XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Роботизированная платформа для игр с мячом

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Попова А.С. 1Пульмановский Н.С. 1Серкин С.Е. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Попова Е.Е. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта «Роботизированная платформа для игр с мячом» обусловлена несколькими факторами:

Рост интереса к робототехнике и автоматизации. Робототехника активно развивается, и всё большее количество людей интересуются ею. Роботизированная платформа для игр с мячом может стать увлекательным инструментом для демонстрации возможностей робототехники и привлечения внимания к этой области.

Потребность в новых формах интерактивных развлечений. Люди постоянно ищут новые и интересные способы развлечений. Роботизированная платформа — это новый игровой опыт, сочетающий физическую активность с взаимодействием с роботизированной системой.

Возможность создания персонализированных игр. Роботизированная платформа может быть запрограммирована на различные сценарии игр, что позволяет адаптировать игровой процесс под индивидуальные потребности и предпочтения игроков.

Образовательный потенциал. Платформа может быть использована в образовательных целях для обучения принципам робототехники, программирования, компьютерного зрения и искусственного интеллекта.

Возможность коммерциализации. Разработанная платформа может стать основой для создания новых коммерческих продуктов в сфере интерактивных развлечений и образовательных технологий.

В целом, проект отвечает на растущий спрос на инновационные развлечения и образовательные технологии, интерактивность и возможности современной робототехники.

Цель проекта: разработать и создать модель роботизированной платформы для игр с мячом, обеспечивающую интерактивный и увлекательный игровой процесс с возможностью управления роботом с помощью датчиков.

Задачи:

- Изучить подробно несколько интересных игр с мячом;

- Рассмотреть подробно информацию о видах игр, целях, стратегиях, правилах;

- Создать модель роботизированной платформы для игр с мячом из LEGO Spike Prime, установить датчик и запрограммировать;

- Создать версию игры, включающую все необходимые компоненты, описание и правила;

- Провести игру и демонстрацию работы модели.

Глава 1 Интересные игры с мячом: правила, стратегии.

1. 1. Игры на попадание мяча в цель

Мы рассмотрели несколько интересных игр, в которых мяч должен попасть в цель или разные цели, игроки зарабатывают баллы или выполняют задание на скорость (Рисунок 1.1.1 Приложения).

Точный бросок

Для игры нужны 2 обруча и 2 мяча. Участвуют две команды по 8-12 человек, каждая делится пополам. Половинки в каждой команде строятся в колонну лицом друг к другу на расстоянии 3-4 м, между ними кладут обручи. Первым игрокам в половинках с большим числом дают мяч. Задача — точно попасть мячом в обруч так, чтобы отскочивший мяч поймал игрок противоположной половинки. Поймав мяч, игрок возвращает его партнеру аналогичным способом. После броска участники отходят в сторону. Если мяч задел обруч или не пойман — бросок повторяют. Игра проходит быстро, команда, закончившая первой, выигрывает. Также можно устроить личное первенство: игроки по очереди кидают мяч с линии броска, а ведущий ловит отскок. За каждый точный бросок даётся очко. Игра повторяется несколько раз, после чего подводят итоги.

Броски в мишени

Для игры понадобится мел. Ведущий чертит на площадке 3 мишени. Первая смещена вправо на 10 м от линии броска, вторая — точно по линии на 20 м, третья — влево на 15 м. Мишени состоят из 5 концентрических окружностей диаметром 1–1,5 м, размеры и расстояния зависят от возраста и уровня игроков. Каждый игрок выполняет по три броска. Попадание в «яблочко» даёт 10 очков, следующая полоса — 8, последняя — 2 очка. За каждый бросок начисляется одно очко. По итогам подсчёта выигрывает самый меткий.

Попади в цель

Игра на развитие меткости. Во время игры ребёнок учиться попадать в цель со всё большего и большего расстояния. Если использовать мячи разного диаметра и цвета, то в игровой форме можно закреплять или проверять знания цветов, размеров и счёта. В эту игру может играть один человек, пара малышей; можно даже устроить соревнования команд

1. 2. Игры с мячом на наклонной плоскости

Чаще всего элементы наклонной плоскости (Рисунок 1.2.1 Приложения) и движения мяча встречаются как часть более сложных игр или аттракционов. Однако, можно выделить несколько примеров, которые демонстрируют принцип:

Миниатюрные гонки с мячом. Миниатюрный гоночный трек с наклонными участками, где участники запускают маленькие шарики или машинки с мячом, соревнуясь в скорости и точности прохождения трассы.

Скейт-парки для мячей. Миниатюрные скейт-парки с рампами и наклонными элементами, по которым скатываются мячи, демонстрируют схожий принцип. Это аттракционы, но в них присутствует соревновательный элемент: кто дальше прокатит мяч.

Игровые автоматы с наклонной плоскостью. В некоторых игровых автоматах используется наклонная плоскость, по которой перемещаются шарики (Рисунок 1.2.2 Приложения). Задача игрока — управлять движением шариков, чтобы они попали в определенные ячейки, получая за это очки.

