КОНСТРУКТОР LEGO MINDSTORMS NXT

 LEGO Mindstorms NXT – конструктор нового поколения, который может быть использован для проектирования роботов и робототехнических систем.

На рынке представлены две версии продукта: коробочная 8547, образовательная 9797 (отличительная особенность комплектов - разный набор деталей).

Рис. 42 Варианты комплектов LEGO MindstormsNXT: 8547 (слева), 9797 (справа)

Рис. 43 Внешний вид микроконтроллера NXT

Блок NXT имеет 4 кнопки на передней панели. При помощи этих кнопок производится его включение, выключение, программирование в среде NXTProgram, а также запуск и остановка программ, изменение различных настроек.

Объем памяти блока NXT ограничен, поэтому программный код принято упрощать. Чем Ваш алгоритм проще, тем лучше. Это действие называют оптимизацией алгоритма.

Все моторы и датчики подключаются на определенные порты блока NXT, что также упрощает работу.

Таблица 1. Характеристики микроконтроллера NXT

Двигатель NXT(рис. 44) состоит из нескольких компонентов. Это электродвигатель, оснащенный редукторами, датчиком угловых перемещений, а также имеющий ступицы колеса с отверстием под ось. Датчик угловых перемещений имеет очень высокую точность - ±1°.

Рис. 44 Двигатель NXT

Рис. 45 Способы крепления мотора к блоку NXT

Датчик касания(рис. 46)реагирует на нажатие и отпускание (выполняя функции контактного выключателя), с помощью программного обеспечения его можно настроить на касания (есть в наборах 8547, 9797).

Акустический датчик(рис. 47)  представляет собой микрофон с усилителем и служит для оценки уровня звука. Он способен измерять уровень шума в диапазоне 90 дБ. Результаты измерения формируются в процентах (только в наборе 9797).

Ультразвуковой датчик(рис. 48)  используется для определения расстояния до различных предметов. Максимальное расстояние, которое он может покрыть – 2,55 м, точность определения ± 3 см. Такой датчик вполне подходит для решения самых простых задач по обнаружению и распознаванию объектов. Необходимо отметить, что наиболее достоверные показатели датчик получает от предметов с хорошей отражающей поверхностью (есть в наборах 8547, 9797).

Световой датчик(рис. 49)может быть использован для оценки уровня освещенности и даже различения цветов, но можно использовать его и как бесконтактный выключатель (только в наборе 9797).

 Рис. 46 Датчик касания Рис.          47 Акустический датчик Рис.                    48 Ультразвуковой датчик

                                  Рис. 49 Световой датчик                                Рис. 50  Цветовой датчик

Цветовой датчик (рис. 50)может работать как датчик цвета и распознавать шесть цветов, быть датчиком света, определяющим интенсивность освещения и регистрирующем его уровень, а также выполнять функции цветной лампы красного, зеленого и синего цветов (есть только в наборе 8547).

Набор соединительных кабелей

Соединительные кабели предназначены для подключения датчиков и моторов к блоку NXT.

Рис. 51 Стандартные соединительные кабели

Кроме высокотехнологичных компонентов, в набор входят  дополнительные конструктивные элементы.

Конструктивные элементы (детали):

v    колеса с шинами и шкивы различного размера;

v    шестеренки различных размеров и назначения, а также оси и втулки для них;

v    резиновые кольца;

v    цилиндрические фиксаторы;

v    комбинированные и ориентирующие соединители;

v    различные технические балки;

v    пластины разных размеров и форм;

v    набор специальных деталей.

Основными деталями конструктора являются детали серии Technic (Техник). Рассмотрим более подробно основные детали, их размеры и особенности соединения.

Кирпичик LEGO — деталь, представляющая собой полый пластмассовый блок, соединяющийся с другими такими же кирпичиками на шипах (рис. 52).

Рис. 52 Размеры некоторых стандартных кирпичиков LEGO и пластин

Единица измерения для LEGO моделей - это наименьший по размеру кирпич, представленный на рисунке 53 (ширина 8мм, длинна 8 мм, высота 9,6 мм). Обратите внимание, размер соединительного элемента не входит в общий размер кирпича, потому что при соединении двух деталей соединительный элемент находится внутри следующей детали. Посмотрите на рисунок 54, три сложенные друг на друга пластины дают высоту одного кирпича.

         Кирпич LEGO Technic

         Как и в классической системе LEGO, основной строительный блок в «Technic» - это система кирпичей, но внешний вид и способ соединения немного отличаются. Кирпич LEGO Technic имеет полые шипы для лучшего сцепления, а также отверстия в центре. Отверстия смещены и находятся между двумя ближайшими шипами, но могут располагаться ближе (рис. 55). У кирпича LEGO Technic отверстия двух видов: круглое и в форме креста (рис. 56).

