Реферат на тему «Робот из картона»

Введение

Робот из картона на первый взгляд кажется детской поделкой, которую мастерят из коробки от бытовой техники, фольги и пластиковых крышек. Однако в школьном курсе технологии и на занятиях робототехникой картон используют гораздо серьёзнее. Из него делают макеты корпусов, подвижные модели рук-манипуляторов с гидравлическим приводом на шприцах и даже простых роботов с моторами и микроконтроллером. Картон дешёв, легко режется и клеится, а ошибку в выкройке можно исправить за несколько минут, поэтому он хорошо подходит для первых опытов конструирования.

Такой подход не придуман для школы. Инженеры и дизайнеры часто начинают работу над изделием с картонного макета, на котором проверяют размеры, пропорции и движение деталей, прежде чем заказывать дорогие металлические или пластиковые части. В 2018 году компания Nintendo выпустила набор Labo, в котором из картонных листов собирались игровые устройства, в том числе надеваемый на спину «робот-костюм». Этот пример показывает, что картонная конструкция может быть вполне рабочей, если её правильно рассчитать и собрать.

Тема реферата связана сразу с несколькими школьными предметами. Чтобы сделать робота из картона, нужно знать свойства материала, уметь читать и строить развёртки, понимать устройство простых механизмов, а для движущейся модели ещё и основы электротехники. Работа над такой моделью хорошо показывает, как проходит путь от идеи до готового изделия.

Цель реферата — описать возможности картона как материала для изготовления моделей роботов и рассмотреть основные виды таких моделей. В первой главе рассказывается о том, что называют роботом, о свойствах картона и о видах картонных роботов, во второй главе разобраны этапы изготовления модели. Основой служат учебник технологии, стандарт с терминами робототехники и пособия по конструированию из бумаги и картона.

Глава 1. Картон как материал для моделирования роботов

1.1 Робот и модель робота

Слово «робот» появилось в 1920 году в пьесе чешского писателя Карела Чапека «R.U.R.», а придумал его, по словам самого писателя, его брат Йозеф. Оно происходит от чешского слова robota, означающего подневольный, тяжёлый труд. У Чапека роботами называются искусственные люди, сделанные на фабрике, но со временем слово стало обозначать машины, способные выполнять действия по программе. Первые промышленные роботы появились в США в начале 1960-х годов, когда манипулятор Unimate начал работать на автомобильном заводе компании General Motors.

В технике сегодня пользуются более строгим определением. Национальный стандарт ГОСТ Р 60.0.0.4-2019, совпадающий с международным стандартом ISO 8373, называет роботом исполнительный механизм, программируемый по двум и более осям, обладающий некоторой степенью автономности и способный перемещаться в своей рабочей среде для выполнения задач. Из этого определения следуют три признака настоящего робота: подвижные части, привод и система управления, которая решает, когда и как двигаться.

Картонная модель может обладать всеми тремя признаками, а может только одним или двумя. Неподвижная фигура робота передаёт лишь его внешний облик, шарнирная кукла уже имеет подвижные части, а модель с моторами и микроконтроллером становится настоящим, хотя и очень простым роботом. Поэтому в работе с картоном удобно говорить не просто о роботе, а о модели робота определённого уровня сложности.

1.2 Свойства картона

Картоном называют плотный бумажный материал толщиной обычно от 0,2 миллиметра и больше. Для поделок используют несколько его видов. Тонкий коробочный картон, из которого делают упаковку для лекарств и продуктов, легко сгибается и подходит для мелких деталей. Переплётный картон плотный и жёсткий, из него получаются ровные плоские пластины. Для корпуса робота чаще всего берут гофрокартон, который состоит из плоских слоёв бумаги и волнистого слоя между ними.

Гофрированную бумагу запатентовали в Англии в 1856 году, причём сначала её использовали как подкладку для высоких шляп. В 1871 году американец Альберт Джонс получил патент на гофрокартон для упаковки стеклянных бутылок, а через три года Оливер Лонг предложил приклеивать к волнистому слою плоский лист, и материал приобрёл знакомый нам вид. Волнистый слой работает как ряд маленьких арок, поэтому лёгкий лист выдерживает большую нагрузку, если давить на него вдоль волн.

Гофрокартон выпускают с волнами разной высоты, которые называют профилями и обозначают латинскими буквами. Чем выше волна, тем толще и жёстче лист, но тем труднее вырезать из него мелкие детали и сгибать его без заломов. Ориентировочная толщина листов разных профилей показана на рисунке 1.

Для робота это значит, что разные части модели лучше делать из разного картона. Туловище и ноги, которые должны держать вес всей конструкции, удобно вырезать из трёхслойного гофрокартона профилей B или C, взятого из обычной транспортной коробки. Пальцы, шестерни и мелкие накладки делают из микрогофрокартона профиля E или из плотного коробочного картона. При раскрое важно учитывать направление волн: деталь, по которой будет приходиться основная нагрузка, вырезают так, чтобы волны шли вдоль действующей силы.

У картона есть и слабые стороны, о которых нужно помнить. Он боится влаги и при намокании теряет жёсткость, а при многократном сгибании в одном месте быстро разлохмачивается. Отверстия под оси в картоне со временем разбалтываются, поэтому их часто укрепляют шайбами из плотного картона или пластика. Эти ограничения не мешают делать модели, но их приходится учитывать уже при разработке развёртки.

Многое зависит и от инструментов. Гофрокартон режут макетным ножом по металлической линейке на специальном коврике, потому что ножницы сминают волнистый слой и оставляют неровный край. Чтобы картон согнулся ровно и не треснул, линию сгиба заранее продавливают тупым концом ножниц или пустой шариковой ручкой, и этот приём называют биговкой. Если сгиб нужно сделать поперёк волн, его продавливают особенно тщательно, иначе картон ломается в случайном месте.

Для склеивания используют клей ПВА, клеевой пистолет и двусторонний скотч. Клей ПВА даёт прочное соединение, но сохнет долго и от большого количества влаги картон коробится, поэтому его наносят тонким слоем и детали прижимают грузом. Горячий клей схватывается за несколько секунд и удобен для сборки объёмных узлов, хотя работать с ним нужно осторожно, а шов получается заметным. Подвижные соединения вообще не клеят: для них нужны оси из деревянных шпажек, канцелярские кнопки или винты с гайками, которые позволяют деталям поворачиваться.

1.3 Виды картонных роботов

По устройству и сложности картонные модели роботов можно разделить на четыре группы. Чем выше уровень модели, тем больше в ней деталей не из картона: оси и шарниры, трубки и шприцы, моторы, батарейки и плата управления. Основные виды моделей сравниваются в таблице 1.

Таблица 1 — Виды моделей роботов из картона

Статичная фигура и шарнирная модель доступны уже в начальной школе, хотя и они требуют аккуратности при разметке. Гидравлический манипулятор, в котором вода из одного шприца давит на поршень другого и тем самым поднимает «плечо» или сжимает «клешню», хорошо подходит для 6–8 классов и наглядно показывает закон Паскаля. Робот с электроприводом требует умения собрать электрическую цепь и написать простую программу, поэтому такие модели чаще делают в старших классах и на кружках робототехники. Для любой из этих моделей подходит плотный гофрированный картон от упаковочных коробок, а детали удобно соединять клеем ПВА или клеевым пистолетом под присмотром взрослых. Как изготавливаются модели каждого вида, рассказано во второй главе.