XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Wallzavr
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современный человек стремится к красоте и эстетике сооружений и зданий. Проблемыосквернения сооружений или зданий, порча имущества в общественных местах и транспорте, устаревание покрытий очень актуальна в наше время. Затраты на первичную покраску и перекраску очень высокие, поэтому экономное роботизированное устройство – хорошее решение.
Проблема: человек подвергает свое здоровье опасности, работая на высоте и с химическим составом краски. Низкая эффективность из-за человеческого фактора (покраска неравномерным слоем, вандализма и хулиганства).
Цель: разработать роботизированное устройство для покраски отвесных поверхностей, способствующее сокращению трудовых и материальных затрат, снижению рисков рабочих при покраске на высоте, а также уменьшению вредного воздействия красок на их здоровье.
Задачи:
Выявить актуальность данной темы
Исследовать рынок покрасочных работ
Исследовать мировые аналоги роботизированного устройства для покраски отвесных поверхностей
Изучить основы программирования, необходимые для создания устройства для покраски отвесных покрытий
Разработать концепцию роботизированной системы для покраски стен
Разработать прототип робота-покрасчика
Провести тестирование функций прототипа
Исправить недостатки системы
Масштабировать систему для покраски более крупных объектов, разработка концепций масштабирования проектов
Разработать, собрать и испытать прототип промышленной установки
Разработать конструкторскую документацию на систему
Патентование полезной модели
Выход на рынок
Актуальность: ежегодно строятся новые дома, ведется ремонт старых зданий, люди желают сделать город ярче, серые стены угнетают.
Новизна: безопасная, использующая человеческий труд в меньших объемах, эффективная, способствующая сокращению трудовых и материальных затрат покраска отвесных покрытий. В данный момент нет аналогов данного устройства.
Методы проектирования:
Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ)
Метод декомпозиции
Метод итераций (последовательного приближения)
Методы конструирования
Методы оптимального проектирования
Функционально-стоимостной анализ
Целевая аудитория: строительные организации, собственники строений, управляющие компании (ЖКХ).
Предполагаемый результат:
Робот, способный:
Перемещаться и проводить покрасочные работы в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах;
Избегать попадания на окна и выступы в процессе покраски;
Выполнять работу по очистке поверхности перед покраской;
Производить автоматическое нанесение художественных изображений несколькими цветами.
1. Теоретическая часть
1.1 Технология покраски фасадов
Покраска фасада здания – это эстетическая и защитная (от преждевременного износа, увеличение срока службы сооружения) функции.
Этапы покраски: подготовительный этап, грунтование, покраска.
Основные покрасочные инструменты: кисть, валик, краскораспылитель, губка.
1.2 Вредные производственные факторы маляров
Различные вещества, содержащиеся в покрасочных материалах, ухудшают здоровье маляра. Последствия могут тяжелыми: бронхиальная астма, рак легкого, поражение почек, печени, мозга и репродуктивной системы.
Малярам регулярно приходится работать на высоте, что требует особенно внимательного соблюдения техники безопасности. Существует риск падений итравм, смерти.
1.3 Концепция роботов
У каждого робота есть характеристики:
полезность
физическое тело;
устройство ввода-вывода информации;
программа
1.4 Аналоги роботизированных технологий для покраски отвесных поверхностей
Существующие аналоги
Таблица 1
Существующие роботизированные аналоги
Таблица 2
Вывод: существующие аналоги в полной мере не удовлетворяют предъявляемым требованиям, поэтому, я решила разработать собственную роботизированную технологию для покраски отвесных поверхностей.
1.5 Польза роботизированных технологий для покраски отвесных покрытий
Плюсы:
Снижение вреда, наносимого здоровью человека при ручном труде, сокращение заболеваемости сотрудников.
Однородная, точная и эффективная покраска
Снижение риска брака из-за устранения человеческого фактора.
