XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-дезинфектор на базе конструктора Spike Prime
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Последние два года в мире бушует пандемия COVID-19, которая привносит изменения в привычный быт людей. Ограничена возможность путешествовать, люди вынуждены ходить в масках, в некоторых странах вводят комендантский час и режим самоизоляции. Во многих регионах России для защиты здоровья не привитых людей вступают в силу ограничения по походам в театры, кино, музеи, торговые центры и спортивные комплексы, так как вирус не только передается при контакте, но и может сохраняться на различных поверхностях от 3 до 8 суток.
Весь мир прилагает колоссальные усилия для борьбы с вирусом, и мы не хотим оставаться в стороне. Наша команда мечтает свободно путешествовать и, не боясь, ходить друг к другу в гости, посещать спортивные центры и игровые зоны.
Мы решили выяснить, какие приборы помогают справиться с очисткой помещений сегодня, а так же сконструировать эффективного и безопасного помощника, который сократил бы число заболевших, очищая помещения от вредоносных вирусов.
Цель проекта- исследование безопасности применения робота-дезинфекора в качестве устранителя вирусов в помещениях.
Задачи:
-изучить основные способы защиты от COVID-19;
-рассмотреть использование существующих роботов-помощников в сфере дезинфекции и очистки поверхностей помещений;
-создать модель робота-дезинфектора на базе конструктора Spike Prime, позволяющего очищать различные поверхности;
-провести эксперимент по запуску робота-дезинфектора используя программное обеспечение Education SPIKE;
-продемонстрировать возможности робота на примере рабочего дня в детской поликлинике;
-проанализировать безопасность применения робота-дезинфектора.
При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:
- Lego удивительные творения [2];
-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов [3];
-Курс «Машины и механизмы», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн» [1].
Для получения информации о современных роботах- помощников в сфере очистки помещений мы использовали такие Интернет-ресурсы как:
-Рахманин Ю.А., Калинина Наталия Валентиновна, Гапонова Е.Б., Загайнова А.В., Недачин А.Е., Доскина Т.В. ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА БЕЗОПАСНОСТИ И ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫХ УСТАНОВОК ЗАКРЫТОГО ТИПА ДЛЯ ОБЕЗЗАРАЖИВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ПОМЕЩЕНИЯХ МЕДИЦИНСКИХ ОРГАНИЗАЦИЙ СТАЦИОНАРНОГО ТИПА // Гигиена и санитария. 2019. №8.( https://cyberleninka.ru/article/n/gigienicheskaya-otsenka-bezopasnosti-i-effektivnosti-ispolzovaniya-ultrafioletovyh-ustanovok-zakrytogo-tipa-dlya-obezzarazhivaniya).
-профессиональное издательство «Санэпид контроль» (https://www.profiz.ru/sec/2_2016/tehnologii_obezzarazh/)\);
-интернет-журнал о технике (https://fb.ru/article/460977/robot-pyilesos-printsip-rabotyi-vidyi-ustroystvo-i-funktsii).
Для получения информации о способах профилактики и защиты от вируса
COVID-19 мы изучили следующие источники:
-официальный сайт Федеральной службы по надзору в сфере
защиты прав потребителей и благополучия
человека (https://www.rospotrebnadzor.ru);
-экспертный сайт, посвященный проблемам распространения и профилактики COVID-19 (https://coronavirus-control.ru/profilaktika/).
Глава 1. Теоретическое обоснование необходимости создания робота-дезинфектора.
1.1 Основные способы защиты от COVID-19.
Для того что бы сдержать пандемию COVID-19 Всемирная организация здравоохранения рекомендует соблюдать меры профилактики ограничивающие распространение вируса. [7]
Во-первых необходимо часто мыть руки с мылом или использовать спиртосодержащие влажные салфетки, для удаления вирусов.
Во-вторых, необходимо частое проветривание помещения и дезинфекция поверхностей при помощи специальных моющих средств или дезинфицирующих поверхности баллончиков.
