"Помощник в горах"- грузовой ассистент для транспортировки снаряжения в горной местности

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Морозов М.Д. 1

---

1ЧОУ ЦО "НОВОШКОЛА"

Назимова А.А. 1

---

1ЧОУ ЦО НОВОШКОЛА

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1. Введение

Актуальность темы. Главная проблема альпинистов - большой вес снаряжения: палатки, провизия, канаты весят очень много, и переносить их вверх по крутому склону крайне сложно. Масса обмундирования альпиниста составляет от 25 до 40 кг. При уклоне гор 45–60° и поверхности, состоящей из камней, снега и льда, каждый лишний килограмм становится опасным. Особенно важна разгрузка в экстренных ситуациях, когда требуется помощь спасателей.

Цель работы - разработать на базе конструктора LEGOWeDo 2.0 модель автономного транспортировщика, который берёт на себя часть груза альпиниста и облегчает подъём в гору.

Задачи:

• проанализировать существующие способы транспортировки грузов в горной местности;

• выявить их недостатки применительно к горным условиям;

• разработать концептуальную модель грузовой машины‑ассистента;

• создать действующий прототип на базе LEGO WeDo 2.0 и протестировать его на имитации горного склона;

• Провести тестирование, эксперименты, сделать выводы

Объект исследования - процесс транспортировки грузов в горной местности.

Предмет исследования - технические решения, позволяющие облегчить транспортировку грузов в горной местности с использованием доступных конструкторов.

Практическая значимость. Разработанная модель может быть использована:

• в образовательных целях для изучения принципов работы механических передач и робототехники;

• как основа для создания более мощных прототипов;

• для демонстрации принципов транспортировки грузов в горной местности на уроках физики и технологии.

Методы исследования. В работе использованы методы анализа научной и популярной литературы, наблюдения, моделирования и экспериментального тестирования.

Глава 1. Знакомство с темой: горы, альпинисты и экипировка

1.1 Что такое горы и какие они бывают

Горы ‑ обширные участки земной поверхности, возвышающиеся над равнинами. Они образуются из‑за движения тектонических плит, вулканической активности и эрозии (Приложение, рисунок 1.1.1).

Основные характеристики:

• Высота. Делятся на низкие (до 1000 м), средние (1000–2000 м) и высокие (более 2000 м). Самые высокие вершины: Эверест (8849 м), К2 (8611 м), Канченджанга (8586 м); в России — Эльбрус (5642 м), Дыхтау (5204 м), Казбек (5033 м) (Приложение, рисунок 1.1.2).

• Рельеф. Включает крутые склоны, скалы, осыпи, ледники, ущелья.

• Климат. С высотой температура падает на 0,6∘C каждые 100 м, воздух разрежается, усиливаются ветер и осадки. На высоте более 5000 м возможна горная болезнь.

• Опасности. Лавины, камнепады, трещины во льду, метели, грозы.

1.2. Кто такие альпинисты и чем они занимаются

Альпинисты ‑ люди, поднимающиеся на горные вершины, чтобы преодолеть сложный маршрут и испытать себя (Приложение, рисунок 1.2.1). Альпинизм бывает спортивным (по классификации сложности) и туристическим (походы с восхождениями).

Этапы восхождения:

1. Подготовка. Изучение маршрута, проверка погоды, сбор снаряжения.

2. Акклиматизация. Подъём на высоту для адаптации к разрежённому воздуху.

3. Восхождение. Движение по маршруту с использованием страховки (верёвки, карабины, ледорубы).

4. Спуск. Опасный этап: усталость может привести к ошибкам.

5. Анализ. Разбор пути, обсуждение успехов и ошибок.

Качества альпиниста: физическая выносливость, умение работать в команде, навыки ориентирования и выживания, хладнокровие в экстремальных ситуациях.