Снижение себестоимости покрасочных работ
Экономия электроэнергии
Отсутствие ннеобходимости проводить докраски
Выполнение операции разной степени сложности и с изделиями разных габаритов.
Простота использования софта
Робот может с одинаковой точностью наносить покрытие на заготовки разные по размеру и рельефу, не замедляя процесс работы.
Минусы:
Высокая цена и возможные поломки.
1.6 Основы программирования
Arduino – это открытая программируемая аппаратная платформа для работы с различными физическими объектами и представляет собой простую плату с микроконтроллером, а также специальную среду разработки для написания программного обеспечения микроконтроллера.
1.7 Управление движения
Arduino Bluetooth RC Car - приложение, предназначенное для использования модифицированной радиоуправляемой технологии.
Приложение позволяет управлять радиоуправляемым автомобилем на базе Arduino по Bluetoothс помощью телефона Android.
2. Практическая часть
2.1. Социологический опрос
В подтверждение актуальности темы моей работы я составила анкету и провела социологический опрос среди жителей города (150 человек), используя возможности социальных сетей.
Результаты анкетирования представлены в виде диаграмм (Приложение 1).
2.2. Проектирование и создание технологии для покраски отвесных покрытий
Используя метод декомпозиции, я распределила работу на несколько этапов.
Этапы проекта:
1) Создание дорожной карты
2) Разработка конструкции и принципа работы роботизированной технологии.
Используя метод конструирования, я решила создать робота способного:
Перемещаться и проводить покрасочные работы в автоматическом, полуавтоматическом и ручном режимах с помощью заданной программе на Arduino Mega, мобильного приложения;
Избегать попадания на окна и выступы в процессе покраски с помощью ультразвуковых дальномеров;
Выполнять работу по очистке поверхности перед покраской с помощью большого напора воздуха;
Производить автоматическое нанесение художественных изображений несколькими цветами с помощью аэрозольных баллонов и сервопривода.
3) Определение необходимых материалов/компонентов.
Используя метод оптимального-проектирования, я выбрала каркас из фанеры хвойственных пород древесины.
Сравнительная характеристика различных материалов для изготовления корпуса
Таблица 3
Наносить покрытия я решила с помощью распылителей, ориентируясь на его характеристики.
Сравнительная характеристика различных вариантов нанесения покрытия
Таблица 4
В качестве покрасочного материала я выбрала акриловую спрей-краску, так как c ней легче реализовать проект на данный момент.
Для нанесения краски на отвесные покрытия я решила использовать систему с использованием сервопривода.
Для передвижения роботизированной технологии я решила сделать систему с использованием тросов, которые регулируются, накручиваются на стержень и передвигают робота.
4) Определение систем и компонентов.
1. Система передвижения.
Система передвижения будет представлена в виде двигателей и крепления. Используя метод оптимального проектирования, был выбран коллекторный двигатель, так как на данный момент для него используется наиболее простой метод подключения.
Для проекта был выбран двигатель с червячным редутором DC12V10RPM. Два двигателя вращают катушки с тросами, тем самым изменяя длину троса, следовательно осуществляется перемещение.
Сравнительная характеристика двигателей для системы передвижения
Таблица 5
Используя метод оптимального проектирования, был выбран трос из полипропилена. Их коэффициент прочности равен 0,15.
Сравнительная характеристика различных материалов тросов
Таблица 6
Масса моего робота приблизительно 1,649 кг с учетом аэрозольного баллона и каркаса. Рассчитав коэффициент запаса прочности (1,42), рассчитываем допустимую нагрузку тросов.
Допустимая нагрузка тросов равна 2,3 кг.
Поэтому для работы я выбрала трос-шнур толщиной 3 мм из полипропилена, способный выдержать всю конструкцию, так как его предельная нагрузка равна 2,35 кг, т.е. удовлетворяет расчётам.
Также к корпусу роботизированной технологии для покраски прикручены колеса, чтобы не испортить отвесное покрытие.
2. Система покраски.