В-третьих, находясь в местах большого скопления людей необходимо соблюдать дистанцию в 1,5 метра друг от друга, так как вирусы передаются воздушно-капельным путем. [8]
Так же поможет защитить от вируса дыхательные пути маска, которую необходимо носить при:
-уходе за больными;
-общении с людьми, у которых наблюдаются признаки респираторных инфекций;
-посещении мест большого скопления людей;
-поездках в общественном транспорте. [7]
Главной рекомендацией является ведение здорового образа жизни, так как правильное питание, занятия спортом, прогулки на свежем воздухе, крепкий здоровый сон-поддерживают иммунитет, который борется со всеми болезнетворными вирусами, угрожающими нашему организму.
1.2 Роботы-помощники в сфере дезинфекции и очистки поверхностей и помещений.
На сегодняшний день существует множество приборов, позволяющих поддерживать чистоту дома и приборов, для очищения воздуха в медицинских организациях применяющих ультрафиолетовое излучение, бактериальные фильтры.
Мы знаем, что для того, что бы остановить распространение вируса необходимо чаще мыть или обрабатывать руки, обрабатывать поверхности и очищать воздух в помещении. Соответственно будем рассматривать роботов-помощников в данных направлениях работы.
Для обработки рук существуют различные бесконтактные санитайзеры оснащенные инфракрасным датчиком, который реагирует на движение рук и происходит распыление антисептического средства или мыла.[5] (Приложение, Рисунок 1.2.1)
Как правило, такие приборы используются в торговых центрах, медицинских организациях или офисных зданиях.
В медицинских организациях для очистки воздуха используются различные бактерицидные лампы.[4] (Приложение, Рисунок 1.2.2)
Бактерицидное облучение помещений —наиболее распространенное профилактическое мероприятие, целью которого является снижение количества микроорганизмов в воздухе медицинских организаций и профилактику инфекционных заболеваний.[4] Однако, при их использовании есть некоторые недостатки:
-нельзя использовать бактерицидные лампы при наличии людей в помещении;
- не удаляются запахи и загрязнения с поверхностей;
-при высокой влажности и низких температурах эффективность использования снижается;
-дорогая установка и обслуживание. [6]
Так же в медицинских организациях могут быть использованы различные фильтры, например ионные воздухоотчистители. (Приложение, Рисунок 1.2.3)
Принцип их действия заключается в том, что частицы загрязнения проходят через ионизирующую камеру, получают отрицатедльный заряд и оседают на противоположно заряженных пластинах, располагающихся в фильтре.[5] (Приложение, Рисунок 1.2.4)
Данные приборы помогают обезопасить воздух, однако вирус COVID-19 может оседать и на поверхностях помещения, находясь там продолжительное время. Например, на бумаге, стеклянных и деревянных поверхностях он может жить около 4 дней, на пластике 5 дней, а в воздухе вирус живет всего 3 часа. [7]
Это говорит о том, что очищать только воздух недостаточно. Если человек коснется зараженной поверхности, а затем прикоснется к лицу, то есть большая вероятность заразиться.
Роботов-помощников, очищающих различные поверхности достаточно много, однако в своем большинстве они предназначены для работы по дому.
Например, роботы-мойщики окон, кафеля, зеркал, столов, паркетов и различных гладких поверхностей. (Приложение, Рисунок 1.2.5)
Такие роботы вполне доступны, очищают поверхности от загрязнений и не требуют участия человека. Принцип их действия заключается в создании вакуума электрическим насосом, за счет чего робот надежно прикрепляется к любой гладкой поверхности. Способ передвижения робота зависит от производителя, это может быть и слаженная работа присосок, и наличие резиновых гусениц или специальных колес или щеток. Траектория движения строится за счет специальных датчиков реагирующих на преграды и загрязнения на поверхности.[6]
Большую популярность в домах имеют моющие роботы-пылесосы.
