XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Крабовый ход на базе Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Данилов М.А. 1Вторушин В.А. 1Степанов Н.Е. 1Лобачев Д.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Крабовый ход, как уникальный механизм передвижения, представляет собой интересный объект для изучения в контексте как биомеханики, так и инженерии. В природе крабы, обладая характерной анатомией и биомеханикой, демонстрируют удивительные способности к передвижению, что делает их идеальными кандидатами для изучения в рамках робототехники и автомобилестроения. Эта исследовательская работа направлена на глубокое понимание анатомии и механики движения краба, а также на применение этих знаний в разработке инновационных транспортных средств.

Цель: создание инновационного устройства на колесном ходу для перемещения по двум направляющим

Задачи:

1. Рассмотреть анатомию и биомеханику краба

2. Изучить крабовый ход в автомобилестроении

3. Создать устройство для перемещения по типу крабового хода

4. Запрограммировать модель

5. Демонстрация с дистанционным управлением

В первой главе мы рассмотрим анатомию и биомеханику краба, начиная с его структуры тела и заканчивая механизмами движения. Мы проанализируем, как крабы используют свои конечности для передвижения, изучая углы сгиба и движения суставов, а также различные способы передвижения, включая боковое и прямое движение. Это понимание позволит нам лучше осознать, как природные механизмы могут быть адаптированы для решения инженерных задач.

Во второй главе мы сосредоточимся на крабовом ходе в автомобилестроении. Мы исследуем, как принципы, наблюдаемые в движении краба, могут быть применены для разработки автомобилей и других транспортных средств с улучшенной маневренностью и устойчивостью. Эта работа позволит выявить потенциал использования биомиметики в инженерных решениях, что может привести к созданию более эффективных и адаптивных транспортных систем.

Таким образом, данное исследование объединяет знания из области биологии и инженерии, подчеркивая важность междисциплинарного подхода в современном научном исследовании.

Глава 1. Анатомия и биомеханика краба

1. 1. Структура тела краба

Крабы — удивительные ракообразные со сложной анатомией, которая помогает им выживать. Размеры крабов бывают от нескольких миллиметров до 3 м (размах ног у крабов из рода Macrocheira). Изучая строение этих морских и наземных существ, мы обнаружили, что они оснащены твёрдым экзоскелетом для защиты и десятью ногами для передвижения. Две передние ноги часто превращаются в мощные клешни, которые используются для защиты и захвата пищи, что является отличительной особенностью их строения.(Рисунок 1.1.1, Приложения)

Понимание анатомии крабов очень важно. Скелет краба является внешним, он называется экзоскелетом и обеспечивает защиту от хищников и физических повреждений. Эта жесткая конструкция также облегчает прикрепление мышц для движения. Тело краба состоит из двух частей: головогруди, которая представляет собой сросшиеся голову и грудную клетку, и брюшка.[1]

Сенсорные системы крабов развиты хорошо, у них есть сложные глаза на подвижных глазных стебельках для широкого поля зрения. Парные антенны и антеннулы помогают в тактильном и химическом распознавании.(Рисунок 1.1.2, Приложения)

У крабов также есть пять пар ног. Первая пара, заканчивается когтями, которые они используют для защиты и обработки пищи.

Следующие четыре пары делятся на ноги для ходьбы и ноги для плавания, причём последние часто сплющиваются, чтобы облегчить плавание.

Ходильные ноги, или перейподы, обычно состоят из члеников и подвижных сочленений, каждый членик имеет свое название.[2]

Первый членик, считая от места присоединения ноги к телу, называется коксоподит, второй — базиподит, третий — ишиоподит, четвертый — мероподит, пятый — карпоподит, шестой — проподит и седьмой — дактилоподит, или коготь. У большинства видов десятиногих ракообразных коготь вместе с выростом предпоследнего членика образуют настоящую клешню. Существует также технологическая терминология, по которой добытчики и обработчики называют членики ног крабов иначе. Так, коксо-, бази— и ишиоподит технологи называют «розочкой», затем следуют «толстый членик», «шейка» («коленце»), «клешня» или «тонкий членик» и «коготь» (табл. 1). При внешнем осмотре крабов не всегда можно увидеть пятую пару ног. У крабов-литодид последняя пара ног сильно изменена и скрыта под панцирем, где выполняет функцию очистки жабер. Передняя пара ног вооружена клешнями и называется клешненосной.[3]

1. 2. Механика движения

Механика движения крабов уникальна и связано это с особенностями их строения и эволюцией.