Нажатие на аэрозольный баллон осуществляется с помощью сервопривода Tower Pro MG 996R.
Для крепления баллона и сервопривода я решила создать в программе 3Д моделирования «Компас-3д v.18.1» собственную конструкцию.
Так как отвесные покрытия имеют окна, выступы, то я решила с помощью ультразвукового дальномера производить замеры, которые подаются в ArduinoMega. Микроконтроллер производит управление исполнительного устройства. Для проекта были выбраны 6 ультразвуковых дальномеров HC-SPO4, которые будут прикреплены на каркас роботизированной технологии.
Аэрозольный распылитель следует взбалтывать перед каждой покраской, для этого в будущем я усовершенствую данную систему.
3. Система включение/выключения/перемещения/покраски роботизированной технологии.
Для связи человека с роботом понадобится Wi-Fi или Bluetooth модули.
Для создания роботизированной технологии для покраски отвесных покрытий подойдет любой из вариантов на данный момент. Я решила использовать Bluetooth модуль HC-06.
Автономная работа осуществляется по заданной программе с помощью приложения Arduino Bluetooth RC Car. Каждая кнопка выполняет свою функцию:
Кнопки вверх, вниз, вправо, влево осуществляют повороты двигателей, тем самым изменяя длину тросов, благодаря чему происходит перемещение по поверхности.
Кнопка “передние фары” осуществляет работу сервопривода, который нажимает на аэрозольный баллон, тем самым происходит покраска.
5) Определение угла наклона аэрозольного распылителя.
С помощью транспортира и линейки был определен угол наклона и расстоянии от стены, на которых необходимо фиксировать аэрозольный распылитель. В ходе проделанной работы наиболее выгодным оказалось расположение, равное 15о относительно покрытия на расстоянии 10 см от клапана.
6) Размеры компонентов для 3Д моделирования.
Для разработки 3Д моделей крепежа аэрозольного распылителя и сервопривода, катушки для тросов и основания нужно снять замеры. Все расчеты я проводила с помощью штангенциркуля.
7) 3Д моделирование.
После разработки конструкций и создания всех чертежей я начала делать 3Д модели в программе «Компас-3д v.18.1».
Используя методы итерации и функционально-стоимостного анализа, были разработаны наилучшие крепежи баллона, ролики (Приложение 2).
8) Определение источника питания.
Для определения источника питания я нашла потребляемое напряжение и ток всех элементов.
Таблица расчёта потребителей электроэнергии
Таблица 7
В качестве источника питания я выбрала 3 последовательно соединенных аккумулятора размером 18650, емкостью 2800 мА/ч и напряжением 4,2 В. Приблизительное время непрерывной автономной работы составляет 1 час и 5 минут. За это время данный прототип покрасит 10,9 м2
9) Работа со всеми электронными элементами по-отдельности и соединение их друг с другом.
10) Сборка роботизированной технологии для покраски отвесных покрытий.
11) Написание программы для роботизированной технологии для покраски отвесных покрытий. (Приложение 3)
12) Алгоритм покраски
Используя метод ТРИЗ, в ходе которого были рассмотрены несколько алгоритмов покраски, была разработана наилучшая траектория покраса. Самый быстрый и качественный - покрас, начинающийся с левого верхнего угла и продолжающийся слева направо, далее направлен попеременно то в одну, то в другую сторону.
13) Тестирование роботизированной технологии для покраски отвесных покрытий. (Приложение 4)
https://drive.google.com/file/d/1scT4X-w2Ne8GF36wW1QyAlQklZZpZNfz/view?usp=sharing
14) Расчет себестоимости.
Себестоимость прототипа Wallzavrа – 11830,4 р. Используя функционально-стоимостной анализ, было выяснено, что при производстве в масштабном количестве, когда все необходимые компоненты будут закупаться оптом, себестоимость Wallzavra уменьшится на 20%-25%.
