XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматическая лапомойка для собак на базе конструктора SpikePrime
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы с детства слышим, что собака — наш лучший друг. Но преданные животные могут быть не только компаньонами для одиноких людей или товарищами по играм для детей. Существуют объективные причины, чтобы завести собаку. Постоянное движение и нагрузка помогают сохранить физическое и умственное здоровье. Собаки успокаивают людей, помогают справиться с депрессией, а также с одиночеством.
Актуальность темы:
Заводя собаку, стоит помнить о правилах ее содержания в квартире и ухода за ней. Например, собаку стоит регулярно выгуливать, несмотря на погодные условия. Также необходим уход в плане личной гигиены.
Так как больше половины россиян являются владельцами домашних питомцев, и их численность ежегодно растет, то вопрос обеспечения гигиены собак (особенно после прогулок) становится актуальным.
Цель: разработать на базе конструктора SpikePrime модель автоматической мойки для лап собак.
Задачи:
изучить понятие моечного оборудования и его виды;
рассмотреть историю возникновения автоматизированных моек, их преимущества и недостатки;
исследовать современные автоматические мойки;
разработать модель автоматической лапомойки для собак на базе конструктора SpikePrime и провести ее демонстрацию.
В качестве источников мы использовали различные информационные сайты, интернет журналы и научные статьи.
При оформлении проекта и конструировании движимых его частей были использованы книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [1, 2].
При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Теоретическая часть материала по теме исследования
1.1 Понятие и типы моечного оборудования
Моечное оборудование представляет собой набор инструментов и установок, с помощью которого в технологическом порядке происходит мойка чего-либо.
Моечное оборудование - это понятие комплексное, включающее в себя не только разные типы оборудования, которое используется, но и разные принципы мойки, на которых основаны технологии, применяемые на практике. Главным ресурсом в моечном оборудовании выступает вода, в результате чего любые виды такого оборудования ориентированы на использование этого вещества.
Моечное оборудование работает для реализации одной цели – отмыть загрязненный объект, вне зависимости от типа загрязнения, количества загрязнения, его природы, а также от размеров и количества загрязненных объектов. Так как все эти характеристики могут иметь существенную разницу, то есть загрязнения могут быть и органического происхождения, и неорганического, объекты могут быть выполнены из разных материалов, поддающихся исключительно той или иной обработке, количество загрязнений может быть и следовым, а может и полностью покрывать объект мойки и так далее.
Принцип работы любой моечной машины предельно просто - оператор загружает изделия в моечную машину и выбирает программу мойки. Существует несколько типов моющего оборудования, объединенных общим названием. Эти типы оборудования также подразделяются на разные группы, которые используются в разных отраслях.
Моечные машины бывают четырех типов: струйного, погружного, струйно-погружного и пароструйного.
Струйные моечные машины - особенно легки в использовании, такие моечные машины подходят для любого размера объекта мойки. Множество промышленных компаний применяют струйные моечные машины из-за их универсальности, так они одинаково хорошо подходят и для крупногабаритных, и для мелких изделий.
Современные мойки оснащены системами фильтрации, отведения загрязнений и автоматического управления. Они повышают качество промывки деталей и снижают расход моющих растворов (Рисунок 1.1.1, Приложение).
Однако, несмотря на большое разнообразие струйных машин, они не обеспечивают качественной и полной очистки. Обеспечить попадание струи на все участки на практике трудно. Они энергоемки, и у них 90% энергии используется не по назначению.
Моечные машины струйного типа бывают двух видов:
1) Туннельные струйные моечные машины являются наиболее распространенным типом моечных машин, оператор загружает изделия, изделия следуют через моечный тоннель по цепочке или конвейеру (Рисунок 1.1.2, Приложение). Через высокотехнологичную конструкцию форсунок горячий моющий раствор подается на изделия с различных сторон, что обеспечивает превосходную степень очистки изделий любой формы и материала. Благодаря применению высоких технологий, моечные машины можно оборудовать различной длиной конвейера, а также регулировать скорость очистки деталей.
