XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Умная кухня на базе конструктора Spike prime
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
В повседневной жизни все больше появляется роботизированных машин и механизмов, упрощающих быт. Кофе машины, роботы-пылесосы, посудомоечные машины, умные дома –ежедневно создается все больше роботов, которые позволяют сделать быт удобнее, и дают возможность экономить время.
Роботизированная техника не требует отдыха, оптимизирует множество домашних задач и выполняет их точно и качественно. Так же появление новых технологий позволяет людям развиваться, так как приходится учиться ими пользоваться и часть технического обслуживания можно взять на себя, не прибегая к помощи специалистов.
Однако в повсеместном внедрении современных технологий есть и минусы, например, увеличение электропотребления, так как всем роботизированным помощникам нужен источник питания. Так же растут расходы в связи с обслуживанием современной техники, необходимостью замены деталей, обновлений программного обеспечения. В будущем повсеместное использование роботов помощников может привести к дефициту рабочих мест, и деградации населения так как многие простые задачи, такие как мытье посуды, окон, уборка уже могут быть выполнены почти без участия человека.
Соответственно, проблема использования бытовых роботов-помощников заключается в том, что прогресс не стоит на месте и множество технических новинок упрощают жизнь, однако эффективность и этичность ее использования может быть переоценена.
Данная проблема является актуальной, так как интерес к робототехнике и созданию всё более технологичных бытовых помощников растет, и необходимо изучить все стороны данного направления.
Наша команда поставила перед собой цель-исследование эффективности использования бытовых роботов в повседневной жизни.
Для реализации цели, мы поставили перед собой следующие задачи:
-изучить существующие современные устройства, предназначенные для выполнения бытовых задач;
-выделить критерии эффективности использования бытовых роботов помощников в повседневной жизни;
-создать модель роботизированной кухни на базе конструктора Spike Prime;
-продемонстрировать возможности роботизированной кухни на базе конструктора Spike Prime на примере одного дня использования;
-проанализировать эффективность использования бытовых роботов в повседневной жизни.
При подготовке данного проекта мы пользовались следующими источниками:
- Lego удивительные творения;
-LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов;
-Курс «Машины и механизмы», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн»;
-интернет-журнал (https://ya-r.ru/);
-интернет-журнал (https://robotrends.ru/);
- интернет-журнал (https://new-science.ru/).
Глава 1. Теоретическое обоснование создания роботизированной кухни
1.1 Современные устройства, предназначенные для выполнения бытовых задач
В 2017 году на Ганноверской ярмарке технологий в Германии, российский математик Марк Олейник и его компания Moley Robotics представили роботизированную кухню. [4] Она представляет собой систему подвесных манипуляторов, движения которых аналогичны движению рук повара. (Приложение, Рисунок 1.1.1)
По задумке создателей, робот-повар должен стать альтернативой доставки еды. К моменту выставки робот знал 30 блюд, в будущем планируется загрузить в него около 5 тысяч рецептов, которыми он сможет накормить своих хозяев.
Так же, он оснащен камерой, благодаря которой планируется, что он сможет обучаться самостоятельно. (Приложение, Рисунок 1.1.2)
Однако для установки подобных роботов необходимо пересмотреть устройство кухни, что бы все необходимое было в его свободном доступе. (Приложение, Рисунок 1.1.3)
Компания Toyota Research Institute представила схожего по задачам робота, однако его концепция заключается в обслуживании маломобильного населения, помощи людям с ограниченными возможностями здоровья и пожилым. [5]
Этот робот передвигается по потолку на рельсах, и при его установке так же потребуется продумать эргономику пространства. (Приложение, Рисунок 1.1.4)
Компания ASUS представила бюджетного мобильного домашнего робота по имени Zenbo. Он способен управлять домашними устройствами, оказать дружескую поддержку и может ухаживать за пожилыми людьми, например напоминает о приеме лекарств или назначениях врача. Так же он может читать детям сказки, петь и играть месте с ними, а так же становится системой безопасности, когда вас нет дома. Если в дом проникнут грабители, робот сообщает об этом на смартфон хозяину и переходит в дистанционный режим. Хозяин квартиры сможет управлять камерой и передвижениями Zenbo что бы проверить все ли в порядке и по необходимости вызвать полицию. (Приложение, Рисунок 1.1.5)
Более привычным роботом на кухне является умный холодильник. Такой робот есть уже во многих домах, изготавливают его такие компании как: LG, Samsung, LIEBHERR и Whirlpool. [6]
Принципе действия этих холодильников схож. Холодильник получает команды от пользователя через систему WI-FI при помощи приложения на смартфоне. Благодаря приложению холодильник может проводить самодиагностику, транслировать содержимое холодильника при помощи камер, что позволяет его хозяину посмотреть наличие продуктов находясь в магазине и купить все необходимое, выбрать режим энергопотребления, а так же в нем находятся книги рецептов, которые холодильник демонстрирует при помощи экрана на дверце. Так же такой холодильник может подключиться к системе умный дом. (Приложение, Рисунок 1.1.6)
Не смотря на разнообразие домашних помощников, роботов и роботизированных систем необходимо понимать эффективно ли их использование.
