Уроки робототехники : Конструкция. Движение. Управление

УРОКИ
РОБОТОТЕХНИКИ

Конструкция
Движение
Управление

С. А. Филиппов

Москва
Лаборатория знаний
2022

4-е издание, электронное

УДК 621.86/.87(072)
ББК 74.262:32.816
Ф53

С е р и я о с н о в а н а в 2020 г.

Филиппов С. А.
Ф53
Уроки
робототехники
:
Конструкция.
Движение.
Управление / С. А. Филиппов ; сост. А. Я. Щелкунова. — 4-е изд., электрон. — М. : Лаборатория знаний,
2022. — 193 с. — (Школа
юного
инженера). — Систем.
требования:
Adobe
Reader
XI
;
экран 10". — Загл.
с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-980-0
Учебное
пособие
знакомит
с
основами
моделирования
автоматических устройств на основе робототехнических конструкторов LEGO и TRIK и создания алгоритмов управления
роботами
в
среде
TRIK Studio.
Рассмотрены
физические
основы робототехники. Приведены интересные факты, касающиеся истории робототехники и ее современных достижений.
Предназначено для школьников 5–6 классов и старше,
а также всех интересующихся робототехникой. Может быть
использовано для самостоятельного обучения, а также на уроках технологии, занятиях робототехнических кружков, при
выполнении проектов и подготовке к участию в соревнованиях и олимпиадах.
УДК 621.86/.87(072)
ББК 74.262:32.816

Деривативное издание на основе печатного аналога: Уроки робототехники : Конструкция. Движение. Управление /
С. А. Филиппов ; сост. А. Я. Щелкунова. — 3-е изд. — М. : Лаборатория знаний, 2021. — 190 с. : ил. — (Школа юного инженера). — ISBN 978-5-00101-123-1.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений,
установленных
техническими
средствами
защиты
авторских
прав,
правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или
выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-980-0
© Лаборатория знаний, 2017

Дорогие ребята!

Книга, которую вы держите в руках, — необычная. Собственно, это даже не книга, а дверь, за ней — невероятно 
увлекательный мир робототехники. Сегодня создание роботов — самое перспективное направление развития мировой 
научной и конструкторской мысли. 
Роботы-манипуляторы давно уже несут вахту на производствах, в службах контроля качества продукции 
и в складских комплексах — там, где можно заменить 
человека при выполнении тяжелого и монотонного труда.
Нечастые 
пока 
медицинские 
роботы 
осуществляют 
адресную доставку лекарств в организме пациента, собирают анализы, исследуют состояние больного и передают 
эту информацию врачам. Их более продвинутые «коллеги» 
проводят сложные обследования и хирургические операции — разумеется, под присмотром людей в белых халатах, но это пока…
В условиях долговременных космических полетов роботы станут надежными помощниками космонавтов, обеспечивая им комфортное пребывание на борту корабля. 
А в открытом космосе при устранении возможных неполадок оборудования им не понадобятся ни скафандры, 
ни кислород для дыхания. Так что вполне возможно, на 
красные пески Марса одновременно ступят ребристый ботинок космонавта и металлическая «нога» робота.
Но и на нашей планете работы у роботов хоть отбавляй. Они наведут идеальный порядок в жилище, быстро 
доставят почту, выстроят наилучший маршрут и довезут 
грузы и пассажиров в нужное место без аварий и опозданий… Да мало ли что могут сделать для человека такие 
устройства, не требующие пищи и воды, не знающие, что 
такое усталость и сон!
И всё это не преувеличение. Когда вы вырастете, многие, даже самые невероятные сегодня направления использования роботов, станут чем-то привычным и само 
собой разумеющимся.