Каждый моющий реагент содержится в отдельном резервуаре, и после мойки возвращается обратно. Фильтр установлен перед насосом, который подает раствор на форсунки, также раствор может дополнительно циркулировать через установку регенерации его от загрязнений (масла, грязи и т.д.).
2) Тупиковые струйные моечные машины имеют такую конструкцию, как туннельные, за исключением отсутствия конвейера. В подобных моечных машинах корзина с изделиями вращается вокруг своей оси (в случае, если это происходит в барабане), а форсунки, по которым подается горячий моющий раствор, расположены со всех сторон моечной машины [4].
Погружные моечные машины - подходят для обработки большого количества мелких изделий. Такие моечные машины представляют собой высокотехнологичный резервуар, в который оператор вручную загружает изделия, также это может осуществляться автоматически автооператором или посредством конвейера или кран-балки. В процессе мойки изделия полностью погружаются в специальный раствор (Рисунок 1.1.3, Приложение).
Струйно-погружные моечные машины - комбинируют принципы работы – изделия очищаются с помощью подачи под высоким давлением раствора, а также вращения барабана (Рисунок 1.1.4, Приложение). Такие моечные машины станут идеальным вариантом для большого количества сложных изделий. Благодаря своему строению струйно-погружные моечные машины обеспечивают высочайшее качество очистки от загрязнений.Производительность очистки повышается на 30-40 %.
Пароструйные моечные машины - основаны на обработке сухим паром и/или подачи под высоким давлением моющего раствора. Пароструйные моечные машины соответствуют самым строгим нормам охраны окружающей среды (Рисунок 1.1.5, Приложение). [5]
1.2 Автоматизация процесса мойки, ее преимущества и недостатки
Под автоматизацией в широком смысле понимается применение технических средств, экономико-математических методов и систем управления, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Термин «автоматизация», основанный на более раннем слове «автоматический» (поступающий с автомата), не был широко использован до 1947 года, когда Генри Форд создал отдел автоматизации. Именно в это время индустрия быстро принимала контроллеры обратной связи, которые были введены в 1930-х годах [6].
В первую очередь, когда мы говорим про мойку, как технологический процесс, выполняемый с целью очистки поверхностей чего-либо от различных загрязнений, то в первую очередь возникает понятие «автоматическая мойка автомобилей». Рассмотрим историю их появления.
В 1914 году прачечная Мичигана в США реализовала программу мойки автомобилей. Процесс, который происходил, категорически не соответствовал месту, где это происходило. Ведь прачечная гордо несла название автоматизированной, а автомобиль толкали вручную и рабочие выполняли весь процесс с помощью тряпок и ведер. Бонусом была ручная полировка деталей.
Спрос на мойки рос, несмотря на то, что услуга была довольно не из дешевых, из-за большого использования рабочих рук. Так как автомобиль необходимо было вручную намылить, смыть, высушить, отполировать детали и протолкнуть через туннель.
Но в 1921 году для американских автомобилистов все изменилось. Владелец нескольких успешных бизнесов С. П. Боланд придумал и дал жизнь первым мойкам для авто. Располагались они в городке Сен-Пол. Выглядели его автомойки очень необычно (Рисунок, Приложение).
Боланду пришла идея мыть машины в гигантских ваннах, или бассейнах. Огромная чаша диаметром 30 метров и глубиной меньше полуметра, наполненная водой, предназначалась для того, чтобы машины ездили по кругу и мылись на ходу. Так нужно было ездить на очень низкой скорости, до 15 км/ч, примерно 3-4 минуты. При этом стенки чаши вибрировали, машина подпрыгивала на кочках, чтобы как можно больше грязи осталось в бассейне. Если владелец хотел помыть всю машину, он заезжал в бокс, где его ждали обычные автомойщики [7].
Во второй половине прошлого столетия автомойки начали усовершенствовать. Автоматизация помогала улучшить сам процесс и сэкономить на заработной плате персоналу. Chicago Auto Bowl - первой установила пол, который подобно конвейерной ленте на заводе провозил автомобиль через все этапы мойки (Рисунок 1.2.2, Приложение). Вверху поместили разбрызгиватель, далее водитель проезжал через бассейн для шин по кругу до тех пор, пока они не очистились.