Компоненты в других играх. Наклонная плоскость с движением мяча может быть одним из элементов в более сложной игре, например, как часть лабиринта или препятствия в гоночной трассе.

Принцип использования наклонной плоскости и движения мяча достаточно универсален и может быть интегрирован в различные игровые механизмы.

В играх, где мяч движется по наклонной плоскости, ключевым является управляемое и направленное движение для достижения максимальной скорости. Для этого необходимы интуитивное управление (например, изменение угла наклона или применение импульса), реалистичная физическая модель (учитывающая гравитацию, трение и сопротивление воздуха), возможность задания начальных параметров и наличие препятствий, усложняющих задачу. Чаще всего мяч движется по «коридору» - пути, ограниченному стенками.

Мы провели сравнение: подобное движение мы наблюдаем в олимпийском виде спорта «Бобслей» (Рисунок 1.2.3 Приложения). Аналогия между бобслеем и движением мяча по наклонной плоскости, указывает на общие принципы. Общие черты включают движение под действием гравитации по заданной траектории (ледяная трасса/наклонная плоскость), поиск оптимальной траектории для достижения максимальной скорости и, потенциально, преодоление препятствий (повороты в бобслее/выступы на плоскости). Однако, бобслей значительно сложнее: управление санями требует высокой координации и опыта команды, влияние на скорость и траекторию оказывают множество факторов, таких как лёд (его состояние, температура), погода, аэродинамика саней и мастерство команды. Движение мяча на наклонной плоскости, в свою очередь, в значительной степени определяется начальными условиями и физическими законами, минимально подвергаясь влиянию случайных факторов и управляясь гораздо проще. Цель в бобслее – минимальное время прохождения трассы, цель для мяча может быть более разнообразной.

1. 3. Теннис – интересная и популярная игра с мячом

Теннис – один из самых популярных видов спорта, существующих на нашей планете.

На сегодняшний день существует несколько разновидностей игры (Приложение, Рисунок 1.3.1), каждый из которых имеет свои особенности и правила. Тем не менее, под теннисом, в общем смысле слова, подразумевают игру двух игроков или команд по 2 человека, которые перекидывают между собой небольшой снаряд пластиковыми или деревянными ракетками.

Большой теннис.

Существует 2 основных вида большого тенниса:

• Одиночный, когда в турнире участвуют только 2 игрока.

• Парный – с двумя игроками в каждой команде.

Настольный теннис

Или пинг-понг — увлекательный вид спорта, которым можно заниматься дома или в специализированных залах. Игра с мячом, ракетками и столом. Правила просты: соперники по очереди наносят удары по мячу после отскока от стола. Эта игра требует высокой скорости реакции, ловкости и точности ударов. Она насыщена тактическими ходами и стратегиями, что делает её захватывающей и динамичной.

Пелота

Это древний вид тенниса с испанскими и баскскими корнями. Играется на открытых площадках; игроки использовали рукавицы с кожаными рукавами для ударов по специальному мячу из резины и шерсти.

Реал-теннис

Эта игра — смесь тенниса, сквоша и регби. Игроки отбивают мяч слева или после отскока от пола, затем игра продолжается через сетку. Правила реал-тенниса отличаются от обычного тенниса, включая особенности подачи, отскока и удара.

Сквош

Это вид спорта с мячом и ракеткой в закрытом помещении. Название (от англ. squash) связано с использованием мягкого полого мяча диаметром около 40 мм, а прародителем считается игра в рэкетс («ракетки»), где применяется более жёсткий мяч.

Таким образом, одним из значимых преимуществ тенниса как спорта является то, что в нём нет возрастных ограничений. Благодаря разнообразию его видов каждый может выбрать подходящий уровень, соответствующий своим возможностям и физической подготовке. Теннис способствует развитию мышления, силы воли и выносливости, делая игру интересной и захватывающей для всех — от детей до пожилых людей.

Глава 2 Создание роботизированной платформы для игр с мячом

2.1 Конструкция: задачи, выбор механизмов

Мы сконструировали роботизированную платформу с использованием деталей и механизмов LEGO, для запуска платформы мы использовали компоненты LEGO SpikePrime: моторы, датчик, хаб. Платформа состоит из трех частей - 3 игры в мяч (Рисунок 2.1.1 Приложения):

1. Робо-теннис

2. Робо-бобслей

3. Попади в цель

В первой главной части платформы расположена игра «Робо-теннис» (Рисунок 2.1.2 Приложения). Мяч устанавливается в исходную позицию и при нажатии на датчик касания происходит удар по мячу рычагом от повышающей зубчатой передачи, механизмы приводит в движение большой мотор 1 (порт Е). Цель игры – мяч должен долететь до стены и отскочить.

Вторая часть – это игра «Робо-бобслей» (Рисунок 2.1.3 Приложения). Основное движение мяча осуществляется по наклонной плоскости под силой тяжести. Начальный толчок по мячу производит толкатель на реечной передаче, подключенной к среднему мотору (порт F) через понижающую угловую зубчатую передачу. Цель игры – мяч должен скатиться по наклонной плоскости и пересечь отметку финиша.