Хотите стать творцами будущего? В этом вам поможет 
наша книга. Вы научитесь собирать из деталей конструкторов модели робототехнических устройств и программировать их для выполнения заданных действий. Они 
помогут лучше понять, по каким законам и правилам 
существует мир реальных машин и механизмов.
Книга состоит из глав, разделенных на параграфы. Самые важные определения и термины выделены жирным 
курсивом, светлым курсивом даны те слова, на которые 
требуется обратить особое внимание. В разделе «Это интересно!» собраны любопытные факты из мира робототехники. Такие материалы расширят ваш кругозор. 
На полях страниц вы увидите специальные символы, 
которые облегчат навигацию по книге: 
«Ключевые термины и определения» — указаны в тексте параграфа. Их необходимо запомнить. 
«Проверьте себя» — эти материалы размещены в конце 
каждого параграфа. Вопросы повышенной сложности отмечены звёздочкой *. Работа над вопросами и заданиями 
поможет понять и освоить пройденный материал. Некоторые задания связаны с поиском новой информации. Её 
можно найти в книгах и журналах из личной или школьной библиотеки, а также в сети Интернет. 
«Запомните» — так называется заключительный раздел 
в конце параграфа. Здесь повторяются новые понятия, 
которые вы встретили в тексте. Будет совсем нелишним 
проверить, хорошо ли вы их запомнили и можете ли правильно объяснить. 
Не нужно робеть! Все рассматриваемые в этой книге 
объекты и сюжеты — не для каких-то необыкновенных гениев. Это совершенно привычная, будничная деятельность 
ваших сверстников из города Санкт-Петербурга — воспитанников замечательного педагога и энтузиаста робототехники Сергея Александровича Филиппова.
Итак, вперед, друзья! Смелее открывайте дверь в чудесный мир робототехники!

Предисловие автора

С помощью этой книги вы познакомитесь с удивительным 
миром роботов и разберетесь в основах новой прикладной 
науки — робототехники. 
Робототехника постепенно становится частью нашей 
жизни. Она включает в себя уже знакомые школьнику 
предметы: математику, физику, информатику. Используя знания, полученные на обычных уроках, вы научитесь конструировать и программировать автоматические 
устройства, очень похожие на настоящих роботов. Для 
этого вам понадобятся специальный робототехнический 
конструктор и среда программирования. 
Самые известные робототехнические конструкторы — это 
LEGO® Mindstorms® и ТРИК. Специально для школьников 
в России разработана среда программирования роботов 
ТРИК Студия (TRIK Studio). С её помощью вы научитесь 
создавать простые и сложные алгоритмы управления, которые сможете проверить как на реальных роботах, так 
и в виртуальном мире. 
Даже если у вас нет конструктора, в ТРИК Студию 
встроена двумерная модель мира, в которой маленький 
двухколесный робот исполняет множество различных алгоритмов: ездит по линиям, объезжает предметы, находит 
выход из лабиринта, рисует узоры. 
Робот может быть надежным помощником и послушным 
исполнителем воли человека. Для этого необходимо научиться программировать его с помощью специальных алгоритмов управления. В пособии вам встретятся новые термины: регулятор, отклонение, управляющее воздействие. 
Используя простые математические формулы, вы сможете 
сделать поведение робота аккуратным и предсказуемым.
Полученные знания пригодятся на уроках технологии, 
занятиях робототехнического кружка, при выполнении 
творческих проектов, подготовке к участию в олимпиадах 
и соревнованиях. 
С. А. Филиппов

6

Простейшие механизмы

Люди постоянно совершенствуют среду своего обитания, дополняя её новыми элементами. 
Уже в начале XXI века человека повсюду сопровождают автоматизированные устройства, 
которые помогают ему  быстро и эффективно 
решать многие задачи. Самые сложные и умные из этих устройств называются роботами. 
Изначально роботы задумывались для замены 
человека при физической работе в сложных 
условиях. Но теперь диапазон их применения 
расширяется с каждым днём. Учёные создают 
роботов, которые смогут существовать рядом 
с людьми, быть похожими на них (рис. 1.1).
Вам предстоит познакомиться с увлекательной 
наукой —  робототехникой, в которой применяются знания большинства школьных дисциплин. 
Создавая роботов, вы не только  узнаете, как они 

 

Рис. 1.1. Роботы: а — Atlas; б — iCub

а
б

устроены, но и научитесь использовать элементы робототехники в разных областях жизни. 
Робот —  это технически сложное устройство, которое 
включает в себя несколько обязательных составляющих: 
механическую, электронную, программную. 
Давайте начнём по порядку.

§ 1.1. Механизм, автомат, робот

Механизм —  это устройство, с помощью которого человек выполняет физическую работу, или подвижная часть 
некоторого более сложного устройства. Механизмы служат 
для передачи движения и преобразования энергии.
Автомат —  это устройство, которое может работать 
по заложенной в него программе без участия человека.
Робот —  это автомат, который способен ориентироваться в окружающей среде и обладает элементами искусственного интеллекта, то есть он может принимать «самостоятельные решения», например управлять автомобилем 
вместо водителя.