1.2 Определение критериев эффективности использования бытовых роботов помощников в повседневной жизни
За основу списка критериев, по которым можно оценить эффективности использования бытовых роботов помощников мы взяли статью Булатовой А.П. «Критерии оценивания конструкции робота», выбрав те, которые показались нам наиболее подходящими для нашего исследования и дополнили своими. [6]
Критерии эффективности использования бытовых роботов помощников:
-безопасность использования (защита интересов потребителя, сохранность его здоровья и личных данных);
-функциональность (набор возможностей, предоставляемых системой);
-дизайн процесса (контроль, удобство и легкость процесса использования роботизированной системы);
-структурный дизайн (внешний вид).
Так же бытовых роботов можно характеризовать по экономической эффективности в которую входят затраты на их создание, покупку и содержание, однако мы рассматриваем модель умной кухни на базе конструктора Spike Prime, с точки зрения конструкции и удобства использования, соответственно в данном исследовании экономической эффективностью можем пренебречь.
Глава 2. Модель умной кухни на базе конструктора SpikePrime
2.1 Конструкция модели умной кухни на базе конструктора SpikePrime
Внешне мы старались создать кухню похожую на обычную бытовую. (Приложение, Рисунок 2.1.1)
Наша команда модернизировала столешницу кухни и вертикальную стенку, предназначенную для бытовой химии. В столешнице мы установили раковину, которая может выбрасывать остатки пищи в мусоропровод. Работает раковина при помощи рычага и датчика наклона. (Приложение, Рисунок 2.1.2) [1]
Далее располагается на оси вращения карусель для специй или блюд, которая так же работает по сигналу датчика нажатия. (Приложение, Рисунок 2.1.3)
Так же на столе располагается самоочищающаяся поверхность, предназначенная для приготовления пищи, которая также работает при помощи датчика нажатия. В нашей конструкции мы ее сделали при помощи гусеничного механизма.[2] (Приложение, Рисунок 2.1.4)
Вертикально расположенная секретная полка для хранения бытовой химии и создания более эстетичного вида кухни без визуального шума работает от реечной передачи и срабатывает по сигналу датчика расстояния. [3] (Приложение, Рисунок 2.1.5)
Управляют всеми механизмами 4 мотора и два смарт хаба, спрятанные под фасадом кухни. (Приложение, Рисунок 2.1.6)
2.2 Управление умной кухней на базе конструктора SpikePrime
Управление умной кухней осуществляется на базе программного обеспечения SpikePrime.
Работа моторов «А», «С» и «Е» происходит по сигналу датчиков нажатия «B», «D» и «C» соответственно.
Датчик нажатия «B» и мотор «А» отвечают за работу вращающейся круглой платформы. В зависимости от давления, оказываемого на датчик нажатия платформа будет менять скорость, так чтобы ее пользователю было удобно подстраивать скорость под свои нужды. (Приложение, Рисунок 2.2.1)
Датчик нажатия «D» и мотор «С» отвечают за работу самоочищающейся поверхности, принцип действия подобен вращающейся платформе. По сигналу датчика нажатия мотор начинает вращение, однако его скорость не регулируется силой нажатия. Гусеничный механизм будет вращаться на протяжении времени нажатия на кнопку датчика. (Приложение, Рисунок 2.2.2)
Вертикальная полка работает при сигнале датчика расстояния «А». (Приложение, Рисунок 2.2.3)
Датчик нажатия «С» и мотор «Е» регулируют работу самоочищающейся раковины. (Приложение, Рисунок 2.2.4)
Постоянную работу моторов и датчиков обеспечивают циклы.