1.3. Экипировка альпиниста: что берут в горы

Вес снаряжения альпиниста составляет 25–40 кг (Приложение, рисунок 1.3.1). Его можно разделить на группы:

1. Личное снаряжение (10–15 кг): рюкзак (2–3 кг), спальник (1–2 кг), коврик (0,5 кг), одежда (3–5 кг), обувь (2–3 кг), кошки (1–1,5 кг), ледоруб (0,7–1 кг), каска (0,3–0,5 кг).

2. Групповое снаряжение (8–12 кг): палатка (2–4 кг), горелка и газ (1–2 кг), верёвки (3–5 кг), карабины и страховочные системы (1–2 кг), аптечка (0,5–1 кг).

3. Специальное снаряжение: GPS‑навигатор или смартфон с офлайн‑картами, рация или спутниковый телефон, налобный фонарик, фотоаппарат или экшн‑камера.(Приложение, рисунок 1.3.2)

Способы снижения нагрузки

 Лёгкие материалы (титан, алюминий, нейлон, полиэстер, синтетические утеплители) — снижают вес снаряжения на 30–90 %.

 Компактное питание (сублиматы, энергетические батончики, таблетки для очистки воды) — уменьшают вес провизии до 90 %.

 Современные технологии (GPS, метеостанции, трекеры типа Garmin inReach) — повышают безопасность и навигацию.

 Логистика (портеры, вертолёты, промежуточные склады) — оптимизируют доставку грузов.

 Роботизированные системы (дроны‑разведчики, роботы‑носильщики до 25 кг, автоматические станции) — перспективное направление автоматизации.

Таким образом, каждый килограмм груза в горах влияет на успех и безопасность восхождения. Современные технологии и продуманная экипировка уже помогают альпинистам, но потенциал для инноваций огромен. Разработка специализированных роботов‑помощников может стать следующим шагом в облегчении пути и спасении жизней в экстремальных условиях.

Глава 2. Мой опыт в скалолазании: трудности, достижения и идеи

Меня зовут Михаил, мне 8 лет, я учусь во 2‑м классе и год занимаюсь скалолазанием в спортивной школе. В этой главе — мой опыт, трудности и идея робота‑помощника для альпинистов (Приложение, рисунок 2.1.1).

Три раза в неделю я хожу на тренировки, где учусь лазить по стенам (находить зацепки и распределять вес), завязывать узлы для страховки, пользоваться снаряжением (карабины, верёвки, страховочная система), безопасно падать и правильно дышать на маршруте, чтобы меньше уставать.

Сначала было непросто: быстро уставали руки, скользили пальцы, я боялся высоты, тяжело давался рюкзак с снаряжением (~5 кг), не хватало координации. Благодаря тренеру я освоил основные узлы, научился распределять нагрузку между руками и ногами, планировать маршрут на стене и сохранять равновесие, а также перестал бояться высоты. Мой главный успех — я долез до верха стены без отдыха!

На школьных соревнованиях среди младших групп я занял 3‑е место. Это подтвердило: регулярные занятия дают результат, правильная техника важнее силы, а умение справляться с волнением помогает показать лучший результат.

Во время тренировок я заметил, что даже рюкзак в 5 кг сильно мешает при подъёме — чем тяжелее груз, тем быстрее устаёшь, снижается концентрация (что опасно на высоте), а в экстренной ситуации тяжёлый рюкзак замедляет спуск и повышает риск падения. На больших высотах (от 3000 м) нести груз сложнее из‑за разрежённого воздуха, а на крутых склонах (45–60°) каждый килограмм увеличивает риск поскользнуться. Тренер сказал, что снаряжение альпинистов весит 25–40 кг — почти как я сам! Стало понятно, почему им так тяжело.

Я хочу сделать восхождения безопаснее и доступнее: помочь альпинистам сосредоточиться на маршруте, показать, как роботы могут помогать в сложных условиях, а также создать и протестировать макет робота‑помощника. Этот проект — возможность применить знания для решения реальной проблемы. Верю, что мой робот сделает горные восхождения комфортнее и безопаснее.

