XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Роботизированная настольная игра «Цепная реакция»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Штафун М.А. 1Бем К.М. 1Дорошин Р.П. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Попова Е.Е. 1

---

1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта «Роботизированная настольная игра «Цепная реакция» обусловлена несколькими факторами:

Повышенный интерес к робототехнике. Робототехника становится все более популярной областью, вызывая интерес у детей и взрослых. Игра позволяет познакомить широкую аудиторию с этой областью в увлекательной форме.

Развитие STEM-образования. Игра способствует развитию навыков в области науки, техники, инженерии и математики (STEM), что является приоритетным направлением в современном образовании. Она позволяет изучать принципы механики и программирования в игровой, ненавязчивой форме.

Дефицит качественных развивающих игр. Рынок настольных игр богат, но качественных игр, сочетающих развлечение с образовательным потенциалом в области робототехники, относительно немного.

Повышение востребованности навыков решения проблем. Игра развивает у игроков навыки логического мышления, планирования, стратегического мышления и решения проблем – навыки, важные в любой сфере деятельности.

Возможность семейного времяпрепровождения. Игра может стать увлекательным занятием для всей семьи, способствуя совместному обучению и развитию.

Инновационность. Применение робототехники и механики в настольной игре добавляет элемент новизны и привлекательности, отличая её от традиционных настольных игр.

Доступность. Игра может быть доступна для разных возрастных групп, от младших школьников до взрослых.

В целом, проект отвечает на растущий спрос на качественные и увлекательные образовательные игры, способствующие развитию STEM-навыков и формированию важных жизненных компетенций у детей и взрослых. Он также имеет потенциал для инноваций в сфере настольных игр.

Цель проекта — разработать и протестировать роботизированную настольную игру «Цепная реакция», обеспечивающую увлекательный игровой опыт для 2–4 игроков, основанный на создании и управлении цепными реакциями с помощью механических элементов, датчиков и простых алгоритмов программы.

Задачи:

- Изучить понятие «цепная реакция» как явления природы;

- Узнать о видах цепной реакции и о стадиях;

- Рассмотреть настольные игры, основанных на принципе «домино» (цепная реакция)

- Рассмотреть механические передачи для построения модели настольной игры «Цепная реакция» из конструктора образовательного набора LEGO WeDo 2.0

- Создать модель роботизированной настольной игры «Цепная реакция», установить датчики и запрограммировать.

- Создать версию игры, включающую все необходимые компоненты, правила и инструкцию.

- Провести демонстрацию работы модели

Глава 1 Цепная реакция: от явления в природе до игры

1. 1. Что такое цепная реакция, примеры в природе

Цепная реакция в жизни — это явление, при котором изменение одного действия активирует ряд других связанных между собой действий. Наглядно это можно увидеть на примере эффекта домино.

Эффект домино объясняет это явление: каждое изменение влечёт за собой ряд других изменений, подобно тому, как падают костяшки домино, выстроенные в ряд (Приложение, Рисунок 1.1.1).

Цепные реакции существуют в живой природе. В цикле развития любого вида или живого в целом можно заметить схему цепной реакции. Природные цепные реакции делают невозможными многие теоретически предполагаемые явления. Цепь природных явлений, каждое из которых влечет за собой изменение других связанных с ним явлений.

Цепная реакция в химии – реакция, в ходе которых непрерывно регенерируется одна или несколько частиц через повторяющийся цикл элементарных стадий.

В физике есть понятие цепная ядерная реакция (Приложение, Рисунок 1.1.2). Работает это следующим образом: нейтрон, попадающий в ядро урана, вызывает его распад. При этом образуются несколько осколков и новые нейтроны. Эти новые нейтроны вызывают распад других ядер, которые, в свою очередь также испускают новые нейтроны. Данный процесс называется цепной ядерной реакцией.

1. 2. Виды, стадии цепной реакции

Цепная реакция может быть, как неуправляемой, так и управляемой. Для создания новых механизмов на базе понятия цепной реакции для нас представляет наибольший интерес управляемая цепная реакция, которую можно использовать для реализации поставленных задач.

Можно намеренно запустить цепную реакцию следующими способами:

1) начать с действия, на которое есть мотивация;

2) не сбавляя темп, переходить к следующей задаче (нужно позволить созданному импульсу первой задачи запустить выполнение следующих).

Любая цепная реакция состоит из трех стадий:

1) зарождение цепи (в нашем случае выбор и использование конкретной детали может задать последующую работу цепи);

2) продолжение (развития) цепи (в этом случае мы тоже можем выбирать именно те детали, которые наиболее эффективно помогут нам решить поставленные задачи);

3) обрыв цепи (в случае с проектированием механизма для нас это будет значить тоже правильный отбор нужного механизма).