Крабы используют свои конечности для передвижения в зависимости от среды обитания.

Основная среда обитания крабов – суша. И здесь они передвигаются не так как другие животные прямо и вперед, а боком. Способны ли крабы передвигаться вперед. Да, способны, при таком способе они очень медленно перемещают свои маленькие ножки по очереди. Но при необходимости быстро убежать, они выбирают боковое движение. (Рисунок 1.2., Приложения)

Причина такого необычного способа передвижения кроется в анатомических особенностях крабов. Вместо того чтобы ноги направлялись вниз от туловища, как у большинства других животных, у крабов десять ног, которые расположены по бокам тела, из-за чего конечности ограничены в движении — коленный и плечевой суставы хорошо двигаются только в одну сторону. Передвижение боком, сгибая второй сустав в сторону, позволяет животному быстро двигаться. Это особенно важно, учитывая, что бегают они обычно по неровным и нестабильным поверхностям — песку, камням, коралловым рифам. Двигаясь боком, крабы одновременно задействуют все свои конечности, — это обеспечивает им равновесие и устойчивость.[4]

Исследования с использованием высокоскоростной съемки показали, что суставы мерус-карпус и карпус-проподус играют ключевую роль. Например, у краба-привидения (Ocypode quadrata) угол сгиба в мерус-карпусном суставе достигает 90° во время шага, обеспечивая толчок.[5]

У мангровых крабов (Ucides cordatus) углы сгиба адаптированы для перемещения по неровным поверхностям.

Для координации ног крабы используют метахронный ритм: волна движений последовательно проходит от задних к передним конечностям. Нейромышечный контроль обеспечивает синхронизацию, предотвращая столкновение ног. Этот механизм особенно важен при беге. (Рисунок 1.2.2, Приложения)[6]

Из-за всех этих анатомических особенностей краба, боковой способ передвижения не только обеспечивает большую маневренность, но и позволяет крабу быть более эффективным в своей естественной среде обитания.

Эта способность позволяет им быстро уклоняться от угроз и реагировать на любую опасность.

Интересно, что несмотря на такую необычную походку, крабы прекрасно видят, куда они направляются. Их глаза, расположенные на подвижных стебельках, обеспечивают широкий круговой обзор, что помогает избегать препятствий и хищников.[7]

Еще одна среда обитания крабов – вода.

Да, многие крабы могут и плавают. На самом деле, есть даже вид, называемый “плавающий краб”. Однако не все крабы обладают этой способностью. Некоторые из них, включая крабов-пауков и каменных крабов, ходят или бегают только по дну воды или океана, обычно двигаясь боком. Однако у тех крабов, которые умеют плавать, эта способность помогает им спасаться от хищников или охотиться на добычу. Кроме того, эта способность помогает крабу погружаться на большую глубину и эффективнее скользить в воде.

По данным Комиссии по охране рыбных ресурсов и дикой природы Флориды, Portunidae крабы, такие как синий краб, используют одну пару задних ног, чтобы скользить по воде. Их ноги вращаются со скоростью от 20 до 40 оборотов в минуту, почти как у вертолёта, ноги как бы толкают их вперёд. В отличие от них, Matutidae крабы, которых также называют лунными крабами, используют для плавания все пять пар ног. Эти ноги плоские и работают как весла. Лунные крабы также часто используют свои ноги для копания.[8]

Еще одна среда обитания крабов – песок.

