Мобильный робот-уборщик

XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Мобильный робот-уборщик

Кузьмин Н.А. 1Ахметов Д.Ж. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Полиенко Д.В. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Наверняка, мало, кто в век технологий любит прибираться и постоянно наводить чистоту. Но это так необходимо, ведь дома и на работе мы проводим большую часть нашей жизни, а там всегда должен быть порядок. Уборка является комплексом действий, необходимых для обеспечения чистоты в промышленных, коммерческих и бытовых помещениях. Она включает в себя основные аспекты гигиены, контроль безопасности и порядка, а также улучшения с эстетической точки зрения.

Уборка бывает:

Промышленная – уборка помещений и территорий организаций. Уборка в организациях может проводится как нанятым персоналом, так и клининговыми компаниями. Такой вид уборки должен соответствовать требованиям санитарных норм, внутренних регламентов организации и утвержденному графику.

Домашняя уборка проводится в частных жилых помещениях или на частной территории (квартиры, частные дома). Её цель обеспечение нормального уровня гигиены, удобства и комфорта жизни частного лица.

Обычно люди проводят уборку и поддерживают хозяйство в чистоте своими силами, в некоторых случаях силами домашнего персонала или обращаются за услугами клининговых компаний. Уборка может осуществляться как вручную, так и при помощи механизмов и роботов.

Уборщик – это специалист, который занимается уборкой внутренних помещений и территорий. К этой категории относятся специалисты, владеющие всеми самыми современными средствами уборки, включая технические новинки.

Актуальность темы:

Поэтому в связи с стремительным развитием технологий, стали так актуальны новые возможности уборки для упрощения жизни человека. И мы задумались, как же мы, дети, можем упростить работу по уборке себе, маме, педагогам в развивающих центрах или нанятым людям? Возможно, мы можем сделать уборку намного легче и веселее с помощью домашнего робота-помощника.

Цель исследования: Создание мобильного робота-уборщика на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Задачи исследования:

Рассмотреть использование бытовых роботов в нашей повседневной жизни;

Проанализировать основные функции лучших роботов-пылесосов современности;

Придумать и смоделировать собственного мобильного робота-уборщика.

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования

Бытовые роботы как часть нашей повседневной жизни.

В наше время наибольшую популярность приобретает роботостроение. Оно развивается и постепенно проникает во все сферы нашей жизни. Основная цель роботов — помогать человеку, выполняя за него чаще рутинную работу. И если раньше роботы могли выполнять роль человека, замещая его на заводах, где часто требуются однообразные действия при конвейерном производстве, например, при производстве автомобилей, то теперь наступили времена, когда бытовые роботы способны оказаться и в каждом доме, чтобы помогать человеку решать насущные задачи, и способствовать эффективной экономии наших времени и сил.

Рассмотрим несколько роботов, предназначенных для различных бытовых применений, посмотрим, как они работают, что могут, как их нужно использовать, и легко ли с ними обращаться.

Роботы-газонокосилки

Устройство требует подключения сетевого адаптера, либо применения специально устанавливаемой базы для пополнения заряда. Робот-газонокосилка обладает компактными габаритными размерами и при работе довольно бесшумен.

Устройство и принцип работы

Робот-газонокосилка представляет собой небольшой самоходный аппарат на трёх, либо четырёх колёсах, обычно в корпусе из пластика. В комплектации обязательно предусмотрены блок управления и аккумулятор для автономного функционирования устройства. Некоторые модели роботов работают в соответствии с заданным режимом, автоматически покидая зарядную станцию в установленное время и возвращаясь на неё. Длительность автономной работы зависит от типа и ёмкости аккумуляторной батареи, рельефа поверхности земли и влажности травы.

Виды роботов для кошения газона

Роботы-газонокосилки работают автономно благодаря встроенной аккумуляторной батарее и процессору, который отвечает за управление действиями данных устройств. Также косилки могут работать на гибридном питании совместно с солнечными батареями.

Все разновидности автоматических газонокосилок по способу определения рабочей зоны подразделяются на два типа:

роботы премиум-класса, оснащённые датчиками травы;

модели среднего и бюджетного ценового сегмента, требующие применения ограничительного кабеля.