Механизм
Человек ограничен в своих физических возможностях, поэтому всегда стремился расширить их с помощью технических приспособлений. Одним из первых таких приспособлений, скорее всего, был рычаг.
Рычаг —  это про стейший механизм, представляющий 
собой балку, способную поворачиваться вокруг точки опоры (рис. 1.2 и 1.3).
Примером рычага может 
служить палка, с помощью 
которой первобытные люди 
выкапывали из земли съедобные корни или выворачивали камни. Нетрудно встретить рычаг в повседневной 
жизни: лом, лопата, тачка 
Рис. 1.2. Рычаг

и другие механизмы. Человеческое тело тоже состоит 
из множества рычагов: пальцы, руки, ноги. Со временем человек изобрёл  приспособление, аналогов которому 
нет в организмах большинства живых существ, —  колесо. 
С помощью колеса стало значительно легче перемещать 
грузы. Благодаря своим изобретениям, человек начал выполнять работу более эффективно, что, несомненно, улучшило его жизнь. 
Таким образом, механизмом можно назвать устройство, 
с помощью которого человек выполняет физическую работу. С появлением более сложных устройств, которые при 
работе обходятся без участия человека, механизмы стали 
их составными частями.

 

Рис. 1.3.  
Примеры 
механизмов:  
а — использование 
рычага 
при 
 подъёме грузов;  б —  использование рычага в часовом механизме

а
б

 
 

Рис. 1.4.  Автоматы: а —  внутренний механизм музыкальной шкатулки;  б — часы 
с кукушкой

а
б
 

Рис. 1.5.  Пишущая кукла:  а — внешний вид; 
б — внутренний механизм

а
б

Автомат

Со временем человек научился создавать механические 
устройства, которые работают самостоятельно, выполняя 
сложные цепочки действий (рис. 1.4 и 1.5). Например, 
 музыкальная шкатулка или часы с кукушкой. Такие 
устройства работают по заложенной человеком программе 
и являются авто ма тами. 
Механические автоматы с давних пор занимали умы изобретателей. И, хотя первые автоматы появились ещё до нашей эры, их расцвет приходится на XVIII–XIX века, когда 
были созданы механические животные, птицы и даже люди, 
которые действовали почти как настоящие. Механические 
куклы играли на музыкальных инструментах, писали длинные предложения, а животные были так похожи на настоящих, что церковь даже осуждала их как орудия дьявола.
И всё же, как бы ни были чудесны механические 
устройства прошлых веков, назвать роботами их нельзя. 
Расцвет робототехники начался только после того, как человечество освоило электричество, а, точнее, в XX веке.

Робот

В 1920 году чешский писатель Карел Чапек (рис. 1.6) 
впервые употребил термин «робот» в пьесе под названием 
«Р.У.Р.» (Россумские универсальные 
роботы). Основой послужило чешское 
слово «robota», что означает «тяжёлый 
труд». В этой пьесе роботы выходят 
из-под контроля  людей.
Фантасты XX века в своих сочинениях приписывали роботам невероятные 
возможности искусственного интеллекта, которые до сих пор не достигнуты. 
Например, «три закона робототехники» (обязательные правила поведения 
роботов) Айзека Азимова (рис. 1.7), 
которые впервые были опубликованы 
в рассказе «Хоровод» в 1942 году, до 
Рис. 1.6.  К. Чапек

сих пор не могут быть соблюдены ни 
одним из современных роботов. Технологии ещё не достигли того уровня, 
при котором робот сможет самостоятельно выполнять эти законы, трактуя их как человек. Для этого робот 
должен обладать полноценным искусственным интеллектом, то есть запрограммированной способностью обучаться, воспринимать окружающий мир 
и действовать как человек.
В первой половине XX века начали появляться заводы-автоматы. Автоматические линии оказались очень 
выгодными при производстве крупных партий изделий. 
Впоследствии именно для заводов были изготовлены первые подобия роботов —  программируемые манипуляторы 
(рис. 1.8). Таким образом, можно  сказать, что робототехника берёт своё начало в промышленности. 
Современных роботов разрабатывают учёные, используя 
достижения высшей математики, физики, информатики 
и многих других наук.
Основное отличие робота от автомата — присутствие 
элементов искусственного интеллекта. Эта грань строго 
не определена, поэтому в жизни некоторые автоматы тоже 
называются роботами. Их объединяет наличие специаль
Рис. 1.7. А. Азимов

Рис. 1.8. Конвейер по 
сборке 
автомобилей 
промышленными 
манипуляторами