В технической механике возникает потребность в креплении тел к опорам и соединении отдельных элементов конструкций между собой. Так возникают связи. К основным видам связей относятся: поверхности; нити, тросы, цепи, стержни; неподвижные и подвижные шарниры и многое другое.

С точки зрения робототехники мы можем конструировать механизмы с учетом понимания работы цепных реакций на каждом этапе конструирования. Например, если нам нужно резкое ускорение действия всех элементов, мы можем начать с гладких узлов; если мы ставим перед собой иную цель, то и узлы конструкции будем использовать другие. (Приложение, Рисунок 1.2.1):

1. 3. Игры «Цепная реакция»

В домашних условиях можно использовать любой материал, кубики, наклонные плоскости и другое, чтобы построить последовательность элементов цепной реакции. Так можно использовать несколько игр "Дженга" ( т.к. там идеальные брусочки) и несколько видов обычного "домино".

Есть специальные наборы с домино и другими устройствами для цепной реакции World domino Kimo (Приложение, Рисунок 1.3.1).

Движение элементов (машинок, мячиков и др) по наклонной плоскости также отражает явление цепной реакцией (Приложение, Рисунок 1.3.2). Элементы при движении вниз под действием силы тяжести могут менять траекторию движения, взаимодействовать с другими элемента и в результате достигать планируемого финиша.

.

1. 4. Примеры механизмов для построения моделей проекта из LEGO конструктора

На занятиях по робототехнике мы изучили простые и сложные механизмы, научились их применять в различных моделях и запускать от мотора LEGO WeDo 2.0.

Перед началом конструирования моделей роботов для подъема и перемещения грузов мы повторили основные механизмы (Приложение, Рисунок 1.4.1) и рассмотрели возможность их использования в нашей модели:

• Рычаг и система рычагов (для увеличения силы человека и/или перемещения предмета)

• Зубчатая передача: повышающая (увеличения скорости перемещения), понижающая (уменьшения скорости перемещения), равнозначная, угловая (для изменения плоскости вращения)

• Ременная передача: повышающая, понижающая, равнозначная (для передачи движения на расстоянии)

• Червячная передача (для увеличения силы, прочности)

• Конвейер (для перемещения предметов)

• Лебедка (для перемещения, подъема и спуска предметов)

• Наклонная плоскость (для перемещения предметов вниз под силой тяжести)

Глава 2 Создание роботизированной настольной игры «Цепная реакция»

2.1 Конструкция робота

Мы сконструировали наш проект на базе конструктора LEGO WeDo 2.0. Процесс создания роботов представлен на Рисунок 2.1.1 Приложения. Мы создали сначала две наклонные плоскости одну под другой. Чтобы они располагались прочно, мы сделали прочные опоры, проверили модель на симметрию: изменили место крепления закрепляющих балок.

Сконструировали и усовершенствовали снаряд для легкого (без трения) движения по наклонным плоскостям в процессе цепной реакции (Приложение, Рисунок 2.1.2).

Для перенаправления снаряда с одной плоскости на другую мы установили вращающуюся платформу (работающую как рычаг). Мы назвали эту часть модели – платформа взаимодействия. Для приведения её в движение мы установили мотор и многоступенчатую понижающую зубчатую передачу для более точного вращения платформы. Управление платформой осуществляется игроком с помощью датчика наклона.

На финише мы установили датчика движения. Он подает сигнал в момент достижения снарядом зоны финиша.

Итоговый вид модели представлен на Рисунке 2.1.3 Приложения.

2.2 Программа

Программы включают в себя 7 подпрограмм (Приложение, Рисунок 2.2.1). В программе мы использовали блоки «ожидание» положения датчика наклона и реакции датчика движения, блоки «передача данных с помощью писем», блоки «цикл» для многократного повтора. Передача задач между подпрограммами происходит с помощью писем.

Программу мы запускаем в цикле. С помощью датчика наклона мы управляем движением снаряда при переходе от одной наклонной плоскости к другой, при достижении финиша срабатывает датчик движения, что символизирует победу.

2.3 Демонстрация проекта

Мы разработали правила игры и оформили основные её компоненты.

Цель игры: быстрее других игроков провести все свои элементы (диски) по двум наклонным плоскостям через платформу взаимодействий и достичь финишной зоны.