Глава 3. Разработка и реализация решения. Прототип решения

3.1 Генерация идей и выбор лучшего варианта

Мой личный опыт в скалолазании помог мне понять, насколько важна проблема тяжёлого снаряжения в горах. Даже мои 5 кг рюкзака создают трудности - а у альпинистов их в 5–8 раз больше!

Актуальность этой темы подтверждается:

• высокой опасностью горных восхождений;

• физической нагрузкой на альпинистов из‑за большого веса снаряжения;

• риском травм и аварий в экстремальных условиях;

• необходимостью быстрого реагирования в ЧС.

На этапе разработки решения я перебрал много разных идей, как помочь альпинистам с переноской тяжёлого снаряжения. Сначала я просто записывал всё, что приходило в голову, а потом вместе с тренером и учителем разбирал плюсы и минусы каждого варианта.

Первоначальные идеи:

• летающий дрон‑курьер;

• робот‑экзоскелет для альпиниста;

• канатные дороги и подъёмники вдоль маршрутов;

• животные (лошади, ослы) для перевозки грузов;

• гусеничный робот‑вездеход;

• шагающий робот с «лапами».

Для оценки вариантов я составил таблицу с критериями:

• грузоподъёмность (должен перевозить хотя бы 15–20 кг);

• проходимость (работает на склонах 45–60∘, на камнях, снегу, льду);

• автономность (может работать несколько часов без подзарядки);

• надёжность (не боится ветра, холода, влаги);

• простота использования (управляется легко, не требует специальных навыков);

• стоимость (доступен для обычных альпинистов).

Анализ альтернативных вариантов (см. предыдущую главу) привёл меня к выводу, что ни один из них полностью не подходит для решения задачи в условиях настоящих гор.

Итоговый выбор: я решил создать грузового робота‑ассистента на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 ‑ простую, надёжную и доступную модель, которая демонстрирует принцип работы помощника для альпинистов. (Приложение, рисунок 3.1.1). Ключевые особенности такого выбора:

• Четырёхногий, как горный козёл - чтобы уверенно ходить по камням, льду и снегу.

• С датчиками препятствий - чтобы видеть трещины, камни и обходить их.

• С возможностью дистанционного управления или движения по заранее заданному маршруту.

• Способный перевозить палатку, еду, запасные верёвки - всё то, что занимает много места и весит много.

Такой робот мог бы взять на себя 15‑20 кг груза, и тогда рюкзак альпиниста стал бы намного легче. Это:

• уменьшило бы усталость;

• снизило риск травм;

• позволило бы быстрее передвигаться по маршруту;

• помогло бы в экстренных ситуациях ‑ робот мог бы доставить аптечку или рацию.

3.2 Эскиз и конструктивные особенности модели

В ходе исследования были изучены интернет‑источники, посвящённые снаряжению альпинистов и техническим средствам для транспортировки грузов в горах. Установлено, что масса обмундирования альпиниста составляет от 25 до 40 кг, а уклон туристических маршрутов часто составляет 45–60∘. Поверхность склонов представлена камнями, снегом и льдом, что значительно усложняет передвижение.

На основе этих данных и с учётом возможностей конструктора LEGO WeDo 2.0 была разработана модель робота‑помощника. В модели использованы: 1 мотор, 1 хаб и датчик движения из набора LEGO WeDo 2.0.

Ключевые механизмы модели:

1. Лебёдка — главное устройство для подъёма:

   • трос закрепляется наверху склона, и мотор наматывает его, затягивая машину вверх вместе с грузом;

   • для предотвращения проскальзывания троса использованы специальные зажимы и направляющие;

   • позволяет роботу преодолевать крутые подъёмы, где обычное движение затруднено. (Приложение, рисунок 3.2.1)

2. Червячная передача:

   • обеспечивает уверенный ход и работает как тормоз — машина не покатится назад, даже если мотор выключится;

   • выбрана из‑за надёжности и способности выдерживать нагрузки в рамках возможностей конструктора;

   • делает движение более плавным и контролируемым. (Приложение, рисунок 3.2.2)

3. Кулачковый механизм:

   • приводит в действие рычаг, который приподнимает корпус над камнями;

   • робот как бы «отталкивается» от горы, сохраняя плавность хода на неровностях;

   • спроектирован так, чтобы минимизировать риск застревания на крупных камнях;

   • компенсирует отсутствие гидравлических амортизаторов, обеспечивая базовую амортизацию. (Приложение, рисунок 3.2.3)

Конструктивные особенности прототипа:

• Шасси: простая, но устойчивая платформа из LEGO‑деталей с противоскользящими элементами.