2.3 Демонстрация возможностей умной кухни на базе конструктора SpikePrime на примере одного рабочего дня и оценивание ее работы по выбранным критериям
Готовка начинается с мытья и очистки продуктов, мусор от которых, а именно: листочки и хвостики от фруктов, наклейки, шкурки, выбрасываются в мусорный бак прямо из раковины при нажатии на кнопку около нее. (Приложение, Рисунок 2.3.1)
Бытовая химия, необходимая для мытья фруктов и овощей спрятана на вертикальной полке, открывающейся при помощи взмаха рукой по сигналу датчика расстояния. (Приложение, Рисунок 2.3.2)
Затем, при помощи вращающейся платформы для продуктов выбираются специи, так же при помощи кнопки на датчике нажатия. (Приложение, Рисунок 2.3.3)
Процесс нарезки продуктов происходит на самоочищающейся платформе, движение которой так же начинается по сигналу датчика нажатия. Все лишнее: косточки, кожура, отправляются так же в мусорный бак после того, как разделка и нарезка окончены. (Приложение, Рисунок 2.3.4)
Созданная нами кухня является безопасной, так как все механизмы приводятся в действие нажатием кнопок или подавая сигнал датчику расстояния.
Умная кухня может выполнять несколько функций: очищать пространство раковины от мусора, очищать поверхность для приготовления пищи, а так же оптимизировать пространство для готовки.
Пользователь умной кухни сам регулирует и контролирует процесс использования системы. Фасад кухни практически не отличается от обычной, привычной для каждого, и данные улучшения могут быть вписаны в любой интерьер, что делает применение наших идей универсальными.
Данная система позволяет оптимизировать процесс готовки и сделать его более гигиеничным.
Заключение
Множество современных бытовых роботов делают жизнь человека проще, удобнее и дают возможность иметь больше свободного времени.
Роботизированная техника имеет множество плюсов, она не нуждается в отдыхе, способна выполнять множество задач, в некоторых случаях выполняет бытовые задачи быстрее и качественнее чем человек, обеспечивает большую гигиеничность, однако технике нужно обслуживание, и соответственно дополнительные траты, с более сложной техникой человеку нужно учиться обращаться, что делает ее менее доступной. Так же при использовании большего количества техники растет энергопотребление, создается дефицит рабочих мест, из-за чего возникает вопрос, не переоценено ли использование роботов и роботизированной техники в современной жизни.
Проблема эффективности использования бытовых роботов является актуальной, так как интерес к ее созданию не угасает многие годы.
В мире сегодня можно увидеть множество умных кофе-машин, роботов пылесосов и даже целые комнаты или помощники-манипуляторы способные готовить еду, сообщать о необходимости сходить в магазин, мыть окна, пылесосить и множество других задач.
Оценить данные приборы мы решили по нескольким критериям, таким как: безопасность использования; функциональность; дизайн процесса; структурный дизайн.
Наша команда создала свою модель умной кухни-помощника по хозяйству с использованием простых механизмов и удобной системой использования, простой и доступной каждому. Она позволяет готовишь пищу более гигиенично, облегчает уборку рабочей поверхности, и отвечает всем выделенным нами критериям, что говорит о том, что использование в быту роботов помощников является эффективным.
Список литературы
1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
2. «LEGO удивительные 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://ya-r.ru/;
5. https://robotrends.ru/;
6. https://new-science.ru/.
Приложение
|
Рисунок 1.1.1 |
Рисунок 1.1.2 |
|
Рисунок 1.1.3 |
|
|
Рисунок 1.1.4 |
|
|
Рисунок 1.1.5 |
Рисунок 1.1.6 |
|
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 2.2.1 |
Рисунок 2.2.2 |
|
Рисунок 2.2.3 |
Рисунок 2.2.4 |
|
Рисунок 2.3.1 |
Рисунок 2.3.2 |
|
Рисунок 2.3.3 |
Рисунок 2.3.4 |