Компоненты игры: Игровая модель с 2 наклонными плоскостями, содержащая препятствие в виде вращающейся платформы для перенаправления игровых снарядов с одной наклонной плоскости на другую, управление с помощью датчика наклона, зона финиша с датчиком движения.

Набор игровых снарядов: шарики, диски или небольшие конструкции из LEGO округлой формы. На одну игру 4 снаряда для каждого игрока.

Правила игры.

Подготовка к игре:

1. Игровая модель приводится в исходное положение: платформа взаимодействий устанавливается горизонтально, датчик наклона - в положение «ровно».

2. На стартовую позицию устанавливаются все 4 игровых снаряда.

3. Судьба решает, кто первым бросит вызов! Игроки определяют порядок ходов с помощью жеребьевки.

Ход игры:

1. Игроки по очереди запускают игровые снаряды.

2. Каждый игрок сам определяет в какой последовательности и с каким промежутком по времени будут запущены снаряды по наклонной плоскости

3. Элементы движутся по наклонной плоскости, взаимодействуя с платформой, игрок управляет платформой с помощью датчика наклона.

4. Датчики движения фиксируют каждый игровой снаряд на финише.

5. Игрок получает 20 баллов за каждый игровой снаряд, достигший финиша.

6. Успешное управление платформой взаимодействия (без помощи рук) приносит игроку дополнительно 5 баллов за каждый снаряд, перемещенный между наклонными плоскостями.

7. Игра продолжается до тех пор, пока все снаряды пройдут через систему и достигнут финиша, но не дольше 3 минут.

8. Побеждает игрок, набравший наибольшее количество баллов за минимальное время.

Результаты первой нашей игры мы записали в Таблице 2.3.1.

Таблица 2.3.1 Роботизированная игра «Цепная реакция»: результаты игрового процесса

Мы представили наш проект родителям, друзьям и ученикам АНОО «Президентский Лицей «Сириус» (Рисунок 2.3.1 Приложения). Получилась отличная игра!

Движение элементов (шариков, дисков, небольших конструкций округлой формы) по специально спроектированной наклонной плоскости наглядно иллюстрирует явление цепной реакции. Каждый элемент, спускаясь под действием силы тяжести, инициирует движение последующих элементов, изменяя их скорость движения и вызывая каскад взаимодействий. Эти взаимодействия могут включать столкновения, активацию дополнительных механизмов и взаимодействие с другими элементами системы. Управление всей моделью осуществляется с помощью датчиков, которые отслеживают положение и движение элементов, обеспечивая точную и своевременную активацию механизмов. В результате целенаправленного проектирования наклонной плоскости, взаимодействия элементов, достигается планируемый финиш, демонстрируя управляемость цепной реакции в рамках созданной игровой среды.

Заключение

В ходе выполнения проекта были успешно решены поставленные задачи. Изучение понятия «цепная реакция» как физического явления и его различных типов, а также анализ существующих настольных игр, основанных на принципе домино, позволили сформировать прочное теоретическое основание для проектирования модели. Анализ механических передач и возможностей конструктора LEGO WeDo 2.0 обеспечил выбор оптимальных решений для построения функциональной модели игры.

Модель роботизированной настольной игры «Цепная реакция» была успешно создана, в неё были интегрированы датчики, и разработано программное обеспечение для управления процессом цепной реакции. Разработана и документирована финальная версия игры, включающая все необходимые компоненты, правила и инструкцию для пользователей. Успешная демонстрация работы модели подтвердила достижение цели проекта и работоспособность разработанной системы.

Проект продемонстрировал возможность применения принципов цепной реакции в контексте робототехники и разработки интерактивных настольных игр, позволяя игрокам не только развлекаться, но и изучать основы механики и программирования в игровой форме. Результаты проекта могут быть использованы для дальнейшего развития и усовершенствования модели, а также для создания более сложных и увлекательных роботизированных настольных игр.

Разработанная игра станет увлекательным занятием для друзей и семей, объединяя их за интересным и познавательным времяпрепровождением. Кроме того, модель демонстрирует эффективное применение простых механизмов и механических передач, что делает её ценным учебным пособием для занятий по информатике, физике и робототехнике.

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

1. https://style.rbc.ru/health/6732113a9a7947647f3eba45

2. https://obrazovaka.ru/fizika/cepnaya-reakciya-shema-kratko.html

3. https://studopedia.su/10_60358_osnovnie-ponyatiya-kinetiki-tsepnih-reaktsiy.html

4. https://studopedia.su/10_60358_osnovnie-ponyatiya-kinetiki-tsepnih-reaktsiy.html

5. Эта игрушка очень понравится любителям цепной реакции!

Приложение