• Грузовая платформа: съёмный контейнер для имитации груза (можно разместить фигурки альпинистов или утяжелители).

• Система управления:

  • управление через хаб LEGO WeDo 2.0;

  • датчик движения помогает роботу реагировать на препятствия;

  • программирование базовых команд через специальное ПО LEGO. (Приложение, рисунок 3.2.4)

• Энергосистема: батарейки (входят в комплект LEGO WeDo 2.0), время работы — около 1–1,5 ч.

3.3 Программирование

Алгоритм управления моделью разработан таким образом, чтобы робот мог самостоятельно преодолевать подъем по наклонной поверхности. В основе движения лежит совместная работа лебёдки и кулачкового механизма, который позволяет роботу отталкиваться от поверхности горы.

Программа начинается с запуска мотора: ему задается мощность 5 и направление вращения по часовой стрелке (Приложение, Рисунок 3.3.1). В этом режиме робот начинает плавное движение вверх. Во время работы программа постоянно ожидает сигнала от датчика движения. Если на пути возникает препятствие, датчик передает команду, и мотор мгновенно выключается.

После небольшой паузы алгоритм переходит к этапу объезда препятствия. Для этого мотор включается в противоположную сторону на максимальную мощность. Это необходимо, чтобы лебёдка начала разматываться, а кулачковый механизм помог роботу быстро откатиться назад и изменить свое положение относительно преграды. После этого выполнение программы начинается заново. Такая последовательность действий является цикличной: сколько бы препятствий ни встретилось на пути, робот будет каждый раз повторять этот маневр, пока не преодолеет сложный участок.

Глава 4. Тестирование и проведение экспериментов

4.1. Экспериментальная установка

Для проверки работоспособности модели создана имитация горного склона с препятствиями:

• наклонная фанерная поверхность с регулируемым углом наклона;

• покрытие для имитации льда и каменистой поверхности (детали и кубики LEGO);

• робот‑ассистент на базе LEGO WeDo 2.0;

• фигурки альпинистов и утяжелители (имитация груза);

• препятствия (кубики и детали LEGO), размещаемые равномерно или случайным образом. (Приложение, рисунок 4.1.1)

4.2. Методика и результаты тестирования

Испытания проведены с учётом ограничений LEGO WeDo 2.0 и включали проверку отдельных механизмов и комплексные тесты. Фиксировались: время выполнения задачи, устойчивость модели, сбои механизмов, температура мотора (на ощупь), необходимость ручного вмешательства.

Основные серии испытаний и итоги:

1. Устойчивость (углы 30° и 45°, длительность 10 мин):

   • при 30° — равновесие сохранялось без движения;

   • при 45° — удержание за счёт кулачкового механизма;

   • свыше 45° — потеря сцепления из‑за малого веса и ограниченной мощности мотора.

2. Преодоление препятствий (высота 1–5 см):

   • успешно преодолеваются преграды до 3 см;

   • при высоте 5 см — застревания или развороты, требуется корректировка программы и перераспределение веса.

3. Грузоподъёмность (груз 100–400 г, высота подъёма 30 см):

   • 200 г поднимается за 15 секунд;

   • 300 г — время подъёма до 25 секунд, начинается перегрев мотора;

   • 400 г — движение не начинается из‑за недостаточного крутящего момента.