Песчаные крабы (например, Scopimera) используют ноги для рытья, сочетая сгибание суставов с вращательными движениями. (Рисунок 1.2.3, Приложения)[9]

1. 3. Крабовый ход. Типы движения

У краба десять ног, расположенных по бокам тела. Это ограничивает движение конечностей: коленный и плечевой суставы хорошо работают только в одну сторону, то есть

В право и в лево. Боковое движение позволяет крабам быстро менять направление и маневрировать, что важно, например, при бегстве от хищника или перемещении в узких пространствах (между камнями, внутри ракушек). [10]

При боковом движении крабы одновременно задействуют все конечности, что обеспечивает им равновесие и устойчивость. Даже несмотря на необычное передвижение, крабы хорошо ориентируются в пространстве благодаря круговому обзору, который обеспечивают их глаза, расположенные на подвижных стебельках. Перемещаясь боком, крабы сохраняют равновесие и устойчивость, одновременно используя все свои ноги для движения в унисон. Такое синхронное боковое движение позволяет им быстро маневрировать в сложных местах обитания, таких как коралловые рифы или скалистые берега, с минимальными усилиями. [11]

Прямолинейное движение

Крабы способны двигаться вперёд, но это происходит медленно. Для прямолинейного перемещения они по очереди перемещают ноги, при этом расстояние между шагами ограничено — одна нога не может двигаться далеко, чтобы не врезаться в следующую. [12]

Прямолинейное движение не является для крабов предпочтительным, так как боковое передвижение более эффективно. animals.moe-

• Плавание. Некоторые виды крабов, например плавунцы, используют задние ноги в качестве лопаток для перемещения в воде. otvet.mail.ru

• Бег. Крабы могут быстро бегать боком, достигая скорости до 1 метра в секунду.

Применение в разных условиях

• Защита. Многие крабы используют маскировку: их окрас совпадает с местом обитания (песком, камнями). Некоторые виды приспособились обороняться с помощью других обитателей морского дна, например актиний: крабы высаживают их на спины или клешни и в случае опасности подставляют врагу.

• Питание. Крабы — всеядные хищники, питаются в основном донными обитателями: водными беспозвоночными, морскими ежами, мелкими рачками, моллюсками, мелкой рыбой. Также крабы играют роль санитаров прибрежной полосы, так как употребляют в пищу не только живых, но и мёртвых животных.

Глава 2. Крабовый ход в автомобилестроении

Крабовый ход — это режим движения транспортного средства, при котором все колёса поворачиваются в одну сторону, позволяя машине двигаться боком или по диагонали, подобно тому, как передвигается краб. Эта технология значительно повышает маневренность техники в ограниченных пространствах и на сложных участках.

Применение крабового хода в транспортных средствах

Применение в спецтехнике:

Погрузчики и экскаваторы широко используют крабовый ход для работы в стеснённых условиях, например, на стройплощадках или складах. Благодаря синхронному повороту передних и задних колёс, техника может точно позиционироваться вдоль стен, траншей и других препятствий. Это особенно актуально для телескопических погрузчиков, таких как Manitou MT-X 1840 и Komatsu WB97S-5 [13] (Рисунок 2.1, Приложения)

Применение в легковых автомобилях:

Hyundai Mobis разработала систему e-Corner, позволяющую каждому колесу поворачиваться на угол до 90°, обеспечивая функции крабового хода, диагонального движения и разворота на месте. Эта технология была продемонстрирована на прототипе Hyundai Ioniq 5 и предназначена для облегчения парковки и маневрирования в городских условиях.