Робот-мойщик окон

На сегодняшний день роботы-стеклоочистители разделяют на 3 основные группы:

Магнитные

Вакуумные

Ручные

Магнитный робот

Преимущества данного вида стеклоочистителей:

1. Не падают с окна при отключении электроэнергии.

2. Меньшее потребление электроэнергии.

Недостатки более весомые:

1. Подходят только для мытья окон, из-за того, что крепятся с двух сторон. Помыть плитку, стеклянные двери или другие вертикальные поверхности магнитные роботы не могут.

2. Более сложная установка на стекло.

3. Ограниченность в условиях применения: толщина стекла должна быть не менее 5, но и не более 28 мм. К сведению, стандартная толщина стеклопакета составляет 40 мм, на таких окнах мойщик не сможет работать (а точнее держаться).

Вакуумные роботы для мойки окон по форме могут быть какими-угодно: овальными, D-образными и квадратными. Принцип работы заключается в создании вакуума электрическим мотором, за счет чего робот присасывается к окну и надежно на нем закрепляется. Преимущества вакуумных мойщиков окон:

1. Универсальность (могут мыть плитку, стекла любой толщины и даже протирать пол).

2. Подходят для стеклопакетов.

3. Небольшие размеры и вес.

4. Простая установка и снятие с поверхности.

Однако говоря о минусах, выделим следующие:

1. Работают в большей мере от сети. Несмотря на то, что предусмотрен аккумулятор, он скорее для страховки, чтобы когда отключится свет в квартире либо дома, мойщик проработал еще до 30 мин в автономном режиме.

2. Большая вероятность падения.

Последний вид роботов-мойщиков окон — ручные. Аппараты предназначены в большей мере для автоматической уборки горизонтальных поверхностей (полотеры), но можно вручную очищать и вертикальные объекты, в том числе кафель и окна.

Ручной робот

Из плюсов выделим универсальность. Минусы — не моют окна в автоматическом режиме.

Робот-пылесос

Составляющие робота-пылесоса

Что такое робот-пылесос? В первую очередь это пылесос, оснащенный вычислительными мощностями, навигацией и моторами для управления вращающимися элементами конструкции. Позиционируется как полностью автономное устройство для проведения уборки. Есть условные и похожие параметры, по которым можно распознать автоматизированного уборщика. Концептуально устройство напоминает своеобразный круг из легкого достаточно прочного пластика.

Составляющими и механизмами робота-пылесоса для дома являются:

1. Видеокамера – необходима устройству для ориентировки в пространстве. С ее помощью делается набросок карты передвижения, и используется в качестве дополнительного сенсора для смены траектории при объезде препятствий.

2. Пылесборник – бак для мусора с вместительностью от 400 мл до 1 литра, можно снимать нажатием на фиксатор.

3. Фильтр очистки – очищает воздушные потоки от пыли.

4. Механизм всасывания, совмещенный с системой передвигаемых щеток, достаточно мощный для качественной уборки в доме, и при этом очень тихий.

5. Датчики – органы чувств умного гаджета, которые нужны для рекогносцировки, выявления преодоленного пути, выявления преград, по типу ножек стола или ступенек на нижние этажи, и участков с большим количеством мусора.

6. Колеса – устройство передвигается с помощью трех колес (как правило). Два боковых помогают перемещаться, переднее колесо играет роль дополнительного и помогает остальным, когда это нужно.

7. Аккумулятор – литий ионный с емкостью от 2 до 4 тысяч мАч для непрерывной работы 2-3 часа. Полный заряд происходит за 3-9 часов.

8. Щетки – подметают мусор под уборщика, для всасывания его внутрь.

9. Пазы для полотера есть в устройствах с функцией влажной уборки.

10. Моторы – их около шести штук, и каждый выполняет свою функцию: управление колесами по отдельности, вытягивание мусора воздушным потоком, вращение щеткой (на каждую задействованную щетку используется один мотор), вращение турбощетки [4].

Список лучших роботов-пылесосов современности.