4. Проверка механизмов:

   • лебёдка — эффективна при подъёме по крутым склонам;

   • червячная передача — надёжно удерживает модель на склоне;

   • кулачковый механизм — обеспечивает плавность хода на неровностях, но требует доработки для крупных препятствий;

   • датчик движения — позволяет реагировать на крупные препятствия.

Итак, прототип на базе LEGO WeDo 2.0 подтверждает реализуемость концепции робота‑помощника для альпинистов: базовые механизмы работают корректно и решают задачи транспортировки груза в условиях, имитирующих горную местность.

Ограничения: недостаточная мощность мотора, малый вес конструкции, ограниченная проходимость.

Перспективы развития:

• добавление датчиков (например, гироскопа);

• улучшение проходимости за счёт изменения конструкции «лап»;

• увеличение грузоподъёмности (более мощные конструкторы/дополнительные моторы);

• оптимизация программы управления для автоматического выбора режима движения (лебёдка/шагание).

Таким образом, прототип демонстрирует потенциал технологий для облегчения работы альпинистов и создаёт основу для разработки более совершенных

систем.Заключение

В ходе научно‑исследовательской работы «Помощник в горах» решены поставленные задачи:

• проанализированы существующие способы транспортировки грузов в горной местности и выявлены их основные недостатки (высокая стоимость, зависимость от погоды, значительная нагрузка на альпиниста);

• разработана концептуальная модель грузовой машины‑ассистента с ключевыми функциями: преодоление склонов, устойчивость, грузоподъёмность и преодоление препятствий;

• создан и протестирован прототип на базе LEGO WeDo 2.0, подтвердивший принципиальную возможность реализации идеи;

• в ходе испытаний подтверждена работоспособность основных механизмов (лебёдка, червячная передача, кулачковый механизм) в условиях, имитирующих горную местность.

Выявлены ограничения прототипа: недостаточная мощность мотора, малый вес конструкции и ограниченная проходимость.

Проект имеет практическую значимость как образовательная модель для изучения робототехники и механики. Перспективы развития — модернизация конструкции для повышения грузоподъёмности и проходимости, добавление датчиков и оптимизация управления. Таким образом, результаты работы создают основу для разработки более совершенных роботов‑помощников, способных повысить безопасность и эффективность горных восхождений.

Список литературы

Печатные источники

1. Букреев А.Н. Восхождение. — М.: Эксмо, 2018. — 320 с.

2. Захаров П.П. Школа альпинизма. — М.: Спорт, 2020. — 416 с.

3. Иванов С.В. Техника безопасности в альпинизме. — СПб.: Питер, 2019. — 192 с.

4. LEGO Education WeDo 2.0. Руководство пользователя. — LEGO Group, 2016. — 68 с.

5. Фёдоров А.А. Робототехника для детей и родителей. — СПб.: Наука, 2017. — 240 с.

Интернет‑источники

6. Официальный сайт LEGO Education. Раздел WeDo 2.0 [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 15.05.2026).

7. Портал «Альпинизм.ру». Раздел «Экипировка» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 10.05.2026).

8. Сайт производителя туристического снаряжения «Red Fox». Каталог товаров [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 12.05.2026).

9. Научно‑популярный портал «Популярная механика». Статья «Роботы‑носильщики для альпинистов» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 20.05.2026).

10. Образовательный портал «Робототехника в школе». Проект «Робот‑помощник» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 25.05.2026).

11. Википедия. Статья «Горы» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 05.05.2026).

12. Сайт МЧС России. Раздел «Безопасность в горах» [Электронный ресурс]. URL: (дата обращения: 08.05.2026).

Приложение

Рисунок 1.3.2. Пример снаряжения альпиниста

Рисунок 2.1.1. Тренировка в спортивной школе по скалолазанию (личное фото)

Рисунок 3.1.1 Модель «Помощник в горах»

Рисунок 4.1.1 Экспериментальная модель горного склона и прототипа робота‑ассистента на базе LEGOWeDo 2.0

Рисунок 3.2.4 Детали конструктора LEGOWeDo 2.0: мотор, хаб, датчик движения

Рисунок 3.3.1 Программа