GMC Hummer EV оснащён функцией CrabWalk, позволяющей задним колёсам поворачиваться до 10°, что обеспечивает движение по диагонали на низких скоростях. Это особенно полезно при преодолении препятствий на бездорожье и при парковке в тесных местах. [14]

Tesla рассматривала внедрение крабового хода в Cybertruck, но отказалась от этой идеи, сочтя её непрактичной и неудобной в реальных условиях. [15] (Рисунок 2.2, Приложения)

Преимущества крабового хода:

1. Увеличенная маневренность в ограниченных пространствах (позволяет двигаться вбок, не разворачиваясь)

2. Повышенная устойчивость на неровных или скользких поверхностях, на склонах, повышенная проходимость

3. Упрощенная парковка и движение в стеснённых условиях

4. Повышение безопасности за счет снижения риска повреждений и аварий

5. Возможность обойти препятствие без необходимости заднего хода, что особенно полезно на бездорожье: диагональное движение облегчает объезд камней, ям и других неровностей

Недостатки технологии:

1. Сложность конструкции - необходимы поворотные механизмы на каждом колесе, усложняющие конструкцию и увеличивающие стоимость

2. Повышенные затраты на обслуживание - большее количество движущихся частей требует регулярного технического обслуживания

3. Энергопотребление - управление всеми колёсами одновременно требует дополнительных энергетических затрат

4. Ограниченная применимость - не все дороги или условия эксплуатации требуют такого типа маневренности, и она может оставаться неиспользуемой большую часть времени.

Перспективы применения крабового хода:

С развитием технологий, таких как системы управления по проводам (by-wire) и автономное вождение, крабовый ход может стать стандартной функцией в будущих транспортных средствах. Он особенно перспективен для использования в роботизированной технике, городской логистике и специализированных транспортных средствах, где маневренность критически важна.

Крабовый ход представляет собой инновационное решение, повышающее функциональность и эффективность транспортных средств в различных условиях. Однако его внедрение требует тщательного анализа затрат и пользы для конкретных применений.

Глава 3. Практическая часть

3.1. Создание инновационного устройства на крабовом ходу

Мы создали устройство на крабовом ходу на базе конструктора Lego Mindstorms . (Рисунок 3.1.1, Приложения) Модель включает в себя следующие электронные компоненты:

• Два больших мотора

• Средний мотор

• Программируемый блок Ev3

Первый большой мотор отвечает за платформу, которая меняет свое положение для того, чтобы активировать прямолинейный или боковой ход. Если платформа находится в нижней точке, то модель перемещается влево-вправо. Если в верхней точке – вперед-назад. Мотор приводит в движение зубчатую передачу, которая активирует систему рычагов (платформу). (Рисунок 3.1.2, Приложения)

В платформу встроен второй большой мотор, который отвечает за горизонтальной перемещение. (Рисунок 3.1.3, Приложения)

Средний мотор используется для прямолинейного хода. Находится он в задней части робота. Мотор приводит в движение угловую зубчатую передачу, тем самым приводя в движение два колеса. (Рисунок 3.1.4, Приложения) В передней части установлены еще два колеса в качестве опоры.

Мы установили программируемый блок Ev3 на подвижную часть. Далее у нас появилась идея добавить реалистичный вид краба. С помощью боковых панелей желтого цвета сделали ему ножки, также добавили ему подвижные клешни, датчики касания играли роль глаз. (Рисунок 3.1.5, 3.1.6, 3.17, Приложения)

Мы создали пульт дистанционного управления. (Рисунок 3.1.8, Приложения)Пульт включает в себя два средних мотора расположенных по бокам и оборудованных колесами, для легкого управления. Датчик касания находится в передней части пульта, оснащен рычагом, для удобного нажатия. (Рисунок 3.1.9, Приложения)

3.2. Создание программы в ПО Mindstorms

Нами было создано две программы в ПО Mindstorms: для устройства на крабовом ходу и для пульта дистанционного управления.

ПРОГРАММА ДЛЯ ПУЛЬТА (Рисунок 3.2.1, Приложения)

Пульт является отправителем, включает в себя три подпрограммы.

Описание программной последовательности для управления скоростью краба

Две программы аналогичны, используются для средних моторов. При вращении колеса, расположенном на среднем моторе, мы можем менять скорость хода краба, делая ее отрицательную или положительную, меняя тем самым его направление.

При запуске программы сбрасывается значение мотора, который мы будем вращать, далее значение градусов передается в сообщение(b и d), которое отправляется на программный блок краба.