Рис. 55 Сравнение классического кирпича с кирпичом Technic

Рис. 56 Примеры боковых отверстий у кирпича LEGO Technic

          Штифты

         Основной принцип соединения в LEGO Technic это штифтовое соединение. Поэтому рассмотрим основные виды штифтов. Штифты различаются длиной, формой, а также жесткостью крепления (рис. 57).

Рис. 57 Виды шпонок

Рис. 58 Способ крепления к балке шпонки в зависимости от ее размера

Рис. 59 Примеры жесткости крепления колеса к балке, зеленая стрелка показывает вращение с минимальным трением, красная стрелка показывает вращение с большим трением

         Виды штифтов:

1. Контактный штифт – крепление с трением (цвет:черный), вращение (цвет:светло-серый). Может соединить две балки.
2. Осевой штифт – крепление с трением (цвет:синий), вращение (цвет:светло-серый, желтый).
3. Контактный штифт – крепление с трением (цвет:черный, синий), вращение (цвет:светло-серый, желтый). Может соединить три балки.
4. Штифт «три четверти» – вращение (цвет:светло-серый).
5. «Половинный» штифт - вращение (цвет: тесно-серый).

Теперь, когда вы познакомились с наиболее распространенными соединительными элементами,  рассмотрим менее распространенные (рис. 60).

Рис. 60 Соединительные элементы для конкретных задач      Рис. 61 Способ соединения двух шаровых штифтов

1. Длинный штифт с отверстием – вращение (цвет:светло-серый).
2. Штифт с втулкой – крепление с трением (цвет:черный, светло-серый, красный), жесткое крепление. Может соединить две балки.
3. Штифт с шаром осевой – жесткое крепление (цвет:светло-серый).
4. Штифт с шаром контактный – крепление с трением (цвет:черный), способ соединения двух штифтов с шаром показан на рисунке 61.

Рис. 62 Пример крепления деталей при использовании штифта с втулкой

         Балки

         Помимо кирпичей в LEGO Technic есть балки. Отличие балки от кирпича - это отсутствие шипов и различная форма (рис. 63, 64).

Рис. 65 Сравнение кирпича и балки «Technic»

Рис. 66 Примеры соединения балки и кирпича

         В то время как кирпичи имеют соотношение 6:5 высоты к ширине, балки поддерживают соотношение 7:8. Обратите внимание на небольшую разницу высот между кирпичом и балкой.

Рис. 67 Различные формы балок

Жесткость соединения

В нежесткой связи детали соединены, но их ориентация может измениться. Балка  может  повернуться влево или вправо, независимо от типа штифта, используемого для соединения. В жесткой связи детали присоединены друг к другу так, чтобы их ориентация не изменялась (рис. 68).

Рис.68 Сравнение жесткого (слева) и нежесткого (справа) соединения двух балок

Из-за размеров балки более выигрышно смотрятся при создании надежных конструкций с большей степенью жесткости, чем конструкции из кирпичей (рис. 69).

Рис. 69 Сравнение конструкции при использовании балок и кирпичей Рис. 70 Способ крепления балки с кирпичом

Если мы используем в конструкции сочетание балок и кирпичей, то при креплении следует использовать пластины, например, если мы хотим соединить два кирпича балкой на «3» по вертикали, то следует использовать две пластины между кирпичами, для совпадения боковых отверстий (рис. 70).

         Строительные элементы для крепления деталей, расположенных на 90º друг к другу (рис. 71)

Рис. 71 Строительные элементы для крепления деталей расположенных на 90º друг к другу

Рис. 72 Строительные элементы для крепления деталей расположенных под углом друг к другу

Рис. 73 Примеры соединений деталей для ориентации на 90º друг к другу

         Строительные элементы высотой треть стандартной

Особое внимание следует уделить строительным элементам, высота которых составляет 1/3 часть от стандартного кубика. У этих деталей есть крестовые отверстия, что позволяет создавать конструкции с  жестким соединением деталей (рис. 74).

Рис. 74 Строительные элементы  высотой треть стандартной

Рис. 75 Пример использования строительных элементов с высотой треть стандартной. Механизм позволяет изменить направление вращения оси

         Оси

Оси являются одними из самых основных и важных деталей в LEGO «Technic». В зависимости от формы отверстий, в которые они вставляются, оси могут либо вращаться внутри других частей, либо остаются фиксированными к ним (держать их вместе), как показано на рисунках 76, 77, 78.

Рис. 76 Способы крепления балки с кирпичом LEGO-Technic

Рис. 77 Пример жесткого крепления 5 деталей с помощью оси

Рис. 78 Пример конструкции, при которой ось может вращаться

 Оси в LEGO «Technic» бывают двух видов: стандартные и модифицированные.