Третья игра «Попади в цель» на точность запуска мяча и на удачу попадания в ячейку с большим количество баллов (Рисунок 2.1.4 Приложения). Большой мотор 2 (порт A) начинает вращать платформу, установленную на поворотном столе, игрок запускает мяч по наклонной плоскости, под силой тяжести мяч скатывается и попадает в одну из ячеек. Цель игры: запустить мяч так, чтобы он скатился в ячейку с наибольшим количеством баллов. Если мяч скатывается и в ячейку не попадает, игрок получает 0 баллов.

В модели 1 датчик касания (силы нажатия), он запускает моторы и начинает игру.

2.2 Программа

Наша программа для запуска 3 игр один раз - линейна и запускается по нажатию датчика касания (Рисунок 2.2.1 Приложения).

Первым запускается большой мотор (порт Е) на 1 оборот. Так рычаг совершает удар по мячу и возвращается в исходное положение.

Сразу после этого включается средний мотор (порт F). В этой части платформы установлена реечная передача, она совершает поступательное движение вперед-назад. Поэтому мы подобрали значение – 0.8 оборота в одну сторону, чтобы толкнуть мяч, и 0,8 оборота в другую сторону, чтобы толкатель пришел в исходное положение.

Третьей запускается игра «Попади в цель». Большой мотор 2 (порт А) включается с небольшой мощностью 30% на 5 оборотов. За это время игрок направляет мяч по наклонной плоскости. Мяч скатывается и попадает/не попадает в ячейку.

Эту программу мы поставили в цикл и запуск можно осуществить вновь с помощью нажатия на датчик касания.

2.3 Демонстрация проекта – запуск игр с мячом

Играть с мячом на роботизированной платформе могут от двух до четырех человек. Игроки по очереди активируют платформу и играют в три игры с мячом, по итогу каждого запуска записываются заработанные баллы. Каждый игрок активирует платформу по 3 раза. Выигрывает тот, кто заработает больше всего баллов по итогу всех игр.

Перед началом игры устанавливаются 2 мяча (снаряды) в начальные положения в игре «Робо-теннис» и «Робо-бобслей» (Рисунок 3.3.1 Приложения), мяч (снаряд) для третьей игры «Попади в цель» игрок держит в руках и опускает по наклонной плоскости, когда платформа начнет вращаться. В момент начала попытки игрок нажимает датчик касания. Происходит запуск игр по порядку: «Робо-бобслей», «Робо-теннис» и третьей запускается игра «Попади в цель». В каждой игре можно получить баллы, варианты выигрыша представлены в Таблице 2.3.1.

Таблица 2.3.1 Варианты выигрыша на роботизированной платформе

Мы командой из 3 человек сыграли 3 раза. Результаты игры на роботизированной платформе получились неожиданно разными – есть победители и проигравшие! Результаты представлены в Таблице 2.3.2.

Таблице 2.3.2 Результаты трех запусков игр с мячом на роботизированной платформе.

Наша роботизированная платформа для игр с мячом – интересный вариант настольной игры с непредсказуемым результатом, что позволяет сохранять азарт и увлеченность игрой на протяжении всего времени игры.

Мы представили наш проект родителям, друзьям и ученикам АНОО «Президентский Лицей «Сириус» (Рисунок 2.3.1 Приложения). Получили много положительных отзывов и рекомендаций. Также после выступления мы доработали наш проект.

Заключение

Проект «Роботизированная платформа для игры в мяч» — это отличная идея интересной настольной игры с непредсказуемым итогом. При помощи конструктора и механизмов LEGO Spike Prime мы создали 3 разные части и успешно провели первые игры.

В ходе работы над проектом мы выполнили поставленные задачи. Было проведено углубленное изучение различных игр с мячом, анализируя их цели, стратегии и правила.

Мы создали роботизированную платформу с тремя играми с мячом, запрограммировали и провели первые запуски. Мы выполнили презентацию проекта: сыграли в игры с мячом на роботизированной платформе, результат записали в таблицу, подвели итог.

Полученные результаты подтверждают возможность использования робототехники для создания интерактивных и увлекательных игр с мячом. В перспективе, проект мы планируем расширить путем усложнения роботизированной платформы, введения дополнительных датчиков и разработки более сложных игровых сценариев.

Мы считаем, что наше решение может быть использовано как настольная игра и объединит друзей за интересным времяпрепровождением. Также наша модель демонстрирует успешное применение простых механизмов и механических передач, что может быть использовано на занятиях по информатике, физике и робототехнике.\

Реализация данного проекта не только расширит практические знания в области робототехники и сенсорных технологий, но и будет способствовать развитию творческого мышления и навыков командной работы. В итоге, такая платформа станет отличным инструментом для обучения и развлечения, объединяя технические инновации с увлекательным игровым процессом.

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. https://detstrana.ru/service/games/popadi-v-tsel/

4. Какие виды тенниса существуют в мире

5. Баскская пелота — Википедия

6. Реал-теннис — Википедия

7. Сквош — Википедия

8. Какие виды тенниса существуют и в какой легче всего играть | Vibe tennis | Дзен

9. Теннис как вид спорта - Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки

Приложение