Стоимость материалов
Таблица 8
2.3 Планирование
Правовой аспект – ИП
Точка безубыточности достигается за 251 день при условии сдачи в аренду 25 раз.
Таблица финансового анализа
Т аблица 9
Риски
Отсутствие доверия потребителя – наиболее опасный риск.
Способ преодоления – проведения демонстрационных покрасочных работ.
2.4 Рынок
Важная информация о проекте будет размещаться в соцсетях и на официальном сайте.
Наиболее эффективные каналы коммуникации - рассылка с важной информации на почту, общение в интернете.
Размер целевого рынка
Спрос на красоту города у жителей растет каждый год, поэтому примерно 5-10% собственников строений будут покупать услугу покраски с помощью роботизированной технологии.
План выхода на рынок
Я планирую создать пробную партию из 5 роботизированных технологий, найти людей для получения обратной связи. После ее получения, я доработаю проект, запущу мелкосерийное производство и создам рекламную компанию.
После подтверждения востребования, я масштабно распространю роботизированную технологию по городам России.
Заключение
Новизна: безопасная, использующая человеческий труд в меньших объемах, эффективная, способствующая сокращению трудовых и материальных затрат покраска отвесных покрытий. В данный момент нет аналогов данного устройства.
Практическая значимость:
Разработанная система способна перемещаться и проводить покрасочные работы в ручном режиме;
Роботизированная технология управляется дистанционно;
Проект является перспективной разработкой. Предложенная система, может быть, использована в целях покраски отвесных поверхностей;
В результате данной работы был разработан прототип роботизированного устройства для покраски отвесных поверхностей.
Выполнение моего проекта было бы невозможно без использования знаний по математике, физике, технологии, основам экономики, электроники, программирования и механики.
В будущем планируется разработать корпус и системы снижения влияния ветра на перемещение роботизированной технологии, алгоритмы автоматической покраски и системы детектирования оконных проемов, промышленного прототипа и его тестирование, а также создание документации на него, выход на рынок.
Список литературы
Andy Pye: Пластиковые материалы под УФ-прожектором [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [https://koros.biz/info/news/plastikovye-materialy-pod-uf-prozhektorom/]
Алексей Бойко (ABloud): Роботы [Электронный ресурс] / Алексей Бойко - Режим доступа к сайту: [http://robotrends.ru/robopedia/roboty]
Андрей Крон: Роботы в человеческом обществе [Электронный ресурс] / Андрей Крон - Режим доступа к сайту: [https://habr.com/ru/company/unet/blog/337902/]
Гагарина Д.А.Занимательная робототехника, All rights reserved Arduino для начинающих. Урок 4. Управление сервоприводом [Электронный ресурс] / Гагарина Д.А. - 2014-2020. – Режим доступа к сайту: [http://edurobots.ru/2014/04/arduino-servoprivod/]
Драйвер шагового двигателя и двигателя постоянного тока L298N и Arduino Arduino-DIY.com[Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [http://arduino-diy.com/arduino-drayver-shagovogo-dvigatelya-i-dvigatelya-postoyannogo-toka-L298N]
Робот. ТекстдоступенполицензииCreativeCommonsAttribution-ShareAlike; [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D1%82]
Сервопривод SG90 микро, пластиковые шестерни [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [https://mcustore.ru/store/privody-mexanika/mikro-servoprivod-sg90/?gclid=EAIaIQobChMIyeuLvMbL5wIVReaaCh3SZQMUEAQYAiABEgK]
Сервоприводы: подключение, управление, скетчи Ардуино [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [http://wiki.amperka.ru/]
Топ-25: самые прочные и твердые материалы, известные науке [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [https://bugaga.ru/interesting/1146763534-top-25-samye-prochnye-i-tverdye-materialy-izvestnye-nauke.html]
Углепластики [Электронный ресурс] / Режим доступа к сайту: [https://ru.wikipedia.org/wiki/Углепластики]
Приложения
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4