         Стандартные оси

Стандартные оси представлены в наборе в 10 вариантах. 6 вариантов осей четной длины (5 черных и одна красная) и 4 нечетной длины в светло-сером варианте (рис. 79).

Рис. 79 Стандартные оси конструктора (L=8мм)

         Модифицированные оси

Кроме стандартных осей в наборе есть модифицированные оси (рис. 80), которые имеют много практических применений. Отличительной особенностью этих осей является наличие тормозящей напайки. Тормозящая напайка не может пройти через отверстие на боковой поверхности кирпича или балки, так что модифицированные оси могут быть использованы для предотвращения нежелательного скольжения оси (рис. 81).

Рис. 80 Модифицированные оси                               Рис. 81 Пример конструкции при использовании балки 5,5 L

         Втулки

Втулки – это небольшие элементы, которые используются в сочетании с осями для поддержания расстояния между двумя или более деталями (рис. 82). Втулки могут предотвращать соскальзывание деталей, расположенных на оси, и держать их на месте. Также они могут быть использованы для удлинения оси (рис. 85) или в качестве колес в ременных передачах (рис. 84).

Втулки выпускаются в пяти вариантах:

1. Стандартная втулка (цвет: светло-серый).
2. Втулка с размером половина длины стандартной (цвет: желтый, серый).
3. Втулка с круглым отверстием (цвет: черная).
4. Втулка для удлинения оси (цвет: желтая, светло-серая, черная).
5. Штифт с втулкой (описание смотри в разделе «Штифты»), (рис. 83).

Рис. 82 Виды втулок конструктора

Рис. 83 Сравнение размеров штифта с втулкой, стандартной втулки и контактного штифта

Рис. 84 Пример использования втулки в ременной передаче

Рис. 85 Пример удлинения оси при использовании втулок

         Зубчатое колесо

Зубчатое колесо — основная деталь зубчатой передачи в виде диска с зубьями на цилиндрической или конической поверхности, входящими в зацепление с зубьями другого зубчатого колеса. Зубчатые колёса обычно используются парами с разным числом зубьев с целью преобразования вращающего момента и числа оборотов валов на входе и выходе.

Рис. 86 Зубчатые колеса (шестерни)  Рис. 87  Слева направо дифференциал, две рейки, «червяк»,

         Рейка, «червяк», дифференциал  (рис. 87)

         Подробнее о деталях и механизмов можно прочитать в параграфах § 23, § 32

         Карданный шарнир

Карданный шарнир используются для передачи вращательного движения от одного моста к другому под углом. Они состоят из центрального диска с четырьмя колышками, расположенными между двумя петлями с двумя колышками на шарнире, как показано на рисунке 88. Карданный шарнир используется в карданных передачах.

Рис. 88 Карданный шарнир

         Колеса. Шины. Гусеницы

Колесо — движитель, круглый (как правило), свободно вращающийся или закреплённый на оси диск, позволяющий поставленному на него телу катиться, а не скользить. Широко применяется для транспортировки грузов, повсеместно используется в различных механизмах и инструментах.

Рис. 91 Колеса LEGO с набором шин, гусеничная лента

Шина— один из наиболее важных элементов колеса, представляющий собой упругую резиновую оболочку, установленную на обод гусеницы. Шина обеспечивает контакт транспортного средства с дорожным полотном, предназначена для поглощения незначительных колебаний, вызываемых несовершенством дорожного покрытия, компенсации погрешности траекторий колёс, реализации и восприятия сил.

Гусеничная лента (гусеница) — замкнутая сплошная лента, применяемая в гусеничном движителе. На внутренней поверхности гусеницы имеются впадины или выступы, с которыми взаимодействуют ведущие колёса машины. Внешняя поверхность гусеницы снабжена выступами (грунтозацепами), которые обеспечивают сцепление с грунтом.

Рис. 92 Способы крепления колес

Пластины

Пластины – строительные детали конструктора.

Рис. 93 Примеры пластин

Рис. 94 Примеры крепления пластин и балок             Рис. 95 Пример соединения двух пластин, втулки и  пластины

Детали специального назначения

Шары разных размеров, классические кирпичи разных цветов, LEGO-человечки и т.д.

Рис. 96 Детали специального назначения

Кроме основных наборов на занятиях используется ресурсный набор. Это конструктор, в котором 820 разнообразных пластмассовых деталей для моделирования и конструирования механизмов.

Технологичный конструктор (9797, 8547) совместим со всеми комплектами LEGO. Расширить возможности конструктора можно, используя дополнительные датчики, разработанные компанией HiTechnic, Vernier. К дополнительным датчикам относятся: датчик цвета, датчик-компас, датчик ускорений, гироскоп, инфракрасный датчик и др. Отдельный интерес представляют блоки расширения, с помощью которых к миникомпьютеру можно подключить дополнительные двигатели, а также пассивные датчики.