8 апреля 1962 года был знаковым днем в истории автоматических моек. Так как именно в тот день было запатентовано первую в мире установку для автоматической мойки автотранспорта. Владельцы первой в мире автомойки – Йохан Зульцбергер и Гебхард Вайгель. Однако свою мойку в Аугсбурге они открыли вовсе не ради коммерческой выгоды.
Дело было просто в том, что оба они работали архитекторами и были вынуждены часто ездить между объектами. Из-за частых и продолжительных поездок их автомобили пребывали чистыми очень недолго. Ручная мойка обычной ветошью с ведром воды – слишком примитивный вариант, который, понятное дело, не устраивал двух высококвалифицированных инженеров.
Система состояла из двух вращающихся щёток и автомата, принимающего монеты для оплаты. Во время мытья машины водитель оставался в салоне (Рисунок 1.2.3, Приложение).
Главной трудностью на первоначальном этапе было приготовление оптимального моющего средства. Первоначально к воде примешивали опилки, однако затем её заменили пробковой мукой. К сожалению, такая смесь портила внешний вид авто не меньше, чем грязевой налёт. Правда, немецкие инженеры очень быстро нашли решение этой проблемы. Щётки сделали мягче, а вместо экспериментальных составов стали использовать мыльные растворы [8].
В 1984 году на рынке появился аппарат, который был запатентован еще в 1950 году Альфредом Керхером. Принцип его работы заключался в использовании воды под высоким давлением для очистки поверхности (Рисунок, Приложение).
Рассмотрим основные преимущества и недостатки ручной и автоматической мойки (Таблица 1).
Таблица 1. Преимущества и недостатки ручной и автоматической мойки
|
Вид мойки |
Преимущества |
Недостатки |
|
Ручная |
низкая стоимость; более качественная мойка и в полном объеме; в любое время и в любом месте, где есть вода. |
не всегда удобна; трудоемкость и большие затраты времени; риск механических повреждений. |
|
Автоматическая |
высокая скорость мытья; простота и удобство для человека. |
низкое качество мытья; риск механических повреждений; высокая стоимость. |
Таким образом, автоматизация мытья требует постоянных материальных затрат, включая увеличенный расход воды и электроэнергии, ее в принципе можно заменить ручным трудом. Но при этом она позволяет экономить время человека, а также увеличивать качество мытья.
1.3 Примеры современных автоматических моек
В первую очередь современные автоматические мойки применяются для всех видов транспорта: грузовых и легковых автомобилей, поездов, самолетов и т.д. (Рисунок 1.3.1, Приложение)
В таблице 2 представлены виды автоматических моек машин, а также преимущества, которыми они обладают [9].
Таблица 2. Преимущества отдельных видов автоматических моек машин
|
Вид автоматической мойки автомобилей |
Преимущества |
|
Портальная мойка |
Бывают контактные и бесконтактные (вместо вращающейся щетки используются аппараты высокого давления). К плюсам относится скорость и, соответственно, минимальные издержки на воду и персонал. Подходит автомобилям различного размера. |
|
Туннельная мойка |
Плюсами туннельной мойки являются высокая скорость (выше портальной), возможность установки на конвейере нескольких автомобилей одновременно. |
|
Мойка самообслуживания |
В программу самообслуживания включено нанесение активной пены, мойка под высоким давлением, нанесение жидкого воска, использование пылесоса. К основным преимуществам можно отнести невысокую цену одного цикла. |
|
Мойка паром |
В работе по чистке автомобильного кузова и салона применяется парогенератор. Это позволяет существенно снизить расход воды. С помощью сухого пара производится очищение салона от пятен, неприятного запаха. Плюс: не нужно долго ждать высыхания салона. |
|
Мобильная автомойка |
К преимуществам можно отнести отсутствие привязанности к определенному месторасположению, возможность перемещения с одного места на другое. Такие мойки устроены на основе модульных конструкций, а также на базе специально оборудованных прицепов - трансформеров. |
|
Сухая мобильная мойка |
Такой вид не предусматривает наличие жидкой воды, применяет специальное экологически чистое химическое средство. После такой мойки авто покрывается защитной пленкой на лакокрасочном покрытии авто, которая обладает антикоррозионными свойствами, эффектом «антидождь». Плюсы: экономия времени, воды, безвредна для окружающей среды. |
Другим популярным видом автоматических моек выступают так называемые бытовые роботы:
посудомоечная машина - электромеханическая установка для автоматической мойки посуды. Применяется как в заведениях общественного питания, так и в домашних условиях.