Современная навигация, высокие технические показатели, долгое время работы и широкие возможности управления — казалось бы, что ещё нужно для настоящего помощника в уборке? Однако предложений в магазинах можно встретить достаточно много и разобраться во всем многообразии бывает нелегко. Именно поэтому мы собрали лучшие модели, которые могут похвастаться не только всеми вышеперечисленными преимуществами, но и высокими показателями пользовательского комфорта исходя из отзывов и обзоров тех, кто уже успел ими воспользоваться и смог оценить их в деле.

Garlyn SR-800 Max

Модель 2022 года оснастили современной лазерной навигацией, мотором увеличенной мощности, по-настоящему ёмким аккумулятором и целым множеством других преимуществ. Один из главных плюсов этого робота-пылесоса — его высокая мощность всасывания 4000 Па, такие показатели выделяют его среди большинства конкурентов. Помимо того, Garlyn SR-800 оснастили УФ-лампой для обеззараживания поверхностей, что в наше время тоже можно назвать важным преимуществом.

Система навигации здесь основана на показаниях лазерного дальнометра, который способен определять препятствия при различных уровнях освещения. Помимо того, модель оборудована всеми необходимыми датчиками, в том числе датчиком перепадов высоты, защищающим устройство от падений. Управление осуществляется с помощью пульта ДУ или через приложение на смартфоне, во втором случае возможностей у пользователя куда больше, а также есть возможность сохранения до 5 карт, внутри которых можно одним движением зонировать различные участки, ограничивая те или иные области уборки.  

 

Достоинства

Недостатки

Лазерная навигация (LiDAR)

Функция сухой и влажной уборки одновременно

Высокая мощность всасывания (4000 Па)

150 минут непрерывной уборки

Сохранение до 5 карт

УФ-обеззараживание пола

Маркие материалы корпуса

Не самые компактные габариты

 

Ecovacs DeeBot OZMO T8 AIVI

Это ещё одна модель с лазерной системой навигации, которая может похвастаться множеством преимуществ как технического характера, так и с точки зрения удобства пользования. С точки зрения технического оснащения эта модель может похвастаться современным лазером DToF. Что выделяет модель среди прочих — дополнительно установленная камера в передней части корпуса, через которую пользователь может смотреть за уборкой на своем смартфоне фактически от первого лица, наблюдая за происходящим. Также камера служит для улучшенной навигации.

Достоинства

Недостатки

Лазерная навигация + Встроенная камера

Функция влажной уборки

Компактные габариты

Ёмкий аккумулятор (5200 мА*ч)

Управление со смартфона

Возможно подключение к станции сбора мусора

Невысокая мощность всасывания

Средняя вместимость пылесборника

 

Xiaomi Roborock S7

Один из самых популярных производителей умных помощников для дома также оказался в списке лидеров среди роботов-пылесосов. Модель Xiaomi Roborock S7 — одна из самых востребованных среди покупателей, не только благодаря своему стильному внешнему виду и действительно удобно реализованной системой управления со смартфона, но и благодаря своему техническому оснащению.

Работая в различных режимах уборки эта модель развивает мощность всасывания до 2500 Па, что позволяет собирать как мелкие, так и крупные загрязнения с высокой эффективностью. За тщательный сбор мусора отвечает силиконовая щётка особой формы. Функция влажной уборки здесь также реализована довольно качественно. Сменный резервуар оборудован настраиваемой по интенсивности системой автоподачи жидкости, в которую можно поместить до 300 мл воды за одну заправку.

iRobot Roomba s9

Этот робот-пылесос от одного из самых популярных брендов в отличие от своих конкурентов использует не лазерную систему навигации, а собственную разработку, в основе которой лежит оптический датчик. За определение препятствий и построение карт отвечает смарт-камера в верхней части корпуса. При этом такая система навигации имеет и свои минусы, такие как, например, худшее качество определения препятствий в условиях недостаточной освещенности помещения.

Важная особенность этого робота — специальная двойная силиконовая щётка, которая позволяет собирать мусор с большей эффективностью, сгребая все загрязнения и вместе с тем, не давая волосам и шерсти запутываться на самих валиках. Непрерывную уборку в различных режимах эта модель может осуществлять на протяжении долгого времени, за что отвечает встроенный аккумулятор ёмкостью 1800 мА*ч.  