Они очищают такие поверхности как линолеум, ламинат, паркет. Принцип его работы заключен в устранении пыли и грязи на полу, особе внимание можно уделить его возможностям в передвижении. На корпусе расположены контактные датчики, которые даже при малейшем столкновении меняют линию движения, сообщая программе о наличии препятствия, ультразвуковой датчик позволяет установить расстояние до различных предметов, что позволяет роботу-пылесосу составить карту комнаты и очистить всю площадь от грязи и пыли. [6] (Приложение, Рисунок 1.2.6)
Несмотря на такое разнообразие приборов, позволяющих очистить помещение и воздух от вирусов, ощущается недостаток роботов дезинфицирующих поверхности в медицинских учреждениях, так как именно там идет большое скопление людей, являющихся переносчиками вирусов. Многие приборы для медицинских учреждений используются только при отсутствии в помещении пациентов, и не очищают поверхности, на которых вирус может долгое время оседать, что делает идею нашего робота-дезинфектора перспективной.
Глава 2. Модель робота-дезинфектора на базе конструктора Spike Prime
2.1 Конструкция и функции модели робота-дезинфектора Spike Prime.
Робот-дезинфектор включает в себя программируемый хаб, три мотора, датчик расстояния и датчик нажатия. (Приложение, Рисунок 2.1.1)
Хаб находится на верхней части робота, к нему подключены все моторы и датчики.(Приложение, Рисунок 2.1.2) Передвигается робот на четырех колесах, большой мотор «Е» напрямую соединен с задними колесами, два передних колеса передвигаются за счет задних и располагаются на отдельных осях вращения.[1] (Приложение, Рисунок 2.1.3)
За движение и остановку робота отвечает датчик расстояния «С». по его сигналу мотор «Е» прекращает или продолжает движение. (Приложение, Рисунок 2.1.4)
За работу моющих блоков отвечают малые моторы «В» и «F». Они располагаются на задней части робота и, благодаря им, проходит очищение поверхностей. (Приложение, Рисунок 2.1.5)
Моторы начинают работу после сигнала датчика нажатия «А». Робот здоровается с нами, демонстрируя световой сигнал на хабе «Неllo» и включая подсветку на датчике расстояния «С» сообщает о включении моторов.
Так же робот оснащен закрывающимися полками, которые предназначены для хранения и перевозки антисептических жидкостей или чистых тряпок, что позволяет оперативно его подготовить к работе.[2] (Приложение, Рисунок 2.1.6)
Открываются и закрываются полки при помощи человека.
Так же, если использовать дополнительные балки можно поставить моторы, предназначенные для очистки поверхностей вертикально, и они будут дезинфицировать стены.[3] (Приложение, Рисунок 2.1.7)
2.2 Управление роботом-дезинфектором при помощи программного обеспечения Education SPIKE.
Проект робота-дезинфектора управляется при помощи нового программного обеспечения Education SPIKE.
Передача задач между моторами передается при помощи датчиков.(Приложение, Рисунок 2.2.1)
Благодаря хабу, к которому подключены все моторы и датчики они могут легко сообщаться между собой, даже без подключения к компьютеру. Программа загружается и сохраняется на хабе и управляет всеми необходимыми нам задачами робота.[1]
Программа робота-дезинфектора наиболее упрощена, так как его использование планируется для работы среди людей, не причастных к робототехнике, что обеспечит облегчение его эксплуатации, дает возможность его подстроить под нужды помещения и при сбое быстрее сориентироваться в починке.
2.3. Демонстрация возможностей робота-дезинфектора на примере рабочего дня в детской поликлинике.
Моторы активируются при сигнале датчика нажатия, после того, как робот-дезинфектор приветствует нас надписью «Hello» на хабе, и включит подсветку на датчике расстояния.
При появлении препятствия перед роботом, например, если мимо проходит врач или пациент робот немедленно останавливается, что бы его пропустить, а затем продолжает сою работу. Моторы, отвечающие, за уборку при этом продолжают очищать вверенную роботу территорию.
Перед началом работы робота-дезинфектора заряжают, и направляют в помещение, где необходимы его услуги.
