XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Домашний робот-помощник
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
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 домашнего робота-помощника для уборки крупного мусора и доставки необходимых предметов хозяину.
Задачи исследования:
Рассмотреть использование бытовых роботов в нашей повседневной жизни;
Проанализировать основные функции роботы-манипуляторов, а также их виды и особенности применения;
Придумать и смоделировать домашнего робота-помощника на базе конструктора Lego Spike Prime и Lego Mindstorms EV3.
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].
Роботы-манипуляторы, виды и особенности применения.
Роботы-манипуляторы – это высокотехнологичные приборы, созданные, чтобы перемещать, вращать или иным образом воздействовать на объект путем выполнения тех или иных операций. Такие устройства были созданы, чтобы заменить монотонный, опасный или сложный технический человеческий труд.
Роботами-манипуляторами называют промышленные устройства, основной функционал которых имеет параметры с руками человека. Такие манипуляторы могут быть как автономными устройствами, так и входить в состав сложнейшего роботизированного комплекса. Фрагментарные части манипуляторов отличаются наличием узлов, которые делают возможными вращательные или поступательные движения.
Основной силой, которая приводит к развитию сферы робототехники, является потребность промышленности в сокращении затрат. Применение роботов-манипуляторов позволяет существенно снизить количество ошибок, допущенных в ходе производства, сократить количество произведенного брака, нецелесообразные потери сырья и числа травм среди персонала. Также применение робототехники позволяет сделать предприятие более гибким в вопросе применяемых технологий, улучшить условия труда работников и поднять безопасность в цехах на новый уровень.
Виды роботизированных манипуляторов
Единой классификации среди существующих роботов-манипуляторов на сегодняшний день нет. Устройства группируются по их технологическому назначению, конструктивным особенностям и другим параметрам.
По типу монтажа роботизированного оборудования
Мобильные
Приборы этого типа не имеют привязки к конкретному месту установки и предназначены для выполнения задач в любой точке производства или за его пределами. Они могут иметь разные источники питания – автономные или постоянные, разные условия, в которых допустимо их применение – для любой погоды, в воде, жестких или опасных условиях, например, разминирования и др. Мобильные устройства отличаются сравнительно небольшой массой и размерами, занимают мало места при транспортировке, а их возможности позволяют успешно преодолевать препятствия, возникающие на их пути.
Стационарные
Самые распространенные роботы-манипуляторы. Могут отличаться в зависимости от выбранного типа крепления (напольный, потолочный, настенный). Основной характеристикой является повышенная грузоподъемность и широкий радиус действия.
Горизонтальные
Их длина может достигать нескольких десятков метров. Применяются в тех случаях, когда необходимо единовременное обслуживание нескольких участков.
Вертикальные – используются в условиях ограниченного пространства.
По типу применения
Автономные роботы-манипуляторы (программируемые).
Такие манипуляторы могут быть расположены максимально близко от объектов, которые должны быть обработаны, и прочими роботизированными устройствами. Это позволяет планировать гибкие линии производства и максимально плотно использовать рабочую площадь помещений. Роботы, оснащенные колесами всенаправленного движения, могут перемещаться самостоятельно в любом выбранном направлении. Это позволяет применять устройства в условиях, куда невозможен доступ человека по тем или иным причинам.
С ручным управлением.
Роботы-манипуляторы, которые управляются вручную, позволяют создать максимально точные детали.
Коллаборативные.
Коллаборативные манипуляторы или коботы – роботизированная техника, которая предназначена для успешного взаимодействия с работниками в общем производственном пространстве. К таким приборам применимы максимально жесткие требования по безопасности конструкций и программному обеспечению, которые призваны исключить возможность нанесения травм сотрудникам.
На сегодняшний день манипуляторы успешно применяются в следующих сферах:
Строительная отрасль
Расфасовка и упаковка готовой продукции
Производства пищевых продуктов
Строительство автомобилей
Обработка деталей
Литейное производство
Транспортировка готовой продукции
Химическая промышленность
Производство крупногабаритной мебели
Обработка материалов и др.
Перспектива применения и преимущества
Робототехника из года в год становится все более доступной, в том числе и за счет стремительной автоматизации работы предприятий. Себестоимость устройств снижается (за последнее десятилетие их цена в среднем уменьшилась на 30 %), а эксперты в области промышленного производства делают прогнозы, что в ближайшее время их стоимость упадет еще не менее чем на 20 %. Также стоит отметить, что применение роботов-манипуляторов все чаще отмечается не только в крупных производственных концернах, но и в мелкой промышленности [5].
Применение современной робототехники в промышленности позволяет увеличить производственные мощности предприятий и их рентабельность, при этом существенно сократив затраты на возможный брак, обслуживание другой техники и повысив безопасность производства. Роботы-манипуляторы успешно применяются в самых разных отраслях экономики, позволяя снизить себестоимость продукции без снижения ее качества.
Глава 2. Практическая часть материала по теме исследования
2.1 Модель домашнего робота-помощника на базе конструкторов Lego Spike Prime и Lego Mindstorms EV3
Наша модель (Рисунок 2.1.1 Приложения) представляет собой подвижный манипулятор на основе двух конструкторов, где поднятие и опускание роборуки работает за счёт среднего мотора от модуля EV3 (Рисунок 2.1.2 Приложения). Вращение и захват предметов происходит при помощи большого и среднего моторов под управлением хаба (Рисунок 2.1.3 Приложения).
При запуске наш робот-помощник (Рисунок 2.1.4 Приложения) захватывает предмет, например, стакан, поднимает его до нужной высоты для безопасного перемещения и переносит в желаемое место (Рисунок 2.1.5 Приложения). Если необходимо перевезти в другую комнату, то для робота предусмотрены специальные колёса, которые также можно добавить, подключив мотор и датчик ультразвука для ориентирования в квартире.
В модели установлено:
1 модуль EV3;
Хаб от Spike Prime;
1 средний мотор EV3 для поднятия и опускания предметов;
1 большой мотор от Spike Prime для вращения манипулятора;
1 средний мотор от Spike Prime в целях захвата предмета.
В данной модели присутствуют следующие механизмы: зубчатые передачи, система рычагов, червячная и осевая передачи (Рисунок 2.1.6 Приложения). Видео нашего проекта: https://drive.google.com/file/d/1AO-E6Jcq0KchmLrC9C67sU-Q1iDa4f7P/view?usp=drivesdk
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 роботы-манипуляторов, а также их виды и особенности применения, и пришли к выводу, что роботы-манипуляторы успешно применяются в самых разных отраслях экономики, позволяя снизить себестоимость продукции без снижения ее качества. Также подобные роботы могут найти применение и в домашних условиях на примере нашего проекта.
В результате нашей работы мы придумали и смоделировали домашнего робота-помощника на базе конструктора Lego Spike Prime и Lego Mindstorms EV3, который может успешно помогать по дому с крупным мусором или приносить необходимые предметы хозяину. 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://vektorus.ru/blog/robot-manipulyator.html
Приложение
Рисунок 2.1.1 – Наша модель робота-помощника
Рисунок 2.1.2 – Поднятие роборуки
Рисунок 2.1.3 – Зубчатая передача для вращения на большом моторе
Рисунок 2.1.4 – Захват предметов
Рисунок 2.1.5 – Разработка захвата
Рисунок 2.1.6 – Червячная передача с одной из зубчатых