Описание программной последовательности для управления платформой краба

При нажатии на датчик касания мы запускаем платформу, при первом нажатии она опускается, задействует боковой ход. При повторном нажатии датчика платформа поднимается, тем самым дает возможность для управления прямолинейным ходом.

При запуске программы срабатывает цикл, который повторяет программную последовательность. Мы ожидаем состояние датчика касания – нажато. После того, как условие будет выполнено отправляется сообщение с логическим значением – истина. После ожидаем состояние датчика касания – отпущено. После того, как условие будет выполнено отправляется сообщение с логическим значением – ложь.

ПРОГРАММА ДЛЯ КРАБА (Рисунок 3.2.2, Приложения)

Краб является получателем. Включает в себя две программных последовательности.

Первая программа получает значение писем “b” и “d” и отправляет их в параметр «мощность» для большого и среднего моторов. Регулируя направление и скорость движения каждого мотора.

Вторая программа получает логическое значение. При истинном включается большой мотор, отвечающий за платформу. Таким образом платформа будет подниматься или опускаться.

Заключение

В ходе проведённого исследования был подробно изучен крабовый ход как уникальный пример механизма передвижения, а также рассмотрены перспективы его применения в инженерии и робототехнике. Анализ анатомии и биомеханики краба позволил выявить ключевые особенности его структуры и движения, которые обеспечивают высокую маневренность и устойчивость. Эти биологические принципы были успешно интегрированы в процесс проектирования инновационного устройства на колесном ходу, способного передвигаться по двум направляющим, что было реализовано в рамках поставленной цели.

Изучив существующие инженерные решения, использующие крабовый ход в автомобилестроении, были отмечены преимущества такого подхода для создания транспортных средств нового поколения с расширенными возможностями управления и перемещения в ограниченных пространствах. Практический этап работы включал разработку и программирование модели устройства, а успешная демонстрация с дистанционным управлением наглядно подтвердила работоспособность выбранной концепции.

Полученные результаты могут быть использованы как основа для дальнейших исследований и развития транспортных систем с использованием принципов, подсмотренных у природы. Наш проект не только способствуют технологическому прогрессу, но и способствуют более глубокому пониманию взаимосвязей между живой природой и инженерией.

Список используемой литературы

1. https://npacific.ru/np/library/publikacii/krab/02_1.htm

2. https://pilife.ru/a.php?id=121

3. https://old.bigenc.ru/biology/text/2105367?ysclid=max8derd96629742858

4. https://pikabu.ru/story/pochemu_krabyi_peredvigayutsya_bokom_12048941

5. Blickhan, R., & Full, R. J. (1987). "Locomotion energetics of the ghost crab."

6. JouSpirito, C. P., & Mushrush, D. L. (1979). "Interlimb coordination during slow walking in the crab." Journal of Comparative Physiology, 135, 25–36.rnal of Experimental Biology, 130(1), 155–174

7. https://pikabu.ru/story/pochemu_krabyi_peredvigayutsya_bokom_12048941

8. https://translated.turbopages.org/proxy_u/en-ru.ru.3b1c7150-682cbbc7-89fbc381-74722d776562/https/a-z-animals.com/articles/do-crabs-swim-the-answer-isnt-so-simple/

9. Fujiwara, S., & Kawai, H. (2016). "Burrowing mechanics of sand bubbler crabs." Biology Open, 5(6), 828–840. DOI:10.1242/bio.017939

10. otvet.mail.rum.ok.rupikabu.ru

11. https://fotoprom.com/pochemu-kraby-hodyat-bokom

12. dzen.ruvfokuse.mail.rupravda.rubolshoyvopros.ru

13. https://istk.ru/articles/krabovyy-khod-pogruzchika-dlya-chego-on-nuzhen/?utm_source

14. https://auto.ru/mag/article/crabmodenewvideo/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

15. https://www.teslarati.com/tesla-cybertruck-engineer-reveals-crab-walk/

Приложения