В нашем случае-это коридор в детской поликлинике. Предполагается, что его размер в сравнении с человеком-невелик, высотой он должен быть не более 50 см, что бы легко убирать грязь под скамьями, не загромождать помещение, но и не быть незаметным, в целях предотвращения травмоопасных ситуаций.
Робот выглядит довольно ярко, что бы отвлекать маленьких пациентов от плохого самочувствия и скрашивать их время в ожидании приема врача. (Приложение, Рисунок 2.3.1)
При нажатии кнопки датчика нажатия запускается подсветка и все три мотора. Робот движется произвольно по прямой очищая всю предложенную ему поверхность. Если кто-то подойдет к нему ближе, чем на 15 см, то робот остановиться, что бы не сбить человека с ног или даст возможность заменить ему материалы для очищения поверхности, или же даст маленькому пациенту его рассмотреть.
Время работы робота ограничено зарядом хаба.
Робот должен очищать поверхности коридора поликлиники на протяжении всего рабочего дня, так как вирусы легко оседают на поверхности при чихании и кашле, и могут продолжительное время на них оставаться. Небольшая высота робота как раз подойдет для высоты на которой дети трогают руками стены, скамейки и обезопасят в первую очередь их.
Заключение
На сегодняшний день в мире колоссальные усилия прилагаются для остановки распространения вируса COVID-19, который очень изменил привычный уклад жизни людей и внес множественные ограничения из-за угрозы заражения.
Не смотря на то, что многим известны рекомендации по профилактике заражения вирусом, для его остановки необходимо применение роботов-помощников позволяющих эффективнее очищать воздух и поверхности в домах и местах большого скопления людей, таких как поликлиники, торговые и развлекательные центры.
На сегодняшний день существует множество роботов-помощников, которые очищают воздух от вирусов в больницах и поликлиниках, но они дорогостоящие, не всегда безопасны и не все из них могут функционировать в присутствии человека, так же они не решают проблему дезинфекции поверхностей, на которых вирусы могут жить продолжительное время.
Существующие роботы, применимые для мытья или обработки поверхностей не применимы для работы в больших помещениях и устраняют в основном органические загрязнения, а не нацелены на дезинфекцию, что делает идею создания робота-дезинфектора актуальной.
Наш робот прост в управлении и применении, не занимает много места и может работать как с горизонтальной, так и с вертикальной поверхностью при помощи простого дополнительного оборудования в виде блоков.
Внешний вид робота в нашей комплектации рассчитан на работу в детских поликлиниках, он яркий, красивый, помогает детям отвлечься от ожидания приема у врача, и очищает именно ту поверхность которую маленькие пациенты активно трогают руками. Датчик расстояния позволяет его сделать безопасным, так как при встрече с препятствием он остановится и даст человеку пройти. Он не развивает большую скорость, что позволяет спокойно его обойти и не мешать его движению, так же с такой скоростью он может тщательно очистить поверхности от осевших на ней вирусов.
Дополнительные полки для перевозки необходимых для его обслуживания вещей делают его использование оптимизированным.
Все это позволяет считать нашего робота безопасным и эффективным для применения, а на данном этапе разработки его можно применять на уроках информатики и робототехники.
Список использованной литературы:
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.
3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.
Интернет-источники:
4. https://cyberleninka.ru;
5. https://www.profiz.ru;
6. https://fb.ru/article
7. https://www.rospotrebnadzor.ru;
8.https://coronavirus-control.ru/profilaktika.
Приложение
|
Рисунок 1.2.1 |
Рисунок 1.2.2 |
|
Рисунок 1.2.3 |
Рисунок 1.2.4 |
|
Рисунок 1.2.5 |
Рисунок 1.2.6 |
|
Рисунок 2.1.1 |
Рисунок 2.1.2 |
|
Рисунок 2.1.3 |
Рисунок 2.1.4 |
|
Рисунок 2.1.5 |
Рисунок 2.1.6 |
|
Рисунок 2.1.7 |
Рисунок 2.2.1 |
|
Рисунок 2.3.1 |
|