно на ось с ведущими колесами.

Теперь силы стали равны (Рисунок 4.2.3, Приложение)!

Все три испытания мы проводили на разных программах: с постоянным движением мотора или с быстрой сменой направления, т.е. рывками (Рисунок 3.2.4, Приложения). Изменение программы мало влияло на тягу робота.

В результате испытаний мы пришли финальному виду наших роботов и сделали выводы:

- самая мощная передача - червячная;

- у робота должно быть наклонное положение и симметричное распределение всех деталей максимально ниже к поверхности;

- колеса должны быть с хорошим сцеплением;

- роботу нужно иметь большой вес.

4.3 Финальные испытания на региональном соревновании хакатона по мобильной робототехнике «РоботОн»

В Тюменском «Кванториуме» прошли соревнования по робототехнике по направлению «Перетягивание каната. Lego WeDo 2.0».
Участники соревнования должны были следовать следующему регламенту:

сборка робота по памяти в течение 1 часа 30 минут;

проверка запуска;

соревнование по правилу «каждый с каждым»;

награждение участников и победителей.

В соревновании «Перетягивание каната» участвовало 16 команд: в каждой по два человека, всего 32 ребенка. Противники были сильные. Наши Динозавр Вася и Шеф Ивлев произвели впечатление. Однако не смогли победить одного робота – робот «Танк» с усиленным передним приводом. Вращение на ведущие колеса подается через понижающую передачу сразу на оси с колесами (Рисунок 4.3.2, Приложение).

В результате соревнования «Перетягивание каната» (Рисунок 4.3.3, Приложение):

Танк занял 1 место, он ни разу не проиграл!

Шеф Ивлев – 2 место!

Динозавр Вася 3 место!

Динозавр Вася уступил немного Шефу Ивлеву по причине проскальзывания шестерней в зубчатой передаче.

Заключение

Изначально перетягивание каната имело мало общего со спортом, оно вышло на серьёзный уровень в начале прошлого века и было представлено на пяти Олимпиадах с 1900 по 1920-й годы. В настоящее время, Европейская федерация перетягивания каната приняла решение провести первый официальный Чемпионат Европы именно в России весной 2023 года в Санкт-Петербурге.

Тренировки в данном виде спорта отличаются большим разнообразием, представляя собой комбинацию силовых упражнений, кроссовой тренировки, упражнений на выносливость и развитие скорости реакции. У систематически занимающихся перетягиванием каната формируется правильный мышечный корсет, позволяющий выдерживать серьезные нагрузки незамысловатого, на первый взгляд, вида спорта.

Мы заинтересовались этим соревнованием узнали подробно технику игры, стратегию. Эти знания мы применили на практике при конструировании и запуске наших роботов-спортсменов.

Мы конструировали, проводили тренировочные испытания, усовершенствовали роботов. В результате наши роботы получились сильными спортсменами. В них мы установили следующие механизмы: зубчатая передача, червячная передача, ременная передача, полный привод. В процессе тренировочных испытаний мы сделали следующее наблюдение: самая мощная передача – червячная, у робота должно быть наклонное положение и симметричное распределение всех деталей максимально ниже к поверхности, колеса должны быть с хорошим сцеплением, роботу нужно иметь большой вес.

Итоговые наши роботы Шеф Ивлев и Динозавр Вася проверили свои силы в Тюменском «Кванториуме» на соревновании по робототехнике по направлению «Перетягивание каната. Lego WeDo 2.0». Наши роботы вошли в тройку победителей. Цель проекта достигнута.

Данный проект может быть использован на занятиях по робототехнике и в качестве учебного пособия при подготовке к соревнованиям по робототехнике «Перетягивание каната».

Список используемой литературы:

Курс «Лаборатория роботов», курс «Робототехнический Центр», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники:

https://xn--b1ahgrjafjgng.xn--p1ai/article/5-faktov-o-peretyagivanii-kanata-kotoryx-vy-ne-znali;

https://igroznaika.ru/aktivnye-igry/sportivnoe-razvlechenie-dlya-detej-podgotovitelnoj-k-shkole-gruppy-vesyolye-starty

https://rtwf.ru/tugofwar/4.htm

https://tugofwar.ru/news/272.htm

https://vk.com/club211890711

http://xn--d1a0adq1b.xn--p1ai/news/print:page,1,943-sorevnovaniya-po-robototehnike-peretyagivanie-kanata.html

https://kvantorium-tyumen.ru/sobytiya/news/4604/?sphrase_id=21976

https://www.gzt-sv.ru/news/178718-detskom-tehnoparke-kvantorium-28-proshli

http://kachnews.ru/news/obrazovanie/pozabyty-hlopoty-ostanovlen-beg-vkalyvajut-roboty-schastliv-chelovek/

https://zatocdod.ru/2022/05/%D0%BF%D0%BE%D0%B7%D0%B4%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D1%8F%D0%B5%D0%BC-%D1%80%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82%D0%BE%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2-%D1%81-%D0%BF%D0%BE%D0%B1%D0%B5%D0%B4%D0%BE/

https://vk.com/wall-33208328_2317

https://yan.guru/blog/spravochnik/peretyagivanie-kanata

Приложение