стиральная машина – автомат - автономная установка для стирки вещей, получившая название «автомат» из-за того, что все процессы стирки производятся в автоматическом режиме. Пользователю нужно лишь загрузить вещи и моющее средство, выбрать нужную программу стирки, а после окончания выгрузить вещи.
моющий пылесос - устройство для влажной уборки помещения, являющееся разновидностью классического пылесоса для сухой чистки. Обработка поверхностей происходит за счёт встроенного резервуара, из которого под давлением через трубки и распылители поступает специальная моющая жидкость.
робот – мойщик окон - универсальное устройство, которое очищает поверхности различных структур. По характеру прикрепления к поверхности устройства делятся на вакуумные — предназначенные для очистки разнообразных покрытий и предметов и магнитные — выполняющие только мытье окон (Рисунок 1.3.2,Приложение).
Существуют также и специализированные мойки. Например, для фруктов и овощей, для медицинских инструментов и т.д. Также разработаны автоматические мойки для мытья животных, а также человека (Рисунок 1.3.3, Приложение).
Глава 2. Практическая часть
2.1 Конструкция и функции автоматической лапомойки для собак на базе конструктора SpikePrime
Мы рассмотрели существующие виды автоматических моек для дома, для транспорта, их основные виды, принципы работы, а также преимущества и недостатки. Исходя из этого, мы решили создать проект «Автоматическая лапомойка для собак» (Рисунок 2.1.1, Приложение).
Наш проект мы создавали с помощью конструктора SpikePrime, а также LeGo City. Для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов SpikePrime.
Наш проект состоит из двух частей: модели собаки и непосредственно самой автоматической мойки по типу контактной мойки с круглыми щетками (Рисунок 2.1.2, Приложение).
Наша собака по внешнему виду напоминает настоящую собаку (Рисунок 2.1.3, Приложение). Сзади корпуса собаки мы добавили хвост, а спереди прикрепили ушки и голову с датчиком цвета. В модели собаки установлены два средних мотора, отвечающих за передние и задние ноги. Шагает робот с помощью системы рычагов. Датчик цвета необходим, чтобы собака двигалась по направлению к автоматической мойке со скоростью 20% (реагирует на красный цвет).
Автоматическая лапомойка включает в себя программируемый хаб, два мотора и ультразвуковой датчик (Рисунок 2.1.4, Приложение).
За движение и остановку модели отвечает ультразвуковой датчик «F». То есть лапомойка начинает свою работу только тогда, когда собака подошла к ней ближе, чем на 5 см.
За работу моющих блоков отвечают малые моторы «А» и «Е». Они располагаются по бокам мойки и, благодаря им, проходит очищение лап собаки с мощностью 40%. Предусматривается подача как горячей, так и холодной воды.
При необходимости автоматическая мойка может быть заправлена и другими специальными средствами для мытья:
средства для сильных загрязнений. К таковым можно отнести остатки машинного топлива, различных химических соединений, реагентов, мазута;
антисептические средства на основе хлоргексидина. Такие шампуни как нельзя лучше подходят для очистки повреждений (порезов, потёртостей);
антипаразитарные составы. Кроме чистоты помогут избавить животное от клещей. Специальные заживляющие компоненты бережно смягчат подушечки и устранят раздражение;
любые шампуни для собак. Как правило, подходят для любой породы, универсальны в применении. То есть можно мыть всего питомца либо только лапы.