 

Достоинства

Недостатки

Долгое время работы (до 3 ч)

Компактные габариты корпуса

Двойная силиконовая щётка для улучшенного захвата мусора

Большая вместимость пылесборника

Возможность подключения к базе сбора мусора (приобретается отдельно)

Средняя мощность всасывания

Отсутствует функция влажной уборки

Высокая стоимость

Miele SJQL0 Scout RX1

Это модель для сухой уборки, которая может похвастаться качеством исполнения и удобством управления. Также этот участник — один из самых компактных роботов. Это объясняется в первую очередь тем, что навигационная система здесь также базируется на оптических датчиках, а не на лазерном дальнометре. За счёт этого в конструкции отсутствует вертикальный выступ для измерения расстояний. Прибор может непрерывно осуществлять уборку на протяжении длительного времени, до 120 минут подряд. При этом ёмкость аккумулятора у этой модели находится на довольно среднем уровне в 2200 мА*ч, а значит и расходуется заряд не так интенсивно, что говорит о невысокой мощности всасывания [5].

 

Достоинства

Недостатки

Непрерывная работа до 2 часов

Компактные габариты корпуса

Большая ёмкость пылесборника

4 программы уборки

Мощность не регулируется

Средняя ёмкость аккумулятора

предложения  

Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования

2.1 Модель мобильного робота-уборщика на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Наша модель представляет собой робота-уборщика на гусеничном ходу (Рисунок 2.1.1 Приложения), который может отлично передвигаться в помещении во всех направлениях, и даже вращаясь (Рисунок 2.1.2 Приложения), объезжая препятствия за счёт датчика ультразвука на расстоянии 20 см. Большие моторы отвечают за его движение, а средний мотор может вращать дополнительные щётки с помощью червячной передачи спереди робота (Рисунок 2.1.3 Приложения).

При запуске наш робот-уборщик едет со средней мощностью 50 по помещению, очищая поверхность пола щётками спереди и сзади, а также специальным покрытием на своей гусеничной платформе (Рисунок 2.1.4 Приложения). В случае обнаружения препятствия датчиком ультразвука он издаёт звуковой сигнал, останавливается средний мотор, и робот выезжает из тупика или же объезжает препятствие, постепенно поворачиваясь.

В модели установлено:

1 модуль EV3;

1 средний мотор для вращения передних щёток и очистки;

2 больших мотора в целях передвижения по помещению;

1 датчик ультразвука для обнаружения препятствий на расстоянии 20 см.

В данной модели присутствуют следующие механизмы: гусеничный механизм и червячная передача (Рисунок 2.1.5 Приложения).

Заключение

Рассмотрев использование бытовых роботов в нашей повседневной жизни, мы подчеркнули, что на сегодняшний день бытовые роботы способны оказаться в каждом доме, чтобы помогать человеку решать насущные задачи, и способствовать эффективной экономии наших времени и сил.

Таким образом, мы проанализировали основные функции лучших роботов-пылесосов современности и выявили, что они компактны, не шумны, могут забираться под мебель, куда обычный пылесос проникнуть не в состоянии, а, главное, почти полностью самостоятельны. Нужно только очищать пылесборник по мере его заполнения, при необходимости корректировать настройки, изредка менять расходный материал, но в основном просто наслаждаться чистотой дома без каких-либо хлопот.

В результате нашей работы мы придумали и смоделировали собственного мобильного робота-уборщика на базе конструктора Lego Mindstorms EV3, который может успешно помогать по дому. Мы считаем, что его технология отлично спроектирована для начала использования уже сегодня, что станет настоящим приобретением для человека в бытовых условиях!

Список используемой литературы:

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

Интернет источники:

http://electrik.info/obzor/1182-bytovye-roboty-obzor-robotov-razlichnogo-naznacheniya.html

https://obzor-tovarov.pro/luchshie-roboty-pylesosy-2022-top-5/

Приложение

Рисунок 2.1.1 – Предварительная схема нашего мобильного робота-уборщика

Рисунок 2.1.2 – Наша модель

Рисунок 2.1.3 – Процесс создания проекта

Рисунок 2.1.4 – Создание покрытия для гусеничной платформы

Рисунок 2.1.5 – Программирование и поиск информации по проекту

Просмотров работы: 82