смягчающие шампуни. В основе таких средств лежит пантенол. Он известен своими регенерирующими свойствами. Для ног активных животных – настоящее спасение.
Для хозяев, столкнувшихся с аллергическими реакциями у питомцев, хорошим решением станет использование гипоаллергенных составов. Они не содержат агрессивных добавок, а также сильных отдушек.
2.2 Управление моделью при помощи программного обеспечения Education SPIKE
Проект управляется при помощи программного обеспечения Education SPIKE.
Передача задач между моторами передается при помощи датчиков (Рисунок 2.2.1,Приложение).
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.
Программа автоматической лапомойки 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.
Заключение
Четвероногие друзья человека – большие любители прогулок, но мало кто из них может похвастаться любовью к мытью лап после улицы. Многие хозяева ошибочно думают, что мытьё лап собаке после прогулки актуально лишь в «грязный» осенне-весенний период. Это является большим заблуждением. Ведь речь идёт не просто о чистоте питомца или квартиры, а о его здоровье.
Во время прогулки собака может наступить на что-то острое. Оно вонзится в подушечки или оставит порез, причиняя боль. Процесс очистки конечностей поможет обнаружить рану и провести её своевременную обработку.
Бегая по лужам, животное может угодить в остатки машинного топлива или другой токсичной смеси. Поэтому, когда мы моем лапы собаке после прогулки, то избавляемся от вредных веществ, которые могут привести к ожогу или отравлению.
Зимой регулярная очистка поможет удалить остатки реагентов, являющихся сильным аллергеном для животного.
Существует большая вероятность заражения вирусами и инфекциями через грязные конечности как самой собаки, так и хозяев. На земле содержится огромное количество всевозможных бактерий и возбудителей заболеваний. Весной животное вовсе может принести домой клеща или других насекомых.
Рассмотрев варианты автоматических моек, мы решили создать свой вариант автоматической лапомойки, которая станет оптимальным решением ежедневной проблемы для владельцев домашних животных.
Список используемой литературы
Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Legoконструкции 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;
Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;
Интернет источники:
https://konveer.ru/faq/kakov-princip-raboty-moechnoy-mashiny?ysclid=lf6i78ptls684699221
https://konveer.ru/faq/chto-vhodit-v-ponyatie-moechnoe-oborudovanie?ysclid=lewn6idb1o946310697
https://ru.wikipedia.org/wiki/Автоматизация
https://travelask.ru/blog/posts/26907-avto-spa-kak-vyglyadeli-vanny-dlya-mashin
https://moyka-wave.ru/o-kompanii/stati/s-chego-vsyo-nachinalos-samaya-pervaya-v-mire-avtomojka/?ysclid=lf6lp50nij220680299
https://dombrat.ru/tehnika/avtomaticheskaya-moyka-avtomobiley.html
Приложение
Рисунок 1.1.1 Струйная моечная машина
Рисунок 1.1.2 Туннельная струйная моечная машина
Рисунок 1.1.3Погружная моечная машина
Рисунок 1.1.4 Струйно-погружная моечная машина
Рисунок 1.1.5 Пароструйные моечные машины
Рисунок 1.2.1 Первая мойка для автомобилей (С.П. Боланд, США)
Рисунок 1.2.2 Первые автомойки по конвейерной ленте
Рисунок 1.2.3 Первая Рисунок 1.2.4 Аппарат Керхера
запатентованная автомойка
Рисунок 1.3.1 Виды автомоек для транспорта
Рисунок 1.3.2 Наиболее популярные бытовые роботы
Рисунок 1.3.3 Автоматические мойки для животных и людей
Рисунок 2.1.1 Процесс создания проекта
Рисунок 2.1.2 Проект «Автоматическая лапомойка для собак»
Рисунок 2.1.3 Модель собаки
Рисунок 2.1.4 Модель автоматической лапомойки
Рисунок 2.2.1 Программы для запуска проекта